Гидрометаллургический способ получения цветных металлов

II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

Общие способы получения металлов.

Способы получения металлов обычно разделяют на:

• пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);
• гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);
• электрометаллургические (электролиз раствора или расплава);
• биометаллургические.

I. Пирометаллургический способ получения металлов.

1. Карботермический способ получения металлов − восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

Mе_xO_y + C = CO + Me,

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением(если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)

3. Металлотермический способ (способ получения металлов, в котором в качестве восстановителя применяют металлы)

В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:

А) Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)

3BaO + 2Al = 3Ba + Al₂O₃ (получают барий высокой чистоты)

Б) Магниетермия:

Mе_xO_y + Mg = MgO + Me

Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.

4. Водородотермия −для получения металлов особой чистоты

II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

затем проводят реакцию замещения:

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.

Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:

а) из сульфида – обжигом в кислороде:

б) из карбоната – разложением при нагревании:

СаСО₃ = СаО + СО₂

III. Электрометаллургический способ получения металлов − восстановление металлов электрическим током (электролиз).

1. Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (чаще всего хлоридов):

2NaCl – расплав, электр. ток → 2Na + Cl₂↑

CaCl₂ – расплав, электр. ток. → Ca + Cl₂↑

4NaOH – расплав, электр. ток. → 4Na + O₂↑ + 2H₂O (. используют изредка для Na)

2. Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na₃AlF₆ (из бокситов):

2Al₂O₃ – расплав в криолите, электр. ток. → 4Al + 3O₂↑

3. Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:

Металлы в природе.

Металлы в природе встречаются в трёх формах.

1) В свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро, но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. В самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово.

2) Все металлы. Металлы средней и малой активности, которые в ряду напряжений находятся до олова, в природных условиях встречаются только в виде соединений − образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.

3) Химически активные элементы встречаются либо в виде простых солей, либо в виде полиэлементных соединений, которые имеют очень сложное химическое строение, но в основном достаточно просто разлагаются на составляющие при определенном воздействии.

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:

хлоридов сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;

нитратов – чилийская селитра NaNO₃;

карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃•MgCO₃;

сульфидов серный колчедан FeS₂, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;

оксидов – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк, содержащий различные гидроксиды железа (III) Fe₂O₃•Н₂О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургию подразделяют на черную (производство железа и его сплавов) и цветную (производство остальных металлов).

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла.

3. Промышленные способы получения металлов.

При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.

Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.

Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.

Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки. Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия. Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.

Дата добавления: 2017-06-02 ; просмотров: 9860 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Гидрометаллургические способы получения металлов

Гидрометаллургические способы получения цветных металлов в металлургической промышленности. Процесс получения металла высокой чистоты с помощью растворов. Сведения об алюминии, сырьё для глинозёма, получение алюминатно-щелочного раствора из бокситов.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	14.09.2012
Размер файла	34,7 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Гидрометаллургические способы получения металлов

Цветные металлы играют большую роль в создании материально — технической базы металлургической промышленности. В настоящее время металлургия цветных металлов широко внедряет замкнутые технологические схемы с полной переработкой полупродуктов и организовывает использование отходов на металлургических заводах. Большое значение приобретает комплексное использование сырья с помощью наиболее эффективных технологических процессов.

Современная металлургия занимается вопросами получения металлов из природного сырья или продуктов обогащения этого сырья. Для получения металла сырьё проходит ряд процессов и подвергается глубоким химическим изменениям.

Металлургия, как наука, делится на ряд самостоятельных разделов, посвященных различным металлам. Каждый из разделов изучает свои процессы в последовательности обработки сырья: сначала наиболее сложные процессы обработки металлургического сырья, а затем более простые — рафинирование металлов.

Процессы делятся на гидрометаллургические и пирометаллургические. Подобие многих процессов различных металлургических производств позволяет значительно упростить первоначальное изучение теоретических основ металлургии.

Курс ТМП описывает процессы в естественной последовательности — от простого к сложному, так как сложные процессы являются сочетанием более простых.

Практикой установлено, что для получения металла высокой чистоты из обычного многокомпонентного сырья необходима цепь металлургических процессов, постепенно разделяющих компоненты сложного сырья. Разделение компонентов сырья в процессах металлургии основано на переводе обрабатываемого сырья в гетерогенную систему (чаще всего 2-х фазную), фазы которой различаются по составу и физическим свойствам. Одна из фаз полученной системы должна быть богата извлекаемым металлом и бедна примесями, другая богата примесями и бедна извлекаемым металлом. Различие физических свойств, полученных фаз, должно позволить отделить их друг от друга простейшими приёмами — отстаиванием, фильтрованием. Конечный эффект в производственном процессе зависит не только от распределения компонентов между фазами системы, но и от полноты разделения полученных фаз в процессе.

