CHEM-C2110 Materiaalitekniikan teolliset prosessit Hydrometallurgia Jari Aromaa, Hydrometallurgia ja korroosio Osaamistavoitteet 1. Tuntee materiaalien valmistuksen yksikköprosessit 2. Tuntee reunaehdot taloudellisesti järkevien teollisten prosessien ja haluttujen tuoteominaisuuksien saavuttamiseksi 3. Tuntee keskeisimmät materiaalien tuotantoprosesseihin vaikuttavat ilmiöt ja niiden nopeuksiin vaikuttavat luonnonlait 4. Osaa verrata vaihtoehtoisia prosessiteknisiä tuotantotekniikoita 5. Tuntee mallinnustekniikoita tyypillisten materiaalitekniikan valmistus/tuotantoprosessien simuloimiseen 6. Tuntee faasitasapainojen (kemian) vaikutuksen prosesseihin ja tuoteominaisuuksiin. 2 1
Hydrometallurgian tavoite Tavoite on tuottaa riittävän puhdasta metallia halutuilla ominaisuuksilla tuotteiden valmistukseen. Pääasiassa perusmetalleja ja jalometalleja. Tekninen haaste on valmistaa tasalaatuinen tuote raakaaineen vaihtelusta riippumatta. Taloudellinen haaste on pitää tuotantokustannukset alhaalla ja saada talteen arvokkaat sivutuotteet. Ferrous Metals Fe V Ni Mn Nb Cr Mo Precious Metals Pt Rh Ru Pd Ir Ag Au Os Non-ferrous Metals Mg Ti Pb Al Cu Co Zn Sn Specialty Metals Li As Ce Be B La Sm Se Pr Y Ga Eu Tb Nd Sc Ge Cd In Gd Zr Sr Sb Dy Ba Te Ho Re Er Tm Yb Lu Hg Hf W Ta Tl Bi 3 Hydrometallurgian tavoite Raaka-aine Erottelu: louhinta, rikastus, liuotus, sulatus Uuden yhdisteen valmistus Raakametallin valmistus Metallin puhdistus Tuotteen valmistus: kemikaalin valmistus, sulatus ja valu, kylmävalssaus jne. Rikaste Kemikaalit Anodi Putki Teräslevy 4 2
Yksikköprosessit Hydrometallurginen prosessi koostuu monista erilaisista yksikköprosesseista. Kolme peruslohkoa ovat liuotus, liuospuhdistus ja tuotteen saostus. Näiden lisäksi tarpeen mukaan raaka-aineen aktivointi, liuottimen ja kemikaalien regenerointi ja kierrätys, jätteiden käsittely. Sama tehtävä voidaan toteuttaa eri yksikköprosesseilla, valinta on optimointia nopeuden, saannin ja selektiivisyyden välillä. 5 Yksikköprosessit 6 3
Yksikköprosessit Liuotus Liuospuhdistus Liuospuhdistus Liuotusjäännös Talteenotto Liuospuhdistus Liuottimen regenerointi Liuospuhdistus Tuote Jäte 7 Yksikköprosessit Köyhälle ja heikkolaatuiselle raaka-aineelle valitaan prosessi, joka on halpa toteuttaa ja käyttää. Prosessit ovat usein hitaita. Rikkaille raaka-aineille voidaan valita nopeampia menetelmiä, joiden laitteistoratkaisut ovat kalliimpia. Vähemmän arvometallia sidottuna prosessiin, tulot saadaan nopeammin. 8 4
