Idrometallurgia

L'idrometallurgia è uno dei metodi usati in metallurgia per estrarre metalli dai rispettivi minerali. È una tecnica che si basa sulla chimica in soluzione acquosa per ricavare il metallo da minerali, da minerali arricchiti o da materiali riciclati o residui. Altri principali metodi usati in metallurgia sono la pirometallurgia (basata sul calore) e l'elettrometallurgia (che sfrutta un processo elettrochimico).

I processi idrometallurgici in genere prevedono tre fasi principali:

• Lisciviazione, per portare in soluzione il metallo o un suo composto
• Concentrazione e purificazione della soluzione lisciviata
• Recupero del metallo o di un suo composto

Lisciviazione

La lisciviazione prevede l'impiego di soluzioni acquose per estrarre il metallo o un suo composto dal materiale solido che lo contiene. La soluzione lisciviante viene regolata in termini di pH, potenziale redox e temperatura in modo da ottimizzare la dissoluzione in fase acquosa del componente metallico desiderato. L'aggiunta di agenti chelanti può servire a estrarre selettivamente un determinato metallo. Tipiche soluzioni liscivianti ed esempi di applicazione sono i seguenti:

• soluzioni di acidi minerali per trattare ossidi metallici
• soluzioni di idrossido di sodio per la purificazione dell'ossido di alluminio (Processo Bayer)
• soluzioni di ammoniaca/solfato d'ammonio o ammoniaca/carbonato d'ammonio per separare rame, nichel e cobalto (Processo Sherritt)
• soluzioni contenenti cianuro per l'estrazione dell'oro

La lisciviazione si può effettuare con varie tecnologie che vanno dalla semplice percolazione della liscivia attraverso la massa del solido frantumato, con o senza agitazione della massa, all'utilizzo di recipienti riscaldati e sotto pressione. Nel trattamento di materiali contenenti solfiti sono impiegati anche microorganismi (ad esempio il Thiobacillus ferrooxidans).

Concentrazione e purificazione della soluzione

Il liquore ottenuto dalla lisciviazione va successivamente trattato per aumentare la concentrazione degli ioni metallici di interesse, eventualmente rimuovendo altri ioni metallici indesiderati. A questo scopo sono possibili varie tecniche:

• Cristallizzazione o precipitazione per isolare un composto del metallo di interesse dal liquore lisciviato. A tal fine è importante regolare temperatura, pressione e pH della soluzione. Generalmente il metallo desiderato è isolato come solfuro, solfato o idrossido.
• Estrazione con solventi. Si possono usare solventi organici immiscibili con l'acqua per estrarre nella fase organica ioni o complessi metallici. Successivamente il composto di interesse può essere isolato con tecniche di strippaggio e il solvente organico riciclato. L'estrazione con solventi è usata ad esempio nelle separazioni uranio/plutonio, zirconio/afnio, e cobalto/nichel.
• Scambio ionico. Si possono usare resine e fibre di vario tipo, anche impregnate con agenti chelanti, per isolare cationi o anioni presenti nel liquore lisciviato. Questa tecnologia è molto usata per il riprocessamento dell'uranio e la separazione dei lantanoidi.
• Osmosi inversa. In questa tecnica si rimuove il solvente acqua dal liquore lisciviato, producendo quindi una soluzione più concentrata del metallo di interesse.

Recupero del metallo o del suo composto

Per isolare il metallo tramite un suo composto si usano i metodi di cristallizzazione e precipitazione già menzionati in precedenza. Per ottenere il metallo in forma elementare occorre invece operare una riduzione, che si può effettuare per via chimica o elettrochimica:

• Cementazione. Questa è una forma di precipitazione, dove si usa un metallo meno elettronegativo per far precipitare dalla soluzione un metallo più elettronegativo. Ad esempio si usano ferro o zinco metallici per ridurre ioni rame a rame metallico.
• Riduzione con gas. Anche un gas opportuno può essere usato come riducente facendolo gorgogliare attraverso la soluzione, in condizioni adatte di pH e pressione. Il gas più usato è l'idrogeno, ma sono utilizzati anche solfuro di idrogeno, diossido di zolfo e monossido di carbonio.
• Metodi elettrochimici. La riduzione elettrolitica viene usata per ricavare metalli poco reattivi da soluzioni acquose dei loro ioni; in inglese questo processo è denominato elettrowinning. La raffinazione elettrolitica è invece la tecnica usata per purificare un metallo grezzo tramite dissoluzione/rideposizione del metallo.

Bibliografia

• Enciclopedia Sapere, Cementazióne, su sapere.it, De Agostini, 2017. URL consultato l'11 settembre 2017.
• (EN) F. Habashi, A short history of hydrometallurgy, in Hydrometallurgy, vol. 79, 2005, pp. 15-22, DOI:10.1016/j.hydromet.2004.01.008.
• (EN) F. Habashi, Recent Trends in Extractive Metallurgy, in Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy, vol. 45, n. 1, 2009, pp. 1-13, DOI:10.2298/JMMB0901001H.
• (EN) J. Krüger, J. Reisener, M. Reuter e K. Richter, Metallurgy, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2002, DOI:10.1002/14356007.a16_375.
• (EN) M. S. Silberberg e P. Amateis, Chemistry: the molecular nature of matter and change, 7ª ed., New York, McGraw-Hill, 2015, ISBN 978–0–07–351117–7.
• T. W. Swaddle, Inorganic chemistry: an industrial and environmental perspective, Elsevier, 1997, ISBN 0-12-678550-3.