Extracción de zinc
La metalurgia extractiva del zinc es el conjunto de operaciones para la fabricación de zinc metálico a partir del mineral , o más raramente de los residuos metalúrgicos, del acero en particular.
El mineral (generalmente blenda ) se trata previamente por flotación para separar el sulfuro de su ganga ( silicato , carbonato, etc.). Se obtiene un concentrado de sulfuro de zinc y sulfuro de plomo .
Entonces hay dos formas de tratamiento:
- el pirometalúrgico ;
- el hidrometalúrgico seguido de una operación de electrometalurgia .
Datos económicos
En 2002 , la producción mundial de "zinc-metal" fue de 9502 kT .
La producción de metal a partir del mineral representa aproximadamente el 70% de la producción, el 30% procedente del reciclaje.
Historia de la producción de zinc
Al principio, la India
De acuerdo con el arqueólogo Paul Cradock , los indios inventaron el XII ° siglo un proceso de recuperación de zinc. Este proceso, operado Zawar hasta el XVIII ° siglo , ha sido descrito por los estudiosos en varios trabajos como Rasaratnassamuchchaya ( XIV ° siglo ). Basado en la condensación del vapor de zinc, tiene similitudes con los procesos industriales modernos.
El mineral (sulfuro de zinc, hoy llamado blenda ) fue " tostado " para obtener óxido de zinc (ver el párrafo Tostado del sulfuro ). El óxido así obtenido, mezclado con diversos materiales orgánicos (fuente de carbono ) y dolomita , se colocó en un crisol de barro de forma alargada. Esta olla se llamaba berenjena . Se plantó un palo de madera en la mezcla para crear un conducto a través del cual circulará el gas durante el calentamiento. El crisol se cerraba con una tapa en su centro con un largo conducto que hacía las veces de condensador.
Se colocaron varias berenjenas en un horno con el condensador hacia abajo. La carga así formada fue calentada por un fuego que ardía arriba. El calor del fuego hizo que el zinc se vaporizara. Esta se condensa en los conductos de los condensadores ubicados en la parte inferior del dispositivo (por lo tanto más fresco).
China en el XVI ° siglo ...
Aunque hay varias hipótesis, la producción de zinc en China, ha demostrado ser el XVI ° siglo ; el método que se describe en el libro Tien-Kong-kai o data del XVII ° siglo .
A diferencia del proceso indio, los chinos usan smithsonita ( carbonato de zinc con la fórmula ZnCO 3 , a menudo llamado calamina). Este mineral, mezclado con carbón vegetal , se colocó en una olla cerrada con una placa de hierro y se calentó, recogiéndose el zinc condensado en un crisol colocado encima de la mezcla. La circulación del gas se aseguró mediante un tubo que salía de la olla.
Europa en el XIX ° siglo
Varios métodos han sido intentado en el XVIII ° siglo para extraer zinc a partir de sus diversos minerales.
- En 1742 , el químico sueco Anton von Swab destiló zinc de la escala
- En 1744, el mismo Anton von Swab lo destiló a partir de blende.
- Independientemente, Andreas Sigismund Marggraf redujo la escala en 1746 y demostró que el zinc podía extraerse de la blenda.
- Es William Champion (1709-1789) quien hará, a escala, el primer intento industrial de producir zinc utilizando un condensador parecido a los condensadores indios. Estableció su fábrica en 1743 en Bristol , Inglaterra . Su proceso se basó en crisoles verticales extendidos en el fondo de condensadores empapados en agua para enfriarlos. Se necesitaron setenta horas para producir 400 kg de zinc. La producción anual de la planta se estima en alrededor de 200 toneladas por año. El proceso consumió mucha energía.
