تمرین پژوهش

advertisement
‫بسمه تعالی‬
‫گزارش تمرین پژوهشی‬
‫استخراج آنتیموان از سنگ معدن استیبنیت‬
‫استاد راهنما‬
‫جناب آقای میرقاسم حسینی‬
‫پژوهشگران‬
‫علیرضا رنجبری‬
‫علیرضا پیرمحمدلو‬
‫سال تحصیلی ‪96-95‬‬
‫تشکر و قدردانی‬
‫از جناب آقای دکتر حسینی که فرصت و امکانات الزم برای این‬
‫فعالیت پژوهشی را در اختیار ما قرار دادند نهایت تشکر و‬
‫قدر دانی را داشته و برای ایشان از درگاه خداوند متعال‬
‫آرزوی توفیق و سالمتی داریم‪.‬‬
‫مقدمه‬
‫به موازات رشد و توسعه صنعت نیاز به فلز آنتیموان به‬
‫دلیل كاربرد فراوان آن در صنعت رو به افزایش است‪.‬‬
‫آنتیموان به دو صورت خالص و تركیبات معدني در صنعت كاربرد‬
‫فراواني دارد‪.‬در سال هاي اخیر نزدیك به ‪50‬درصد از‬
‫آنتیموان فراوري شده بصورت فلز در ساخت باطري هاي انباره‬
‫اي‪،‬جعبه دنده هاي انتقال نیرو(گیربكس)‪،‬سیم جوش آلیاژهاي‬
‫نرم‪،‬ساجمه‪،‬مومي آنتیموان در صنایع پالستیك سازي‪،‬تولید‬
‫سرامیك و شیشه كاربرد فراواني دارند و در صنایع شیمیایي‬
‫براي تولید مواد مقاوم به آتش مصرف دارند‪ .‬آنتیموان در‬
‫ساخت اتصاالت و ترمینال هاي برقي بصورت آلیاژ مصرف مي‬
‫شود‪.‬افزودن این فلز به سرب باعث افزایش روان شدگي مي شود‬
‫و قابلیت شكل پذیري آنرا افزایش مي دهد‪.‬آلیاژ آن با قلع و‬
‫سرب كاربردي گسترده دارد‪.‬‬
‫آلیاژ آنتیموان و سرب در ساختن پمپ ها و لوله هاي انتقال‬
‫مواد شیمیایي‪ ،‬پوشش مخازن‪ ،‬ذخیره مواد شیمیایي‪ ،‬پوشش سقف‬
‫و جدار بیروني كابل ها كاربردي گسترده دارد‪.‬كاربرد‬
‫آنتیموان در این موارد باعث باال رفتن پایداري در برابر‬
‫خوردگي شیمیایي مي شود‪.‬افزودن آنتیموان به فلزات باعث‬
‫كاهش ضریب انبساط طولي آلیاژ مي شود از سوئي خاصیت تورق‬
‫پذیري را باال مي برد و نقطه ذوب فلزات را براي تولید حروف‬
‫چاپ پایین مي آورد‪.‬مقادیر بسیار كمي از این فلز با خلوص‬
‫باال و در حدود ‪ 99/999‬درصد در تولید نیمه هادي هایي چون‬
‫ایندیوم آنتي مونید (‪ )Indium Antimonide‬آلومینیوم آنتیمونید‬
‫(‪ )Aluminum Antimonide‬و گالیم آنتیمونید (‪)Gallium Antimonide‬‬
‫مصرف مي شود‪ .‬تركیبات معدني آنتیموان با كاربردي فراوان‪،‬‬
‫سهم عمده اي از مصرف این ماده را به خود اختصاص داده اند‪.‬‬
‫تركیبات اصلي آنتیموان شامل پنتا اكسید آنتیموان‬
‫ً تري اكسید‬
‫(‪ ،)Antimony pantoxid‬آنتیمونات سدیم عمدتا‬
‫آنتیموان در مقابل شعله مقاومند و از این رو در پالستیك‬
‫سازي‪ ،‬رنگ سازي و ساخت الیاف مصنوعي مصرف مي شوند‪.‬‬
‫تركیبات دیگر آنتیموان بصورت ثبات و رنگینه در تولید‬
‫پالستیك كاربرد گسترده اي دارند‪ .‬آنتیمونات سدیم به عنوان‬
‫رنگ بر در صنایع شیشه سازي و در ساخت و تولید صفحه‬
‫تلویزیون و المپ هاي فلورسنت مصرف مي شود‪ .‬اكسیدهاي‬
‫آنتیموان بعنوان رنگینه سفید در رنگ سازي بكار مي‬
‫روند‪.‬تركیبات دیگري از آنتیموان و پنتا سولفور آنتیموان‬
‫بعنوان رنگینه هاي سیاه‪ ،‬زرد‪ ،‬پرتغالي و قرمز روشن كاربرد‬
‫دارند به علت خاصیت انعكاسي خود در برابر اشعهء مادون‬
‫قرمز‪،‬در تولید رنگ هاي خاص استتار در صنایع نظامي مورد‬
‫استفاده قرار مي گیرند‪.‬‬
‫پنتا سولفور آنتیموان بعنوان عامل اتصال در صنایع الستیك‬
‫سازي مصرف زیادي دارد‪.‬از آنجایي كه فلز آنتیموان هیچگاه‬
‫به شكل خالص بكار نمي رود و همیشه به صورت آلیاژ با‬
‫بسیاري از فلزات سنگین تركیب مي شود بدین سبب آلیاژهاي‬
‫بسیاري از آن ساخته مي شود‪ .‬آنتیموان با سرب و قلع به فلز‬
‫چاپ موسوم است‪.‬‬
‫آنتیموان به همراه قلع و مس به فلز یاتاقان یا فلز ضد‬
‫اصطكاك معروف شده است‪.‬‬
‫آلیاژ آنتیموان با قلع سفید معروف است‪ .‬آلیاژ آنتیموان‬
‫با سرب براي پوشش دروني مخازن اسیدها كاربرد گسترده اي‬