Yksikköprosessit Liuotuksen tavoitteet: Hyvä saanti arvoaineesta liuokseen ja väkevä liuos Vähän epäpuhtauksia liuokseen Helppo liuottimen regenerointi Liuospuhdistuksen tavoitteet: Puhdas, väkevä liuos talteenottoon Arvokkaat sivutuotteet omaan virtaansa Talteenoton tavoitteet Hyvä saanti Puhdas tuote Sivutuotteet talteen Liuoksen palautus liuotusvaiheesen 9 Liuotus Materiaali Sulfaatit, kloridit Liuotin Vesi Kuparin ja sinkin oksidit, fosfaatit Laimea H 2 SO 4 Sulfidit ja uraanimalmit Laimea H 2 SO 4 + hapetin Sulfidirikasteet, lateriitit Väkevä H 2 SO 4 Uraanirikasteet HNO 3 Ilmeniitti, FeTiO 3 Väkevä H 2 SO 4 Jalometallit Kompleksinmuodostaja + hapetin Niobi- ja tantaalimalmit HF Mangaanimalmit H 2 SO 3 Bauksiitti, Al(OH) 3 +AlOOH NaOH Nikkelilateriitti-, nikkelisulfidirikasteet NH 4 OH + hapetin Kuparisulfidirikaste FeCl 3 10 5
Liuotus Liuotusmenetelmän valinta riippuu raaka-aineen arvometallipitoisuudesta ja tuotantomäärästä. 11 Liuotus Kiinteä materiaali kohtuullisen suurina partikkeleina kasassa tms., jonka läpi liuos virtaa. 12 6
Liuotus Kiinteä materiaali pieninä partikkeleina lietteessä, jonka sekoitus on niin voimakasta, että partikkelit pysyät suspensiossa. 13 Liuospuhdistus Liuospuhdistus perustuu erotettavien metallien ominaisuuksien eroihin. Näitä eroja ovat esimerkiksi tasapainoihin liittyvät liukoisuus, jakautuminen toisiinsa sekoittumattomien liuosfaasien välillä, kemiallisten reaktioiden tasapainotilat, pinnan sähkövaraus (isoelektrinen piste), adsorptio. Ilmiöiden nopeuksiin liittyviä eroja ovat mm. diffuusio, ionien liikkuvuus. 14 7
Liuospuhdistus Metallin erottaminen liuoksesta: Kiteytys Saostus Sementointi Elektrolyysi Kiteytys ja saostus perustuvat liukoisuuteen ja muodostumisen tasapainoon. Sementointi ja elektrolyysi perustuvat pelkistymiseen. Metallin siirto liuosfaasista toiseen: Adsorbointi Ioninvaihto Neste-nesteuutto Metalli sidotaan väliaikaisesti siirron tekevään apuaineeseen. 15 Talteenotto Liuospuhdistuksessa ja talteenotossa käytetään paljon samoja yksikköprosesseja. Saostetaan metalli tai yhdiste liuoksesta ja erotetaan se liuoksesta. LIUOS Laimeat liuokset Väkevät liuokset Sementaatio Ionisaostus Kiteytys Kaasupelkistys Elektrolyysi METALLI YHDISTE YHDISTE METALLI TAI YHDISTE METALLI 16 8
Raaka-aineet ja tuotteet Metallurgisen teollisuuden raaka-aineiden laatu heikkenee ja ne muuttuvat yhä vaikeammin jalostettaviksi. Köyhien ja epäpuhtaiden materiaalien käsittelyyn soveltuvat usein hydrometallurgiset prosessit. Raaka-aineet vaihtelevat puhtaista metalleista (esimerkiksi elektroniikkateollisuuden jalometalliromut) oksidi- ja sulfidimalmeihin sekä muiden prosessien jätteisiin ja sivutuotteisiin, kuten esimerkiksi kuparielektrolyysin anodiliejuun. 17 Raaka-aineet ja tuotteet Tällä hetkellä raaka-aineet jaetaan neljään luokkaan: Primääriset korkealaatuiset, tuotetaan yhtä päämetallia pääosin pyrometallurgialla. Primääriset heikkolaatuiset, tuotetaan yhtä päämetallia pääosin hydrometallurgialla Primääriset kompleksiset, tuotetaan useampia metalleja pääosin hydrometallurgialla Sekundääriset, tuotetaan yhtä tai useampaa metallia joko pyro- tai hydrometallurgialla. 18 9