- Johan Ruberg (1751-1807) de 1798 en Silesia mejora el proceso con crisoles horizontales, permitiendo la carga y descarga sin enfriar la instalación, es decir, mejorando significativamente la eficiencia energética. Este proceso ha inspirado a muchas fábricas en Europa y especialmente en Bélgica en la región de Lieja , donde Jean-Jacques Daniel Dony (1759-1819) creó una primera fábrica en 1805 y luego en 1810 en el suburbio de Saint-Léonard de Lieja. Dony ha modificado aún más el principio de los crisoles horizontales. Bélgica, estando entonces bajo el dominio francés, a Napoleón I er se le concedió la concesión del yacimiento belga más rico en zinc ( Moresnet / La Calamine ). Estas fábricas belgas son el origen de la Société des Mines et Fonderie de la Vieille Montagne (creada en 1837 ) que rápidamente se convirtió en líder en la producción de zinc.
Producción norteamericana
No comenzó hasta 1850 utilizando el proceso de Dony . La mina Red Dog , en funcionamiento desde 1989, es actualmente la mina de zinc a cielo abierto más grande de América del Norte.
En el mundo
En 1907, la producción fue de 737.500 toneladas, de las cuales el 31% procedía de Estados Unidos, el 31% de Alemania, el 21% de Bélgica.
Extracción de minerales
Como muchos metales no ferrosos, el contenido de metales de los minerales nunca ha dejado de disminuir. Los minerales de zinc a menudo se asocian con la presencia de plomo y plata y, en este caso, se extraen juntos. El zinc también se puede encontrar asociado con el cobre , como en la gran mina de mineral pobre de Antamina , Perú .
Extracción por pirometalurgia
El proceso pirometalúrgico consta de las siguientes operaciones:
- tostado con sulfuro para obtener óxido de zinc,
- reducción de óxido
- refinado por licuación y destilación
Tostado de sulfuros
El propósito del tostado es transformar el sulfuro en óxido. La obtención de óxido de zinc ZnO se lleva a cabo a una temperatura entre 910 ° C y 980 ° C . El óxido obtenido se denomina " calcina ".
La reacción es exotérmica .
Reducción de óxido
Para reducir el óxido de zinc, debe calentarse a una temperatura superior a la temperatura de vaporización del zinc ( 907 ° C ). Todos estos procesos se basan en el calentamiento del óxido para obtener el zinc en forma gaseosa, por reacción carbotermal . El zinc se recupera por condensación de este gas.
Proceso de crisol verticalDespués de la coquización se coloca una mezcla de calcina, carbón fino y un aglutinante en un crisol de carburo de silicio de unos diez metros de altura y con una sección rectangular de unos 2 m por 0,3 m . El crisol se alimenta continuamente desde la parte superior y se calienta a una temperatura entre 1280 ° C y 1320 ° C . El óxido de zinc se reduce en contacto con el carbono a zinc metálico, según la fórmula:
Al final de la reacción, el zinc es gaseoso y se mezcla adicionalmente con gas monóxido de carbono . De esta mezcla recogida en la parte superior del crisol, el zinc se condensa mediante una turbina.
Proceso de crisol horizontalEl crisol está hecho de tierra refractaria y tiene una capacidad relativamente pequeña. Consiste en una cámara en la que se colocará una mezcla de calcina, carbón (en exceso). Está extendido por un condensador que se utilizará para condensar los vapores de zinc y por una extensión que recogerá los gases y en particular el monóxido de carbono que se quemará a la salida.
Dada la baja capacidad de los crisoles, se combinan en una batería. Crisoles se calientan durante un período de uno a dos días a 1200 ° C . El rendimiento de este proceso es relativamente bajo en comparación con otros procesos.
Proceso de fundición imperialEste proceso se utiliza cuando queremos extraer otros metales (cobre, oro, antimonio, bismuto, plata) presentes en el mineral. El proceso tiene similitudes con el de extraer hierro fundido en un alto horno . La calcina y el coque se mezclan en el horno . Esta mezcla fluye de arriba hacia abajo. Al quemar el coque en el fondo del horno se produce monóxido de carbono . Este gas reductor se eleva y reduce el óxido de zinc a zinc metálico.
