روش‌های استخراج و فراوری فلزات

قبل از این که فرایند فراوری فلزات شروع شود، باید این را بدانیم که کانی‌ها را از کجا پیدا کنیم. ترکیبات سنگ‌های یافت شده یا دیگر مواد جامد عموماً شامل فلزات ضروری، ترکیبات فلزی و یا فلزات خالص ارزشمند هستند. این کانی‌ها فراوری می‌شوند تا ترکیبات غیرفلزی (باطله) از بخش ارزشمند جدا شود. سپس این مواد خالص‌سازی شده، به فلز یا آلیاژ (ترکیب یک یا دو فلز یا ترکیب فلز با ترکیبات دیگر) تبدیل می‌شوند.  در ادامه با شیمی، کاربردها و روش‌های فراوری فلزات آشنا می‌شوید. تا انتهای متن با فولادینو همراه باشید.

آشنایی با فلزات

فلزها موادی سخت با هدایت الکتریکی، چکش‌خواری و درخشندگی هستند. بیشتر فلزات نقطه ذوب و چگالی بالایی دارند. همچنین بسیاری از فلزات رسانای خوب الکتریسیته نیز هستند. خصوصیت دیگر فلزات، خوردگی هنگام قرارگرفتن در معرض آب دریا یا هوای مرطوب است. فلزات آهنی دارای خواص مغناطیسی و محتوای کربن بالایی هستند که آنها را در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی مستعد می‌کند. خاصیت مغناطیسی دیگر ویژگی فلزات آهنی به دلیل وجود آهن است. کبالت، نیکل، فولاد و چندین آلیاژ با فلزات نادر خاکی دارای خواص مغناطیسی هستند.

نکته جالب این است که آهن اگر تا دمای 770 درجه سلسیوس حرارت داده شود می‌تواند خواص مغناطیسی خود را ازدست‌داده و تبدیل به یک فلز پارامغناطیس شود (این دما همچنین به‌عنوان دمای Curie شناخته می‌شود، نقطه‌ای که فلز نیروی مغناطیسی خود را از دست می‌دهد). نکته دیگر این است که بیشتر فلزات از جمله آلومینیوم، مس و طلا دارای خاصیت مغناطیسی نیستند. 

برزیل، چین، روسیه، استرالیا و آفریقا بیشترین ذخایر سنگ فلزی را دارند و سنگ‌آهن بیشترین فلز معدنی استخراج شده در سراسر جهان است. سنگ‌آهن حدود 94 درصد از 3.2 میلیارد تن فلزات استخراج شده در سال 2019 را به خود اختصاص داده است و 98 درصد از آهن مستقیماً به بخش تولید فولاد انتقال می‌یابد.

فرایند فراوری فلزات

فرایند فراوری فلزات چیست؟ فراوری فلزات، فرایند آماده‌سازی و جدا کردن مواد بی‌ارزش از سنگ‌های استخراج شده به‌منظور دستیابی به فلزات با ارزش درون کانی است. روش‌های فراوری مختلفی وجود دارد که بسته به فلز و مراحل متعدد هر فرایند ممکن است انتخاب شوند. همچنین با توجه ‌به سختی یک فلز ممکن است یک روش را چند بار اجرا کرد. در ادامه با روش‌های استخراج یا فراوری فلزات آشنا می‌شوید:

۱- فرایند‌های خردایش

در ادامه بعضی از فرایند‌های دانه بندی و خردایش معرفی شده است:

• سرند کردن: به‌منظور جداکردن ذرات کوچک از سنگ‌های درشت انجام می‌شود تا حجم ورودی مواد به سنگ‌شکن کاهش یابد. سنگ‌های کوچک بدون انتقال به مرحله سنگ‌شکنی به بخش بعد منتقل می‌شوند.
• سنگ‌شکنی: فرایندی است که ذرات درشت سنگ به قطعات کوچک‌تر شکسته می‌شود تا کانی برای فرایند آسیا آماده شود.
• سرند کردن ثانویه: در اکثر کارخانه فراوری‌ها به‌منظور یک‌دست کردن محصول وجود دارد. سنگ‌های خرد نشده به مرحله قبلی برگردانده می‌شوند.
• آسیا: گاهی از آن به‌عنوان پودر کردن نیز یاد می‌شود، این مرحله سنگ معدن را به قطعات بسیار کوچک می‌شکند تا اندازه یا سطح ‌کافی برای فرایندهای جداسازی ایجاد شود. با سرند کردن، ذرات کوچک‌تر به فرایند جداسازی و ذرات بزرگ دوباره به مرحله قبلی انتقال می‌یابند.