Raaka-aineet ja tuotteet Metalleille on yleensä määritetty jokin laatutaso, jota käytetään kaupankäynnin perustana. Metallinvalmistajat pyrkivät tuottamaan tätä laatua mahdollisimman pienillä kustannuksilla. Metallinvalmistajat joko ostavat rikasteita markkinoilta ja myyvät metallin tai saavat tulonsa tollauksella eli kaivosyhtiön maksamalla valmistuspalkkiolla. Metallinvalmistajan tuloihin vaikuttavat: Metallin markkinahinta Valmistuskustannukset Sivutuotteiden saanti Preemio tuotteen laadusta tai maineesta Kaivosyhtiö ottaa suurimman riskin ja sen osuus myyntihinnasta on suurin, muut valmistusketjussa elävät jalostuspalkkiolla. 19 Raaka-aineet ja tuotteet Tuotantomääriä: Kupari 18 Mt, Suomessa Boliden Harjavalta 0,14 Mt Sinkki 12 Mt, Suomessa Boliden Kokkola 0,3 Mt Nikkeli 1,5 Mt, Suomessa Norilsk Nickel 0,045 Mt Hopea 0,023 Mt, Suomessa 100 890 kg Kulta 0,0027 Mt (2 690 000 kg), Suomessa 9 981 kg Teräs 1649 Mt Alumiini 44 Mt 20 10
Raaka-aineet ja tuotteet Kupari tuotetaan joko puhdistamalla sulfideista valmistetut anodit elektrolyysillä tai saostamalla oksideista liuotettu kupari elektrolyysillä. Katodikuparin standardilaadut on määritetty standardissa EN 1978:1998 Copper and copper alloys. Copper cathodes. Puhtaampi laatu Cu-CATH1 on raaka-ainepörsseissä noteerattu laatu, max. 0,0065 p-% metallisia epäpuhtauksia. Noin 50 suolaraetta tai 2-3 hiekanjyvää kilon sokeripussissa. Epäpuhtaampi laatu Cu-CATH2 vähintään 99,90 p-% Cu+Ag. Cu-CATH1 sähköjohtimiin, putkiin yms. Cu-CATH2 seosten valmistukseen. 21 Raaka-aineet ja tuotteet Nikkeli valmistetaan pääosin sulfidisista raaka-aineista, mutta suurin osa maailman esiintymistä on lateriitteja, oksidi-hydroksidi-silikaattikarbonaattiyhdisteitä. Tavallinen tuotanto on sulatus, liuotus ja elektrolyyttinen talteenotto. Puhtaan nikkelin ominaisuudet on kuvattu standardissa ASTM Standard Specification for Nickel B39-79 (2013). LME kauppalaatu, jonka pitoisuus on vähintään 99,80 % Ni. Käyttö: 58 % ruostumattomiin teräksiin 12 % nikkeliseoksiin 11 % pinnoittamiseen 9 % muihin seoksiin 6 % kemikaaleihin 4 % valuihin 22 11
Raaka-aineet ja tuotteet Sinkki valmistetaan tavallisesti pasuttamalla sinkkimalmi helppoliukoiseksi oksidiksi, liuottamalla se happoon ja saostamalla metalli talteenottoelektrolyysillä. LME kauppalaatujen puhtaus on 99,995 % Zn, epäpuhtauksina sallitaan enintään yhteensä 0,005 % Pb, Cd, Fe, Sn, Cu, Al. Sinkin käyttökohteet: 50 % kuumasinkitykseen teräksen korroosiosuojaksi 17 % sinkkiseoksiin 17 % messinkeihin ja pronsseihin 6 % sinkitty ohutlevy yms. puolivalmisteet 6 % kemikaalit 4 % muut Korroosionestossa, joka vastaa yli 50 % sinkin käytöstä, epäpuhtaudet estävät sinkin uhrautuvan liukenemisen. 