قبل از شروع فرآیند استخراج فلز، باید بدانید که سنگ معدن را در کجا باید پیدا کنید. اَشکال سنگی طبیعی یا سایر مواد جامد، معمولاً حاوی فلزات لازم، ترکیبات فلزی یا مواد معدنی ارزشمند هستند. این سنگ‌ها برای استخراج مواد غیرفلزی از فلزات ارزشمند فرآوری می‌شوند. این ماده سپس تصفیه شده و به فلزات یا آلیاژهای فلزی تبدیل می‌شود، مخلوطی از دو یا چند فلز یا فلز با سایر ترکیبات. فلزات، موادی سخت با رسانایی حرارتی، چکش خواری و درخشندگی هستند. بیشتر فلزات دارای نقطه ذوب بالا و چگالی بالا هستند و چندین فلز، رسانای خوب الکتریسیته نیز هستند.
سایر خصوصیات فلزی ممکن است شامل خوردگی هنگام قرار گرفتن در معرض آب دریا یا هوای مرطوب باشد. فلزات آهنی مبتنی بر آهن دارای خواص مغناطیسی و محتوای کربن بالایی هستند که آنها را در برابر زنگ زدگی و خوردگی حساس می‌کند. خاصیت مغناطیسی دیگر فلزات آهنی به دلیل وجود آهن است. کبالت، نیکل، فولاد و چندین آلیاژ با فلزات کمیاب زمین، خاصیت مغناطیسی دارند.
جالب است که بدانید، اگر آهن در دمای 1418 درجه فارنهایت حرارت داده شود، می‌تواند خواص مغناطیسی خود را از دست داده و تبدیل به پارامغناطیس شود که همچنین به عنوان دمای کوری نیز شناخته می‌شود، نقطه‌ای که فلز نیروی مغناطیسی خود را از دست می‌دهد. دمای کوری (Curie temperature) یا نقطه کوری (Curie point) به دمایی گفته می‌شود که در آن مواد مغناطیسی خاصیت مغناطیسی ذاتی خود را از دست داده و به یک مغناطیس القایی تبدیل می‌شوند. پیر کوری (Pierre Curie) اولین شخصی بود که نشان داد خاصیت مغناطیسی مواد در یک دمای بحرانی از بین می‌رود. بیشتر فلزات از جمله آلومینیوم، مس و طلا، مغناطیسی نیستند.
بیشتر بدانید:
کدام فلزات خاصیت مغناطیسی دارند؟
برزیل، چین، روسیه، استرالیا و آفریقا بیشترین ذخایر سنگ فلزی (metal ore) را دارند و سنگ آهن (iron ore) بیشترین استخراج معدنی در سراسر جهان را دارد. سنگ آهن حدود 94 درصد از 3.2 میلیارد تن فلزات استخراج شده در سال 2019 است و 98 درصد از آن آهن مستقیماً به تولید فولاد می‌رود.
فهرست مطالب
فرآیند استخراج فلز
استخراج چیست؟
به فرآیند تهیه و جداسازی ناخالصی‌ها از محصولات استخراج شده، برای پالایش فلز ارزشمند درون سنگ معدن، گفته می‌شود.
چندین روش استخراج مختلف بسته به فلز و مراحل متعدد در هر فرآیند اولیه وجود دارد. بسته به سختی سنگ معدن، ممکن است مجبور شوید برخی از این مراحل را تکرار کنید.
- غربالگری (Screening): اولین مرحله جداسازی ذرات ریز از سنگ معدن است تا از overloading بیش از حد سنگ شکن جلوگیری شود.
- خرد کردن (Crushing): شامل خرد کردن سنگ معدنی به اندازه‌های کوچک‌تر برای بهینه‌سازی فرآیند آسیاب بعدی است.
- بازیابی (Reclaim): فرآیند غربالگری اضافی مورد نیاز برای اکثر فلزات.
- آسیاب (Grinding): همچنین با نام پودر کردن (pulverization) نیز شناخته می‌شود. این مرحله سنگ معدن را به قطعات کوچک می‌شکند تا سطح کافی برای فرآیندهای جداسازی ایجاد شود. با حرکت ذرات کوچک‌تر به فرآیند جداسازی، ذرات بزرگ دوباره به عملیات خرد کردن منحرف می‌شوند.