۲- فرایندهای جداسازی

 به‌طورکلی 4 دسته فرایند جداسازی وجود دارد که بر اساس ویژگی هر ماده معدنی انتخاب و تنظیم می‌شود.

فرایند‌های جداسازی ثقلی: عموماً ماده معدنی در آب یا آب جاری در دستگاه قوطه‌ور یا بر روی میز لرزان قرار می‌دهند تا مواد ارزشمند بر اساس ویژگی ثقلی خود جدا شوند.

فلوتاسیون: هوا درون یک سلول شامل آب، مواد معدنی و افزودنی‌های شیمیایی دمیده می‌شود تا ذرات ارزشمند را جمع‌آوری کند و به بالای سلول انتقال دهد. مواد باطله نیز به پایین سلول انتقال می‌یابند.

فرایند‌های جداسازی مغناطیسی: این روش مواد دارای خاصیت مغناطیسی را از مواد باطله (بدون خاصیت مغناطیسی) با استفاده از یک درام گردان جدا می‌کند.

فرایند‌های شیمیایی: مواد به‌صورت انتخابی در یک حلال حل شده و جدا می‌شوند.

شیمی فلزات

بیشتر عناصر موجود در جدول مندلیف فلز هستند. در حالت طبیعی بیشتر فلزات با عناصر دیگر همراه هستند، بیشتر ‌‌آنها در سنگ‌ها با عناصر دیگر ترکیب شده‌اند. جدول تناوبی عناصر را به چند دسته تقسیم می‌کند. این دسته‌ها عبارتند از:

۱- فلزات قلیایی

 این فلزات با آب‌ و هوا واکنش می‌دهند. اغلب با دیگر فلزات ترکیب می‌شوند و به همین دلیل در روغن نگهداری می‌شوند. این فلزات در ستون اول جدول مندلیف قرار دارند.

• لیتیم
• سدیم
• پتاسیم
• روبیدیم
• سزیم
• فرانسیم

۲- فلزات قلیایی خاکی

 این فلزات در ستون دوم جدول مندلیف قرار دارند. نمک ‌آنها با آب واکنش می‌دهد و اکسید این فلزات خاصیت بازی دارد.

• بریلیم
• منیزیم
• کلسیم
• استرانسیم
• باریم
• رادیم

۳- فلزات واسطه

 این فلزات بهترین رساناهای الکتریسیته هستند، نقطه ذوب بالایی دارند و بسیار چگال هستند. چهل عنصر در وسط جدول تناوبی وجود دارد که در این دسته قرار می‌گیرند، از اسکاندیم (Sc) تا کوپرنیسیم (Cn).

۴- فلزات نادر خاکی

 این فلزات به‌ندرت در طبیعت یافت می‌شوند و بسیار مورد توجه و ارزشمند هستند. فلزات نادر خاکی رسانایی الکتریکی بالایی دارند. عناصری که در این دسته قرار می‌گیرند از لانتانیم تا لوتسیم هستند و اسکاندیم و ایتریم نیز ممکن است شامل این گروه باشند.

۵- فلزات پس واسطه

 این فلزات کمترین واکنش‌پذیری را در بین تمام فلزات دارند. این عناصر در ستون‌های 13 تا 15 جدول تناوبی قرار دارند.

۶- شبه فلزات

این عناصر دارای خواصی مانند فلزات و غیر فلزات هستند. عموماً رسانایی کمتر و شکنندگی بیشتری نسبت به فلزات دارند.

• بور
• سیلیکون
• ژرمانیوم
• آرسنیک
• آنتیموان
• تلوریم 
• پلونیوم

انواع کانی‌های معدنی

سنگ‌های معدنی بسته به نوع ترکیبات فرعی شیمیایی خود به چهار نوع اصلی تقسیم می‌شوند. این ناخالصی‌ها باید در طی فرایندهای مختلف فراوری حذف شوند.

