Минеральное сырьё и подготовка руды
Руды и минералы
Железа в земной коре около 5 %, однако добывать его выгодно не везде. Рудой называют горную породу, из которой экономически выгодно извлекать металл. Она содержит рудный минерал, в состав которого входит извлекаемый металл, и пустую породу. К пустой породе могут относиться кварц, силикаты и известняк.
Необходимое для добычи содержание металла зависит от его ценности и условий переработки. Для железной руды ориентир начинается примерно с 25–30 % Fe, для медной руды — с 0,3–0,5 % Cu. В золотой руде содержание металла может составлять всего несколько граммов на тонну. Основные виды минерального сырья приведены в таблице.
| Тип сырья | Минерал или руда | Формула | Извлекаемый металл |
|---|---|---|---|
| Оксиды и гидроксиды | 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, содержащий гидроксиды и оксогидроксиды алюминия | \(\ce{Al(OH)3}\), \(\ce{AlO(OH)}\) | 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 |
| Галогенидное сырьё | Сильвинит, карналлит | \(\ce{KCl*NaCl}\), \(\ce{KCl*MgCl2*6H2O}\) | K, Mg |
| Самородные металлы | Золото, платина, медь | Au, Pt, Cu |
boltСодержание элемента и минерала
Содержание минерала в руде не равно содержанию металла: запись «руда содержит 70 % магнетита» не означает, что в ней 70 % железа. Сначала находят массовую долю железа в самом минерале, а затем умножают её на массовую долю минерала в руде: \(w(\ce{Fe}) = w(\text{минерала})\cdot\dfrac{nM(\ce{Fe})}{M(\text{минерала})}\). Здесь \(n\) обозначает число атомов железа в формуле минерала. Если известно содержание металла, долю минерала находят делением на массовую долю металла в этом минерале.
history_edu«О горном деле и металлургии»
Книга Георгия Агриколы «De re metallica» (1556) содержала сотни гравюр и два века служила главным учебником горняков. В 1912 году её перевели на английский язык горный инженер Герберт Гувер, будущий президент США, и его жена Лу Генри, будущая первая леди. Этот перевод до сих пор считается лучшим.
Обогащение
Перед извлечением металла руду обычно отделяют от значительной части пустой породы. Для этого её дробят и измельчают: зёрна рудного минерала освобождаются от окружающей породы. Затем руду обогащают. При обогащении получают концентрат, в котором содержание металла выше, чем в исходной руде, и хвосты, содержащие отделённую пустую породу.
Способ разделения выбирают по свойствам минералов:
- Флотацию применяют прежде всего для сульфидных руд. Измельчённую руду смешивают с водой, получая пульпу. В неё добавляют собиратель, например ксантогенаты \(\ce{ROCS2Na}\), и пенообразователь, после чего продувают смесь воздухом. Собиратель делает поверхность сульфидных зёрен гидрофобной, то есть плохо смачиваемой водой. Поэтому зёрна прилипают к пузырькам воздуха и всплывают с пеной, а смачиваемый водой кварц опускается. Селективная флотация позволяет разделять даже сульфиды меди, свинца и цинка.
- Гравитационное обогащение основано на различии плотностей. Например, плотность золота составляет 19,3 г/см³, а кварца — 2,65 г/см³. Такое различие используют в лотке старателя и отсадочных машинах.
- Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств минералов. Её применяют для магнетита и ильменита.
Для оценки обогащения важно знать не только содержание металла в концентрате, но и то, какая часть металла исходной руды в него перешла. Эту долю называют извлечением \(\varepsilon\):
где буквами \(\alpha\) и \(\beta\) обозначены содержания металла соответственно в руде и концентрате. В числителе выражения стоит масса металла в концентрате, а в знаменателе — его масса в исходной руде. Отношение \(\beta/\alpha\) называют степенью концентрирования: оно показывает, во сколько раз повысилось содержание металла.
auto_awesomeПенная флотация в Брокен-Хилле
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.
boltСмачивание минералов при флотации
На поверхности кварца и силикатов находятся гидроксильные группы, поэтому вода смачивает их зёрна. После адсорбции ксантогената сульфидная поверхность, напротив, плохо смачивается водой. Пузырёк воздуха легче прикрепляется к такому зерну и выносит его в пену.
Обжиг, прокаливание, спекание, выщелачивание
После обогащения концентрат не всегда пригоден для непосредственного получения металла. Его состав изменяют так, чтобы металл можно было восстановить или перевести в раствор. Для этого используют следующие процессы:
- Окислительный обжиг представляет собой нагревание на воздухе. При обжиге сульфидов образуются оксиды, а сера выделяется в виде \(\ce{SO2}\).
- Прокаливание (кальцинация) представляет собой нагревание без участия окислителя. При этом карбонаты и гидроксиды разлагаются.
- Хлорирующий обжиг позволяет получить летучие хлориды. Например, при хлорировании оксида титана в присутствии углерода образуется \(\ce{TiCl4}\).
- Окислительное щелочное спекание проводят с содой на воздухе. Так нерастворимые хромит и вольфрамит превращают соответственно в растворимые хромат и вольфрамат.
- Сульфатизирующий обжиг проводят при умеренной температуре, чтобы сульфид превратился в растворимый сульфат.
- Выщелачиванием называют перевод нужного компонента в раствор. Например, при получении алюминия боксит обрабатывают щёлочью по способу Байера, а огарок ZnO растворяют в серной кислоте.
scienceПодготовка сырья
- \(\ce{2ZnS + 3O2 ->[t] 2ZnO + 2SO2}\) и \(\ce{4FeS2 + 11O2 ->[t] 2Fe2O3 + 8SO2}\) — при окислительном обжиге сульфидов цинка и железа образуются оксиды и сернистый газ.
- \(\ce{2MoS2 + 7O2 ->[t] 2MoO3 + 4SO2}\) — при обжиге молибденита образуется оксид молибдена.
- \(\ce{ZnCO3 ->[t] ZnO + CO2}\); \(\ce{Cu2(OH)2CO3 ->[t] 2CuO + CO2 + H2O}\) — при прокаливании карбонат цинка и малахит разлагаются с образованием оксидов.
- \(\ce{TiO2 + 2C + 2Cl2 ->[900 °C] TiCl4 + 2CO}\) — при хлорировании оксида титана в присутствии углерода образуется летучий хлорид титана.
- \(\ce{4FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 ->[1100 °C] 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2}\) — при окислительном спекании хромита с содой образуется растворимый хромат натрия.
- \(\ce{4FeWO4 + 4Na2CO3 + O2 ->[t] 4Na2WO4 + 2Fe2O3 + 4CO2}\) — при окислительном спекании вольфрамита с содой образуется растворимый вольфрамат натрия.
- \(\ce{CuS + 2O2 ->[550 °C] CuSO4}\) — при сульфатизирующем обжиге сульфида меди образуется сульфат меди.
errorСернистый газ
При обжиге сульфидов образуются большие количества \(\ce{SO2}\). Выбросы этого газа вызывали кислотные дожди и гибель лесов вокруг старых комбинатов. Сейчас сернистый газ улавливают и перерабатывают в серную кислоту, поэтому на медеплавильном заводе одновременно могут получать серную кислоту.
push_pinГлавное
Рудой называют горную породу, из которой выгодно извлекать металл; содержание рудного минерала в ней необходимо отличать от содержания самого металла. К сырью для получения металлов относятся оксидные руды с гематитом \(\ce{Fe2O3}\), магнетитом \(\ce{Fe3O4}\), касситеритом \(\ce{SnO2}\), пиролюзитом \(\ce{MnO2}\), рутилом \(\ce{TiO2}\) и хромитом \(\ce{FeCr2O4}\), боксит, сульфидные руды с халькопиритом \(\ce{CuFeS2}\), галенитом PbS, сфалеритом ZnS, киноварью HgS и молибденитом \(\ce{MoS2}\), а также карбонатное и галогенидное сырьё и самородные металлы. Пустую породу отделяют флотацией, гравитационным обогащением или магнитной сепарацией; извлечение \(\varepsilon\) показывает, какая доля металла руды перешла в концентрат. Затем сырьё подготавливают обжигом, прокаливанием, хлорированием, спеканием или выщелачиванием: например, при обжиге сульфида цинка протекает реакция \(\ce{2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2}\), а при окислительном щелочном спекании хромит превращается в растворимый \(\ce{Na2CrO4}\). В расчётах состав руды связывают с составом минерала соотношением \(w(\text{элемента}) = w(\text{минерала})\cdot w(\text{элемента в минерале})\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.