روشهای بازیابی فلزات

بازیابی فلز

پس از  پرعیاری به روش های مختلف نوبت به بازیابی فلز از محلول میرسد. بدین منظور از روش های مختلفی استفاده میشود که متداول ترین آنها عبارت اند از:

• ته نشینی

واکنش های ته نشینی ممکن است به منظور تصفیه محلول و یا در تولید نهایی یک فلز یا یک ترکیب مورد استفاده قرار گیرند. ته نشینی در صنایع معدنی و متالورژی به عملیات متعددی اطلاق میشود. عملیات هایی شامل: رسوب کردن ترکیبی نامحلول از محلول به کمک یک ماده شیمیایی با حرارت، رسوب کردن یک فلز یا یک اکسید فلزی در اثر عبور جریان الکتریسیته از یک محلول، جمع آوری گرد و غبار یا قطرات متفرق شده در یک بخار با عبور مخلوط از یک میدان الکترواستاتیکی، تشکیل فاز جدیدی از یک آلیاژ با واکنش بین جامد-محلول. کلیه واکنش های ته نشینی بستگی به حلالیت آنها دارند زیرا هر ماده خالصی در شرایط مشخص محیط و درجه حرارت، دارای حلالیت مشخصی است. چنانچه غلظت ماده از حلالیت آن بیشتر باشد، پس از اشباع محلول، میزان اضافی آن در محیط راسب میشود و یا محلولی فوق اشباع حاصل میشود. البته با توجه به ناپایداری محلول فوق اشباع، نتیجه امر معمولا ته نشینی است. مهمترین پارامتر موثر در ته نشینی عبارت اند از: درجه حرارت، pH، تشکیل یون کمپلکس، حالت اکسیداسیون، اثر متقابل حلال – محلول و فشار محیط. تاثیر دانه بندی نیز هرچند نسبتا کم است ولی قابل ملاحظه است.

• الکترولیز

در اثر عبور یک جریان الکتریسیته یک سو از محلولی از یک نمک (الکترولیت)، یون های فلزی (کاتیون ها) به سمت کاتد و یونهای رادیکال اسید (آنیونها) به سمت آند حرکت میکنند. در نتیجه در سطح هر دو الکترود تغییراتی حاصل میشود. در سطح کاتد، کاتیونها در واکنش احیا با پذیرش الکترون تخلیه میشوند. محصول اصلی کاتد، فلز مورد نظر است که بر روی آن راسب میشود.در برخی حالات هیدروژن نیز در سطح کاتد تمایل به احیا و در نتیجه تولید بصورت گاز بعنوان محصول ثانویه دارد. در سطح آند، به علت واکنش اکسیداسیون کمبود الکترون بروز میکند. اگر آند از جنس همان فلزی باشد که در سطح کاتد راسب میشود، این فلز نیز در اثر اکسیداسیون در محیط حل میشود. با وجود این، اگر سطح آند در مقابل مواد شیمیایی یا اکسیداسیون مقاومت کند، محصول اصلی آن گاز اکسیژن است که از اکسیداسیون یونهای هیدروکسیل مشتق شده از یونازیسیون آب بدستت می آید. آنیون موجود در محیط با هیدروژن حاصل از تجزیه یون هیدروکسیل ترکیب میشود و بنابراین محصول ثانویه آند، اسید آزاد است. بدون در نظر گرفتن کاربردهای الکترولیز در آبکاری فلزات، حدود ۱۶ فلز بطور اقتصادی به این روش تولید میشوند. کاربرد عمده آن برای افزایش خلوص فلزاتی است کع به روش های دیگر (احیا) بدست آمده اند (electrorefining) و استخراج الکتریکی (electrowinning) برای تولید مستقیم فلزات از محلولهای حاصل از لیچینگ کانه (بدون احیا فلز خام) می باشد. مهمترین فلز غیر آهنی یعنی مس عمدتا با خلوص الکترولیتی و بیش از نیمی از روی تولیدی جهان نیز به طریق الکترولیز تولید میشود. قسمت عمده نیکل قابل فروش از نوع الکترولیتی است. کبالت در صورتی که به روش الکترولیز استخراج یا تصفیه شود، ناخالصی های آن قابل کنترل است. بخش قابل توجهی از سرب نیز به روش الکترولیز تولید میشود. تصفیه کادمیوم نیز با نسبت تقریبا مساوی به روشهای الکترولیز یا تقطیر انجام میشود. منگنز و کروم نیز در مواردی که بازار آلیاژهای آهنی آنها (فروکروم و فرومنگنز) نامناسب باشد، در ظرفیت های کم به روش الکترولیز تولید میشود. همچنین طلا و نقره بصورت فراورده های جنبی پالایش مس و سرب نیز به طریقه الکترولیز تصفیه میشوند ولی طلا از منبع اولیه اش با مقدار نسبتا کمتر نقره در حال حاضر به روش کلریناسیون تصفیه میشود.