‫دارد‪ .‬آنتیموان یك فلز استراتژیك محسوب مي شود زیرا آنرا‬
‫در گلوله و خمپاره سازي و وسایل تولید دودهاي سفید غلیظ‬
‫براي استتار زیاد بكار مي برند‪ .‬از همین رو فرآوري ساالنه‬
‫آن به هنگام جنگ هاي جهاني اول و دوم افزایش یافت و‬
‫بالفاصله پس از پایان جنگ كاهش یافت‪ .‬سولفور آنتیموان را‬
‫با مقداري باروت مي آمیزند و از آن خرج گلوله توپ و‬
‫خمپاره مي سازند‪ ،‬زیرا قدرت انفجاري بسیار باالیي دارد‪.‬‬
‫سولفور آنتیموان را در كبریت سازي‪ ،‬در قسمت سیاه و زبر‬
‫قوطي كبریت بكار مي برند و در بخش سر چوب كبریت نیز آمیزه‬
‫اي از سولفور آنتیموان و گوگرد بكار مي گیرند (نزدیك به ‪3‬‬
‫درصد)‪.‬‬
‫هدف از انجام این پژوهش هم استخراج آنتیموان از سنگ‬
‫معدن استیبنیت و همچنین باال بردن راندمان استخراج با‬
‫استفاده از دما‪ ،‬تغییر جنس کاتد و آند‪ ،‬استفاده از جریان‬
‫های مختلف و مواد ثانویه است‪ .‬همچنین در این پژوهش تاثیر‬
‫عوامل ذکر شده بر شکل فلز استخراج شده برروی کاتد هم‬
‫بررسی میشود‪.‬‬
‫فصل اول‪:‬‬
‫توضیحات تئوریک در مورد برخی روش ها‬
‫و مفاهیم اولیه‬
‫متالورژی استخراجی‬
‫به انگلیسی ‪: Extractive Metallurgy‬فن جدا کردن فلز از کانیها و‬
‫تصفیه و نیز بازیافت آن است‪.‬‬
‫استخراج فلزات از کانیهای فلزی بر انسانهای اولیه شناخته‬
‫بوده است‪ .‬فرآیندهای استخراج فلزات در قدیم به صورت‬
‫روشهای سعی و خطا بود‪ .‬طال و مس از اولین فلزاتی بود که‬
‫استفاده شدند چون به صورت خالص در طبیعت یافت میشود‪.‬‬
‫متالورژی استخراجی یکی از گرایش های مهندسی مواد است که در‬
‫مقطع کارشناسی‪ ،‬در دانشگاه ها‪ ،‬در هشت ترم ارائه می‬
‫شود‪ .‬برخالف تصورعام‪ ،‬متالورژی استخراجی در استخراج مواد‬
‫از معدن‪ ،‬هیچگونه نقشی ندارد‪ ،‬بلکه این مرحله به مهندسی‬
‫معدن مربوط می شود‪ .‬بخش تخصصی متالورژی استخراجی در‬
‫جداسازی ماده خالص‪ ،‬از مواد ناخالصی است که از معدن خارج‬
‫شده و به کارخانه آمده اند‪ .‬یک مهندس متالورژی استخراجی‬
‫باید به اصول جداسازی فلزات‪ ،‬از مواد ناخالص مسلط باشد تا‬
‫بتواند با صرف کمترین هزینه‪ ،‬بیشترین بازدهی را در فرایند‬
‫جداسازی فلز در کمترین زمان‪ ،‬ممکن سازد‪.‬‬
‫استخراج فلز را با توجه به فرآیندهای آن به دو گروه‬
‫کلی متالورژی حرارتی و متالورژی آبی تقسیم میکنند‪ .‬اصول‬
‫متالورژی حرارتی بر اساس ذوب و متالورژی آبی بر اساس‬
‫حلسازی کانی میباشد‪ .‬بیشتر فلزات موجود در طبیعت به‬
‫صورتهای اکسید‪ ،‬سولفید‪ ،‬کلرید و کربنات میباشند‪ .‬مهمترین‬
‫مرحله جداسازی این فلزات از سنگ معدن آنها احیا‬
‫شیمیایی آنها است‪.‬‬
‫‪ -2‬اصول کلی استخراج فلزات‬
‫دید کلی‬
‫فلزات از کانههای مربوط استخراج میشوند‪ .‬پس باید‬
‫ابتدا کانه مربوط به هر فلز را شناسایی و سپس از معادن‬
‫استخراج کنیم و پس از آن با انجام یک سری فعالیتهای‬
‫شیمیایی و فیزیکی فلز مورد نظر را به حالت عنصری از سنگ‬
‫معدن یا کانه آن بدست آوریم‪ .‬در این مقاله این مراحل را به‬
‫اجمال بررسی میکنیم ‪.‬‬
‫وجود طبیعی فلزات‬
‫کانه جسمی است که در طبیعت یافت میشود و میتوان از آن‬
‫یک یا چند فلز را آنچنان که مقرون به صرفه باشد‬
‫استخراج کرد‪ .‬معدودی از فلزاتی که واکنش پذیری آنها‬
‫کم است به شکل عنصری خود در طبیعت یافت میشوند و برای‬
‫چند تا از آنها" کانه خالص طبیعی "مهمترین منبع فلز را‬
‫تشکیل میدهد‪ .‬بیشترین تناژ فلزات از اکسیدها ‪ -‬خواه‬
‫کانههای اکسیدی ‪ ،‬خواه اکسیدهای فلزی که از برشته‬
‫کردن کانههای کربنات یا سولفید تولید میشوند‪ ،‬بدست‬
‫میآیند‪.‬‬
‫کانههای سیلیکات در طبیعت فراوانند‪ .‬ولی استخراج‬
‫فلزات از سیلیکاتها مشکل است و هزینههای چنین‬
‫فرآیندهایی مانع از انجام کار میشود‪ .‬در نتیجه فقط‬
