Hydrometallurgia

Hydrometallurgia on yksi metallien valmistustekniikoista. Siihen kuuluu vesikemian käyttö, kun erotetaan metalleja malmeista, rikastetaan metalleja ja kierrätetään tai käytetään jäännösmetalleja. Vesimetallurgia voidaan jakaa kolmeen ryhmään:

• uuttaminen
• liuosten rikastus ja puhdistaminen
• metallien uudelleenkäyttö

Uuttaminen

Uuttamisessa yhdistetään liuotin ja arvokkaan metallin sisältävä materiaali. Liuotin sisältää metalleja erottavan aineen, joka voi olla hapan tai emäksinen. Erottavan aineen konsentraatiota ja lajia säädellään, jotta voitaisiin valita ne metallit, joita halutaan uudelleenkäyttää. Uuttamisprosessissa tärkeitä muuttujia ovat hapetuspotentiaali, lämpötila ja liuoksen pH. Niitä pyritään usein muuttamaan siten, että saataisiin optimoitua halutun metallikomponentin liukeneminen vesifaasiin.

Tavallisimmat uuttamistekniikat ovat reikäuuttaminen, kasauuttaminen ja vatiuuttaminen.

Reikäuuttaminen

Reikäuuttamista kutsutaan myös ”liuoskaivokseksi”. Prosessi sisältää reikien poraamista malmia sisältävään sakkaan. Räjäyttämistä tai vedestä aiheutuvaa murtumista käytetään, kun halutaan saada sakkaan reikiä, joita pitkin liuotin pääsee sisään malmiin. Kun liuotin on päässyt kontaktiin malmin kanssa, se kerätään ja prosessoidaan.

Kasauuttaminen

Kasauuttamisessa murskattu malmi kootaan kasaksi läpäisemättömälle tasolle. Uuttamisliuos suihkutetaan kasan huipulle ja annetaan suodattua kasan läpi. Kasa leviää ja hajaantuu usein pieniksi altaiksi. Altaiden keskellä on kylläistä liuotinta, johon on liuennut arvokkaita metalleja. Liuotin on nyt helppo kerätä myöhempää prosessointia varten.

Kaatopaikkauuttaminen

Kun yhdistetään reikäuuttamisen ja kasauuttamisen ominaisuuksia, saadaan kolmas uuttamistyyppi, niin sanottu kaatopaikkauuttaminen. Tässä tyypissä läpäisemättömän tason käyttö riippu kaatopaikan sijainnista. Malmi kaadetaan tasolle, jolloin saadaan samantapainen prosessi kuin kasauuttamisessa, mutta altaiden sijasta liuotin hakeutuu reunallisiin kuoppiin.

Vatiuuttaminen

Vatiuuttamisessa käytetään kontaktoivasta materiaalista tehtyä astiaa tai vatia. Astia on käynyt läpi kutistamista ja luokittelua. Liuotin laitetaan astiaan, jossa on usein täristin, joka pitää kiinteän aineen nesteeseen liuenneena ja parantaa kiinteän aineen ja nesteen kontaktia. Vatiuuttamisen jälkeen uutettu kiinteä aine ja kylläinen liuotin erotellaan ennen tulevaa prosessointia.

Muita uuttamistekniikoita

Toisinaan erityiset uuttamistekniikat ovat tarpeen, jos tiedetään, että materiaali on huonosti reagoiva. Nämä tekniikat sisältävät paine- tai autoklaaviuuttamisen rikastusuuttamisen.

Liuottimen rikastaminen ja puhdistaminen

Tavallisesti uuttamisneste täytyy konsentroida metalli-ioneilla, jotta metalli saadaan erotettua nesteestä. Lisäksi liuokseen on voinut joutua epätoivottuja metalleja, jotka erotetaan puhdistamalla liuotin. Prosessi, jolla rikastetaan ja puhdistetaan liuotin, sisältää seuraavat vaiheet:

• saostaminen
• sementoiminen
• liuottimen uuttaminen
• ionien vaihtaminen

Liuottimen avulla uuttaminen

Uuttamista laimenteessa käytetään, kun halutaan uuttaa metalleja yhdestä faasista toiseen. Liuotinuuttimella viitataan usein johonkin orgaaniseen laimenteeseen. Usein laimenne on jonkinlaista öljyä. Kylläinen uuttamisliuos yhdistetään sellaiseen emulgoivaan laimentavaan aineeseen, jota voidaan kuoria yhtenäisesti ja joka voidaan erotella pois. Metalli siirtyy kylläisestä liuoksesta laimenteeseen ja syntyy raffinoituja ainevirtaumia. Kun metallia halutaan erotella laimenteessa, varautunut ainevirtauma yhdistetään esimerkiksi öljyyn, johon on sekoitettu elektrolyyttia. Ainevirtaumien ja öljyn eli laimenteen annetaan separoitua. Metalli siirtyy elektrolyyttiin. Syntyvät uudet ainevirtaumat koostuvat laimennevirroista ja kylläisistä elektrolyyttivirroista. Laimennejuovien annetaan käydä läpi liuottimen uuttamisprosessia sillä aikaa, kun vesivirrat käyvät vastaavasti läpi uuttamista ja sähkövoittoisuuden prosessointia.

Ionien vaihtaminen

Kelatoivat välittäjät, kuten zeoliitti, aktivoivat hiiltä, hartseja ja nestemäisiä kylläisiä liuoksia. Kelatoivia aineita käytetään, kun halutaan vaihtaa kationeja tai anioneja liuottimessa. Reagenssien tulee toimia selektiivisesti ja uudelleenkäytettävästi, jos epäpuhtauksia ilmenee.

Metallien erottaminen

Metallien erottaminen on hydrometallurgisen prosessin viimeinen vaihe. Tässä vaiheessa pystytään usein erottamaan ne metallit, joita voidaan myydä suoraan ilman erillistä käsittelyä. Metallien jalostamista jatketaan, jos ne halutaan tuottaa erityisen puhtaita metalleja. Metallien erottamisen päätyypit ovat elektrolyysi, kaasuilla pelkistäminen ja saostaminen.

Elektrolyysi

Sähköuutto ja sähköjalostus sisältävät vastaavasti metallien erottamisen ja puhdistamisen käyttäen elektrodiluovuttamista metallilta katodille ja metallin liukenemista tai kilpailevaa hapettumista anodille.

Saostaminen

Hydrometallurgiassa saostamisella tarkoitetaan joko metallin tai sen yhdisteiden kemiallista saostamista tai epäpuhtauksien saostamista vesiliuoksista. Saostamista voi tapahtua esimerkiksi silloin, kun lisätään reagenssia, pH tai lämpötila muuttuu tai jokin liuoksessa oleva aine ylittää liukoisuusrajansa. Kun halutaan voimistaa jatkoprosessien tehokkuutta, käytetään usein kristallisaation esiastetta.