استفاده از فناوری پالایش الکتریکی برای تبدیل سوخت اتمی به فلز.

الکترو وینینگ

الکترو وینینگ، که به آن استخراج الکتریکی نیز گفته می‌شود، عبارتست از عملیات رسوب الکتریکی فلزات از سنگ معدن آن در یک حلال که به طور معمول به این فرایند لیچینگ گفته می‌شود. پالایش الکتریکی از روش مشابهی برای بیرون کشیدن ناخالصی ها از فلزات استفاده می‌نماید. در هردو فرایند از آبکاری الکتریکی در مقیاس بالا استفاده می‌شود و تکنیکهای مهم از نظر اقتصادی و راحتی انجام فرایند برای خالص سازی فلزات غیر آهنی می‌باشند. به فلزات تهیه شده از این روش الکترو  ون گفته می‌شود. در الکتروینینگ، یک جریان از آند خنثی که در محلول لیچ حاوی فلز قرار دارد، عبور می‌کند، و در نتیجه بر اساس فرایند آبکاری الکتریکی فلز روی کاتد رسوب می‌نماید. در پالایش الکتریکی آند از فلز ناخالص تشکیل شده، و زمانیکه جریان از مایع الکترولیک اسیدی عبور می‌کند، آند خورده شده و در الکترولیت حل می‌شود، و بر اساس فرایند آبکاری الکتریکی فلز خالص روی کاتد رسوب می‌نماید.

کاربردها

فلزات معمول که این فرایند روی آنها انجام می‌پذیرد عبارتند از:سرب، مس، طلا، نقره، روی، آلومینیم، کروم، کبالت، منگنز، عنصرهای خاکی کمیاب وفلزهای قلیایی. برای آلومینیم این روش تنها روش تولیدی مورد استفاده می‌باشد. بسیاری از فلزات واکنش پذیر مهم صنعتی (که با آب به شدت واکنش می‌دهند) با الکترولیز نمکهای مذاب آنها تولید صنعتی می‌شوند. آزمایشات زیادی برای پردازش سوخت هسته‌ای با استفاده از روش پالایش الکتریکی انجام پذیرفته است. پالایش الکتریکی توانایی جداسازی فلزات سنگین همچون پلوتونیم، سزیم و استرانسیم را از اورانیم که سمیت کمتری دارا می‌باشد، را دارد. سیستمهای استخراج الکتریکی فراوانی برای خذف فلزات سمی از فاضلاب صنعتی موجود هستند.

فرایند

بیشتر فلزات در طبیعت در حالت اکسید به صورت ماده معدنی وجود دارند و برای استفاده از آنها باید آنها را به حالت فلزی احیا نمود. سنگ معدن در یک فرایند پیش نیاز در الکترولیت آبی و یا نمک مذاب حل شده و سپس عملیات الکترولیز روی آن صورت می‌پذیرد. فلز در کاتد رسوب می‌نماید و معمولاً واکنش انجام گرفته در آند، واکنش ایجاد اکسیژن می‌باشد. بسیاری از فلزات نیز به صورت سولفات در طبیعت یافت می‌شوند؛ از جمله این فلزات می‌توان از مس، سرب، مولیبدن، کادمیم، نیکل، نقره، کبالت و روی نام برد. علاوه بر این طلا و پلاتین نیز در طبیعت به صورت سنگ معدن پایه سولفیدی یافت می‌شوند. بیشتر فلزات پایه سولفاتی و نمکهای آنها رسانای جریان الکتریسیته هستند، که این امر باعث می‌شود بهترین روش برای تصفیه آنها فرایند احیا الکتریکی محلولهای آبی و یا مذاب آنها باشد. برخی از فلزات همچون نیکل در با الکترولیز جدا نمی‌شوند و در محلول الکترولیت باقی می‌مانند. این مواد در مرحله بعد با روش شیمیایی احیا شده و از الکترولیت جدا می‌گردند. دیگر فلزاتی که طی فرایند الکترولیز فلز هدف احیا می‌شوند ولی روی کاتذ رسوب نمی‌کنند، در کف ظرف نه نشین می‌شوند، که به آنها لجن آند گفته می‌شود. این فلزات موجود در لجن به روشهای معمول متالورژی قابل تصفیه می‌باشند. به دلیل اینکه سرعت رسوب به سطح کاتد بستگی مستقیم دارد، نگهداری و بازدید کاتدها بسیار مهم می‌باشد. دو نوع کاتد وجود دارد: کاتد مسطح و کاتد مشبک، که هر کدام مزایای خاص خود را دارند. کاتدهای مسطح به راحتی تمیز و دوباره مورد استفاده قرار می‌گیرند، و فلز مورد استفاده در آن قابلیت تعمیر دارد. در حالیکه کاتد مشبک دارای نرخ رسوب بالاتری نسبت به کاتد مسطح می‌باشد. آنها قابلیت استفاده مجدد نداشته و باید بازیافت گردند.