‫فلزات کمتر متداول بطور صنعتی از کانههای سیلیکات‬
‫بدست میآیند‪ .‬کانیهای فسفات بطور کلی نادرند و در‬
‫غلظتهای کم یافت میشوند‪ .‬تعدادی از فلزات بصورت‬
‫ناخالص در کانههای خالص طبیعی دیگر یافت میشوند‪،‬‬
‫بطوری که هر دو فلز از یک عمل صنعتی بدست میآیند‪.‬‬
‫برای مثال ‪ ،‬فلز کادمیم به عنوان محصول فرعی در تولید‬
‫روی بدست میآید‪.‬‬
‫کانهها به هنگام استخراج عموما مقادیر متغیری مواد‬
‫نامطلوب (مثل سیلیس ‪ ،‬خاک رس و گرانیت) که" هرزه سنگ "‬
‫نامیده میشوند‪ ،‬به همراه دارند‪ .‬غلظت فلز مورد نظر‬
‫باید به اندازه کافی باال باشد تا استخراج آن از نظر‬
‫شیمیایی امکانپذیر و از نظر اقتصادی قابل رقابت باشد‪.‬‬
‫بر روی کانههای دارای غلظت پایین از فلز در صورتی کار‬
‫میشود که بتوان آنها را بوسیله فرآیندهایی به نسبت‬
‫آسان و ارزان قابل استفاده نمود‪ ،‬یا این که محصول فلز‬
‫نایاب و پرارزش باشد‪ .‬غلظت الزم از یک فلز به فلز دیگر‬
‫تغییر زیادی دارد‪.‬‬
‫برای آلومینیوم یا آهن این غلظت باید ‪ %30‬یا بیشتر و‬
‫برای مس ممکن است ‪ %1‬یا کمتر باشد ‪.‬‬
‫متالوژی ‪ ،‬عملیات مقدماتی بر روی کانهها‬
‫متالوژی ‪ ،‬علم استخراج فلزات از کانههای آنها و آماده‬
‫سازی آنها برای مصرف است‪ .‬فرآیندهای متالوژی را میتوان‬
‫براحتی به سه نوع عملیات اصلی تقسیم کرد‪:‬‬
‫‪ .1‬عملیات مقدماتی ‪:‬که در آن جز مورد نظر در کانی تغلیظ و‬
‫ناخالصیهای معین جدا میشود و یا کانی برای عملیات‬
‫بعدی به شکل مناسبی در میآید‪.‬‬
‫‪ .2‬کاهش ‪:‬در این مرحله ‪ ،‬ترکیب فلز به فلز آزاد کاهیده‬
‫میشود‪.‬‬
‫‪ .3‬پاالیش ‪:‬در این مرحله ‪ ،‬فلز تخلیص و در مواردی اجسامی‬
‫به آن اضافه میشوند تا خواص مورد نظر محصول نهایی‬
‫بدهند‪.‬‬
‫عملیات مقدماتی‬
‫بهره برداری از بسیاری از کانهها مستلزم آن است که در‬
‫نخستین مرحله ‪ ،‬قسمت عمده هرزه سنگ از آنها زدوده شود‪.‬‬
‫چنین روشهای تغلیظی که معموال بر روی کانههای خرد و ساییده‬
‫شده انجام میگیرند ممکن است بر اساس خواص فیزیکی یا‬
‫شیمیایی باشند ‪.‬‬
‫جداسازی فیزیکی‬
‫این جداسازی بر اساس اختالف بین خواص فیزیکی کانی و‬
‫هرزه سنگ قرار دارد‪ .‬مثال از طریق شستشو با آب ‪ ،‬اغلب‬
‫میتوان ذرات ناخالصیهای خاکی را از ذرات سنیگنتر کانی جدا‬
‫کرد‪ .‬این جداسازی را میتوان به وسیله تکان دادن کانه خرد‬
‫شده در جریانی از آب بر روی یک سطح شیبدار انجام داد‪.‬‬
‫ذرات سنگینتر کانی ‪ ،‬تهنشین شده جمعآوری میشوند ‪.‬‬
‫شناورسازی‬
‫یک روش تغلیظ است که در مورد بسیاری از کانهها بویژه‬
‫کانههای مس ‪ ،‬سرب و روی بکار میرود‪ .‬کانه کامال نرم را با یک‬
‫روغن مناسب و آب در شبکههای بزرگ مخلوط میکنند‪ .‬ذرات کانی‬
‫بوسیله روغن چرب میشوند‪ ،‬در حالی که ذرات هرزه سنگ بوسیله‬
‫آب مرطوب میشوند‪ .‬بهم زدن این مخلوط بوسیله هوا کفی ایجاد‬
‫میکند که دارای روغن و ذرات کانی است‪ .‬این کف بر روی آب‬
‫شنار میشود که آن را جدا میکند ‪.‬‬
‫ملغمه‬
‫جیوه ‪ ،‬نقره و طال را در خود حل میکند و مغلمه میدهد‪ .‬از‬
‫این رو ‪ ،‬کانههای نقره و طالی طبیعی را با جیوه مجاور‬
‫میکنند و مغلمه حاصل را که مایع است‪ ،‬جمع آوری و پس از‬
‫تقطیر جیوه ‪ ،‬نقره یا طالی آزاد را بازیابی میکنند ‪.‬‬
‫کاهش‬
‫تا بحال باالترین مقدار فلزات و همچنین بیشترین تعداد‬
‫آنها بوسیله عملیات ذوب کاری یعنی فرآیندهای کاهش در دمای‬
‫باال که فلز معموال به حالت مذاب بدست میآید ‪ ،‬تولید‬
‫شدهاند‪ .‬در بیشتر این فرآیندها یک گدازآور مانند سنگ آهن‬
‫بکار برده میشود تا هرزه سنگی را که پس از تغلیظ کانه‬
‫باقی میماند‪ ،‬جدا کند‪ .‬این گدازآور با سیلیس و ناخالصیهای‬
‫سیلیکات تشکیل سرباره میدهد‪ .‬واکنشهای ساده شده سنگ آهک و‬
