Введение
Экстрактивная металлургия – это отрасль металлургического машиностроения, в которой изучаются процессы и методы извлечения металлов из их природных минеральных месторождений. Эта область материаловедения охватывает все аспекты, связанные с типами руд, обогащением, концентрацией, разделением, химическими процессами и получением чистого металла, а также их легированием для различных применений – иногда для непосредственного использования в качестве готового продукта, но чаще в форме, требующей дальнейшей обработки для достижения заданных свойств, соответствующих конкретным задачам. В области черной и цветной экстрактивной металлургии существуют специализации, которые обычно объединяются в категории обогащения полезных ископаемых, гидрометаллургии, пирометаллургии и электрометаллургии в зависимости от используемого метода извлечения металла. Для извлечения одного и того же металла могут применяться различные процессы, зависящие от его природного состояния и химических требований.
Extractive metallurgy is a branch of metallurgical engineering wherein process and methods of extraction of metals from their natural mineral deposits are studied. The field is a materials science, covering all aspects of the types of ore, washing, concentration, separation, chemical processes and extraction of pure metal and their alloying to suit various applications, sometimes for direct use as a finished product, but more often in a form that requires further working to achieve the given properties to suit the applications. The field of ferrous and non ferrous extractive metallurgy have specialties that are generically grouped into the categories of mineral processing, hydrometallurgy, pyrometallurgy, and electrometallurgy based on the process adopted to extract the metal. Several processes are used for extraction of the same metal depending on occurrence and chemical requirements.
Обработка полезных ископаемых
Обработка минерального сырья начинается с обогащения, которое включает в себя первоначальное измельчение руды до требуемых размеров в зависимости от последующего процесса концентрации, посредством дробления, помола, просеивания и т.п. Затем руда физически отделяется от нежелательных примесей, в зависимости от формы их залегания и/или дальнейшей переработки. Процессы разделения используют физические свойства материалов. К этим свойствам относятся плотность, размер и форма частиц, электрические и магнитные свойства, а также поверхностные свойства. Основные физические и химические методы включают магнитную сепарацию, флотацию, выщелачивание и т.д., посредством которых примеси и нежелательные материалы удаляются из руды, а основная руда металла концентрируется, то есть процентное содержание металла в руде увеличивается. Этот концентрат затем либо подвергается обработке для удаления влаги, либо используется как есть для извлечения металла, либо перерабатывается в формы, облегчающие дальнейшую обработку. Рудные тела часто содержат более одного ценного металла. Отходы предыдущего процесса могут быть использованы в качестве исходного сырья для другого процесса с целью извлечения вторичного продукта из исходной руды. Кроме того, концентрат может содержать более одного ценного металла, который затем подвергается переработке для разделения ценных металлов на отдельные компоненты.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия изучает процессы, в которых водные растворы используются для извлечения металлов из руд. Первым этапом гидрометаллургического процесса является выщелачивание, заключающееся в растворении ценных металлов в водный раствор или подходящий растворитель. После отделения раствора от твердой руды, экстракт часто подвергается различным процессам очистки и концентрирования перед тем, как ценный металл будет извлечен либо в металлическом состоянии, либо в виде химического соединения. К ним могут относиться осаждение, дистилляция, адсорбция и экстракция растворителем. Заключительный этап извлечения может включать осаждение, цементацию или электрометаллургический процесс. В некоторых случаях гидрометаллургические процессы могут проводиться непосредственно на рудном сырье без предварительной обработки. Однако чаще руда требует предварительной обработки различными методами обогащения, а иногда и пирометаллургическими процессами.
