Сквозная задача на переработку руды

9 заданий

Медь: от руды до катода

Чтобы рассчитать выход меди, нужно проследить, как она переходит из руды в конечный продукт и где возникают потери. Рассмотрим последовательность стадий от рудника до катодной меди, из которой затем получают провод.

При флотации медьсодержащие минералы отделяют от большей части пустой породы. Из руды с содержанием меди 0,5–1 % получают концентрат с содержанием меди 20–30 %. Один из минералов такого концентрата — халькопирит \(\ce{CuFeS2}\).
При плавке на штейн при 1200–1300 °C часть серы и железа окисляется. Кварцевый флюс связывает соединения железа в шлак, а медь остаётся в штейне — расплаве сульфидов \(\ce{Cu2S*FeS}\).
При конвертировании штейн продувают воздухом. Сначала окисляется FeS, затем \(\ce{Cu2S}\) превращается в черновую медь с содержанием меди 98–99 %.
После огневого рафинирования и электролиза получают катодную медь чистотой 99,99 %. При электролизе медные аноды расходуются, а золото, серебро и селен накапливаются в анодном шламе.
Выделяющийся \(\ce{SO2}\) улавливают и направляют на производство серной кислоты.

scienceПирометаллургия меди

\(\ce{2CuFeS2 + 4O2 -> Cu2S + 2FeO + 3SO2}\) — при плавке халькопирита часть железа и серы окисляется.
\(\ce{FeO + SiO2 -> FeSiO3}\) — оксид железа реагирует с кварцевым флюсом, и образуется шлак.
\(\ce{2FeS + 3O2 + 2SiO2 -> 2FeSiO3 + 2SO2}\) — в первый период конвертирования сульфид железа окисляется, а железо переходит в шлак.
\(\ce{2Cu2S + 3O2 -> 2Cu2O + 2SO2}\); \(\ce{Cu2S + 2Cu2O -> 6Cu + SO2}\) — во второй период часть сульфида меди окисляется до оксида, который затем реагирует с оставшимся сульфидом.

boltМатериальный баланс

Извлечением называют долю металла, которая переходит из сырья данной стадии в её продукт. Чтобы найти массу меди в конечном продукте, массу меди в исходной руде умножают на извлечения всех последовательных стадий: \(m(\text{в продукте}) = m(\text{в сырье})\cdot\varepsilon_1\varepsilon_2\varepsilon_3\ldots\) Поэтому три стадии с извлечением по 95 % дают в итоге лишь около 86 %. Медь теряется в хвостах флотации, шлаке и пыли. Расход кварцевого флюса рассчитывают по реакции образования шлака, а расход анодов — с учётом массы меди, переходящей в катод.

auto_awesomeНорильск

Сульфидные медно-никелевые руды Норильска содержат также платиновые металлы. «Норникель» — крупнейший в мире производитель палладия. Поэтому анодные шламы здесь могут быть ценнее меди.

Цинк: обжиг — выщелачивание — электролиз

Около 90 % цинка получают последовательным обжигом концентрата, растворением продукта обжига и электролизом очищенного раствора. На этих стадиях серная кислота сначала расходуется, а затем образуется вновь.

При обжиге концентрата с содержанием 50–55 % Zn сульфид цинка окисляют в кипящем слое при 950 °C: \(\ce{2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2}\). Полученный твёрдый продукт называют огарком. Выщелачиванию мешает феррит \(\ce{ZnFe2O4}\): он растворяется только в горячей крепкой кислоте.
При выщелачивании огарок обрабатывают отработанным электролитом, содержащим серную кислоту: \(\ce{ZnO + H2SO4 -> ZnSO4 + H2O}\).
Перед электролизом раствор очищают. Железо окисляют \(\ce{MnO2}\) и осаждают, нейтрализуя раствор огарком. Медь, кадмий и кобальт удаляют цементацией — вытеснением этих металлов из раствора цинковой пылью.
При электролизе из очищенного раствора получают цинк: \(\ce{2ZnSO4 + 2H2O -> 2Zn + O2 + 2H2SO4}\). Образовавшуюся кислоту возвращают на выщелачивание.