23 Raaka-aineet ja tuotteet Kobolttia valmistetaan yleensä nikkelin tuotannon yhteydessä, liuotuksen jälkeen Ni ja Co erotetaan omiin prosesseihinsa. Tyypillinen koboltin puhtaus on 99,9%, ja pääasiallinen epäpuhtaus on nikkeli. Mangaania valmistetaan liuottamalla mangaanioksideja ja saostamalla metalli elektrolyyttisesti. Epäpuhtauksien poisto liuoksesta voi olla työlästä riippuen raakaaineesta ja vaatia useita liuotus- ja saostusvaiheita. Mangaanin ominaisuudet riippuvat liuospuhdistusmenetelmistä, ja seleenivapaata 99,9 % Mn pidetään erityisen puhtaana. Mangaanimetalli on erikoistuote, suurin osa mangaanista käytetään ferroseoksissa. 24 12
Tuotantoprosessit 25 Tuotantoprosessit 26 13
Tuotantoprosessit 27 Tuotantoprosessit 28 14
Tuotantoprosessit 29 Tuotantoprosessit 30 15
Prosessien ja yksikköprosessien tasapainojen laskennassa ja prosessien mallinnuksessa on erilaisia lähestymistapoja riippuen yksikköprosessista ja prosessissa tapahtuvasta ilmiöstä. Liuotus voi olla fysikaalinen, kemiallinen, sähkökemiallinen tai elektrolyyttinen. Liuospuhdistus voidaan tehdä esimerkiksi poistamalla aine liuoksesta kiteyttämällä, kemiallisella saostuksella tai sähkökemiallisella saostuksella, tai siirtämällä metalli liuoksesta toiseen apuaineen avulla adsorptiolla, ioninvaihdolla tai nestenesteuutolla. Talteenotto voidaan tehdä esimerkiksi saostamalla metalli yhdisteenä tai pelkistämällä metalli kemiallisesti tai elektrolyysillä. Ainakin neljä eri tapaa liuottaa, kahdeksan tapaa tehdä liuospuhdistus ja neljä tapaa ottaa talteen. 31 Fysikaalinen Kemiallinen Sähkökemiallinen Hapettava elektrolyysi Pelkistävä elektrolyysi CuSO 4 fi Cu 2+ (aq) + SO 2-4 (aq) Al(OH) 3 + OH - fi AlO(OH) - 2 (aq) + H 2 O ( ) 2 4Au + 8CN - + O 2 + 2H 2 O fi 4AuCN Ø º ø ß - + 4OH - Ni 3 S 2 fi 2NiS + Ni 2+ + 2e - 2CuFeS 2 + 6H + + 2e - fi Cu 2 S + 3H 2 S + 2Fe 2+ 32 16
Fysikaalinen liukenemismekanismi Ioniset yhdisteet, useimmat halidit, nitraatit ja sulfaatit. Liukeneminen tapahtuu hydratoitumalla. Yleensä diffuusion kontrolloima, reaktionopeus kasvaa kun sekoitusta lisätään. 33 Kemiallinen liukenemismekanismi Kovalenttisia yhdisteitä, kuten sulfidit, oksidit, silikaatit ja fosfaatit. Perustuu neutraloitumiseen tai kompleksin muodostumiseen. Voi olla kemiallisen reaktion tai diffuusion kontrolloima. Liukenemisnopeus kasvaa kun liuottavan aineen pitoisuus kasvaa tai sekoitusta lisätään. 34 17
Sähkökemiallinen liukenemismekanismi Johteita tai puolijohteita, kuten metallit, sulfidit, jotkut oksidit. Perustuu hapetus- ja pelkistysreaktioihin. Ei ulkoista virtalähdettä, korroosiokenno ja sekapotentiaaliteoria kuvaavat. Varauksensiirron tai diffuusion kontrolloima. Nopeus on monimutkainen funktio reagoivien aineiden pitoisuuksista. 35 Elektrolyyttinen tai pakotettu sähkökemiallinen mekanismi Ulkoinen jännite- tai virtalähde. Johteet tai puolijohteet. Reaktionopeus riippuu ulkoisesta virrasta. Hapettava tai pelkistävä. Kuparin raffinointi, INCO:n nikkelikiven elektrolyysi, partikkelipedit jne. + - Anodi Cu 2+ Ni 2+ Fe 3+ Zn 2+ Bi 3+ Pb 2+ Elektrolyytti + Cu 2+ Ni 2+ Fe 3+ Zn 2+ Bi 3+ SO 2-4 Katodi NiO Au Ag Se PbSO 4 Anodilieju 36 18