Пирометаллургия
Пирометаллургия включает высокотемпературные процессы, в которых происходят химические реакции между газами, твердыми веществами и расплавами. Твердые вещества, содержащие ценные металлы, подвергаются обработке для образования промежуточных соединений для последующей переработки или переводятся в элементарное или металлическое состояние. Пирометаллургические процессы с участием газов и твердых веществ типично представлены операциями обжига и прокаливания. Процессы, в результате которых образуются расплавленные продукты, коллективно называют плавкой. Энергия, необходимая для поддержания высокотемпературных пирометаллургических процессов, может обеспечиваться экзотермическим характером протекающих химических реакций. Как правило, это реакции окисления, например, сульфида до диоксида серы. Однако часто требуется дополнительное энергоснабжение за счет сжигания топлива или, в случае некоторых плавок, непосредственного применения электрической энергии. Диаграммы Эллингема представляют собой полезный инструмент для анализа возможных реакций и, следовательно, прогнозирования их результатов.
Электрометаллургия
Электрометаллургия включает в себя металлургические процессы, протекающие в той или иной форме электролитической ячейки. Наиболее распространенными типами электрометаллургических процессов являются электровыигрывание и электрорафинирование. Электровыигрывание – это процесс электролиза, используемый для извлечения металлов из водных растворов, как правило, после того как руда подверглась одному или нескольким гидрометаллургическим процессам. Металл, представляющий интерес, осаждается на катоде, а анод представляет собой инертный электропроводник. Электрорафинирование используется для растворения нечистого металлического анода (обычно полученного в процессе плавки) и получения катода высокой чистоты. Электролиз расплавленных солей – еще один электрометаллургический процесс, в котором ценный металл растворяется в расплавленной соли, служащей электролитом, и осаждается на катоде ячейки. Процесс электролиза расплавленных солей проводится при температурах, достаточных для поддержания как электролита, так и производимого металла в расплавленном состоянии. Область применения электрометаллургии значительно пересекается с областями гидрометаллургии и (в случае электролиза расплавленных солей) пирометаллургии. Кроме того, электрохимические явления играют важную роль во многих процессах обогащения минерального сырья и гидрометаллургических процессах.
Ионная металлургия
Обработка минерального сырья и извлечение металлов – чрезвычайно энергоемкие процессы, не исключающие образование больших объемов твердых отходов и сточных вод, для дальнейшей обработки и утилизации которых также требуется энергия. Более того, по мере роста спроса на металлы, металлургическая промышленность вынуждена использовать источники сырья с более низким содержанием металлов, как первичные (например, минеральные руды), так и вторичные (например, шлаки, хвосты обогащения, коммунальные отходы). Следовательно, горнодобывающая деятельность и переработка отходов должны развиваться в направлении разработки более селективных, эффективных и экологически безопасных технологий переработки минералов и металлов. Операции по переработке минерального сырья необходимы, прежде всего, для концентрации интересующих минеральных фаз и отбраковки нежелательных материалов, физически или химически связанных с определенным сырьем. Однако этот процесс требует около 30 ГДж/тонну металла, что составляет около 29% от общего расхода энергии на горнодобывающие работы в США. Пирометаллургия, в свою очередь, является значительным источником выбросов парниковых газов и вредной пыли. Гидрометаллургия предполагает потребление больших объемов выщелачивающих агентов, таких как H2SO4, HCl, KCN, NaCN, которые характеризуются низкой селективностью. Более того, несмотря на экологические проблемы и ограничения на использование, введенные некоторыми странами, цианирование по-прежнему считается основной технологией извлечения золота из руд. Ртуть также используется кустарными старателями в менее экономически развитых странах для концентрации золота и серебра из минералов, несмотря на ее очевидную токсичность. Биогидрометаллургия использует живые организмы, такие как бактерии и грибы, и хотя этот метод требует лишь поступления O2 из атмосферы, он требует низкого соотношения твердой и жидкой фаз и длительного времени контакта, что значительно снижает объемную производительность. Ионометаллургия использует неводные ионные растворители, такие как ионные жидкости (IL) и глубокие эвтектические растворители (DES), что позволяет разрабатывать замкнутые технологические схемы для эффективного извлечения металлов, например, путем интеграции металлургических операций выщелачивания и электролиза. Это позволяет перерабатывать металлы при умеренных температурах в неводной среде, что обеспечивает контроль над формами существования металлов, допускает наличие примесей и одновременно демонстрирует подходящую растворимость и эффективность тока. Это упрощает традиционные технологические маршруты и позволяет существенно сократить размеры металлургического предприятия.
