Минеральное сырьё и подготовка руды
Руды и минералы
Железа в земной коре около 5 %, но добывают его не везде. Руда — горная порода, из которой извлекать металл выгодно: рудный минерал плюс пустая порода (кварц, силикаты, известняк). Порог выгодности разный: железная руда — от 25–30 % Fe, медная — от 0,3–0,5 % Cu, золотая — несколько граммов на тонну.
| Тип | Минерал | Формула | Металл |
|---|---|---|---|
| оксиды | гематит, магнетит | \(\ce{Fe2O3}\), \(\ce{Fe3O4}\) | Fe |
| касситерит | \(\ce{SnO2}\) | Sn | |
| пиролюзит | \(\ce{MnO2}\) | Mn | |
| рутил, ильменит | \(\ce{TiO2}\), \(\ce{FeTiO3}\) | Ti | |
| хромит | \(\ce{FeCr2O4}\) | Cr | |
| боксит | \(\ce{Al(OH)3}\), \(\ce{AlO(OH)}\) | Al | |
| сульфиды | халькопирит | \(\ce{CuFeS2}\) | Cu |
| галенит, сфалерит | PbS, ZnS | Pb, Zn | |
| киноварь, молибденит | HgS, \(\ce{MoS2}\) | Hg, Mo | |
| карбонаты | сидерит, малахит | \(\ce{FeCO3}\), \(\ce{Cu2(OH)2CO3}\) | Fe, Cu |
| галогениды | сильвинит, карналлит | \(\ce{KCl*NaCl}\), \(\ce{KCl*MgCl2*6H2O}\) | K, Mg |
| самородные | золото, платина, медь | Au, Pt, Cu |
boltЭлемент или минерал?
Главная ловушка расчётов: «руда содержит 70 % магнетита» — не то же, что «70 % железа». \(w(\ce{Fe}) = w(\text{минерала})\cdot\dfrac{nM(\ce{Fe})}{M(\text{минерала})}\). И наоборот: по содержанию металла находят долю минерала делением на долю металла в минерале.
history_edu«О горном деле и металлургии»
Книга Георгия Агриколы «De re metallica» (1556) с сотнями гравюр два века была главным учебником горняков. В 1912 году её перевели на английский горный инженер Герберт Гувер и его жена Лу Генри — будущий президент США и первая леди; перевод до сих пор считается лучшим.
Обогащение
Руду дробят и измельчают, чтобы зёрна минерала освободились от пустой породы, а затем обогащают — получают концентрат, богатый металлом, и хвосты.
- Флотация — главный метод для сульфидов. Пульпу (измельчённая руда + вода) продувают воздухом, добавив собиратель (ксантогенаты \(\ce{ROCS2Na}\)) и пенообразователь. Собиратель делает поверхность сульфида гидрофобной — зёрна прилипают к пузырькам и всплывают в пену, а смачиваемый водой кварц тонет. Селективная флотация разделяет даже сульфиды меди, свинца и цинка.
- Гравитационное обогащение — по плотности: золото (19,3 г/см³) против кварца (2,65) — лоток старателя, отсадочные машины.
- Магнитная сепарация — для магнетита и ильменита.
Показатели: содержание металла в концентрате и извлечение \(\varepsilon\) — доля металла руды, перешедшая в концентрат:
где \(\alpha\) и \(\beta\) — содержания металла в руде и концентрате. Отношение \(\beta/\alpha\) — степень концентрирования.
auto_awesomeПена, спасшая Брокен-Хилл
На руднике Брокен-Хилл в Австралии скопились миллионы тонн отвалов цинково-свинцовой руды, которую не умели обогащать. В 1905 году там впервые в промышленности применили пенную флотацию — и отвалы стали сырьём. Сегодня флотацией обогащают большую часть руд цветных металлов.
boltПочему «пустая» порода не всплывает
Кварц и силикаты покрыты гидроксильными группами и смачиваются водой. Сульфидная поверхность с адсорбированным ксантогенатом — «жирная», вода её не смачивает: пузырёк воздуха вытесняет воду и уносит зерно.
Обжиг, прокаливание, спекание, выщелачивание
Концентрат переводят в форму, удобную для восстановления или растворения:
- окислительный обжиг — нагревание на воздухе: сульфиды превращаются в оксиды, сера уходит в виде \(\ce{SO2}\);
- прокаливание (кальцинация) — нагрев без окислителя: разложение карбонатов и гидроксидов;
- хлорирующий обжиг — перевод в летучие хлориды (\(\ce{TiCl4}\));
- окислительное щелочное спекание — с содой на воздухе: нерастворимые хромит и вольфрамит превращаются в растворимые хромат и вольфрамат;
- сульфатизирующий обжиг — при умеренной температуре сульфид превращается в растворимый сульфат;
- выщелачивание — растворение нужного компонента (боксит в щёлочи по Байеру, огарок ZnO в серной кислоте).
scienceПодготовка сырья
- \(\ce{2ZnS + 3O2 ->[t] 2ZnO + 2SO2}\) и \(\ce{4FeS2 + 11O2 ->[t] 2Fe2O3 + 8SO2}\).
- \(\ce{2MoS2 + 7O2 ->[t] 2MoO3 + 4SO2}\).
- \(\ce{ZnCO3 ->[t] ZnO + CO2}\); \(\ce{Cu2(OH)2CO3 ->[t] 2CuO + CO2 + H2O}\).
- \(\ce{TiO2 + 2C + 2Cl2 ->[900 °C] TiCl4 + 2CO}\).
- \(\ce{4FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 ->[1100 °C] 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2}\).
- \(\ce{4FeWO4 + 4Na2CO3 + O2 ->[t] 4Na2WO4 + 2Fe2O3 + 4CO2}\).
- \(\ce{CuS + 2O2 ->[550 °C] CuSO4}\).
errorСернистый газ
Обжиг сульфидов даёт огромные количества \(\ce{SO2}\) — причину кислотных дождей и гибели лесов вокруг старых комбинатов. Сейчас газ улавливают и перерабатывают в серную кислоту: медеплавильный завод — одновременно сернокислотный.
push_pinГлавное
Руда — горная порода, из которой выгодно извлекать металл: минерал + пустая порода. Оксидные руды (гематит \(\ce{Fe2O3}\), магнетит \(\ce{Fe3O4}\), касситерит \(\ce{SnO2}\), пиролюзит \(\ce{MnO2}\), рутил \(\ce{TiO2}\), хромит \(\ce{FeCr2O4}\), боксит), сульфидные (халькопирит \(\ce{CuFeS2}\), галенит PbS, сфалерит ZnS, киноварь HgS, молибденит \(\ce{MoS2}\)), карбонатные, галогенидные, самородные металлы. Обогащение: флотация (сульфиды), гравитация (золото), магнитная сепарация (магнетит); извлечение \(\varepsilon\) = доля металла руды, перешедшая в концентрат. Обжиг — нагревание на воздухе с окислением (\(\ce{2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2}\)), прокаливание — разложение без окислителя, хлорирование, окислительное щелочное спекание (хромит → \(\ce{Na2CrO4}\)). \(w(\text{элемента}) = w(\text{минерала})\cdot w(\text{элемента в минерале})\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.