‫سیلیس به قرار زیرند‪:‬‬
‫)‪CaCO3(s) → CaO(s)+CO2(g‬‬
‫)‪CaO(s)+SiO2(s) → CaSiO3(l‬‬
‫سرباره که در دمای ذوب کاری بصورت مایع است‪ ،‬عموما بر روی‬
‫فلز مذاب شناور میشود و به سهولت از آن جدا میگردد‪ .‬عامل‬
‫کاهندهای را که برای یک عمل ذوب کاری معین بکار میبرند‪،‬‬
‫از ارزانترین مادهای انتخاب میکنند که بتواند محصول با‬
‫درجه خلوص الزم بدهد‪ .‬برای کانههای فلزاتی که واکنش پذیری‬
‫شیمیایی آنها کم است‪ ،‬برای مثال کانههای سولفید جیوه ‪ ،‬مس‬
‫و سرب ‪ ،‬هیچ عامل شیمیایی الزم نیست‪ .‬جیوه از برشته‬
‫کردن شنگرف )‪ (HgS‬در هوا تولید میشود‪:‬‬
‫)‪HgS(s)+O2(g) → Hg(g)+SO2(g‬‬
‫بخار جیوه را در جمع کننده متراکم میکنند و احتیاجی به‬
‫تخلیص بیشتر نیست‪ .‬روشهای دیگری نیز برای کاهش وجود دارد‪.‬‬
‫مثال کوره بلند آهن ‪.‬‬
‫پاالیش‬
‫اکثر فلزاتی که ازعملیات کاهش بدست میآیند‪ ،‬به پاالیش‬
‫احتیاج دارند تا از ناخالصیهای مزاحم و نامطلوب پاک شوند‪.‬‬
‫فرآیندهای پاالیش از فلزی به فلز دیگر بطور وسیعی تغییر‬
‫میکنند و برای یک فلز معین روشی که بکار میرود‪ ،‬ممکن است‬
‫با مورد مصرف محصول نهایی فرق کند‪ .‬همراه با حذف موادی که‬
‫به فلز نامطلوب میدهند‪ ،‬مرحله پاالیش ممکن است شامل افزایش‬
‫اجسامی باشد که به محصول ویژگیهای خالص میبخشند‪ .‬پارهای‬
‫از فرآیندهای پاالیش برای بازیابی ناخالصیهای فلزی پرارزش‬
‫مانند طال ‪ ،‬نقره و پالتین طرحریزی شدهاند ‪.‬‬
‫گداز جزئی‬
‫قلع ‪ ،‬سرب و بیسموت ناخالص بوسیله گداز خالص میشوند‪.‬‬
‫شمشهای فلز ناخالص را در باالی یک کوره سراشیب که دمای آن‬
‫اندکی باالتر از نقطه ذوب فلز است قرار میدهند‪ .‬این فلز‬
‫ذوب شده و به سمت پایین این کوره سراشیب به درون چالهای‬
‫جریان پیدا میکند و ناخالصیهای جامد پشت سر هم باقی‬
‫میمانند ‪.‬‬
‫تقطیر‬
‫بعضی از فلزات مانند روی و جیوه که نقطه جوش آنها‬
‫پایین است بوسیله تقطیر خالص میشوند ‪.‬‬
‫فرانید پارکز‬
‫برای پاالیش سرب بکار میروند که همچنین یک روش تغلیظ‬
‫برای نقره است‪ ،‬بر انحالل گزینشی نقره در روی مذاب تکیه‬
‫دارد‪ .‬مقدار کمی روی ‪ 1 ،‬تا ‪ 2‬درصد به سرب مذاب که دارای‬
‫نقره به عنوان ناخالص است‪ ،‬اضافه میکنند‪ .‬نقره در روی‬
‫خیلی بیشتر انحالل پذیر است تا در سرب‪ .‬سرب و روی در‬
‫یکدیگر انحالل ناپذیرند‪ .‬از اینرو قسمت عمده نقره در فلز‬
‫روی جمع میشود که باالی سرب مذاب قرار میگیرد‪ .‬در اثر سرد‬
‫کردن ‪ ،‬نخست الیه رویی منجمد میشود که آن را جدا میکنند‪.‬‬
‫نقره را بوسیله ذوب مجدد الیه روی و تقطیر روی بدست‬
‫میآورند‪ .‬روی بازیابی شده را از نو بکار میبرند ‪.‬‬
‫فرآیند وان آرکل‬
‫این فرآیند بر اساس تجزیه گرمایی یک ترکیب فلز قرار‬
‫دارد‪ .‬این روش که برای تخلیص تیتانیوم ‪ ،‬هافنیم‬
‫و زیرکونیوم بکار میرود ‪ ،‬شامل تجزیه یدید فلز بر روی یک‬
‫رشته فلزی داغ است‪ .‬برای مثال ‪ ،‬زیرکونیوم تترایدید گازی‬
‫در اثر تماس با یک رشته فلزی داغ ‪ ،‬تجزیه شده و فلز خالص‬
‫زیرکونیوم بر روی این رشته مینشیند‪.‬‬
‫)‪ZrI4(g) → Zr(s)+2I2(g‬‬
‫ید آزاد شده با مقدار دیگری از زیرکونیوم ترکیب میشود‪،‬‬
‫این فرآیند بسیار گران است و برای تهیه مقادیر محدود‬
‫فلزات بسیار خالص برای مصارف ویژه بکار میرود ‪.‬‬
‫پاالیش منطقهای‬
‫فرآیند دیگری که بوسیله آن میتوان فلزاتی با درجه‬
‫خلوص خیلی باال تولید کرد‪ ،‬پاالیش منطقهای است‪ .‬یک گرمکن‬
‫مدور را در اطراف میلهای از یک فلز ناخالص‬
‫مثل ژرمانیوم قرار میدهند‪ .‬این گرمکن که به آهستگی به سمت‬
‫انتهای دیگر میله حرکت داده میشود‪ ،‬نواری از فلز را ذوب‬
‫میکند‪ .‬به تدریج تا این گرمکن حرکت میکند‪ ،‬فلز خالص از‬
‫این مذاب مجددا متبلور شده و ناخالصیها همراه منطقه مذاب‬