Liuotusolosuhteiden nelikenttä: Hapan emäksinen Hapettava pelkistävä 37 Eh (Volts) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0-0.1-0.2 0.0 1.0 Cu - S - H2O - System at 60.00 C Cu(+2a) 2.0 CuS Cu2S C:\HSC7\EpH\CuS30.iep ph 3.0 Cu2O ELEMENTS Molality Pressure Cu 1.000E-01 1.000E+00 S 1.000E-01 1.000E+00 4.0 CuO 5.0 Liuotuksen termodynamiikka: Metalli-ionien tuottamiseksi tarvitaan riittävän hapettavat olosuhteet. Metalli-ionien pitämiseksi liuoksessa tarvitaan riittävän matala ph. H2O limits 38 19
Happamissa olosuhteissa liukenee metalliionina. Emäksisissä olosuhteissa liukenee kompleksina. 39 Katodireaktio E o, mv Anodireaktio H 2O 2 + 2 H + + 2 e - = 2 H 2O 1776 O 3 + 6 H + + 6 e - = 3 H 2O 1501 1498 Au = Au 3+ + 3e - Cl 2 + 2 e- = 2 Cl - 1395 O 2 + 4 H + + 4 e - = 2 H 2 O 1228 1188 Pt = Pt 2+ + 2e - Fe 3+ + e - = Fe 2+ 711 Fe 2+ = Fe 3+ + e - 616 CuS = Cu 2+ + S + 2e - 566 Cu 2S = 2 Cu 2+ + S+ 4e - 425 CuFeS 2 = Cu 2+ + Fe 2+ + 2 S+ 4 e - 390 FeS 2 = Fe 2+ + 2 S+ 2e - Cu 2+ + 2 e - = Cu 337 Cu = Cu 2+ + 2 e - 266 ZnS = Zn 2+ + S + 2e - Cu 2+ + e - = Cu + 153 46 FeS = Fe 2+ + S + 2e - 2 H + + 2 e - = H 2 0 Ni 2+ + 2 e - = Ni -250 Ni = Ni 2+ + 2 e - Fe 2+ + 2 e - = Fe -440 Fe = Fe 2+ + 2 e - Zn 2+ + 2 e - = Zn -762 Zn = Zn 2+ + 2 e - Al 3+ + 3 e - = Al -1662 Al = Al 3+ + 3 e - 40 20
Liuoksessa oleva reaktion lähtöaine reagoi kiinteän raaka-aineen pinnalla. Yleinen mekanismi on seuraava: 1. Reaktion lähtöaineen aineensiirto liuoksesta mineraalin pinnalle. 2. Reaktion lähtöaineen aineensiirto mineraalin pinnalla olevan reaktiotuotekerroksen läpi. 3. Kemiallinen tai sähkökemiallinen liukenemisreaktio mineraalin pinnalla 4. Liuenneen metallin aineensiirto reaktiotuotekerroksen läpi. 5. Liuenneen metallin aineensiirto liuoksessa. kiinteä raaka - aine + liuos fi kiinteät ja liuenneet reaktiotuotteet 41 Liuotuksessa yleinen reaktionopeutta kuvaava yhtälö on muotoa k = A 1 - m 0 d n ( EA / RT ) [ C] e missä k on reaktionopeus, d 0 on alkuperäinen partikkelikoko ja reaktiota kontrolloivan aineen konsentraatio. Reaktionopeus pitää saada mahdollisimman suureksi. 42 21
Shrinking particle -malli, reaktio tapahtuu pinnalla FeS 2 + 8 H 2 O + 14 Fe 2+ = 15 Fe 2+ + 2 SO 4 2- + 16 H + Shrinking core -malli, diffuusio kasvavan reaktiotuotekerroksen läpi ZnS + 2 Fe 3+ = 2 Fe 2+ + Zn 2+ + S Reagoimaton ZnS Huokoinen S 43 KONSENTRAATIO Ylikylläinen, spontaani kiteytyminen Metastabiili, lisättävä LÄMPÖTILA ytimiä Alikylläinen, ei kiteytymistä Kaksi vaihetta, ydintyminen ja kiteenkasvu Ydintymisen hallinta vaikeaa, tehdään usein lisäämällä siemenkiteitä. Kiteenkasvu noudattaa usein yhtälöä R= D V m c sol (S -1) d R = kasvunopeus, D = diffuusiokerroin, V m = moolitilavuus, c sol = liukoisuus, S = kyllästysaste ja d = diffuusiokerroksen paksuus. 44 22
