Жеңіл және сирек металдарды өндіру процестерінің ерекшеліктері, дәріс

6 дәрістің Жеңіл және сирек металдарды өндіру процестерінің ерекшеліктері

Дәрістің конспектісі:

Жеңіл металдар деп тығыздығы төмен түсті металдарды атайды. Бұл металдар тобына тығыздығы 5-тен төмен металдар кіреді:  Al, Mg, Ti, Be, Ca, Sr және Ba, сонымен қатар сілтілі металдар: Li, Na, K, Rb және Cs. Аз тығыздықпен бірге бұл металдардың басқа да бірдей физика-химиялық қасиеттері бар – олар оттегімен және галлоидтармен тұрақты, қиын бұзылатын қосылыстар түзеді, сонымен бірге кернеу қатарында бұл металдар ең теріс электродтық потенциалдарға ие (6.1 кесте).

6.1 кесте

Кернеу қатары және жеңіл металдардың кейбір қасиеттері

Қасиеттердің ұқсастығына байланысты жеңіл металдарды алудың қазіргі әдістері бірдей принциптерге негізделген. Бұл металдардың көбісін қазіргі кезде балқыған тұздар электролизімен және электртермиялық әдістермен алады.

Жеңіл металдарды әдетте көміртегімен тотықсыздандыруымен алмайды, өйткені бұл электрқуатының үлкен шығынына әкеледі, сонымен қатар таза металдар қосылыстардан тек жоғары температурада бутәрізді фазаға бөліне бастайды. Жеңіл металдар буларының газтәрізді көміртегі тотықтарынан бөлінуі үлкен қиындықтар туғызады және техника жағынан мүмкін болғанымен, экономика жағынан қазіргі уақытта тиімді емес.

Кернеу қатарында жеңіл металдар сутектен біршама төмен орналасқан және мыс, никель, мырыш секілді оларды сулы тұздардан электролизбен бөліп алу мүмкін емес, өйткені алюминий, магний, және басқа жеңіл металдар тұздарының сулы ерітінділерін электролиттік әдіспен өңдеген кезінде катодта сутегі бөлінеді. Сондықтан көптеген жеңіл металдарды құрамында сутегі иондары жоқ балқыған тұздардың электролизімен алады. Сонымен қатар жеңіл металдардың электр теріс сипаттамасы электролизге түсетін барлық материалдардың тазалығына өте жоғары талаптарды қажет етеді. Бұл материалдар құрамындағы қоспалар немесе комплекстер алынатын жеңіл металға қарағанда электрлі оң болатындығынан, электролиз кезінде олар металды ластайды және катодта онымен бірге, тіпті болмаса бұл жеңіл металдан да ертерек бөлінеді. Сондықтан жеңіл металдар металлургиясында осы материалдарды алу технологиясына көп көңіл бөлінеді.

Жеңіл металдарды алу кезінде бастапқы материал тазалығына қойылатын жоғарғы талаптар оларды өндіру үшін өте қиын және әртүрлі технологияларды қолдануды қажет етеді. Сондықтан қазіргі кездегі жеңіл металдар металлургиясы химиялық және электрхимиялық процестер кешенін құрайды және олардың әрқайсысы өзіндік жеке өндіріс болып табылады. Мысалы, алюминий металлургиясы өндірістің 4 негізгі түрінен құрастырылған: сазбалшық өндірісі; фторлы тұздар өндірісі; көмірлі электродтар өндірісі және өзіндік жеке алюминийді электролиттік әдісімен алу.

Бір ескертетін жай, техникада жеңіл металдардың барлығы бірдей қолданыла бермейді. Қазіргі кезде көп қолданылатыны алюминий, өзінің маңыздылығы және өндіру масштабы бойынша әлемдік экономикада соңғы кезде ол екінші орында (темірден кейін) тұр. Алюминийді қолдануының тез өсуі оның минералдарының жер қыртысында өте көп таралуына және осы металдың немесе қорытпаларының бағалы физика-химиялық және технологиялық қасиеттеріне байланысты.

Магний өндірісі өте үлкен жылдамдықпен дамыды, бұған көптеген елдерде құрамында магний бар тау жыныстар қорының болуы және оны теңіз суынан алу мүмкіндігі себепші болған.

Бірақ магнийдің қолдануы үлкен дәрежеде әскери қажеттілікке тәуелді, әскери жылдары ол қарқынды дамып, әскери жылдардан кейін оның өндіріс көлемі төмендеп, бұл өндіріс масштабына үлкен әсерін тигізеді. Магнийдің өндірісі 1943 жылдарда максималды дәрежесіне жетті (350 мың т капиталистік елдерде). Қырқыншы жылдардың соңындағы күрт төмендеуден кейін бұл көрсеткіштерге қазіргі уақытта қол жеткізілмеді.

