سرفصل های درس هيدرومتالورژي

نام بسته درسی: هیدرومتالورژی

—————————

فهرست:

اکسیداسیون و احیاء                                                                                                                                    

پتانسیل الکترودی                                                                                                                                       

سیم های الکتروشیمیایی                                                                                                                               

محلول‌های نمکی                                                                                                                                      

سیانورها                                                                                                                                                  

تئوری فروشویی                                                                                                                                        

فرآیندهای الکتروشیمیایی                                                                                                                           

فرآیندهای احیایی                                                                                                                                     

فرآیندهای الکترولیتی                                                                                                                                 

فرآیندهای تابع‌انتشار                                                                                                                                  

فرآیندهای شیمیایی                                                                                                                                   

فروشویی درجا                                                                                                                                         

فروشویی تراوشی یا حوضچه‌ای                                                                                                                     

هیدرومتالورژی در معدنی مس سرچشمه                                                                                                          

واحد  استخراج توسط حلال آلی                                                                                                                    

واحد پالایش الکتریکی (EW)                                                                                                                       

غلظت عامل فروشویی (حلال)                                                                                                                       

فرآیندهای پیوسته و ناپیوسته                                                                                                                        

تغلیظ و فیلتراسیون                                                                                                                                   

بازیافت عامل انحلال                                                                                                                                  

روش‌های تغلیظ یا تخلیص                                                                                                                           

ارزیابی قابلیت استخراج (در مقیاس آزمایشگاهی)                                                                                               

جذب                                                                                                                                                     

دفع                                                                                                                                                      

جنبه های مهندسی روش جذب کربن فعال                                                                                                      

فرآیند کربن در فروشویی                                                                                                                             

مواد تعویض یون                                                                                                                                       

هیدرومتالوژی مس                                                                                                                                     

استخراج با حلال                                                                                                                                                                                                                                                                       

کارآیی و استخراج با حلال                                                                                                                          

ضرایب جداسازی و غنی‌سازی                                                                                                                     

باردهی حلال                                                                                                                                                                                                                                                                                

استخراج با جریان متقابل                                                                                                                           

استخراج کننده‌ها                                                                                                                                    

انواع حلال‌های آلی                                                                                                                                   

طلا                                                                                                                                                     

روی                                                                                                                                                     

فرآيند انحلال تحت فشار                                                                                                                           

هضم                                                                                                                                                    

فروشويي سرباره تیان                                                                                                                               

هيدرومتالورژي ايلمنيت و سرباره تیان                                                                                                            

فروشويي ايلمنيت                                                                                                                                    

اکسيداسيون تحت فشار                                                                                                                             

هيدرومتالورژي نيکل و کبالت                                                                                                                      

فروشویی قلیایی                                                                                                                                      

ليچينگ‌ کانه هاي اورانيوم                                                                                                                         

استخراج با مخلوط حلالها                   

بخشی از بسته درسی هیدرومتالورژی :

اکسیداسیون و احیاء

اکسیژن گاز در دسترسی است که عامل بسیاری از واکنش‌ها در زندگی روزمرة ما است. افزودن اکسیژن به یک اتم، یون و یا مولکول به عنوان واکنش اکسیداسیون، شناخته می‌شود و احیاء واکنش معکوس است، یعنی جدا کردن اکسیژن از یک ترکیب، برای مثال اگر فلزی در مجاورت هوا حرارت داده شود، اکسیده می‌شود و وقتی اکسید با کربن حرارت ببیند احیاء می‌شود، زیرا اکسیژن از ترکیب اکسیدی جدا می‌شود.

به عبارت بهتر اکسیداسیون جدا کردن الکترون از یک اتم،‌یا گروه ی از اتم‌ها و احیاء افزودن الکترون به یک اتم و یا یک گروهی از اتم‌هاست چند واکنش احیاء و اکسیداسیون در محیط آبی در زیر آمده‌اند:

اکسیداسیون:‌                                                                                              

احیاء:

احیاء اکسیژن در محلول از اهمیت زیادی در هیدرومتالوژی برخوردار است، زیرا نقش مهمی در اکثر واکنش‌ها ایفاء می‌کند. در محیط قلیای واکنش زیر صورت می‌گیرد:

و در محیط اسیدی:

واکنش‌های احیا و اکسیداسیون هم‌زمان صورت می‌گیرند. بنابراین در فرآیند تجزیه و انحلال آهن در اسید، آهن اکسیده شده و هیدروژن احیاء می‌شود.

