متالورجيا مائية
 وليد خليفةساهم بشكل رئيسي في تحرير هذا المقال
|
المتالورجية المائية (Hydrometallurgy) أو طرق الاستخلاص المائية ، هى فن و علم معالجة الخامات بالمحاليل المائية للحصول على الفلزات النقية أو مركباتها. و تشمل مرحلتين: النَّض (أو التوشيل) و هو إذابة انتقائية للمكونات الفلزية من الخامة ، و الترسيب وهو استرداد انتقائى لهذه المكونات الفلزية من المحلول.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
الإستخدامات
تستخدم المعالجة المتالورجية المائية ﻷحد الأغراض الآتية:
- إنتاج فلزات في درجة نقاوة أقل ، يجب تنقيتها بعد ذلك، مثل الذهب والكادميوم.
- إنتاج مركب نقى يمكن استخدامه لاحقاً لإنتاج فلز نقى، مثل مركبات المغنسيوم واليورانيوم والبريليوم ، فهى تنتج بطرق استخلاص مائية أما الفلزات نفسها فتنتج بطرق حرارية أو كهربية.
- التركيز الكيميائى للخامات: وفى هذه الحالة تُنَضُّ المكونات غير المرغوبة من الخامة، و المواد الجامدة المتبقية هى المنتج القَيِّم الذى يستخدم لإنتاج الفلزات، و مثالاً لذلك معالجة الألمنيت لإنتاج ما يعرف بالروتيل الصناعى.
النَّض
مقالة مفصلة: نض
المواد الخام المستخدمة في النض
- تتراوح الفلزات المنضوضة (المُوَشَّلة) بين الفلزات الفطرية مثل الذهب و الفضة و مجموعة الفلزات البلاتينية ، و الفلزات المنتجة باختزال خاماتها مثل النحاس و النيكل و الكوبلت.
- خامات الأكاسيد والهيدروكسيدات مثل البوكسيت و اللاتيريتات و خامات أكاسيد النحاس و خامات اليورانيوم.
- الأكاسيد المعقدة مثل الكْرُومَيت و النَيوبَيت و التَنْتَاليت و البِيروكلور و الأَلْمِنَيت و الولفراميت و الشِيْلِيْت.
- رُكُز الكبريتيدات مثل رُكُز الخارصين و النيكل.
- السلينيدات و التلوريدات مثل تلك الموجودة في الطين الأنودى النتاج من التنقية الكهربية للنحاس.
- الزرنيخيدات (الأرسينيدات) مثل خامات زرنيخيدات الكوبلت و النيكل والزرنيخيدات المتكونة عند صهر رُكُز الرصاص (الإسبيس).
- الفوسفاتات هى في الأكثر صخر الفوسفات و رُكُز المونازيت.
- السيليكات مثل الطفلات و الصخر الأسوانى (السِيَانَيْت) النِّفْيلينى المستخدم لإنتاج الألومينا و خامات البريليوم.
- الكلوريدات و الكبريتات المتكونة عند معالجة نفاية البيريت بطريقة الكلوريد أو الكبريتات.
الكواشف المستخدمة في النض
لمعالجة هذه المركبات الكيميائية المتنوعة تستخدم عوامل ناضَّة (موشِّلة) متعددة:
- الماء. يستخدم لنض الكبريتات و الكلوريدات الذَوَّابَة في الماء.
- الأحماض. هذه هى الكواشف الأكثر شيوعاً.مثل أحماض الكبريتيك و الهيدروكلوريك و النيتريك. ويستخدم حمض الهيدروكلوريك بشكل خاص لنض خامات النيوبيوم و يستخدم الماء الملكى، و هو خليط من حمضى الهيدروكلوريك و النيتريك، لمعالجة خامات البلاتين و لتنقية الذهب.
- القواعد. يستخدم هيدروكسيد الصوديوم لاستخلاص الألومينا من البوكسيت، و هيدروكسيد الأمونيوم لاستخلاص النيكل من اللاتيريتات أو من رُكُز كبريتيد النيكل.