Маңыздылығы және қолдану масштабтары бойынша үшінші орында бериллий болып табылады, оған қызығушылық атом энергетикасының дамуымен өсті. Атомды реакторларда жылулық нейтрондарын нәтижелі тоқтатқышы ретінде бериллий қолданылады. Бұдан басқа бериллий ракеталы техникада және авиацияда қолданылатын кейбір мыс қорытпаларының, сонымен қатар алюминий-магнийлі қорытпалардың маңызды компоненттерінің бірі болып табылады.

Соңғы кездері титан өндіріс материалы бола бастады: тек ХХ ғасырдың бірінші жартысында ғана оны барынша таза түрінде ала бастап, созымдылық пен қысыммен өңделу сияқты жаңа бағалы қасиеттерін ашты. Магний мен алюминийге қарағанда титан ауырлау, бірақ беріктігі мен коррозияға төзімділігі жағынан олардың алдында тұрады. Титанның алюминиймен, марганецпен, хроммен, темірмен және кейбір сирек металдармен қорытпалары берік болып келеді. Беріктігі бойынша олар болаттай, бірақ екі есе жеңіл. Коррозияға төзімділігі бойынша титан тот баспайтын және қышқылға төзімді болаттардан асып түседі.

Қалған жеңіл металдар аз мөлшерде ғана қолданылады.

Жеңіл металдар өндірісі электрметаллургиялық процестермен байланысты болғандықтан, осы металдарды алудың басты талаптарының бірі арзан электрэнергияның қуатты көздері болып табылады.

Бірдей физика-химиялық қасиеттердің, шикізаттан алу және металдарды өндіру әдістерінің ұқсастығы, сонымен қатар кейбір басқа қасиеттері негізінде сирек металдарды келесі топтарға бөледі (6.2 кесте).

Жеңіл сирек металдар. Бұл топқа периодтық жүйенің I және II топтарындағы сирек металдар кіреді (радийден басқасы). Олар аз тығыздықпен (литий 0,53, цезий 1,87, бериллий 1,85) және жоғары химиялық активтілігімен ерекшеленеді. Жеңіл түсті металдар секілді (алюминий, кальций, магний секілді) жеңіл сирек металдарды балқыған тұздар электролизі немесе металлотермиялық әдістермен алады.

6.2 кесте

Баяу балқитын сирек металдар. Бұл топтағы металдардың барлығы периодтық жүйенің IV, V және VI топтарының ауыспалы элементтеріне кіреді. Осындай ерекшелік қарастырылған топтағы металдардың бір қатар физикалық және химиялық қасиеттерін анықтайды, олардың ішінде: баяу балқығыштығы (балқу температуралары 1660 °С-тан титан үшін, вольфрам үшін 3400 °С-қа дейін шектерінде болады), жоғары беріктілігі, коррозияға төзімділігі, химиялық қосылыстардың әртүрлілігін қамтамасыздандыратын ауыспалы валенттілігі. Баяу балқитын металдардың барлығы баяу балқитын және қатты карбидтер, боридтер, силицидтер құрайды.

Балқу температуралары жоғары болғандықтан бұл металдарды өндіру технологиясында кеңінен доғалы және электронды-сәулелі балқытудың әдістері, сонымен қатар ұнтақ металлургия әдісі қолданылады. Баяу балқитын металдар көптеген қолдану аймақтарының ортақтығымен сипатталады. Мысалы, оларды болаттарда легірлеуші элементтер ретінде, ыстыққа төзімді және қатты қорытпаларының компоненттері ретінде қолданылады. Олардың көбісін электртехникада және электрвакуум техникасында қолданылады.

Шашыранды сирек металдар. Бұл топтың металдарын біріктіретін белгісі – олардың жер бетінде шашыранды түрде кездесуі. Көбінесе шашыранды элементтер аз концентрациядағы изоморфты қосылыстар түрінде басқа минерадардың торларында кездеседі және металлургиялық, химиялық өндірістеріндегі қалдықтардан жолай алынады. Мысалы, галлий металы алюминий минералдарының құрамында болады; индий, таллий және германий мырыш алдамшысында және басқа сульфидті минералдарда кездеседі; германий – тасты көмірде, рений – молибденитте және мыстың сульфидті шикізатында кездеседі.

Сирек жер металдары. Лантаноидтардың (церийден бастап лютецийге дейін) физика-химиялық қасиеттерінің ұқсастығы олардың атомдарының сыртқы электронды деңгейлерінің бірдей құрылуымен түсіндіріледі, өйткені бір элементтен басқа элементке ауысу кезінде терең орналасқан 4 f-деңгейі толады. Өздерінің қасиеттеріне байланысты үшінші топтың лантан және иттрий элементтері лантаноидтарға кіріп, олармен бірге сирек жер металдардың тобын құрайды. Кенді шикізатта бұл металдар бір-бірімен ілеспелі түрінде кездеседі және технологияның бірінші сатысында тотықтар қосылыстарының түрінде бөлінеді. Осындай сирек жер металдарды бөлудің күрделі есебі сұйық экстракция және ионалмастырғыш хроматография әдістерінің қолдануымен табысты шешіледі.