Полнота разделения компонентов между фазами системы зависит от составов и количества фаз системы. Операция разделения фаз не улучшает разделения компонентов , достигнутого при физико — химическом изменении системы, но может в большей или меньшей мере ухудшить достигнутый эффект разделения компонентов если разделение фаз выполнено не совершенно.

Металлургический процесс может иметь одно из трёх назначений:

перевод обрабатываемого материала в гетерогенную систему, фазы которой различаются по содержанию извлекаемого компонента и легко отделимы друг от друга;

Разделение фаз полученной гетерогенной системы;

Подготовка материала к последующему процессу.

Первые два пункта принадлежат к существенным, основным, процессам металлургии, причем во многих случаях обе задачи решаются в одном процессе и аппарате. Процессы третьего пункта служат вспомогательными, подготовительными, например: измельчение сырья, окускование мелкого сырья спеканием или брикетированием.

Мы изучаем гидрометаллургию. К этой области относятся металлургические процессы, протекающие в водных растворах. Температура таких процессов ограничивается существованием водных растворах. Такие процессы как правило проводятся при низких температурах. 20 — 80 0 С.

Есть также автоклавные процессы, осуществляемые при Т-300 0 С. и повышенном давлении, препятствующем испарению воды.

В гидрометаллургии, основной гетерогенной системой, в которой осуществляют разделение составляющих между фазами ( 1- извлекает металл, 2- примеси), служит система:

Раствор твердое вещество.

Основные операции гидрометаллургии, при которых получается гетерогенная система с жидкой и твёрдой фазами различного состава, следующие:

Выщелачивание — растворение многофазного твёрдого сырья селективно действующим раствором реагента;

Осаждение из раствора определённых составляющих селективно действующим реагентом или электролизом.

Процессы гидрометаллургии повторяют классические реакции аналитической химии — реакции растворения и осаждения в производственном масштабе. Гидрометаллургические схемы состоят из четырёх более или менее сложных по химическим процессам и аппаратурному оформлению ступеней:

Подготовка сырья — руды или концентрата — к выщелачиванию

Выщелачивание подготовленного сырья для получения первичного раствора извлекаемого компонента.

Очистка первичного раствора от примесей.

Получение из раствора металла или чистого соединения извлекаемого компонента.

Рабочей системой и продуктом процессов выщелачивания и осаждения реагентами является пульпа — суспензия твёрдых частиц в растворе.

Пульпа, как суспензия характеризуется соотношением масс твёрдой части и раствора ( Ж:Т) и составами жидкой и твёрдой составляющих.

В гидрометаллургии имеют дело с растворами самых разнообразных концентраций. В металлургии алюминия работают с растворами, содержащими сотни граммов в литре растворённых веществ и в том числе более 100 г/ литр извлекаемого металла.

Алюминий — химический элемент третьей группы периодической системы элементов. Его порядковый номер 13, атомная масса 26,98. Устойчивых изотопов не имеет.

Химические свойства

Алюминий химически активен. Уже в обычных условиях он взаимодействует с кислородом воздуха, покрываясь очень тонкой и прочной плёнкой окиси Al₂O₃. Эта плёнка защищает Al от дальнейшего окисления и обуславливает его довольно глубокую коррозионную стойкость, а также ослабляет металлический блеск.

В мелкораздробленном состоянии при нагревании на воздухе Al воспламеняется и сгорает с выделением большого количества тепла Q

400 к кал/ г- атом.

Нормальный электродный потенциал Al в кислой среде — 1,66 , в щелочной — 1.66 . Так как Al амфотерен, то он растворяется в соляной кислоте и в растворах щелочей.

Физические свойства

Т — плавления алюминия технической чистоты ( 99,5%) — 658 0 С. С повышением степени чистоты Т — плавления возрастает и для металла высокой чистоты ( 99,996%) составляет 660,24 0 С. При переходе алюминия из жидкого состояния в твёрдое объём его уменьшается на 6.6.%. Т — кипения — 2500 0 С.

В твёрдом состоянии плотность алюминия:

технической чистоты = 2,703 г/ см 3

высокой чистоты = 2,6979 г/ см 3

При Т = 1000 0 С плотность =2,289 г/ см 3

В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы при литье. В твёрдом виде алюминий легко подвергается ковке, прокатке, волочению, резанию. Из него можно вытягивать тончайшую проволоку и катать фольгу. Пластичность алюминия возрастает по мере повышения его чистоты.

Алюминий имеет высокую теплопроводность и электропроводность.

Применение алюминия

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Это небольшая плотность, хорошая пластичность, достаточная механическая прочность, высокие тепло — и электропроводность. Нетоксичен, немагничен и коррозионно стоек к раду химических веществ. Благодаря этим своим свойствам он нашел огромное применение в самых различных областях промышленности.

Значительная часть алюминия используется в виде сплавов с: магнием, кремнием, цинком, никелем, титаном и другими. Сплавы повышают механическую прочность.

Важнейшие потребители алюминия и его сплавов:

Авто и авиа промышленность

Железнодорожный и водный транспорт

Машиностроение

Электротехническая промышленность и приборостроение

Промышленное и гражданское строительство

Химическая промышленность

Алюминий один из важнейших стратегических металлов, используется в, артиллерии, танкостроении, космической технике.

3. История развития алюминиевой промышленности

В настоящее время под металлургией в узком смысле этого слова понимают ту область науки и промышленности, которая занимается получением металлов и сплавов из руд и других металлов. Первым ученым металлургом был Агрикола (Бауэр) 1494-1555гг., изучавший металлургию на европейские заводах. В 1556г. вышла, написанная им книга по металлургии и горному делу, называлась она «De Re Metallica». Однако научный уровень, изложенных в ней вопросов металлургии был очень низкий. В таком положении металлургическая наука находилась на протяжении двухсот лет. Лишь открытие великим русским ученым Ломоносовым (1711-1765гг) закона «сохранения веса при химических реакциях» (1748г) позволило на его основе дать изложение способов извлечения металлов из руд на более высоком уровне, чем существующих до него руководствах по металлургии. Ломоносов стал основателем научной металлургии и автором первой на русском языке книги по металлургии. Он экспериментально доказал, что не материя сия, а воздух окисляет материалы. Это дало возможность правильно трактовать металлургические процессы с точки зрения взаимодействия руд и топлива с воздухом.

Конец XVIII и первая половина XIX вв. в России отмечены рядом крупных открытий и ценных исследований в области металлургии цветных и благородных металлов. Открытый Гессом закон « о постоянстве суммы тепла реакций» стал основой теоретической металлургии. В 1834г Фарадей открыл закон электролиза, явившегося основой процессов электролитического получения и рафинирования металлов. Большим достижением науки было создание в 1869г Д.И. Менделеевым периодической системы элементов. Русские ученые Бекетов. Федоров, Кузнецов. Жуковский и другие сделали ряд выдающихся исследований, которые сыграли большую роль в развитии мировой алюминиевой промышленности.

Открытый Байером в конце XVIII века щелочной метод получения глинозема из бокситов явился самым экологичным и экономическим способом производства алюминия.

5 мая 1922г был пущен в работу Каталинский (Кировоградский) медеплавильный завод на Урале. Эта дата считается днем рождения цветной металлургии в странах СНГ. В конце 1922г начал выдавать руду, концентраты, металлы, серную кислоту свинцово-цинковый завод в Алагире; завод электроцинка на Северном Кавказе. В течении 1924-1925гг вступили в строй Талды-Баймакский (в Башкирии), Алавердинский и Зангезурский (В Армении) и Карабашский (на Урале) медные заводы.

В России в 1929г были проведены опыты электролиза алюминия из отечественного сырья. Опыты были проведены на заводе «Красный выборжец» в Ленинграде.

В 1931 г был создан научно-исследовательский институт алюминиевой и магниевой промышленности. В нем была сосредоточена основная масса научно-исследовательских работ по производству алюминия и магния, сыгравшую огромную роль в создании и развитии алюминиевой промышленности в СНГ.

В 1932г был пущен Волховский алюминиевый завод (ВАЗ), в!933г Днепропетровский алюминиевый завод, основой которых является план ГОЭЛРО, в 1938г вступил в строй Тихвинский глиноземный завод, в 1939г Уральский алюминиевый завод, в 1942г Новокузнецкий алюминиевый завод; в 1950г — Канакерский, в 1951г — Кандалашский, в 1954г — Надвандский, в 1955г — Сумгаитский, 1959г — Волгоградский, в 1962г — Иркутский, в 1964г -Красноярский, в 1966г — Братский, Ачинский, в 1970г Николаевский, Таджикский, Кировобадский алюминиевые заводы.

За годы советской власти были построены и пущены в работу Лениногорский свинцово-цинковый комбинат; Усть-каменогорский свинцово-цинковый комбинат; Иртышский медеплавильный завод; Балхашский горно-металлургический комбинат; Джезказганский, Чимкентский свинцовые заводы и в 1964г Павлодарский алюминиевый завод.

Читайте также:  Легкий способ бросит курить навсегда

Производство алюминия развивается исключительно быстрыми темпами. Быстрый рост производства объясняется прежде всего ценными его свойствами, разнообразием областей применения и большой распространенностью руд в природе. Алюминий один из важнейших стратегических металлов, используется в авиации, судостроении, артиллерии, танкостроении, космической технике.

4. Сырье для получения глинозема

Сырьем для получения глинозема является боксит, который представляет собой горную породу, состоящую в основном из гидроокиси алюминия, окислов железа, SiO2, TiO2 с примесью других минералов. Боксит получил свое название от города Бо (Bovx), где впервые был обнаружен в 1821 году. За последние годы во многих странах были найдены большие месторождения бокситов. Добыча бокситов ежегодно увеличивается на 10%. В настоящее время разведаны запасы примерно 10 млрд.тонн, при годовой добыче около 70 млн.тонн.

Различают бокситы: гиббсито-бемитовые, диаспоровые, гиббсито-диаспоровые. Тип боксита определяется возрастом породы, самые древние считаются диаспоровые, в них встречается корунд, а наиболее молодые бокситы — гиббситовые.

Бокситы Тургайского (Амангельдинской группы) месторождения относятся к гиббситовому типу и легко вскрываются при атмосферном давлении, кремневый модуль колеблется в широких пределах и в среднем составляет около 3-4 единиц. В северном Казахстане находится значительное число месторождений бокситов: Амангельдинская группа, Краснооктябрьская, Белинская, Аятское и другие.

Внешний вид бокситов разнообразен, чаще это красные, довольно твердые породы, нередко встречаются бокситы белые, желтые, темно-зеленые, серые. Красный цвет указывает на большое содержание железа, при малом содержании ее цвет боксита белый или серый. Чем выше кремневый модуль и большое содержание А12ОЗ, тем качественнее боксит.

Строение залегания бокситов Амангельдинской группы однотипные. Рыхлые и каменистые разновидности бокситов в разрезе рудников занимают верхние слои, а глинистые и сухаристые — нижние горизонты.

Основными разновидностями боксита Тургая, несмотря на весьма разнообразную окраску и достаточно пестрый химический состав являются каменистые, рыхлые, сухаристые, глинистые.

Каменистые бокситы не представляют собой монолитной сплошной массы, как предполагали раньше, а являются по существу рыхлыми бокситами с большим содержанием кусков и глыб различного размера.

Рыхлые бокситы представляют собой отдельные бобовины и плотные каменистые куски сцементированные обычно глинистыми разновидностями. Степень цементации различна, от слабой до весьма плотной.

Сухаристые бокситы представляют собой бобовую или безбобовую однородную каменистообразную породу с угловатыми изломами, значительная часть сухаристых бокситов является продуктом слабой дегидратации предыдущих типов, поэтому четкой границы между глинами и сухаристыми бокситами не наблюдается.

Глинистые бокситы представляют собой глинистую бобовую или реже безбобовую массу преимущественно гибситового состава с примесью коалинита. Основными материалами, входящими в состав боксита являются: гибсит; коалинит; глазурит; гидрослюда; гидроокислы железа — гематит, гидрогематит, гидрогетит, алюмогетит; в незначительных количествах в рудах присутствуют кварц, гибс, кальцит, полевые шпаты и др. Бокситоподобные породы и бокситы трудно отличить друг от друга и точно могут быть отличены по данным химического анализа.

Светлые, маложелезистые разновидности низкосортных бокситов и глины представляют собой огнеупорное сырье.

Бокситы Кустанайской области на сегодняшний момент представлены в основном тремя группами: Аятское, Белинское и Краснооктябрьское месторождения.

Помимо боксита в производстве глинозема используют и другие промышленные руды. Нефелин используется для получения глинозема, цемента, садово-поташной смеси удобрения. Крупные залежи на Кольском полуострове в виде аппетита нефелиновой породы. Обогащением руды аппатиты отделяются 3Ca3(PO4)2*CaF2, а в хвосты выделяется богатая нефелиновая фракция — нефелиновый концентрат, который является сырьем для производства глинозема.

Ачинская нефелиновая порода способом спекания непосредственно без обогащения перерабатывается на глинозем, цемент, соду и поташ.

Алуниты представляют интерес как комплексное сырье, из которого извлекается глинозем, серный ангидрит, калиевая и натриевая щелочь. Образуется алунит в результате воздействия гидротермальных сернокислых растворов на кислые и средние вулканические породы, содержащие калиевые шпаты, а также при действии сульфатных поверхностных вод на глиноземистые породы. Наиболее разведанным является Загликское месторождение в Азербайджане, в котором содержание алунитов составляет 55% среднего состава руды, А12ОЗ-22%,СО2 -20%, K2O*Na2O — 5%, SiO2 -41%,Fe-4%.

Глины — главные составляющие глинозема, содержащей породы является коалинит (A112O3*2SiO2*2H2O), который может перерабатываться на глинозем. Однако, и каменноугольные золы является менее выгодным с точки зрения организации глиноземного производства.

Средний состав Тургайского и Краснооктябрьского рудников по компонентам:

Источник