- محاليل الأملاح المائية. تستخدم محاليل كربونات الصوديوم لِنَض (توشيل) الشِيْلِيْت و هو خامة تنجستن. تستخدم كربونات الصوديوم مع مؤَكسِد لنض خامات اليورانيوم، إلخ.
- العوامل المؤكسِدة. تحتاج العديد من عمليات النض لعامل مؤكسِد لإذابة المعادن. و الكواشف الأكثر شيوعاً المستخدمة لهذا الغرض هى الهواء و الأكسجين (وسط حمضى أو قاعدى). و يستخدم أيضا أيون الحديديك في الأوساط الحمضية فقط.
- العوامل المختزِلة. تستخدم العوامل المختزِلة مثل SO2 و أيون الحديدوز أحياناً لإذابة معادن معينة مثل MnO2 في الأوساط الحمضية.
الطرق و المعدات
تعتمد الطريقة المستخدمة لنض خامة ما على درجة الخامة و سهولة إذابة معادنها القيِّمَة في كاشف معين. الطرق المعتادة في النض هى كما يلى:
النض في الموقع (In-Situ Leaching)
تعرف هذه الطريقة بالنض في الموقع أو التنجيم بالإذابة (Solution Mining). تحطم الخامة ببساطة و تنض في مكانها لفترات طويلة من الوقت و ذلك لأن الخامات المستغلة بهذه الطريقة هى عادة خامات فقيرة جداً لا تستأهل نفقات استخراجها و نقلها. و للقيام بذلك لابد أن يكون جسم الخامة محصور بين طبقات صماء (غير منفذة) حتى لا يُفْقَد محلول النض، و يجب أن تكون الخامة نفسها منفذة لمحلول النض. و تستخدم عادة المذيبات الآتية:
- يستخدم الماء لنض البوتاس و الترونا و الأملاح الأخرى الذَوَّابة في الماء. و يستخدم حمض الكبريتيك المخفف لنض خامات النحاس، و عند وجود معادن كبريتيد النحاس معها تُذَوَّب بفعل الهواء و الماء معاً.
- يستخدم حمض الكبريتيك المخفف و كلورات الصوديوم أو كربونات الأمونيوم النشادرية و فوق أكسيد الهيدروجين لنض رواسب اليورانيوم.
النض في كومة (Heap Leaching)
.PNG){kind=link}
فى هذه الطريقة، تخلى منطقة من النباتات ثم تسوى بميل قليل و تكبس و تغطى بطبقة زِفْت (قِير) أو فَرْخ بلاستيك لين، و تنقل الخامة المجروشة من المنجم إلى الموقع المجهز بشاحنات تفريغ و تُكَوَّم حتى ارتفاع 10 – 15 متر. يرش بعد ذلك العامل الناض على قمة الكومة فيترشح خلالها إلى الأسفل و يجمع محلول النض بعد ذلك في مجارى من القاع.
نض الأحواض أو النض بالترشيح (Tank Leaching)
هذه العملية مناسبة للمواد المسامية و الرملية. و يمثل الانتظام في حجم الجسيمات و ليس حجمها الحقيقى العامل الرئيسى الذى يحكم جودة الاستخلاص بالترشيح. الفكرة هى أنه عندما تكون الجسيمات غير متساوية الحجم تتراص الجسيمات الصغيرة في الفتحات بين الجسيمات الكبيرة، فتسد القنوات بينها. ينخفض معدل الاستخلاص ويسرى المحلول في مسارات محدودة خلال طبقة الخامة.
النض بالتقليب أو نض العجينة
يضاف في هذه الطريقة العامل الناض إلى المادة الخام المطحونة جيداً بحيث يُكَوِّن الخليط عجينة، يتم تقليبها باستمرار للحيلولة دون ترسب المواد الجامدة و للإنتهاء من عملية النض في أقصر وقت ممكن. و تستخدم هذه الطريقة في الظروف الآتية: المادة الخام ذات درجة متوسطة أو عالية، أو الحبيبات الغنية بالفلز ناعمة الحجم و منتثرة في الصخر الحامل لها، أو الحبيبات الحاملة للفلز صعبة الذوبان، و لهذا السبب يستخدم تقليب شديد لزيادة معدل ذوبانها.