El zinc se gasifica y se recoge en la parte superior del dispositivo, mientras que el plomo líquido fluye con una escoria que contiene varios óxidos: SiO, Al 2 O 3 , CaO, SO 2 . A medida que fluye, el plomo lleva otros elementos metálicos que se pueden valorar.
La mezcla de gases capturada en la parte superior del horno contiene aproximadamente un 8% de zinc, un 25% de monóxido de carbono y un 11% de dióxido de carbono .
El gas pasa a través de un fundido gotitas de plomo de pulverización a una temperatura de 550 ° C . Recuperaremos 1 tonelada de zinc por 400 toneladas de plomo. Al salir del condensador, la mezcla de plomo-zinc se trata mediante licuación (el zinc líquido flotando sobre el plomo) para separar el plomo del zinc, que todavía contiene 1,5% de plomo.
Refinación: licuación, destilación
El zinc obtenido durante las operaciones anteriores todavía contiene plomo y otras impurezas (hierro, cadmio en proporciones del orden del 0,1%). Para aumentar el contenido de zinc del metal, se refina mediante dos operaciones: licuación y destilación.
Licuación se basa en una diferencia en la miscibilidad entre el plomo y zinc a una temperatura entre 430 ° C y 440 ° C . Asimismo, la solubilidad del hierro disminuye drásticamente cuando se enfría la mezcla de hierro y zinc.
Al tratar el zinc de las operaciones anteriores en un horno de reverberación a una temperatura entre 430 ° C y 440 ° C durante uno o dos días, el zinc que aún contiene 0,9% de plomo se separa de lo que se llama la `` mata de zinc ''. que contiene plomo, 5 a 6% de zinc y un compuesto ferroso de composición FeZn 13 .
Para obtener zinc puro, es necesario pasar por una operación de destilación fraccionada que permite separar los distintos componentes metálicos ajustando sus temperaturas de fusión. Para hacer esto, la mezcla de metales se calienta para hacerla gaseosa. Los metales se separan condensándolos utilizando varias columnas de destilación.
Extracción por hidroelectrometalurgia
El proceso hidrometalúrgico se compone de las siguientes operaciones:
Lixiviación
Mediante esta operación se trata o bien la calcina resultante de la operación de tostado, o directamente el sulfuro de zinc, siendo este último proceso más reciente que el tratamiento del óxido de zinc.
El propósito de la lixiviación es disolver el zinc en forma de ión Zn 2+ obteniendo la transformación del sulfuro de zinc obtenido directamente del mineral, o del óxido de zinc (calcina) resultante del tostado en sulfato de zinc (ZnSO 2+ ).
Tratamiento de sulfuro de zincEl sulfuro se trata mediante la acción del ácido sulfúrico en un medio oxidante para obtener sulfato de zinc y azufre en forma sólida. La reacción con ácido sulfúrico en presencia de oxígeno es lenta. El ion Fe 3+ se utiliza como oxidante .
La reacción general es la siguiente:
Tratamiento de óxido de zinc Hidrólisis de lixiviación
La calcina se coloca en presencia de una solución muy diluida de ácido sulfúrico . Esta operación permite la disolución del 80% del zinc en forma de sulfato de zinc. Se eliminan determinadas impurezas metálicas: arsénico , germanio e indio mediante la inyección de iones ferrosos (Fe 2+ ) que precipitan en hidróxido de hierro (Fe (OH) 3 ) al arrastrar estos compuestos.
La solución de iones de zinc se separa por decantación, que será tratada mediante cementación y luego electrolizada. El lodo que todavía contiene un 20% de zinc en forma de óxido se trata mediante "lixiviación ácida".
Lixiviación ácidaLa disolución del 20% de zinc restante se obtiene utilizando ácido sulfúrico concentrado. El hierro y el cobre también se disuelven.