پتانسیل الکترودی

تمایل یک ماده برای اکسید و یا احیاء شدن (یعنی از دست دادن و یا به دست آوردن الکترون) با ولت اندازه‌گیری می‌شود به آن پتانسیل می‌گویند. برای مثال وقتی یک ورقة روی از یک مول سولفات روی و یک ورقه مس در 1 مول سولفات مس قرار دهیم و این دو ورقه با سیمی به هم متصل شوند و دو محلول نیز با پُل نمکی، برای جلوگیری از اختلاط آن‌ها به هم وصل شوند (مطابق شکل 1) ولت‌متر، 78/0 ولت را نشان می‌دهد.

روی در محلول سولفات روی حل می‌شود و مس در بخش محتوی سولفات مس، انباشته می‌شود. الکترون‌های آزاد شده از الکترود روی از طریق سیم به الکترود مس انتقال می‌یابند و یون‌های سولفات به آهستگی از محلول سولفات مس به طریقه پل نمکی، به محلول Z_nSo₄‌ منتشر می‌شود تا چرخه الکتریکی کامل شوند.

به طور قراردادی، پتانسل الکترود استاندارد برای واکنش یون هیدروژن، صفر فرض شده است، یعنی تمایل یون هیدروژن (H⁺) برای به دست آوردن الکترون در شرایط معمولی در یک محلول معمولی به عنوان مبناء برای سایر واکنش‌ها منظور شده است.

هر واکنشی که در آن انتقال الکترون انجام می‌شود را می‌توان در یک سلول الکتروشیمیایی انجام داده و پتانسیل آن را اندازه‌گیری کرد.

پتانسیل الکترودی، با غلظت محلول تغییر می‌کند. حالت استاندارد بر اساس محلول یک مولار در شرایط معمولی تعریف شده و در این حالت به پتانسیل اندازه‌گیری شده، پتانسیل الکترود استاندارد گفته شده و آن را با E₀ نشان می‌دهند. پتانسیل (E) که در شرایط دیگری، اندازه‌ گرفته می‌شود. مرتبط با E₀

شکل 1ـ جریان الکترون بین دو فلز فرو رفته در یک الکترولیت

از رابطه نرست (Nernst) می‌آید.

که در آن: کلوین T=k درجه حرارت و درجه/ژول 31441/8 = R ثابت گازها ـ کولمب(آمپر× ثانیه 96500 = F ضریب فاردای

 برای الکترود هیدروژن در دمای اطاق می‌توان نوشت:

درواکنش‌هایی که یون H دخالت دارد، پتانسیل الکترود به pH بستگی دارد. این موضوع را می‌توان با دیاگرام پوربایکس نشان داد. شکل (2) پایداری آهن را در شرایط مختلف نشان می‌دهد.

در شرایط اسیدی در محیط احیای، یون فروس تشکیل می‌شود. در محیط اکسیدکنندگی، Fe⁺³ تشکیل می‌گردد. در شرایط قلیایی و احیایی Fe(oH)₂ تشکیل می‌شود. هیدروکسید فریک در شرایط اکسیدی و حتی در pH، 8/1 تشکیل می‌‌گردد.

شکل 2ـ قابلیت انحلال آهن به ازای pH و پتانسیل

ولی واکنش‌هایی که در آن‌ها الکترون انتقال می‌یابد، پتانسیل الکترود نشانگر حداکثر کاری است که بایک سلول الکترو شیمیایی قابل انجام است. مقدار الکتریسیته‌ای  که به ازای مقدار الکتریسیته آی که به ازای مقدار معادل ماده‌ای که در واکنش شرکت دارد، یک فریک است و برای n ظرفیت، مقدار الکتریسیته برابر nf است.

                                                                                                 کار حداکثر

انرژی آزاد است،‌در حالت استاندارد:

چون تغییرات انرژی آزاد استاندارد، تابع ثابت تعادل (K) است. پس:

پس درجه/کالری                                                                  

سیم های الکتروشیمیایی

اگر تکه ای از یک فلز را در داخل محلول حاوی یون‌های فلزی دیگری قرار دهید. فلز اول ممکن است حل شود اکسید شود، و فلز دوم انباشته شود (احیاء شود). برای مثال، اگر ورقه ای ا زآهن را در محلول سولفات مس قرار دهیم، باعث می‌شود مس فلزی انباشته شده و آهن حل شود.

کل واکنش:                                                                                     

از طرف دیگر اگر یک ورقة مسی را در محلول سولفات فرو قرار دهیم. آهن انباشته نمی‌شود، اما اگر آن رادر محلول نیترات نقره بگذاریم،‌نقره انباشته می‌شود.