- جداسازی (Separation): چهار روش برای جداسازی ناخالصی‌ها وجود دارد که هر کدام برای سنگ‌های فلزی خاص (بر اساس خواص شیمیایی آنها) طراحی می‌شوند:
روش هیدرولیتیک (Hydrolytic): سنگ معدن خرد شده در یک جریان آب روی میز ارتعاشی قرار می‌گیرد تا ناخالصی‌ها را از فلز جدا کند.
روش Froth Flotation: هوای فشرده در یک مخزن پر از روغن دمیده می‌شود تا کف ایجاد کند که اجازه می‌دهد ناخالصی‌ها در انتها نشست کنند.
روش جداسازی مغناطیسی (Magnetic Separation): این تکنیک ذرات فلز مغناطیسی را از ناخالصی‌های موجود در سنگ معدن خرد شده با تسمه نقاله مغناطیسی جدا می‌کند.
روش جداسازی شیمیایی (Chemical Separation): در این روش از یک حلال برای حل کردن ناخالصی‌ها در سنگ معدن خرد شده استفاده می‌شود.
شیمی فلزات
بیشتر عناصر جدول تناوبی فلزات هستند. سنگ معدن فلزی به ندرت در حالت طبیعی خود عاری از آلودگی است. بیشتر آنها در سنگ و با عناصر دیگر (سنگ معدن) ترکیب می‌شوند. جدول تناوبی، فلزات را به چند دسته طبقه‌بندی می‌کند:
فلزات قلیایی (Alkali Metals)
این عناصر، فلزاتی نرم با نقطه جوش، نقطه ذوب و چگالی پایین هستند. آنتالپی ذوب، تبخیر و تصعید هم در این فلزات همانند دیگر خواص پایین است. آزاد شدن الکترون از فلزات قلیایی علت رنگ شعله در این عناصر است. شعاع اتمی، هدایت الکتریکی و گرمایی در این عناصر به دلیل آرایش الکترونی بسیار زیاد و در روندهای تناوبی قابل بررسی است. فلزات قلیایی – این فلزات با هوا و آب واکنش های شیمیایی دارند. اغلب با فلزات دیگر ترکیب می شود و برای جلوگیری از واکنش پذیری در روغن ذخیره می شود. فلزات قلیایی در ستون اول جدول تناوبی قرار دارند.
- لیتیوم (Li)
- سدیم (Na)
- پتاسیم (K)
- روبیدیم (Rb)
- سزیم (Cs)
- فرانسیوم (Fr)
فلزات قلیایی خاکی (Alkaline earth metals)
این فلزات در ستون دوم جدول تناوبی قرار دارند. فلزات قلیایی خاکی در پوسته زمین یافت می‌شوند، اما نه به صورت فلز آزاد بلکه به علت فعالیت بالا به صورت ترکیب در کانی‌ها و سنگ‌های مختلف.
- بریلیم (Be)
- منیزیم (Mg)
- کلسیم (Ca)
- استرانسیوم (Sr)
- باریم (Ba)
- رادیوم (Ra)
فلزات واسطه (Transition metals)
اینها بهترین هادی‌های الکتریسیته هستند، نقطه ذوب بالایی دارند و بسیار متراکم هستند. چهل عنصر در وسط جدول تناوبی وجود دارد که در این دسته قرار می‌گیرند، از اسکاندیم (Sc) تا کوپرنیسیم (Cn).
فلزات خاکی کمیاب (Rare earth metals)
به ندرت در طبیعت یافت می‌شوند، عناصر بسیار مورد توجه و ارزشمندی هستند. فلزات خاکی کمیاب رسانایی الکتریکی بالایی دارند. عناصری که در این دسته قرار می‌گیرند از لانتانیم تا لوتسیم متغیر هستند و ممکن است شامل اسکاندیم و ایتریم نیز باشند.