La solución se asienta para separar los elementos solubilizados de los residuos sólidos residuales del mineral y algunos elementos insolubles.
El hierro se extrae de la solución que contiene el zinc precipitándolo en forma de hidróxido férrico (Fe (OH) 3 ). La solución de zinc así obtenida se reintroducirá en la operación de lixiviación por hidrólisis.
Cementación
El objetivo de la cementación de la solución resultante de la operación de lixiviación por hidrólisis es eliminar los elementos: cobalto , níquel , cadmio y cobre . Estos elementos se han solubilizado en forma de iones.
El principio es poner el ion metálico (ejemplo Cu 2+ ) en contacto con un metal que tiene un mayor poder reductor (menos electronegativo). Aquí se utiliza polvo fino de zinc.
Tenemos una reacción del tipo:
La operación se realiza mediante varias cementaciones sucesivas. La dificultad de extraer los elementos sigue el siguiente orden aumentando la dificultad: Cobre, Cadmio, Níquel, Cobalto. Jugamos en particular con la temperatura (entre 45 ° C y 65 ° C para el cadmio, 75 ° C y 95 ° C para el cobalto).
Los líquidos y sólidos se separan por filtración.
Electrólisis
La electrólisis se realiza pasando una corriente eléctrica entre dos electrodos en la solución de sulfato de zinc obtenida al final de la operación de cementación.
Implica las siguientes reacciones:
- Cátodo de aluminio:
y
- ánodo de plomo:
La reacción general es:
La instalación consta de celdas que comprenden cada una hasta ochenta y seis cátodos (en las llamadas instalaciones Superjumbo). Para una instalación de este tamaño, esto representa un área de electrodo de 3,2 m 2 . El zinc se recupera por acción mecánica sobre los cátodos.
El electrolito estaba a una temperatura de 30 a 40 ° C . La tensión de equilibrio teórico de 2.022 V . Teniendo en cuenta los diferentes fenómenos físicos y la geometría de la instalación, las tensiones reales son de 3,2 a 3,7 V para corrientes que varían de 400 a 700 A / m 2 . El consumo de electricidad es de 2.950 a 3.500 kWh / t de zinc producido.
Ver también
Artículos relacionados
Bibliografía
- Fathi Habashi, Discovering the 8th metal , publicado por la International Zinc Association ( http://www.zincworld.org/ ), disponible en [1] ( PDF )
- Pierre Routhier , Viaje al mundo del metal: inventos y aventuras , París, Belin, coll. "Perspectivas científicas",1999, 159 p. ( ISBN 978-2-7011-2403-2 , OCLC 1040412308 ) , “Un metal volátil capturado en Asia: zinc”, pág. 100 hasta 105.
- Michel Darcy, metalurgia del zinc , M2770,Octubre de 1988, Ediciones de ingeniería técnica.
- Jean Philibert, Alain Vignes, Yves Bréchet, Pierre Combrade, Metalurgia, a partir de mineral al material , Capítulo 14: la producción de zinc , página 225 a 232, Edición Dunod, 2 ª edición, 2002 ( ISBN 2-10-006313-8 ) .
Notas y referencias
- Cf. PT Craddock ( eds. ), IC Freestone, LK Gurjar, AP Middleton y L. Willies, 2000 años de zinc y latón , Londres, Museo Británico,1998( reimpresión 1998, ed. rev.), 258 p. ( ISBN 978-0-86159-124-4 y 0-86159-124-0 ) , “Zinc en la antigüedad clásica”, p. 1-3.
- Ver PT Craddock et al . Ibídem. , págs. 35–46.
- (en) Gavin M. Mudd , " Los" límites del crecimiento "y los recursos minerales 'finitos': revisando las suposiciones y bebiendo de ese vaso de media capacidad " ,2010, p. 5
- La mejora del ácido sulfúrico producido ha llevado a algunas empresas a dejar el zinc para dedicarse a otras producciones (por ejemplo, Prayon y superfosfatos ).