المعدات المستخدمة كثيرة و مكلفة أما التقليب فيمكن أن يكون ميكانيكياً - و تستخدم في هذه الحالة دَفَّاعَة يشغلها محرك أو يتم التقليب بضغط الهواء – و عند الحاجة للتسخين يستخدم هواء مضغوط أو بخار عالى الضغط. نض الضغط العالى يتطلب استخدام مفاعلات ضغط (أوتوكلاف). و ينبغى التمييز بين نوعين نض الضغط العالى:
(أ) في غياب الهواء أو الأكسجين. في هذه الحالة، يكون معدل النض منخفض إن تم في درجة حرارة الجو المحيط أو درجة حرارة معتدلة، و لذلك يجب استخدام درجة حرارة أعلى من نقطة غليان المحلول، و
(ب) في وجود الهواء أو الأكسجين. في هذه الحالة لا يمكن إجراء النض في درجة حرارة الجو المحيط أو درجة حرارة معتدلة ما لم يوجدعامل مؤكسد كالهواء أو أكسجين.
دور الكائنات الدقيقة
تَقْدِر كائنات دقيقة معينة تسمى البكتريا الكبريتية العَصَوِيَّة المؤكسِدة للكبريت و أخرى مؤكسِدة للحديدوز و تستخرج من مياه المحاجر، و أنواع أخرى تستخرج من عيون المياه الكبريتية الساخنة،تَقْدِر هذه الكائنات على تسريع معدل ذوبان المعادن الكبريتيدية. و تَقْدِر أيضاً على تسريع أكسدة الكبريت العنصرى و أيون الحديدوز و أيون الكبريتيد و أيون الثيوكبريتات. و هى كائنات مجهرية وحيدة الخلية،يتراوح حجمها بين 0,5 و 2 ميكرومتر، و تتكاثر بالإنقسام الثنائى، و تعرف بالكائنات ذاتية التغذية لأنها تعيش على مواد غير عضوية مقارنة بالكائنات الدقيقة عضوية التغذية التى تعيش على المواد العضوية.
اسْتُغِلَّ التأثير الحفزى لهذه الكائنات الدقيقة في أكسدة الكبريتيدات استغلالاً صناعياً في عمليات النض في الموقع و النض في كومات، فالظروف الطبيعية في هذه العمليات عادة ما تكون ملائمة لنمو البكتريا. و من التطبيقات النمطية لهذه العملية استرداد النحاس، و أكسدة البيريت لتحرير الذهب المحبوس داخله، و توليد حمض لإذابة معادن اليورانيوم المصاحبة للبيريت، و لإزالة البيريت من الفحم.
تنقية و تركيز المحاليل
يمكن معالجة محاليل النض مباشرة لترسيب محتوياتها الفلزية، أو قد تنقى و تركز أولاً قبل الترسيب.و الطرق المستخدمة لذلك هى الامتزاز على الفحم النباتى المنشط و الامتزاز على راتنجات التبادل الأيونى، و الاستخلاص بالمذيبات العضوية. و تتشابه العمليات الثلاث في أحد الوجوه و هو استخدام نفس طريقة التحميل و الغسيل و التصويل.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
الامتزاز على الفحم النباتى المنشط
تستخدم هذه الطريقة على الأخص لفصل الذهب و الفضة من محاليل النض السيانيدية. مساحة السطح الكبيرة بالإضافة إلى البنية العضوية المعقدة الناتجة عن كربنة الفحم النباتى مسئولتان عن امتزاز أيونات الفلزات. يستخدم عادة الفحم النباتى في شكل كُرَيَّات أقطارها بين 2 و 5 مم.