boltЗамкнутый цикл по кислоте

При выщелачивании на 1 моль Zn расходуется 1 моль \(\ce{H2SO4}\), а при электролизе столько же кислоты образуется. Поэтому в сумме основных реакций кислота сокращается: \(\ce{ZnS + O2 -> Zn + SO2}\). Для процесса необходимы кислород и электроэнергия; кроме того, в действительном производстве расходуются реагенты на очистку раствора и восполнение потерь. Образующийся \(\ce{SO2}\) направляют на производство серной кислоты.

scienceЦинк

\(\ce{2ZnS + 3O2 ->[950 °C] 2ZnO + 2SO2}\) — при обжиге сульфид цинка превращается в оксид.
\(\ce{ZnO + H2SO4 -> ZnSO4 + H2O}\) — при выщелачивании оксид цинка растворяется в серной кислоте.
\(\ce{Zn + CdSO4 -> ZnSO4 + Cd}\) — цинковая пыль вытесняет кадмий из раствора его соли.
\(\ce{2ZnSO4 + 2H2O ->[эл. ток] 2Zn + O2 ^ + 2H2SO4}\) — при электролизе выделяются цинк и кислород, а в растворе образуется серная кислота.

Алюминий: боксит — глинозём — металл

Для получения алюминия из боксита сначала выделяют глинозём, а затем проводят электролиз. Поэтому расчёт расхода руды и электроэнергии также ведут последовательно, по стадиям.

По способу Байера боксит выщелачивают крепкой щёлочью при 150–250 °C под давлением: \(\ce{Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]}\). Оксид железа остаётся в нерастворимом остатке — красном шламе. На тонну глинозёма образуется 1–1,5 т такого шлама.
Раствор охлаждают и вносят затравку — кристаллы вещества, выделение которого нужно вызвать. Выпадает гидроксид алюминия: \(\ce{Na[Al(OH)4] -> Al(OH)3 v + NaOH}\). Щёлочь возвращают на выщелачивание.
При прокаливании гидроксида при 1100 °C получают глинозём: \(\ce{2Al(OH)3 -> Al2O3 + 3H2O}\).
Затем проводят электролиз в криолите: \(\ce{2Al2O3 + 3C -> 4Al + 3CO2}\). На килограмм алюминия расходуют 13–15 кВт·ч электроэнергии.

Для оценки выхода используют правило металлургов: из 4 т боксита получают 2 т глинозёма, а из них — 1 т алюминия.

history_eduБайер в Петербурге

Австрийский химик Карл Йозеф Байер разработал свой способ в 1887–1888 годах на Тентелевском химическом заводе в Петербурге. Первоначально глинозём предназначался для текстильных красильщиков. Разработанный ранее процесс Холла — Эру открыл путь к дешёвому алюминию; оба процесса применяют вместе до сих пор.

auto_awesomeВторичный алюминий

Переплавка алюминиевого лома требует около 5 % энергии, затрачиваемой на получение первичного металла. Алюминиевая банка может вернуться на полку магазина после переплавки уже через два месяца.

push_pinГлавное

При переработке медной руды с содержанием 0,5–1 % Cu флотацией получают концентрат с содержанием меди 20–30 %, затем выплавляют штейн \(\ce{Cu2S*FeS}\), переводя железо в шлак с помощью кварца. После конвертирования черновую медь рафинируют, а ценные компоненты остаются в анодном шламе. Цинк получают обжигом ZnS, выщелачиванием огарка, очисткой раствора и электролизом; серная кислота при этом возвращается на выщелачивание. При производстве алюминия из боксита способом Байера получают глинозём \(\ce{Al2O3}\), который подвергают электролизу в криолите: из 4 т боксита получают 2 т глинозёма и 1 т алюминия. Во всех трёх схемах массу металла в продукте находят умножением его массы в сырье на произведение извлечений. При расчёте учитывают также побочные продукты: \(\ce{SO2}\), направляемый на получение \(\ce{H2SO4}\), анодный шлам и красный шлам.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.