Радиоактивті сирек металдар. Бұл топқа полоний, радий, торий, уран сияқты табиғи радиоактивті элементтермен бірге, нептуний, плутоний, т.с.с. жасанды түрінде алынған элементтер кіреді. Кенді шикізатта табиғи радиоактивті металдар бірге кездеседі, жиі жағдайда олармен жолай сирек жер элементтері жүреді.

Кенді шикізаттан сирек металдарды өндіру технологиясының ерекшеліктері

1. 1. Қағида бойынша, құрамында сирек металдары бар кенді шикізат кедей болады. Жиі кезде өңделетін кендердің құрамында алынатын металдың мөлшерінің мыңдаған үлесі болады. Сондықтан барлық жағдайларда мүмкіншілік болған кезде кендерді байыту операциялары қолданылады. Егер байыту операциясы қиындықтар туғызса (уран кендері және басқалары), көбінесе гидрометаллургиялық сұлбаларды қолдана отырып, кендерден металды тікелей алу операциясын жүргізеді. Жиі жағдайда сирек металдардың кендері күрделі кешенді құрамға ие. Мысал ретінде вольфрам-молибденді, титан-ниобий-тантал-сирек жер металды, уран-ванадийлі, литий-цезийлі, цирконий-ниобийлі және т.б. кендерді атауға болады. Сонымен бірге, жоғарыда айтылғандай кейбір сирек металдар кендерде және химиялық өндіріс пен түсті металлургияның өнеркәсіптік қалдықтарында кездеседі.
2. Сирек металдардың бірден бірін кенді шикізаттан тотықсыздандырып алуға болмайды. Ең алдымен шикізаттан металды өңдіру үшін бастапқы материал болатын таза химиялық қосылыстар (тотықтары, тұздары) алынады. Бастапқы шикізаттың құрамы күрделі болғандықтан, өнеркәсіпте сирек металдардың тазалығына өте жоғары талаптар қойылады. Сондықтан шикізатты өңдеу технологиясында қоспалардан тазарту және тазалығы жоғары қосылыстарды алу процестері ерекше ролді атқарады.
3. Әдеттегідей шикізатты өңдеу технологиясы үш негізгі сатыдан тұрады: концентратты ыдырату, таза химиялық қосылыстарды алу және металды алу. Бірінші сатының мақсаты – минералды ыдыратып, қажетті металды жолай жүретін элементтердің негізгі массасынан бөлу және оны ерітіндіге немесе қатты өнімге жинау. Бұған пирометаллургиялық (бір-бірімен балқыту, күйдіру, айдау) немесе гидрометаллургиялық (қышқылдармен, сілтінің ерітіндісімен өңдеу және т.б.) процестердің көмегімен қол жеткізіледі. Екінші сатыда көбінесе сулы ерітінділердегі химиялық процестер (экстракция, ион алмасу процесі, тұндыру, кристаллизациялау) жүзеге асырылады. Кейбір кезде тазалығы жоғары қосылыстарды алу үшін хлоридтерді немесе тотықтарды айдау, галогенидтерді ректификациялау сияқты пиропроцестерде қолданылуы мүмкін. Үшінші сатыда химиялық қосылыстардан металдарды тотықсыздандыратын әртүрлі процестері (көбінесе пирометаллургиялық) қолданылады.

Тотықсыздандыру әдістеріне қарай сирек металдарды үш топқа бөлуге болады:

а) сулы ерітінділерден цементация немесе электролиз әдістерімен тотықсыздандыру (Ga, In, Tl, Ge, Re, Se, Te);

б) жоғары температураларда тотықтардан және галогенидтерден сутігемен, көміртегімен немесе оның тотығымен тотықсыздандыру  (W, Mo, Re, Ge, Nb, Ta) ;

в) тотықтардан және тұздардан металдармен тотықсыздандыру (металлотермия) немесе балқыған орталардан электролиз әдісімен алу  (Ta, Nb, V, Ti, Zr, Li, Be, РЗМ, Th, U).

Жоғарыда көрсетілгендей, тек қана бес металды тікелей олардың тұздарының сулы ерітінділерінен алуға болады, ал қалған металдар пирометаллургиялық әдістермен немесе балқыған орталардан электролиз әдісімен алынады.

Көбінесе баяу балқитын металдар ұнтақ түрінде немесе кеук (губка) түрінде алынып, доғалы балқыту, электрон-сәулелі балқыту арқылы және ұнтақ металлургияның әдістерімен тұтас металға айналдырылады.

1 нег. [б. 319-364, 365-497], 5 нег. [б. 5-13], 6 нег. [б. 5-322].

Бақылау сұрақтары:

1.Жеңіл металдардың қандай минералдарын білесіз?

2. Сирек металдардың қандай минералдарын білесіз?
3. Кенді шикізаттан жеңіл металдарды өндіру технологиясының ерекшеліктері.
4. Кенді шикізаттан сирек металдарды өндіру технологиясының ерекшеліктері.

5.Жеңіл және сирек металдарды қолданудың негізгі аймақтары.