التبادل الأيوني
المبادلات الأيونية متوفرة عادة في صورة جسيمات كروية قطرها 0,5 - 2 مم. تتكون الراتنجات الإصطناعية من شبكة مرنة ثلاثية الأبعاد من سلاسل كربونية تحمل مجموعات أيونية ثابتة. تتعادل شحنة المجموعات الأيونية بأيونات مضادة حرة الحركة. إدخال مجموعات مثل الحمض السلفونى – SO3H – إلى تركيب الراتنجات تجعل جزيئات الهيدروكربون الكبيرة قابلة للذوبان في الماء. إلا أن راتنجات التبادل الأيونى المحتوية على هذه المجموعات تصبح غير قابلة للذوبان بسبب الترابط المستعرض، أى الربط بين السلاسل الهيدروكربونية المختلفة. تضاف المجموعات الوظيفية سواء أكانت أنيونية أو كاتيونية إما في المونمر قبل البلمرة أو إلى البوليمر نفسه.
- يمكن تمثيل المبادلات الكاتيونية كالآتى:
Y+(راتنج) + B+(محلول) ---> B+(راتنج) + Y+(محلول)
- و يمكن تمثيل المبادلات الأنيونية كالآتى:
X-(راتنج) + A-(محلول) ---> A-(راتنج) + X-(محلول)
استخلاص المذيب
يشمل أسلوب استخلاص المذيب عمليتين:
- استخلاص. تستخلص المحتويات الفلزية الموجودة في الطور المائى بالتقليب مع مذيب عضوى لا يمتزج في هذا الطور. يسمح بعد ذلك للطورين بالإنفصال عند بعضهما، فيُطْرَح عادة الطور المائى و يُحْتَفَظ بالطور العضوى المُحَمَّل بالفلز.
- تَنْصِيْل. يتم استخلاص المحتويات الفلزية من الطور العضوى المُحَمَّل بها بالتقليب مع قليل من محلول مناسب، فيتم الحصول على محلول مركز يحتوى على المحتويات الفلزية في صورة شبه نقية، و يعاد بعد ذلك تدوير المذيب المَنْصُول.
توجد مُسْتَخْلِصات متنوعة، مثل:
- الإتِيرَات. و هى المُسْتَخْلِصات الخاصة بالبلاديوم و الذهب.
- الكحولات. و تستخدم لفصل الكوبلت من النيكل.
- الكيتونات. الكيتونات المعتادة الاستخدام هى ميثيل إيزوبوتيل الكيتون المعروف بالهكسون، و الأسيتيل أسيتون و هو مركب ثنائى الكيتون.
- الأُكْسِيْمَات. هى مركبات محتوية على مجموعةN-OH=، تستخدم خاصة لترسيب النحاس، و تستخدم أيضاً لإستخلاصه.
- الأُكْسِينات. تشتق هذه المواد من 8-هيدروكسى الكينولين. و كيلكس 100 (Keelex 100) هو اسم تجارى لمُسْتَخْلِص تجارى من هذه المجموعة ، واسع الاستخدام في استخلاص النحاس.
- الأحماض العضوية. و تنضم هذه المواد تحت الاسم التجارى "الحمض الفيراستى" – Versatic acid -.
- الفينولات. في هذه الفئة ترتبط مجموعة كربوكسيل بنواة عطرية (أروماتية)؛ و و تستخدم على نطاق تجارى لاستخلاص البُوْرَق.
- الإسترات. تتكون بتفاعل الكحولات مع الأحماض العضوية. و الإسترات المستخدمة في استخلاص الفلزات مشتقة من حمض الفوسفوريك.
- الأمينات. قد تكون أولية أو ثانوية أو ثالثية. ينحصر استخدام الأمينات في تلك التى لها وزن جزيئى بين 250 و 600.
الترسيب
- مقالة مفصلة: ترسيب
طرق الترسيب وهى الخطوات النهائية في اى عملية استخلاص مائى هى: البَلْوَرَة و الحَلْمَأَة و الترسيب الأيونى و الاختزال. البَلْوَرَة عملية طبيعية بينما الباقيات عمليات كيميائية.