Kemiallinen saostus perustuu liuosolosuhteiden muuttamiseen. Metallit saostetaan yleensä niukkaliukoisina hydroksideina, sulfideina tai karbonaatteina. Saostaminen vaatii saostuskemikaalin lisäämisen ja lisäksi mahdollisesti ph:n säätöä, apuaineiden käyttöä, saostettavien metallien komplekseja hajottavien kemikaalien käyttöä tai muiden metallien kompleksointia. Liian pienellä annostuksella epäpuhtauspitoisuutta ei saada laskettua tarpeeksi ja liian suuri pitoisuus kuluttaa saostuskemikaalia hukkaan. 45 10 [Me], mol/l 1 10-1 10-2 10-3 Fe(OH) 3 Cu(OH) 2 Zn(OH) 2 Fe(OH) 2 Ni(OH) 2 Co(OH) 2 Mn(OH) 2 AgOH 1x10-4 1x10-5 10-6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ph K s = ( a Me z + ) ( a OH - ) z 1 Ø K eli tasapainossa ph= 14 + logœ z Œº ( a Me s z + ø œ ) œß 46 23
[Me], mol/l 1 10-1 10-2 10-3 1x10-4 HgS, K s = 10-52.4 CuS, K s = 10-36.1 CdS, K s = 10-27.8 PbS, K s = 10-27.5 ZnS, K s = 10-21.8 CoS, K s = 10-20.4 NiS, K s = 10-18.5 FeS, K s = 10-17.2 1x10-5 10-6 K s 10-7 10-50 10-40 10-30 1x10-20 1x10-10 [S 2- ], mol/l z+ m - n z+ 1 n = [ Me ] [ S ] eli log[me ] = log s S m m 2 ( K )- log[ ] 2-47 48 24
Sementaatio on sähkökemiallinen vaihtoreaktio, jossa kiinteä epäjalompi metalli liukenee ja liuoksessa oleva jalompi metalli saostuu. Cu 2+ + Zn = Cu + Zn 2+, log(k) = 37,19 Cu 2+ + Fe = Cu + Fe 2+, log(k) = 26,27 + - + - + - + - POLARISOITUMINEN + - + - + - + - YDINTYMINEN + - + + - + SAOSTUMAN KASVU + - + + - + SAOSTUMA, SAOSTUMAN JOSSA KASVU HUOKOSIA Me () s + Me + = Me + ( aq) + Me () s 1 2 1 2 49 Metallisuolaliuos Neste-neste uutto Metallipitoinen orgaaninen faasi Metallivapaa suolaliuos Org. Vesi Vieraat metallisuolat Orgaaninen uuttoaine Pesu Takaisin uutto Pesty liuos Pesuliuos Takaisinuuttoaine usein happo Metallin talteenotto Väkevä metallipitoinhen suolaliuos 50 25
Montako vaihetta tarvitaan tietyn uuton aikaansaamiseen? McCabe-Thielediagrammi Jakautumiskerroin D D = M org / M aq = MR n org / M n+ D = metallien konsentraatio org.faasissa / met. kons. vesifaasissa log D = log K + nph + n log RH Jakautumiskerroin riippuu ph:sta ja uuttoaineen konsentraatiosta. Takaisinuuttovaiheessa saadaan happolisäyksellä reaktio menemään oikealta vasemmalle M n+ + nrh org = MR n org + nh + 51 Ioninvaihdossa käytetään hyväksi sopivaa hartsia, johon metalli-ionit siirtyvät vesiliuoksesta. Ioninvaihtimet ottavat liuoksesta valikoidusti ioneja ja luovuttavat niiden tilalle ekvivalenttimäärän toisia ioneja Ioninvaihto on kaksisuuntainen reaktio, ja ioninvaihdin on mahdollista elvyttää, kun ionien kyllästysraja on saavutettu. Ioninvaihdolla voidaan käsitellä suuria määriä laimeita liuoksia. Liuosten alkupitoisuudet korkeintaan 3 g/l, mieluiten alle 0,5 g/l. R - vaihto A + B elvytys R- B + A ( ) ( ) 52 26