• کانی‌های اکسیدی
• کانی‌های کربنات
• کانی سولفیدی
• هالیدها

در ادامه جدوا انواع کانی‌ها آورده شده است:

نوع کانی	عنصر	اسم کانی
اکسیدی	آلومینیوم	بوکسیت
	مس	کوپریت
	قلع	کاسیتریت
	آهن	هماتیت
کربنات	کلسیم	آهک
	آهن	سیدریت
	روی	کالامین
سولفیدی	مس	کالکوپیریت
	سرب	گالن
	جیوه	شنگرف (سینابر)
	روی	اسفالریت
هالید	فلوئور	فلوراسپار
	نقره	کلورآرژیریت
	سدیم	سنگ نمک

استفاده‌های روزمره از فلزات

تقریباً تمام اقلام روزمره ما حاوی فلزات هستند:

• در خودروسازی و ساخت‌وساز از آهن، فولاد و آلومینیوم استفاده می‌شود.
• در تولید جواهرات از طلا، نقره و پلاتین استفاده می‌کنند.
• مس برای صنعت تولید سیم ضروری است.
• وسایل و ظروف آشپزی در خانه عمدتاً آلومینیومی و استیل هستند.
• در فرایند گالوانیزه از روی استفاده می‌شود.
• ظروف غذا، لحیم‌کاری و یاتاقان‌ها دارای قلع هستند.
• در تولید دماسنج از جیوه استفاده می‌شود.
• کبالت، لیتیوم، مولیبدن و وانادیم برای فناوری‌های انرژی سبز مانند باتری‌های لیتیوم یونی، پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی ضروری هستند.

آینده معدن‌کاری و استخراج فلزات

آینده معدن‌کاری در دریا و ستارگان است. بسیاری از کشورها برای جستجوی فلزات رایج و فلزات نادر خاکی، به استخراج معادن در اعماق دریا می‌اندیشند. کارشناسان تخمین می‌زنند که بخشی از اقیانوس آرام به‌تنهایی می‌تواند دارای ذخایر فلزی و معدنی بیشتری نسبت به کل معادن سطح زمین باشد. به همین دلیل دانشمندان و مهندسان به بررسی اینکه آیا معدن‌کاری دریایی مخرب‌تر از استخراج سطح زمین است یا نه ادامه می‌دهند. تأثیر زیست‌محیطی این فرایند همچنان نامشخص است.

همچنین مقادیر کمی طلا در آب دریا وجود دارد (یک گرم در 100 میلیون تن). در حال حاضر فیلتر کردن طلا از آب دریا توجیه اقتصادی ندارد. کف اقیانوس نیز حاوی ذخایر عظیم طلا است، اما عمق آن بیش از 2 کیلومتر و زیر ‌لایه‌ای از سنگ‌های ضخیم است. هیچ فناوری موجود برای استخراج طلا در این اعماق در دسترس نیست، اما تحقیقات در حال انجام است.

بشر با گسترش مرزهای خود به استخراج از سیارک‌ها، ماه و حتی مریخ فکر می‌کند. سیارک‌ها از نظر ترکیب متفاوت هستند؛ اما عمدتاً از آهن و نیکل ساخته شده‌اند، برخی از آنها دارای غلظت بالایی از فلزات کمیاب مانند طلا، نقره و پلاتین هستند. برنامه آرتمیس ایالات متحده قصد دارد یک کنسرسیوم چند ملیتی را به ماه هدایت کند. ایالات متحده در حال حاضر اولین قوانین منابع فضایی جهان را برای آماده‌سازی این پروژه تصویب کرده است. این باعث می‌شود ماه محتمل‌ترین هدف برای اولین عملیات معدن‌کاری تجاری باشد. 

در این مقاله در ابتدا به صورت مختصر با فلزات آشنا شدید، سپس به بررسی فرایند فراوری فلزات پرداختیم، در انتها نیز درباره استفاده‌های روزمره و آینده استخراج فلزات صحبت کردیم. شما می‌توانید برای مشاهده مقالات مرتبط، اطلاع از قیمت روز انواع محصولات فولادی و خرید آهن‌آلات به وبسایت فولادینو مراجعه کرده و از خدمات مجموعه فولاد سازان راه ابریشم استفاده کنید.

منبع: Metal supermarkets