البلورة
- مقالة مفصلة: بلوَرة
البَلْوَرَة هى إجراء عام للحصول مركبات نقية. تزداد ذوبانية الأملاح في الماء مع ارتفاع درجة الحرارة، و من ثم عند تبريد محلول ساخن تتكون بلورات:
M(H2O)xn+ + A(H2O)ym- ---> MA(جامد)
تستخدم هذه الطريقة أحياناً لاسترداد بعض الفلزات من المحاليل مثل CuSO4.5H2O و NiSO4.4H2O و FeCl2.4H2O وغيرها.
الحلمأة
- مقالة مفصلة: حلمهة
الحَلْمَأَة (الحلمهة أو التحليل المائى) هى تفاعل أيونات الفلز مع الماء:
Mx+ + xH2O ---> M(OH)x + xH+
يحدث هذا عادة عند تخفيف المحلول، فمثلاً عند تخفيف محلول كبريتات التيتانيل يترسب ثانى أكسيد التيتانيوم:
TiO2+ + H2O ---> TiO2 + 2H+
الترسيب الأيوني
يُمَيَّز الترسيب الأيونى بإضافة الكواشف الأنيونية Ay-، التى تُرَسِّب مركب الفلز ترسيباً انتقائياً:
yMx+ + xAy- ---> MyAx (جامد)
يتم الترسيب عادة بسرعة لأن المركب المتكون ذو ذوبانية منخفضة و تترابط مكوناته بقوى كهربية ساكنة. فمثلاً، ينتج عن إضافة أيون كبريتيد أو كبريتيد الهيدروجين إلى كبريتات النحاسيك ترسيب فورى لكبريتيد النحاس:
Cu2+ + S2- ---> CuS(جامد)
الاختزال
- مقالة مفصلة: اختزال
يشمل الترسيب بالإختزال عملية انتقال أيونات، و يمكن تمييز أربعة أصناف منه:
- أيوني. في هذه الحالة يضاف عامل مُخْتَزِل فيؤدى إلى ترسيب الفلز:
Mx+ + مادة مُخْتَزَلة ---> M0 + مادة مُؤَكْسَدَة
فمثلاً، يُرسَّب الذهب صناعياً من محلول نض الكلوريد عن طريق الاختزال بأيون حديدوز كما يلى:
Au+ + Fe2+ ---> Au0 + Fe3+
- غير أيونى. الهيدروجين و أول أكسيد الكربون و الفورمالدهيد و الهيدرازين عوامل مختزلة غير أيونية. فمثلاً، يحل الهيدروجين محل النحاس في محلول CuSO4 و محل النيكل في محلول NiSO4:
M2+ + 2e- ---> M
H2 ---> 2H+ + 2e-
- كهركيميائى. في هذه الحالة يستخدم فلز غير كريم (أكثر نشاطاً) لترسيب فلز آخر من محلوله:
Mx+ + X ---> M + Xx+
و هذه أيضاً عمليات أكسدة-اختزال. فمثلاً لترسيب النحاس من محلول كبريتات النحاس بحديد فلزى، يمكن التعبير عن التفاعل الآتى:
Cu2+ + 2e- ---> Cu
- إلكتروليتى. في هذه الحالة يتم ترسيب الفلز من محلوله المائى بتسليط قوة دافعة كهربية خارجية من مصدر تيار مستمر:
Mx+ + xe- ---> M
فمثلاً، النحاس و الخارصين و الكادميوم و النيكل تستخلص صناعياً من محاليل النض بطرق إلكتروليتية، من خلال عملية تسمى الإكتساب الكهربى. تُحلل المحاليل المائية كهربياً باستخدام أقطاب كهربائية خاملة؛ و يترسب الفلز النقى على المهبط (الكاثود).
انظر أيضا
- استخلاص الفلزات
- متالورجيا حرارية
- متالورجيا كهربية
- نظرية العمليات المتالورجية
- علم الفلزات
- تركيز الخامات
- تحرير المعادن
- فصل المعادن
- تعدين
- خبث
المراجع
- F. Habashi (2003). Metals from Ores. An Introduction to Extractive Metallurgy,. Québec, Québec City, Canada: Métallurgie Extractive.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .