Способы получения металлов восстановление водородом

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl₂

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl₂ (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl₂

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl₂

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO₂)₂

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al₂O₃ в криолите Na₃AlF₆:

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe₂O₃ + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al = Al₂O₃ + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO₃) произойдет химическая реакция:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO₄) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H₂ = Cu + H₂O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.

Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.

Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):

CO₂ + С = 2CO

Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):

Последовательность восстановления оксида железа (III):

FeO + CO → Fe + CO₂

Суммарное уравнение протекающих процессов:

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO₃ или доломит CaCO₃·MgCO₃). Флюсы разлагаются при нагревании:

и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Способы получения металлов восстановление водородом

Чистые металлы из водорода

Существует технология, использование в которой водорода позволяет сэкономить энергоресурсы (кокс, уголь), получить больший выход готовой продукции из сырья, сократить цикл производства с одновременным повышением качества и улучшением экологического состояния атмосферы. Это металлургия, а именно – восстановление металлов с помощью водорода.

Предыстория, или Вперед в прошлое за чистыми металлами

Металлургия сопровождает человечество со времен бронзового и железного веков. Еще за 14 столетий до н. э. древние люди выплавляли железо кричным методом. Принцип заключался в восстановлении железной руды углем при сравнительно невысокой температуре 1000 °C. В итоге получали крицу – железную губку, затем ее проковывали до получения болванки, из которой изготавливали предметы быта и оружие.

Уже в XIV веке стали появляться примитивные горны и домницы, положившие начало современным металлургическим процессам: доменному, мартеновскому и конвертерному. Обилие каменного угля и железных руд надолго закрепили эти методы как основные. Однако, повышающиеся требования к качеству продукции, экономия ресурсов и экологическая безопасность привели к тому, что уже в середине XIX века стали возвращаться к истокам: использовать прямое восстановление чистых металлов. Первая современная такая установка появилась в 1911 г. в Швеции, выпускавшая малые партии полученных с помощью водорода металлов чистотой 99,99%. Потребителями тогда были лишь исследовательские лаборатории. В 1969 г. в Портленде (США) заработала фабрика, выпускавшая до 400 тыс. тонн чистых металлов. А уже в 1975 г. в мире этим способом выпускалось 29 млн тонн стали.

Сейчас такую продукцию ждут не только авиационная, приборостроительная отрасль, предприятия по изготовлению медицинских инструментов и электроники, но и многие другие. Особое преимущество эта технология получила в цветной металлургии, но в недалекой перспективе и «водородная черная металлургия».

Как сейчас используют водород для производства чистых металлов

Металлы крайне активные элементы, поэтому легко вступают в соединения (оксиды, сульфиды, хлориды и пр.) и в природе не встречаются в чистом виде. При производстве стали требуется чистый металл, а количество примесей строго регламентируется для поддержания заданных физических и химических параметров. Традиционные способы переработки руды не полностью удовлетворяют современным требованиям, поэтому металлургические заводы, загрязняющие атмосферу и водоемы выбросами, должны перестраиваться на экологичное производство.

Достойной альтернативой стало прямое восстановление металлов водородом. Полученное губчатое железо, окатыши или металлические частички идут на дальнейшую переработку для получения сплавов. Это полностью безотходное производство. Принцип обработки заключается в протекании химической реакции замещения ионов металла в связке с кислородом на ионы водорода. В результате оксиды разрушаются, высвобождается чистый металл и образуется вода. Например: CuO + H2 = Cu + H2O. Это вариант переработки медной руды. Получающийся в результате порошок становится сырьем порошковой металлургии.

Существуют два способа восстановления чистого железа. В первом варианте руда разогревается с применением твердого топлива или газа, состоящего из угарного газа и водорода. Полученные окатыши идут на дальнейшую переработку. Второй выгодно отличается от первого тем, что в процессе участвует только водород. На выходе – два вещества: чистый металл и вода. При этом скорость процесса увеличивается, а примеси отсутствуют. Этот вариант наиболее подходит к получению тугоплавких металлов типа вольфрам, титан. Одна из причин того, что этот процесс пока не стал массовым – это сложность получения, хранения и транспортировки чистого водорода. Но перечень неоспоримых преимуществ достаточен для того, чтобы ученые вплотную занялись решением этих проблем.

Преимущества использования водорода при производстве чистых металлов

Применение водорода как восстановителя обладает рядом преимуществ:
• нет необходимости в доменном переделе, производстве кокса и агломерата, поэтому многократно снижаются выбросы диоксида серы, пыли и прочих загрязнителей воздуха;
• расход воды уменьшается в 2–3 раза, и, следовательно, снижается количество сточных вод;
• выделяемый пар можно вторично использовать (предварительно сконденсировав);
• отсутствие карбидов, серы, фосфора и прочих примесей в конечном продукте;
• экономия энергоресурсов, повышение коэффициента использования сырья и сокращение производственного процесса;
• получение новых материалов – металлических порошков, обладающих после спекания повышенными: износоустойчивостью, жаропрочностью, стойкостью к химическому воздействию.

С помощью водорода получают не только чистые металлы, но и готовые изделия. Это метод газофазного формования из вольфрама тонкостенных деталей или плотных заготовок под последующую обработку давлением. Принцип работы: в результате реакции замещения из оксида при повышенной в 5–10 раз концентрации водорода образуется вода, а чистый вольфрам осаждается на графитовую или металлическую матрицу, которая затем удаляется, а готовое изделие полностью повторяет заданные очертания. Этот способ дает более чистый металл, чем при проведении такой же реакции, но с применением углерода, т. к. не образуются карбиды.

Для хранения водорода нужны большие емкости, что зачастую нецелесообразно. Поэтому его доводят до сжиженного состояния, но в таком случае необходимо запастись криогенными емкостями. Еще более удобный способ хранения – это изготовление металлогидридов. Суть метода основывается на способности редкоземельных металлов вступать в соединения с водородом, накапливая газ объемом в 500 тысяч раз больше, чем сам металл-носитель.

Если криоемкость с жидким водородом вдруг повредится и сжиженный газ вытечет наружу, то его пары исчезнут мгновенно. Так что вероятность горения или взрыва стремится к нулю.

Компания DP Air Gas предлагает клиентам водород газообразный технический марок А (99,99%) и Б (99,95%), соответствующий ГОСТ 3022–80. В баллонах содержится 6 м3 газа. Для удобства клиентов компания осуществляет доставку не только баллонов, но и реципиентов, а также баллонов, соединенных в моноблоки по 8–12 шт. в связке с единым выходом. Качество нашей продукции сертифицировано и постоянно проверяется в лаборатории. С полным ассортиментом можно ознакомиться здесь.

Источник

Вам также может понравиться

Ясень семена способ распространения

Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической

Ярлыки способы создания ярлыков ос windows

Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки

Японское удобрение фуджима способ применения

Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка

Японский чай способ заварки

Технология заваривания японского чая Известно, что