Природа наградила нас большим разнообразием чрезвычайно ценных цветных металлов. Однако человеку приходится преодолевать немалые трудности, чтобы извлечь их из недр планеты.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №7(47). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Ежегодно человечество потребляет около 8 миллиардов тонн металла. И эта цифра продолжает стремительно расти. Оглянитесь вокруг: любые здания, любой вид транспорта, любая электроника, системы водо- и электроснабжения и многое-многое другое — всё содержит в себе металл. Конечно, он бывает разный. Исторически так сложилось, что металлы, которыми пользуется человечество, принято делить на чёрные (железо и сплавы на его основе) и все остальные — цветные металлы (медь, свинец, цинк, никель, алюминий, титан, магний). Если первые благодаря своей твёрдости и прочности широко используются в строительстве, то цветные, из-за своей ковкости и электропроводимости, находят применение в электронике и производстве.

Природное скопление полезных ископаемых называют месторождением. Скапливаются они там в результате сложных геологических процессов, поэтому в месторождениях металлы крайне редко бывают в чистом виде. Например, цинк встречается обычно вместе со свинцом и медью. Более того, в свободном виде существуют только неактивные металлы, у остальных всегда есть примеси. Поэтому металлурги используют термин руда — то есть природное минеральное образование, содержащее соединения ряда полезных ископаемых. С одной стороны, в этом есть плюс — иногда из одного месторождения можно получать сразу несколько ценных металлов, а с другой — чем больше разных составляющих в руде, тем сложнее процесс её обработки.

Разберём на примере свинцово-цинковой руды. Цветные металлы находятся в руде не в чистом виде, а в соединении с окислителями, образуя природные минералы. Так, для свинца это галенит PbS и, в меньшей степени, церуссит PbCO₃ и англезит PbSO₄. 

А для цинка это минералы сфалерит и вюрцит с формулой ZnS, смитсонит ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO * SiO₂* H₂O и марматит nZnS *  mFeS.

Важной частью процесса получения чистого металла является обогащение руды. Это означает, что в руде повышают концентрацию цветных металлов. Как этого добиться? Есть два способа. Первый — добавить в руду металл, по очевидным причинам это нецелесообразно. Второй — убрать лишние минералы из руды. Этот-то вариант и используется.

Процесс обогащения начинается с того, что руду тщательно измельчают и смешивают с жидкостью. В результате получается густая грязевая масса — пульпа. Её отправляют во флотационную камеру.

В камере рудную пульпу заливают водой и интенсивно перемешивают, подготавливая к поступлению флотационных реагентов. Эти химические вещества нацелены избирательно уменьшать смачиваемость отдельных минералов в составе руды. Дело осталось за малым — пропустить через пульпу с реагентом поток воздушных пузырьков. Каждый из них, поднимаясь вверх, уносит несколько кусочков минерала, содержащего свинец или цинк. Пустая порода за счёт высокой смачиваемости просто оседает на дне.

В итоге на поверхности ёмкости для флотации образуется толстый слой пены, в котором находятся цветные металлы. Остаётся только собрать её и отправить на дальнейшую переработку.

Весь описанный нами процесс проходит в месте, которое называют горно-обогатительным комбинатом. Если говорить о производстве цинка и свинца, то продуктами комбината будут свинцово-цинковые концентраты. В них немало меди, кадмия, серы, ртути, галлия, индия, таллия, селена, теллура и даже золота с серебром. Да и в пустой породе, если постараться, можно найти оксиды кремния, кальция и алюминия.

Далее концентраты цветных металлов отправляют на многоступенчатую переработку, в результате которой и будет получен металл товарного качества.