‫به سمت انتهای دیگر میله به اصطالح جارو میشوند‪ ،‬که بعدا‬
‫آن را دور میاندازند‪ .‬این گرمکن را ممکن است بیش از یک‬
‫بار از روی همان میله عبور دهند‪ .‬روشهای دیگری نیز برای‬
‫پاالیش وجود دارد ‪.‬‬
‫‪ -3‬مشخصات عنصر آنتیموان‬
‫آنتیموان به انگلیسی ‪ Antimony‬ا ز عنصرهای شیمیایی جدول‬
‫تناوبی است‪ .‬نماد شیمیایی آن ‪ Sb‬و عدد اتمی آن ‪ ۵۱‬است‪.‬‬
‫آنتیموان نیز همچون آلوتروپ‪ ،‬شبه فلزش دارای جالی فلزی‬
‫سفید مایل به آبی و بسیار شکننده است‪ .‬همچنین ساختار‬
‫بلورین دارد و بالفاصله پوسته پوسته می شود‪ .‬آنتیموان خالص‬
‫و ترکیباتش بسیار سمی است؛ پس باید در کار با آنها احتیاط‬
‫الزم را به کار بست‪ .‬منبع اصلی آنتیموان کانی به‬
‫نام استیبنیت است که سولفیدی از آن عنصر است‪ .‬همچنین در‬
‫کانی های دیگر از جمله آلمینیت و گهگاهی به صورت خالص‬
‫یافت می شود گر چه تا قرن هفدهم کسی نتوانسته بود آن را‬
‫به شکل خالص از کانی جدا کند‪ .‬آنتیموان در دمای اتاق با‬
‫هوا واکنش نمیدهد اما روی شعله بالفاصله با نور درخشانی می‬
‫سوزد و مقادیر فراوانی گاز های سفید تولید می کند‪.‬‬
‫آنتیموان رسانایی ضعیف برای گرما و الکتریسیته است و به‬
‫همین دلیل جز سازنه مناسبی در مواد نیمه رسانای‬
‫میکروالکترونیکهاست‪.‬‬
‫‪‬‬
‫عدد اتمی‪۵۱ :‬‬
‫‪‬‬
‫جرم اتمی‪۱۲۱٫۷۵ :‬‬
‫‪‬‬
‫نقطه ذوب ‪۶۳۰٫۶۳ : C°‬‬
‫‪‬‬
‫نقطه جوش ‪۱۵۸۷ : C°‬‬
‫‪‬‬
‫شعاع اتمی ‪۱٫۵۳ : Å‬‬
‫‪‬‬
‫ظرفیت‪۳ :‬و‪۵‬‬
‫‪‬‬
‫رنگ‪ :‬خاکستری سیاه‬
‫‪‬‬
‫حالت استاندارد‪ :‬جامد‬
‫‪‬‬
‫رنگ‪ :‬خاکستری نقرهای درخشان‬
‫‪‬‬
‫نقطه ذوب‪K (1167.13 °F)903.78 :‬‬
‫‪‬‬
‫حالت‪ :‬جامد‬
‫‪‬‬
‫نقطه جوش‪K ( 2889 °F )1860 :‬‬
‫‪‬‬
‫جنس ‪ :‬شبه فلز‬
‫‪‬‬
‫شعاع اتم ‪۱٫۵۳: Å‬‬
‫‪‬‬
‫کاشف‪Tholden‬‬
‫‪‬‬
‫شعاع کوواالنس‪pm138 :‬‬
‫‪‬‬
‫عدد اتمی‪۵۱ :‬‬
‫‪‬‬
‫شعاع الکتروواالنس‪:‬‬
‫‪‬‬
‫عدد جرمی‪:‬‬
‫‪‬‬
‫رسانایی الکتریکی‪/m 106 * ۲٫۸۸ :‬اهم‬
‫‪‬‬
‫نام یا شماره گروه‪-VA15 :‬‬
‫‪‬‬
‫رسانایی گرمایی‪: W/m*K24.3‬‬
‫‪‬‬
‫دور تناوب‪۵ :‬‬
‫‪‬‬
‫ظرفیت گرمای ویژه‪J/kg*K210 :‬‬
‫‪‬‬
‫نام بلوک‪: p‬‬
‫‪‬‬
‫حجم مولی‪۱۰-۶ ۱۸٫۱۹ :‬متر مکعب بر مول‬
‫‪‬‬
‫آرایش الکترون‪: Kr4d10 5s2 5p3‬‬
‫‪‬‬
‫الکترونگاتیوی‪ ۲٫۰۵ :‬درجه پاولینگ‬
‫‪‬‬
‫جرم حجمی‪kg/m36697 :‬‬
‫‪‬‬
‫اعداد اکسایش‪ ۱± :‬اسیدی مالیم‬
‫آنتیموان در طبیعت میتواند به شکل های زیر در سنگ معدن‬
‫های مختلف وجود داشته باشد‪:‬‬
‫فصل دوم‪:‬‬
‫توضیحات تئوریک در مورد نقش‪ ،‬ساختار‬
‫و نحوه عملکرد مواد وتجهیزات به کار‬
‫رفته‬
‫‪ -1‬سدیم سولفید (‪)Na2S‬‬
‫سدیم سولفید در استخراج آنتیموان از سنگ معدن‬
‫سولفیدی آن نقش اساسی دارد‪ .‬در این قسمت خصوصیات این‬
‫ماده بیان می شود‪ .‬در قسمتهای بعدی گزارش عملکرد و‬
‫نقش این ماده بطور دقیق تر بررسی خواهد شد‪.‬‬
‫سدیم سولفید یک ترکیب شیمیایی است که با فرمول‬
‫‪ ،Na2S‬یا بطور رایج ترحالت هیدراته آن ‪ Na2S•9H2O‬شناخته‬
‫میشود‪ .‬هر دو نمک های بی رنگ حل شونده در آب هستند که‬
‫محلول های بسیار قوی قلیایی را تشکیل میدهند‪ .‬سدیم‬
‫سولفید و هیدراتهای آن هرگاه در معرض رطوبت هوا قرار‬
‫بگیرند گازهیدروژن سولفید آزاد میکنند که بویی شبیه‬
‫به تخم مرغ گندیده دارد‪ .‬بعضی نمونه های صنعتی آن‬
‫بصورت سدیم سولفید چند آبه )‪ (Na2S•xH2O‬با درصد وزنی‬
‫مشخصی از سدیم سولفید وجود دارند‪ .‬نمونه های رایج‬
‫معموال حدود ‪ 60‬درصد وزنی سدیم سولفید دارند‬
‫)‪(Na2S•3H2O‬نمونه هایی از این قبیل به دلیل حضور پلی‬
‫سولفیدها ظاهر نسبتا زرد رنگی دارند‪ ،‬این نمونه ها‬
‫تحت عنوان "پوسته های سدیم سولفید" شناخته میشوند‪.‬‬
‫البته این نمونه ها با وجود اینکه زرد رنگ هستند‪ ،‬در‬