• استخراج الکتریکی (electrowinning)

روش تجاری راسب کردن فلزات از محلولهایی از آنها که بطور اولیه تصفیه شده اند، توسط الکترولیز با آندهای غیرمحلول، استخراج الکتریکی نامیده شده است. در این روش با برقرار کردن اختلاف پتانسیل مناسب بین دو الکترود، الکترولیت تجزیه میشود و فلز بر روی کاتد، که ابتدا از ورقه های نازکی از همان فلز یا از فلز مناسب دیگری بعنوان فلز پایه تشکیل یافته است، ته نشین میشود. با جریان محلول در یک سلول حاوی تعداد زیادی الکترود و یا در یک سری سلول، غلظت فلز در محلول بتدریج کاهش می یابد. پس از آنکه ضخامت فلز ته نشین شده بر روی کاتد به حد مورد نظر رسید، از سلول خارج میشود و بسته به نوع سیستم، ورقه های جدید بعنوان کاتد وارد سلول ها و یا فلز ته نشین شده از روی فلز پایه جدا میشود و به این ترتیب ورقه های فلز پایه مجددا مورد استفاده قرار میگیرند. به جز چند مورد استثنا (الکترولیز قلیایی)، در سطح آندها نیز اسید و اکسیژن تولید میشود که مقدار آنها بطور الکتروشیمیایی معادل فلز ته نشین شده است. غلظت اسید در سلولهای متوالی به تدریج افزایش می یابد تا در سلول نهایی به حد میرسد که به ان الکترولیت عقیم میگویند. مشخصه مهم این روش نسبت به پالایش الکتریکی، افت شدید ولتاژ در سلول بطور طبیعی است. در بعضی موارد، با استفاده از روش استخراج الکتریکی، دو فلز با ارزش که هر دو در همان محلول دارای غلظتهای قابل توجه هستند، از یکدیگر جدا میشوند. مثالی از این مورد، بازیابی کبالت از محلول لیچینگ مس – کبالت با استخراج الکتریکی اولیه مس بطور انتخابی می باشد.

• پالایش الکتریکی (electrorefining)

عملیاتی است که در آن یک فلز خام از آند در الکترولیت حل شده، در شرایط کنترل شده بر روی کاتد ته نشین میشود. با توجه به اینکه در طی این انتقال، الکترولیت تجزیه نمیشود، ترکیب آن نسبت به غلظت فلز و اسید آزاد تغییراتی جزئی میکند که براحتی قابل اصلاح است. در پالایش ساده، الکترولیت بطور پیوسته و با دبی کنترل شده از سلول مستقل در سیستم بسته و در درجه حرارت مشخص جریان می یابد. ناخالصی های محلول آندی که بطور تجمعی زیاد میشوند توسط یک مسیر انحرافی خارج میشوند. در حالت نیکل و کبالت لازم است کل جریان الکترولیت در هر برا گردش از سلول تصفیه شود تا از آلوده شدن کاتدها توسط این ناخالصی جلوگیری شود. ناخالصی های حل نشده بصورت نرمه در سطح آندها و ته سلول جمع میشوند. چنانچه فلزات با ارزشی در این بخش وجود داشته باشد، از نرمه بازیابی میشوند. روش بازیابی این فلزات بستگی به نوع آنها دارد و ممکن است از روشهای مختلفی من جمله لیچینگ استفاده شود. فلزاتی مانند آنتیموان، بیسموت، سرب، قلع، نیکل، کبالت و … به این روش احیا میشوند.

• ته نشینی الکتریکی (electroprecipitation)

در نتیجه الکترولیز محلولهای حاوی فلزات، بطور رایج فلزات بصورت همواره، متراکم، متبلور و چسبنده روی سطح کاتد ته نشین میشود، ولی میتوان شرایط را به نحوی تغییر داد که فلز با بافت اسفنجی و با چسبندگی کم و یا حتی فاقد چسبندگی در سطح کاتد ته نشین شود. این شرایط گاهی بطور غیرعمد ایجاد میشود که ممکن است منجر به کنده شدن بخش ته نشین شده از سطح کاتد و سقوط به داخل سلول شود. چنانچه تولید محصولی با این مشخصات یا حتی بصورت پودر مدنظر باشد، میتوان شرایط را توسط پارامترهایی مساعد کرد. این پارامترها عبارتند از: غلظت کم فلز در الکترولیت، شدت جریان زیادف جریان محدودی از الکترولیت برگشتی، درجه حرارت کم، هدایت کم، ویسکوزیته زیاد و استفاده از مواد شیمیایی خاص. بعنوان مثال پودر مس را میتوان بطور تجاری با استفاده از مس تصفیه شده کاتدی به عنوان آند محلول، سرب آنتیموان دار به عنوان کاتد خنثی، یک الکترولیت از محلول سولفات اسیدی حاوی ۵ تا ۷ گرم بر لیتر مس، شدت جریان ۶۵۰ آمپر بر متر مربع و تعداد دیگری پارامترهای کنترل شده بدست آورد. برای برقرار ماندن جریان موثر، لازم است در فواصل زمانی نسبتا کوتاه، مواد اسفنجی شکل ته نشین شده بر روی کاتد از آن جدا شوند و تحت شست و شو قرار گیرند. این روش به جز مس، در مورد آهن و منگنز نیز رایج است ولی تولید پودر سایر فلزات با استفاده از این روش در صنعت کاربردی زیادی ندارد.

• تبخیر و تبلور

تبلور شامل عملیاتی است که ترکیبات مولکولی به علت تغییر حلالیت آنها در محلول به شکل جامد تولید میشوند و رشد میکنند. در این مرحله تغلیطظ صورت میگیرد. به طور دقیق تر غلظت  یک محلول با کاهش حلال آن افزایش می یابد تا به حد اشباع برسد. ادامه این فعالیت منجر به تبلور میشود. در این عملیات بیشتر مواد به صورت بلور تولید میشوند و کمتر بصورت آمورف و کلوئیدی یا ژلاتینی ته نشین میشوند. در عملیات تبلور، ابعاد، شکل، سرعت رشد و خلوص محصول تحت شرایط قابل اجرا کنترل میشوند تا محصول با ارزش اقتصادی تولید شود.