Экстракция металлов ионными жидкостями
ДЭС – это жидкости, обычно состоящие из двух или трех недорогих и безопасных компонентов, способных к самоассоциации, часто посредством водородных связей, с образованием эвтектических смесей с температурой плавления ниже, чем у каждого отдельного компонента. ДЭС обычно остаются жидкими при температурах ниже 100 °C и демонстрируют физико-химические свойства, сходные с традиционными ионными жидкостями (ИЖ), при этом будучи значительно дешевле и экологически безопаснее. Большинство из них представляют собой смеси хлорида холина и донора водородных связей (например, мочевины, этиленгликоля, малоновой кислоты) или смеси хлорида холина с гидратированной металлической солью. Другие соли холина (например, ацетат, цитрат, нитрат) обходятся значительно дороже или требуют синтеза, а ДЭС, полученные из этих анионов, как правило, более вязкие и могут обладать более высокой электропроводностью, чем на основе хлорида холина. Это приводит к снижению скорости осаждения и ухудшению способности к равномерному покрытию, поэтому системы ДЭС на основе хлорида по-прежнему предпочтительнее. Например, Reline (смесь хлорида холина и мочевины в соотношении 1:2) используется для селективного извлечения Zn и Pb из смешанной оксидной матрицы. Аналогично, Ethaline (смесь хлорида холина и этиленгликоля в соотношении 1:2) облегчает растворение металла при электрополировке сталей. ДЭС также продемонстрировали многообещающие результаты в извлечении металлов из сложных смесей, таких как Cu/Zn и Ga/As, а также драгоценных металлов из минералов. Кроме того, показано, что металлы могут быть извлечены из сложных смесей с помощью электрокатализа, используя комбинацию ДЭС в качестве ликсивов и окислителя, при этом ионы металлов могут одновременно отделяться от раствора методом электровыигрывания.
Восстановление драгоценных металлов методом ионометаллургии
Драгоценные металлы – это редкие, природные металлические химические элементы, обладающие высокой экономической ценностью. С точки зрения химии, драгоценные металлы, как правило, менее реакционноспособны, чем большинство элементов. К ним относятся золото и серебро, а также так называемые металлы платиновой группы: рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платина (см. драгоценные металлы). Извлечение этих металлов из соответствующих рудных минералов обычно требует пирометаллургических (например, обжиговых) процессов, гидрометаллургии (цианирования) или их комбинации. Ранние исследования показали, что скорость растворения золота в Эталайне значительно выше, чем при цианировании, и дополнительно повышается при добавлении йода в качестве окислителя. В промышленном процессе йод потенциально может использоваться в качестве электрокатализатора, при этом он непрерывно восстанавливается непосредственно из йодида путем электрохимического окисления на аноде электрохимической ячейки. Растворенные металлы могут быть селективно осаждены на катоде путем регулирования электродного потенциала. Метод также обеспечивает лучшую селективность, поскольку некоторые пустые породы (например, пирит) растворяются медленнее. Сперрилит (PtAs2) и монхеит (PtTe2), которые обычно являются наиболее распространенными платиновыми минералами во многих ортомагматических месторождениях, не реагируют в тех же условиях в Эталайне, поскольку они представляют собой дисульфидные (пирит), диарсенидные (сперрилит) или дителлуридные (калаверит и монхеит) минералы, особенно устойчивые к окислению йодом. Механизм реакции, посредством которого происходит растворение платиновых минералов, все еще изучается.