‫حالت محلول بی رنگ هستند‪.‬‬
‫‪ -2‬سدیم هیدروکسید (‪)NaOH‬‬
‫این ماده هم عالوه بر نقش مهم در قلیایی کردن محیط که‬
‫برای استخراج آنتیموان الزم است‪ ،‬نقش مهمی هم در کامل‬
‫کردن خاصیت استخراج کنندگی ‪ Na2S‬دارد‪.‬‬
‫سدیم هیدروکسید (به انگلیسی یا کاستیک سودا به انگلیسی‬
‫یا سود سوزآور با فرمول شیمیایی ‪NaOH‬که مادهای جامد و‬
‫سفیدرنگ با دمای ذوب ‪ ۱۳۹۰‬درجه سانتیگراد و چگالی ‪2/13‬‬
‫میباشد‪ .‬این ماده‪ ،‬به آسانی میتواند رطوبت هوا را جذب‬
‫نماید و به همین دلیل‪ ،‬باید هنگام حمل و نقل‪ ،‬تحت‬
‫پوششهای حفاظتی الزم قرار گیرد‪ .‬این ترکیب‪ ،‬در تماس با‬
‫پوست‪ ،‬دارای اثر خورندگی است و برای جلوگیری از اثرات‬
‫سوزانندگی آن‪ ،‬هنگام استفاده باید مورد توجه قرار‬
‫گیرد‪.‬‬
‫آبپوشهای آن شناخته شدهاند و محلول قلیایی قوی در آب‬
‫پدید میآورد‪ ،‬یعنی در آب بطور کامل به یونهای تشکیل‬
‫دهندهاش تفکیک میشود‪.‬‬
‫‪ -3‬صمغ عربی‬
‫صمغ عربی در این پژوهش نقش ویژه و بسیار مهمی‬
‫دارد‪ .‬اگر در حین الکترولیز محلول از صمغ استفاده‬
‫نشود‪ ،‬آنتیموان فلزی به راحتی به کاتد نمیچسبد و بعد‬
‫از سنگین شدن به داخل محلول می ریزد‪ .‬اما با اضافه‬
‫کردن صمغ مشاهده میکنیم که وزن بیشتری از آنتیموان‬
‫بدون ریختن در محلول بر روی محلول باقی می ماند‬
‫صمغ عربی که از درختی به نام صمغ سنگالی بدست‬
‫ً شامل‬
‫میآید‪ ،‬سفید رنگ و محلول در آب است و عمدتا‬
‫هیدراتهای کربن است‪.‬صمغ عربی یا صمغ آکاسیا صمغی‬
‫طبیعی است که از دو گونه آکاسیا به نامهای ‪Acasia‬‬
‫‪Acasia seyal ،senegal‬استخراج میشود‪.‬‬
‫از صمغ عربی در صنایع غذایی به عنوان‬
‫«پایدارکننده» و در صنعت چاپ به عنوان روانکننده در‬
‫انواع خاصی از جوهر برای چاپ استفاده میشود‪.‬‬
‫از این صمغ در گذشته استفادههای زیادی میشدهاست‬
‫از جمله آن به عنوان تغییر میزان گرانروی جوهر مرکب‪.‬‬
‫صمغ عربی ترکیب پیچیدهای‬
‫از ساکاریدها وگلیکوپروتئینها میباشد که مهمترین خواص‬
‫صمغ از این ترکیبها میباشد‪ .‬این صمغ خوراکی میباشد‪.‬‬
‫فصل سوم‪:‬‬
‫بیان دو سیستم برای استخراج آنتیموان‬
‫روش های‬
‫آنتیموان از‬
‫شوند‪ .‬معموال‬
‫مرحله هستند‬
‫هیدرومتالوژی مختلف میتوانند برای استخراج‬
‫ترکیبات ساده و یا حتی پیچیده آن استفاده‬
‫روش های صنعتی برای استخراج آنتیموان دارای ‪2‬‬
‫که شامل لیچینگ و الکترووینینگ هستند‪.‬‬
‫دو سیستم مورد نظر ما سیستم آلکالین سولفید و سیستم‬
‫اسیدی کلریدی است که ما از یکی از این روش ها برای‬
‫استخراج آنتیموان استفاده می کنیم‪.‬‬
‫‪ -1‬سیستم آلکالین سولفید‪:‬‬
‫در این سیستم عالوه بر ‪ Na2S‬لزوما باید سدیم هیدروکسید‬
‫هم حضور داشته باشد‪ .‬با اضافه کردن این دو ماده به‬
‫روی استیبنیت‪ ،‬محلولی حاوی سدیم تیوآنتیمونات تشکیل‬
‫می شود که میتوان به شکل زیر آن را نشان داد‪:‬‬
‫→ ‪2  + 2 3‬‬
‫‪22‬‬
‫‪3 3‬‬
‫→  ‪2 + 2‬‬
‫از حل کردن گوگرد عنصری در محلول سدیم هیدروکسید بستری‬
‫فراهم می شود که میتواند برای استخراج آنتیموان با‬
‫سیستم آلکالین سولفید مورد استفاده قرار بگیرد‪ .‬ترکیب‬
‫شدن این دو باعث بوجود آمدن گونه های به جز سولفید‬
‫میشود‪ .‬هم سدیم پلی سولفید و هم سدیم تیوسولفات در‬
‫کنار سولفید تشکیل میشود‪:‬‬
‫به علت قدرت اکسیدکنندگی پلی سولفید روی سدیم‬
‫تیوآنتیمونیت گونه غالب در محلول سدیم تیوآنتیمونات‬
‫است‪:‬‬
‫در الکترووینینگ آنتیموان از محلول سیستم آلکالین‬
‫سولفید واکنش های اصلی آندی به شرح زیر است‪:‬‬
‫و همچنین واکنش اصلی کاتدی به شکل زیر است‪:‬‬
‫فلز روی کاتد بعد از شستشو می تواند درصد خلوصی در حد ‪99/5‬‬
‫داشته باشد‪.‬‬
‫‪ -2‬سیستم اسیدی کلریدی‪:‬‬