دستگاه تصفیه الکترولیتی مس

تولید مس کاتدی به روش لیچینگ، استخراج حلالی، الکترووینینگ

ایران از نظر ذخایر معدنی بر روی کمربند جهانی مس (Copper) قرار گرفته است که از جنوب شرقی ایران شروع و تا شمال غربی و نواحی آذربایجان ادامه دارد. با توجه به اینکه مس یکی از مفیدترین و پرمصرف‌ترین عناصر فلزی است و با پیشرفت تکنولوژی امکان استخراج اقتصادی مس از سنگ معدن‌های کم عیار با آلودگی کمتر محیط زیست نیز فراهم شده است، استفاده از روش‌های هیدرومتالورژی (Hydrometallurgy) – محلولی، برای استخراج مس بویژه از سنگ معدن‌های اکسیدی گسترش یافته است.

با توجه به قرارگیری کشور ایران بر روی کمربند فلزی و وجود ذخایر غنی مس در داخل کشور مانند: مس سونگون، مس سرچشمه، خاتون آباد، قلعه زری، چهل کوره، میدوک و وجود بازار مناسب جهت صادرات (عمدتا به چین) از جایگاه ویژه‌ای برخوردار است. در ایران تصور بر آن است که جایگاه اقتصادی مس پس از نفت و گاز قرار دارد، به عقیده کارشناسان، حجم ذخایر واقعی کشور به مراتب بیشتر از حجم ذخایر شناسایی شده است.

فرآیندهای هیدرومتالورژیکی استخراج مس دارای مزایایی چون قدرت استخراج انتخابی بالای فلز مورد نظر می‌باشند و برای سنگ‌معدن‌های کم‌عیار مس اکسیدی یا اکسیدی – سولفیدی مناسب هستند. همچنین از این فرآیندها می‌توان برای استخراج مس از پسماندها، ضایعات و محصولات میانی نیز استفاده کرد. واحدهای اصلی یک کارخانه تولید مس کاتدی به روش هیدرومتالورژی به شرح زیر است:

• عملیات پیش از فرآیند (تغلیظ، خردایش، تشویه و …)
• واحد حل‌سازی یا لیچینگ
• واحد تصفیه یا تغلیظ
• تولید مس کاتدی

با توجه به اینکه سنگ معدن مس نیاز به عملیات تغلیظ و کنسانتره سازی داشته باشد، این عملیات پس از استخراج سنگ از معدن و خردایش آن انجام می‌شود تا عیار سنگ معدن به میزان مورد نظر برسد. شکل‌ زیر فلوچارت کلی فرآیند استخراج مس به روش حل‌سازی – استخراج حلالی و الکترووینینگ را نشان می‌دهد.