فلزات ضعیف (Poor metals)
کمترین واکنش را در بین تمام فلزات دارند. این عناصر در ستون‌های 13-15 جدول تناوبی قرار دارند که با آلومینیوم (Al) شروع می‌شود.
شبه فلزات (Semimetals)
کمتر رسانا بوده و شکننده‌تر از اکثر فلزات هستند، این فلزات دارای خواص مرزی بین فلزات و غیر فلزات هستند.
- بور (B)
- سیلیکون (Si)
- ژرمانیوم (Ge)
- آرسنیک (As)
- آنتیموان (Sb)
- تلوریم (Te)
- پولونیوم (Po)
انواع سنگ معدن
چهار نوع اصلی سنگ معدن بر اساس ناخالصی‌های شیمیایی قابل شناسایی آنها وجود دارد. این ناخالصی‌ها نیاز به حذف در طی فرآیندهای مختلف پالایش فلز دارند.
- اکسیدهای سنگ معدن (Ores Oxides)
- سنگ معدن کربنات (Ores Carbonate)
- سنگ معدن سولفید (Ores Sulfide)
- سنگ معدن هالید (Ores Halide)
| اکسیدهای سنگ معدن | سنگ معدن کربنات | سنگ معدن سولفید | سنگ معدن هالید |
| آلومینیوم | کلسیم | مس | فلوراید |
| مس | آهن | سرب | نقره |
| قلع | روی | جیوه | سدیم |
| آهن | سنگ آهک | روی | فلورسپار |
استفاده روزمره از فلزات مبتنی بر سنگ معدن
تقریباً تمام اقلام روزمره ما حاوی فلز هستند:
- در خودروسازی و ساخت و ساز از آهن، فولاد و آلومینیوم استفاده می‌شود.
- جواهرات از طلا، نقره و پلاتین استفاده می‌کنند.
- مس برای سیم سازی ضروری است.
- معمولاً ظروف آشپزی، آلومینیومی و استیل هستند.
- در فرآیند گالوانیزه از روی استفاده می‌شود.
- ظروف غذا، لحیم کاری و یاتاقان‌ها دارای قلع هستند.
- دماسنج‌ها از جیوه استفاده می‌کنند.
- کبالت، لیتیوم، مولیبدن و وانادیم برای فناوری‌های انرژی سبز مانند باتری‌های لیتیوم یونی، پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی ضروری هستند.
آینده معادن فلز
بسیاری از کشورها برای جستجوی فلزات رایج و فلزات کمیاب، به استخراج معادن در اعماق دریا می‌پردازند. کارشناسان تخمین می‌زنند که بخشی از اقیانوس آرام به تنهایی می‌تواند دارای ذخایر فلزی و معدنی بیشتری نسبت به کل معادن زمینی باشد! از آنجایی که دانشمندان و مهندسان به بررسی اینکه آیا استخراج از دریا (DSM) یا deep-sea mining، مخرب‌تر از استخراج سطحی زمین است یا خیر، ادامه می‌دهند، تأثیر زیست محیطی واقعی آن همچنان نامشخص است.
همچنین مقادیر کمی طلا در آب دریا وجود دارد و در حال حاضر فیلتر کردن آن توجیه اقتصادی ندارد. کف اقیانوس حاوی ذخایر عظیم طلا است، اما عمق آنها 1 تا 2 مایل و زیر لایه‌ای از سنگ است. هیچ فناوری موجود برای توجیه استخراج معدن در این اعماق در دسترس نیست، اما تحقیقات در حال انجام است.
آینده معدن در دریا و ستارگان است.
با گسترش مرزها و فراتر رفتن آن از زمین، استخراج از سیارک‌ها، ماه و حتی مریخ، ممکن است امکان‌پذیر باشد. سیارک‌ها از نظر ترکیب متفاوت هستند اما عمدتاً از آهن 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 قبلاً اولین قوانین منابع فضایی در جهان را برای آماده‌سازی این پروژه تصویب کرده است. این باعث می‌شود ماه محتمل‌ترین هدف برای اولین عملیات معدنکاری تجاری باشد.
مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 14 مرداد 1402