‫در این سیستم از اسید کلریدریک در کنار فریک کلرید‬
‫استفاده می شود‪ .‬از ‪ FeCl3‬معموال به عنوان حالل برای سنگ‬
‫معدن های سولفیدی مثل استیبنیت استفاده می شود‪.‬‬
‫در محلول آبی ‪ FeCl3‬هم نقش اکسید کننده و هم نقش یک‬
‫عامل کلردار کننده را دارد‪ .‬این امر باعث میشود ‪FeCl3‬‬
‫عالوه بر اینکه آنتیموان موجود در سنگ معدن را به یک‬
‫کمپلکس کلردار تبدیل می کند‪ ،‬همزمان سولفور عنصری هم‬
‫تولید کند‪ .‬در شرایطی که آنتیموان اکسید شده باشد می‬
‫تواند بدون حضور ‪ FeCl3‬و مستقیما با ‪ HCl‬لیچ یا به‬
‫عبارتی به شکل کمپلکس کلردار حل شود‪:‬‬
‫همانند سیستم آلکالین سولفید‪ ،‬آنتیموان حل شده به‬
‫صورت کمپلکس کلردار میتواند در کاتد به صورت آنتیموان‬
‫با عدد اکسایش صفر بنشیند‪.‬‬
‫واکنش اصلی کاتدی در این سیستم به شکل زیر است‪:‬‬
‫واکنش های اصلی آندی هم به شکل زیر نشان داده می‬
‫شوند‪:‬‬
‫نمودار ‪ Eh-PH‬برای گوگرد به شکل زیر است‪:‬‬
‫از همین نمودار میتوان استفاده های متعددی برای کنترل‬
‫واکنش ها در طی فرایند استخراج کرد‪.‬‬
‫در این پژوهش از سیستم آلکالین سولفید استفاده میشود‪.‬‬
‫کنترل خوردگی بخشهای مختلف سیستم در این روش بسیار راحتتر‬
‫از سیستم اسیدی کلریدی است‪.‬‬
‫فصل چهارم‪:‬‬
‫کارهای عملی‪ ،‬داده ها و نتایج به دست‬
‫آمده‬
‫در این پژوهش برای بررسی تاثیر دما‪ ،‬جنس آند و کاتد‪،‬‬
‫مقادیر مختلف جریان‪ ،‬اثر همزدن محلول الکترووینینگ آزمایش‬
‫های مختلفی انجام شد که به شرح آنها خواهیم پرداخت اما‬
‫برخی از کارها در تمامی آزمایشها مشابه بوده است که ابتدا‬
‫به بیان آنها می پردازیم‪ .‬میتوانیم از این شرایط به عنوان‬
‫شرایط و ملزومات کلی روش آلکالین‪-‬سولفید یاد کنیم‬
‫در تمامی آزمایشها ابتدا مقدار مشخصی از سنگ معدن‬
‫پودر شده را به دقت وزن کرده و با مقدار مشخصی از سود و‬
‫سدیم سولفید در آب حل میکنیم‪ .‬مقادیر مصرفی سود و سدیم‬
‫سولفید به مقدار ماده اولیه (استیبنیت) بستگی دارد‪.‬‬
‫بعد از ریختن آب مخلوط را روی همزن با دمای تقریبا ‪60‬‬
‫درجه سلسیوس به مدت ‪ 45‬دقیقه قرار میدهیم تا فرآیند‬
‫لیچینگ کامل شود‪ .‬این دماها و زمان ها همگی از روی مقاالت‬
‫ترجمه شده بدست آمده اند که در آخر گزارش به آنها اشاره‬
‫شده است‪ .‬بعد از لیچینگ اجازه میدهیم محلول سرد شود‪ ،‬سپس‬
‫به کمک قیف بوخنر و کاغذ صافی محلول را صاف میکنیم تا در‬
‫حد قابل قبولی شفاف شود‪.‬‬
‫محلول صاف شده در هر آزمایش وارد مرحله الکترووینینگ‬
‫میشود که عبارتست از قرار دادن آند و کاتد در محلول و‬
‫اعمال کردن جریان که باعث میشود آنتیموان روی کاتد‬
‫بنشیند‪ .‬در این مرحله از کاتدها و آند های مختلف و با‬
‫پیکر بندی های مختلف استفاده شد که به شرح آنها خواهیم‬
‫پرداخت‪ .‬به عنوان مثال در این پژوهش از استیل و مس به‬
‫عنوان کاتد و همچنین از نیکل و استیل به عنوان آند‬
‫استفاده شد‪ .‬یکی از نکات کلیدی در این پژوهش استفاده از‬
‫صمغ عربی بود‪ .‬یکی از مشکالت هر آزمایش این بود که‬
‫آنتیموان فلزی استخراج شده از روی کاتد به داخل محلول‬
‫میریخت‪ .‬با اضافه کردن صمغ عربی به وضوح دیده شد که‬
‫آنتیموان هرچقدر هم که سنگین میشود باز هم روی کاتد باقی‬
‫می ماند‪ .‬کافیست مقداری از صمغ را در آب گرم حل کنیم تا‬
‫محلولی شیره ای و غلیظ بدست آید و هر بار مقداری از آن را‬
‫به محلول قبل از اعمال جریان اضافه کنیم‪ .‬در مرحله‬
‫الکترووینینگ ابتدا اجازه میدهیم محلول تقریبا ‪ 1‬ساعت به‬
‫حال خود باقی بماند سپس آنتیموان را از سطح کاتد جدا کرده‬
‫تا سطح تازه کاتد برای فرایند احیا داشته باشیم‪.‬‬
‫تصویر ‪ - 1‬صمغ عربی‬
‫تاثیر جنس آند و کاتد‪:‬‬
‫در اولین آزمایش از یک قاشق استیل به عنوان کاتد و از‬