Один из способов переработки — пирометаллургический. При такой обработке цинковый концентрат нагревается до 1100 °C в присутствии восстановителей (углерод и угарный газ), в результате цинк выходит из руды в парообразном состоянии. Большой недостаток пирометаллургической обработки в том, что при испарении цинк забирает с собой свинец, кадмий, железо и другие металлы. Поэтому при дальнейшей очистке сырьё нужно разделить на свинец, цинк, кадмий, медь и железо (чем-то это похоже на нефтепереработку с использованием ректификационной колонны). Сначала при 767 °C выкипает кадмий, за ним при 907 °C цинк, следом свинец (1745 °C), а в конце — медь (2543 °C) и железо (2870 °C — самый тугоплавкий металл в руде).

Этот процесс химики называют дистилляцией, и осуществим он, если концентрат состоит исключительно из оксида цинка. На практике же в концентрированном сырье немало сульфидов этого металла, поэтому предварительно концентрат приходится обжигать, удаляя серу. Вообще, чем больше развивается промышленность и процессы получения цветных металлов, тем бо́льшую роль играют химические способы переработки.

Итак, вернёмся к моменту обжига цинкового концентрата. В результате мы получаем руду, состоящую из оксида цинка (ZnO) — он же цинковый огарок. Не стоит забывать, что в процессе обжига выделяется много оксида серы (SO₂), который в дальнейшем используют для получения серной кислоты (H₂SO₄). Она, в свою очередь, нужна будет для выщелачивания цинкового огарка по схеме:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O.

Для чего это делается? Для того, чтобы перевести исходное сырье в растворённую в воде форму. Продуктом такого процесса будет «бульон» с большой концентрацией сульфата цинка (ZnSO₄), а также массой примесей — соединений попутных металлов. Если от них вовремя не избавиться, то качество финального продукта резко упадёт. И тут нам опять поможет химия. С помощью реакции гидролиза удаляются соединения железа, мышьяка, сурьмы, алюминия и меди. Вода разлагает соли этих металлов, в результате образуются нерастворимые соединения, которые просто оседают на дне реакторов. Металлы, менее электроотрицательные, чем цинк, — это кадмий, кобальт, никель и медь, — могут быть вытеснены им из раствора. Это происходит во время цементации — процесса, представляющего собой распыление цинковой пыли или расплавленного цинка над раствором сульфатов. После цементации выделяются медные, никелевые, кадмиевые и другие твёрдые осадки (или кеки), которые отправляются на дальнейшую переработку.

Нас же интересует получившийся в итоге очищенный от примесей раствор сульфата цинка ( ZnSO₄), который отправляется на финальную стадию переработки — в электролизные ванны. Здесь цинк восстанавливается на катоде из листового алюминия. Примерно раз в сутки катоды вынимаются из ванн, и специальные катодосдирочные машины снимают рыхлую массу готового цинка — чистотой до 99,99 %. Далее цинк уходит в индукционные печи для переплавки в товарные чушки.

Свинец, ближайший напарник цинка по руде, претерпевает после обогащения иные метаморфозы, с ним дела обстоят несколько проще. Существует всего три способа его получения из обогащённого концентрата: восстановительная шахтная плавка, горновая и реакционная плавка. В первом случае свинцовые сульфидные концентраты, содержащие от 39 до 78 % металла по массе, подвергают обжигу по аналогии с цинком:

2PbS + 2O₂ = 2PbO + 2SO₂.

Полученный оксид свинца в специальных шахтных печах плавят с коксом С и угарным газом СО для получения жидкого металла. Если у металлурга на руках очень богатый свинцом концентрат с содержанием металла не менее 75 %, то есть смысл использовать горновую плавку. Исходная шихта с сульфидом свинца обжигается при температуре 700–800 °C в присутствии кислорода, и запускается стадийный процесс перехода PbS — PbO — PbSO₄ — Pb.

Несколько меньшая концентрация свинца (65–70 %) в исходном сырье требуется для использования третьего способа — реакционной плавки. Реакция не очень отличается от горновой плавки, за исключением того, что проходит в электропечи и при более высоких температурах. Это позволяет выделить ценный металл из исходного продукта практически полностью.