Raffinointi + - Talteenotto + - Epäpuhdas anodi Metalli liukenee Metalli saostuu Puhdas katodi Liukenematon anodi Kaasunkehitys Metalli saostuu Saostettu katodi Elektrolyytti Elektrolyytti 53 Raffinointielektrolyysiä käytetään pääasiassa kuparille, kullalle ja hopealle. Lyijylle ja tinalle elektrolyyttinen puhdistus tehdään erikoistapauksissa, kun epäpuhtautena on vismuttia. Talteenottoelektrolyysiä käytetään nikkelille, sinkille, mangaanille, kullalle. Tavoitteena on puhdas tuote ja pieni energian kulutus. E = E - E - S(h ) - i kenno katodi z F E w (J/g) = h M anodi kenno R kenno 54 27
Katodin laatua hallitaan virrantiheyden ja lisäaineiden avulla. Liian suuri virrantiheys tekee epätasaisen katodipinnan. Epätasainen pinta voi johtaa oikosulkuihin ja epäpuhtauksien kertymiseen. Lisäaineilla hidastetaan saostumista ja ohjataan metalli saostumaan tasaisesti. 55 Metallien talteenottoon voidaan sähkövirran sijasta käyttää pelkistimiä. Pelkistysreaktio metalli-ionista metalliksi tapahtuu kokonaan liuosfaasissa, ja tuote on hienojakoista pulveria Tärkein pelkistin metallien tuotannossa on vety. Vetypelkistys tietyllä metallipitoisuudella on mahdollista vain tietyn ph-arvon yläpuolella. + Me z 2 z + H = Me + z H 2 + 56 28
Yhteenveto Hydrometallurgian pääasialliset käyttökohteet ovat perusmetallit ja jalometallit. Yksikköprosessit kolmessa kokonaisuudessa: liuotus, liuospuhdistus ja talteenotto. Liuotustapoja on neljä erilaista, sovelletaan erilaisille raakaaineille. Liuospuhdistuksen tapoja on kymmenkunta, sovelletaan riippuen tavoitteesta, joka on joko epäpuhtauden poisto liuoksesta tai halutun metallin siirto puhtaaseen liuokseen. Talteenoton tapoja on kolme, tuotteen markkinat määräävät tehdäänkö puhdasta metallia vai jotakin yhdistettä. 57 Yhteenveto Metallien valmistuksessa tavoite on tehdä vaatimukset täyttävää metallia, joka soveltuu esimerkiksi: Langan vetämiseen Putkien vetämiseen Seosaineeksi Pinnoitteeksi Tärkein tekijä on puhtaus, ja sekä epäpuhtauksien kokonaismäärä että tietyn epäpuhtauden määrä voi olla rajoittava tekijä. Metalli on myös saatava haluttuun muotoon, katodi, tanko, kieppi tms. myyntiä varten Poikkeustapauksissa tehdään yhdisteitä toisiin prosesseihin. 58 29
Lisämateriaalia Aallon sähköisissä kirjastoissa on useitakin hydrometallurgian teoksia. Nelli-portaalin e-kirjoista ja sieltä Ebrary-kokoelmasta löytyvät esimerkiksi: Free, Michael L., Hydrometallurgy, julk. Wiley-TMS, 458 s. Han, Kenneth N., Fundamentals of Aqueous Metallurgy, julk. Society for Mining Metallurgy and Exploration, 212 s. Nellin Elsevier-kokoelmassa (ScienceDirect) on lisäksi kolmiosainen teos: Treatise on Process Metallurgy, edited by Seshadri Seetharaman (2014), Volume 1: Process Fundamentals, Volume 2: Process Phenomena ja Volume 3: Industrial Processes. 59 30