‫‪ MMO‬به عنوان کاتد استفاده کردیم‪ .‬این آزمون بیشتر در‬
‫حکم یک آزمون کیفی بود‪ .‬در همین آزمایش مقداری آنتیموان‬
‫به سطح کاتد چسبید اما ‪ 2‬مشکل وجود داشت‪:‬‬
‫‪ -1‬مقدار آنتیموان استخراجی در طول زمان الکترووینینگ‬
‫کم بود‪.‬‬
‫‪ -2‬آنتیموان به سختی به سطح کاتد میچسبید و جدا کردن‬
‫آن بسیار مشکل بود و به جای رنگ براق کامال سیاه می‬
‫شد‪.‬‬
‫تصویر ‪ - 2‬آنتیموان روی کاتد استیل‬
‫در آزمایش بعدی برای حل دو مشکل یاد شده جنس کاتد و‬
‫آند عوض شد به این شکل که برای آند از استیل و از مس به‬
‫عنوان کاتد استفاده شد‪ .‬از یک ورقه مسی صفحه ای به ابعاد‬
‫‪ 6‬در ‪ 6‬سانتی متر بریده شد همچنین نسبت ابعاد آند به کاتد‬
‫‪ 1‬به ‪ 5‬اعمال شد‪ .‬فاصله بین آند و کاتد ‪ 6‬سانتی متر و‬
‫جریان ‪ 2/15‬آمپر اعمال شد‪.‬‬
‫این آزمایش نسبت به آزمایش قبل نتایج بسیار بهتری‬
‫داشت‪ .‬آنتیموان روی کاتد سیاه نمیشد و به راحتی قابل جدا‬
‫کردن بود ولی مشکل موجود در این روش این بود که آنتیموان‬
‫در سطح مس به صورت پولکی مینشست و همین امر باعث میشد‬
‫مقداری از ‪ Sb‬استخراج شده به داخل محلول بریزد‪ .‬در این‬
‫آزمایش با جریان ذکر شده در ‪ 1‬ساعت اول ‪ 9/52‬گرم به وزن‬
‫کاتد اضافه شد که نشان دهنده آنتیموان استخراج شده بود‬
‫تصویر ‪ - 3‬شکل پولکی ‪ Sb‬روی مس‬
‫آزمایش ذکر شده بار دیگر با جریان ‪ 1‬آمپر تکرار‬
‫شد که نتایج مشابه با آزمایش اول داشت اما مقدار آنتیموان‬
‫استخراج شده نزدیک به ‪ 4/5‬گرم بود‪ .‬در زیر عکس آنتیموان‬
‫جدا شده بعد از خشک شدن آورده شده است‪:‬‬
‫تصویر ‪ Sb -4‬روی کاتد مس‬
‫تصویر ‪ Sb - 5‬جدا شده از سطح مس‬
‫بهترین نتایج مربوط به آزمایش سوم بود‪ .‬در این‬
‫آزمایش از دو قطعه نیکلی کوچک به عنوان آند استفاده شد که‬
‫در دو طرف کاتد مسی ‪ 6‬در ‪ 6‬قرار دادیم‪ .‬این امر باعث میشد‬
‫آنتیموان با سرعت بیشتر و به خوبی به روی هردو طرف کاتد‬
‫بنشیند‪.‬‬
‫در این آزمایش آنتیموان به صورت الیه الیه روی مس‬
‫احیا شد که به راحتی به داخل محلول نمیریخت اما به روش‬
‫مکانیکی از روی مس قابل جداسازی بود‪ .‬در این آزمایش جریان‬
‫‪ 2‬آمپر اعمال شد و در ‪ 1‬ساعت اولیه ‪ 13‬گرم ‪ Sb‬روی مس نشست‪.‬‬
‫تصویر ‪ - 6‬کاتد مس ‪ -‬آند دو قطعه نیکل‬
‫در هر آزمایش نکات زیر که درواقع چکیده ای از‬
‫کارهای این پژوهش هستند اعمال شدند‪ .‬این اعداد و نکات یا‬
‫به صورت تجربی بعد از هر آزمایش بدست آمدند و یا از مقاالت‬
‫استخراج شدند‪:‬‬
‫‪ ‬در هر آزمایش مقدار دانسیته جریان در حدود ‪ 2000‬آمپر‬
‫بر متر مربع بود‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫در هر آزمایش نسبت سطح آند به کاتد ‪ 1‬به ‪ 10‬بود‬
‫بهترین نتیجه زمانی حاصل شد که کاتد بین دو قطعه با‬
‫جریان آندی بود‬
‫بهترین راندمان برای الکترووینینگ در دمای ‪ 50‬الی ‪60‬‬
‫درجه حاصل شد‬
‫هم زدن محلول در حال الکترووینینگ باعث می شد که از‬
‫آزاد شدن گاز سمی استیبین جلوگیری شود‬
‫در هر آزمایش ‪ 200‬گرم سنگ معدن پودر شده‪ 400 ،‬گرم ‪NaOH‬‬
‫و ‪150‬گرم ‪ Na2S‬استفاده شد‬
‫منابع‪:‬‬
‫‪ ‬کتاب شیمی کمی معدنی‬
 Kroll Institute for Extractive Metallurgy, George S. Ansell Department of
Metallurgical and Materials Engineering, Colorado School of Mines, Golden,
CO 80401, United States
 The Southern African Institute of Mining and Metallurgy
 http://www.chem.iitb.ac.in
 U.S. DEPARTMENT OF THE INTERIOR U.S. GEOLOGICAL SURVEY
Open-File Report 03-019, Mineral Commodity Profiles, Antimony, By W.C.
Butterman and J.F. Carlin, Jr. 2004
‫‪ -‬قیمت آنتیموان در آمریکا در سالهای مختلف‪ 2‬نمودار‬
Download
Related flashcards
Create Flashcards