Восстановление металлов из сульфидных минералов ионометаллургией
Сульфиды металлов (например, пирит FeS2, арсенопирит FeAsS, халькопирит CuFeS2) обычно перерабатываются химическим окислением либо в водной среде, либо при высоких температурах. Фактически, большинство неблагородных металлов, например, алюминий, хром, должны быть (электро)химически восстановлены при высоких температурах, что требует значительных энергозатрат и иногда приводит к образованию больших объемов водных отходов. В водной среде, например, халькопирит химически растворяется сложнее, чем ковелит и халкоцит, из-за поверхностных эффектов (образования полисульфидных соединений). Предполагается, что присутствие ионов Cl− изменяет морфологию любой формирующейся сульфидной поверхности, облегчая выщелачивание сульфидного минерала за счет предотвращения пассивации. DES обеспечивают высокую концентрацию ионов Cl− и низкое содержание воды, одновременно снижая необходимость в высоких концентрациях дополнительных солей или кислот и обходя большинство реакций оксидной химии. Таким образом, электрорастворение сульфидных минералов продемонстрировало многообещающие результаты в среде DES в отсутствие пассивирующих слоев, с высвобождением в раствор ионов металлов, которые могут быть извлечены из раствора. При извлечении меди из минералов сульфида меди с использованием эталина, халкоцит (Cu2S) и ковелит (CuS) образуют желтый раствор, что указывает на формирование комплексов [CuCl4]2−. В то же время, в растворе, полученном из халькопирита, в растворе сосуществуют ионы Cu2+ и Cu+, что обусловлено образованием восстановительных частиц Fe2+ на катоде. Наилучшее селективное извлечение меди (>97%) из халькопирита достигается при использовании смешанного DES, состоящего из 20 мас. % оксалата хлорида холина (ChCl) и 80 мас. % эталина.
Восстановление металлов из соединений оксидов ионометаллургией
Восстановление металлов из оксидных матриц обычно проводят с использованием минеральных кислот. Однако электрохимическое растворение оксидов металлов в DES может увеличить растворение более чем в 10 000 раз в нейтральных по pH растворах. Исследования показали, что ионные оксиды, такие как ZnO, как правило, обладают высокой растворимостью в ChCl:малоновой кислоте, ChCl:мочевине и эталине, что сопоставимо с растворимостью в водных кислотных растворах, например, HCl. В то же время, ковалентные оксиды, такие как TiO2, практически не растворяются. Электрохимическое растворение оксидов металлов сильно зависит от активности протонов в HBD, то есть от способности протонов выступать в роли акцепторов кислорода, а также от температуры. Сообщалось, что эутектические ионные жидкости с более низким pH, такие как ChCl:оксаловая кислота и ChCl:молочная кислота, обеспечивают лучшую растворимость, чем жидкости с более высоким pH (например, ChCl:уксусная кислота). Следовательно, можно получить различную растворимость, используя, например, различные карбоновые кислоты в качестве HBD.
Перспективы
В настоящее время стабильность большинства ионных жидкостей в реальных электрохимических условиях остается неизвестной, и выбор ионной жидкости по-прежнему основывается на эмпирических данных, поскольку практически отсутствуют сведения о термодинамике ионов металлов, необходимые для моделей растворимости и образования видов. Также нет доступных диаграмм Пурбе, стандартных окислительно-восстановительных потенциалов и даже базовых знаний о видообразовании или значениях pH. Важно отметить, что большинство процессов с использованием ионных жидкостей, описанных в литературе, находятся на уровне готовности технологии (TRL) 3 (экспериментальное подтверждение концепции) или 4 (технология, валидированная в лабораторных условиях), что затрудняет их оперативное внедрение. Тем не менее, ионометаллургия обладает потенциалом для эффективного и селективного извлечения металлов с соблюдением принципов устойчивого развития, благодаря использованию экологически безопасных растворителей, сокращению выбросов парниковых газов и отказу от коррозионно-активных и опасных реагентов.