فلوچارت فرآیند هیدرومتالورژی تولید مس کاتدی

در واحدهای حل‌سازی از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که می‌توان به روش حل‌سازی در محل، حل‌سازی انباشته‌ای، حل‌سازی حوضچه‌ای، حل‌سازی در مخزن همزن‌دار و حل‌سازی تحت‌فشار اشاره کرد. از محلول‌های مختلفی مانند اسید سولفوریک رقیق با پی‌اچ ۵/۲ – ۸/۰، که برای سنگ معدن‌های اکسیدی (اکسیدها، پایه کربنات‌ها، سولفات‌ها و سیلیکات‌ها) مناسب است، استفاده می‌شود.

همچنین از محلول نمک آهن سه ظرفیتی به عنوان عامل اکسیداسیون در حل‌سازی سنگ معدن سولفیدی، محلول‌های آمونیاکی (کربنات‌های آمونیوم) و سایر محلول‌ها مانند: HCl، HNO₃، H₂SO₄ (غلیظ)، FeCl₃، CuCl₂ و دی‌کرومات‌ها استفاده می‌شود. همچنین پیشرفت‌هایی در زمینه حل‌سازی باکتریایی سنگ معدن‌های کم‌عیار مس انجام شده است که دارای مشکلات زیست‌محیطی و مصرف انرژی کمتری هستند.

معمولا برای محلول‌های حاصل از حل‌سازی که دارای مقادیر بالای ناخالصی بویژه ناخالصی آهن هستند قبل از فرآیند الکترووینینگ از استخراج حلالی استفاده می‌شود. در فرآیند استخراج حلالی عموما از حلالی استفاده می‌شود که فلز مس را به طور انتخابی در خود حل‌ می‌کند و از فاز آبی به فاز آلی منتقل می‌گرداند. این فرآیند بر اساس عدم حلالیت محلول آلی و آبی در یکدیگر توسعه پیدا کرده است. میزان حلالیت مس در فاز آلی نسبت به فاز آبی بیشتر است. فرآیند استخراج حلالی دارای دو مرحله اساسی است:

• استخراج انتخابی مس از محلول حاصل از حل‌سازی و انتقال آن به فاز آلی
• تخلیه مس از محلول آلی به محلول رقیق آبی اسید سولفوریک و ایجاد محلول مناسب برای الکترووینینگ

محلول الکترولیت که وارد واحد الکترووینینگ می‌شود تقریبا حاوی ۶۰ – ۳۰ کیلوگرم بر مترمکعب مس است. در واحد الکترووینینگ از سلول‌های الکتروشیمیایی استفاده می‌شود که دارای سه بخش آند، کاتد و الکترولیت هستند. آندها عموما آند خنثی بوده و از جنس سرب یا آلیاژ سرب – آنتیموان (یا قلع) هستند (یکی از تفاوت‌های اصلی الکترووینینگ با الکتروریفاینینگ)، کاتدهای مورد استفاده نیز عموما از جنس فولاد زنگ نزن (۳۱۶L) یا صفحه مسی هستند. الکترولیت نیز محلول حاصل از حل‌سازی و یا واحد استخراج حلالی است. فلز مس از محلول آبی در کاتد رسوب کرده، گاز اکسیژن آزاد می‌شود و یون سولفات در الکترولیت پسماند در سیستم سیرکوله می‌شود.

تحولات و پیشرفت روش هیدرومتالورژی، ناشی از سازگاری بیشتر این روش با محیط زیست و مصرف کمتر انرژی است. از آنجا که تولید مس در این روش در دمای پایین صورت می‌گیرد، این کارخانه فاقد آلاینده گازی است. در واحد انحلال نیز با نصب لایه غیرقابل نفوذ و سیستم‌های نشان دهنده‌ی نشتی محلول، از نفوذ محلول اسیدی به زمین جلوگیری می‌شود. کلیه محلول‌ها نیز در مسیر بسته قرار داشته و در نتیجه این اقدامات آلودگی این روش بسیار بسیار پایین است.

 🆔 @metallurgydata : کانال دانش تلگرام