به این ترتیب، فلزات را می‌توان بر اساس توانائیشان برای احیاء یون‌های سایر فلزات طبقه‌بندی کرد. (جدول 1)، فلزی که قدرت احیاء کنندگی بیشتری دارد. در بالای جدول قرار دارد و قادر است تمام فلزات را احیاء کند. نقطه استاندارد مبناء در این جدول. احیاء هیدروژن است که صفر فرض شده است.

 فرآیندهای گالوانیک

پتانسیل الکتریکی بین دو فلز مختلف که باعث می‌شود یک فلز حل شده و دیگری رسوب کند:‌فرآیند گالوانیک نامیده می‌شود (لیوجی گالوانی، دانشمند ایتالیایی است که جریان الکتریسیته را کشف کرد). اگر دو تکه از یک فلز در محلول‌های یونی آن فلز فرو برده شوند، تحت شرایط زیر، یک جریان الکتریکی برقرار می‌شود:

هرگاه هر محلول غلظت یونی متفاوتی داشته باشند.

برای مثال اگر یک تکه آهن در محلول با غلظت کم FeSO₄ قرار داده شده و به قطعه آهن دیگری در یک محلول غلیظ از FeSO₄ متصل شود، مشاهده می‌شود که آهن در محلول اوّل حل می‌شود. در حالی که در محلول Fe⁺² دوم انباشته می‌شود. آهن در اولین محلول به عنوان آند عمل می‌کند. در حالی که در محلول دوم نقش کاتد را دارد:

آند                                                                                                          

کاتُد                                                                                                         

این فر آیند ادامه می‌یابد تا این که در محلول غلظت یکسانی پیدا کنند. دلیل این فرآیند، پتانسیل الکترود متفاوت در هر بخش است که طبق معادله نرنست جریان الکتریکی برقرار می‌شود.

• هرگاه دو محلول غلظت یونی مشابهی داشته اما غلظت اکسیژن در آن‌ها متفاوت باشد.

جریان الکتریسیته بین دو تکه آهن فرو رفته در محلول سولفات آهن برقرار می‌شود. اگر یکی از محلول‌ها اکسیژن و در دیگری گاز نیتروژن دمیده شود. چون غلظت اکسیژن در محلول‌ها متفاوت است. در نتیجه واکنش‌های زیر  اتفاق می‌افتد: در غلظت کم اکسیژن، آهن به صورت آند عمل می‌کند:

و در غلظت زیاد اکسیژن: آهن حکم کاتد را پیدا می‌کند و در روی آن اکسیژن احیاء می‌شود:

شکل 3ـ جریان الکترون بین دو قطعه فلز همجنس، برقر اری جریان به علت غلظت متفاوت الکترولیت است.

فرآیندهای الکترولیتی

عمل اکسیداسیون و احیاء را می‌توان با اعمال EMF از یک منبع جریان مستقیم انجام داد. برای مثال، یک فلز را می‌توان اکسید کرد اگر در سیکل آند ساخته شود.

و بالعکس یون فلز در محلول را می‌توان در کاتد خنثی احیاء کرد.

در هر دو مورد بالا،‌قانون فارادی صدق می‌کند. به طور نظری،‌مقدار الکتریسیته لازم برای اکسیداسیون 10²³ ‌× 02/6 اتم‌های یک ظرفیتی یا احیاء همان مقدار تک‌ظرفیتی برابر یک فارادی است که جریان معادل²³ 10 ‌× 02/6 الکترون را نشان می‌دهد. برای اتم‌های با یون‌های با ظرفیت بیشتر. مضرب فارادیلازم است.

یک فارادی معادل  96500 کولمب یا 96500 آمپرثانیه است.

مقدار الکترون = سمت جریان × زمان و کولمب = آمپر × ثانیه

مثال ـ وزن نیکلی که از یک محلول NiCl₂، وقتی جریان 4/0 آمپر برای 5/2 ساعت برقرار باشد، انباشته میشود را محاسبه کنید؟

                                                                                                             الکترون 10²³×02/6×2

                                                                                                                    اتم 10²³ × 02/6

                                                                                                             گرم 7/58           F2

                                                                                                  گرم 7/58   کولمب 96500 ×2

                                                                                                         X ثانیه 60×60×5/2×4/0

                                                                            گرم

تغییر انرژی آزاد

انرژی آزاد و پتانسیل الکترود، مواد مختلف در کتاب های زیادی موجودند و با استفاده از آن‌ها می‌توان تغییر انرژی آزاد، ثابت تعادل را برای واکنش‌های مختلف حساب کرد، انرژی آزاد عناصر در حالت استاندارد به طور قراردادی صفر منظور می‌شود، مشابه آن‌چه در مورد هیدروژن عمل شد.

برای مشاوره اینجا بزنید