Tècniques per a la fabricació de metall a partir de mineral per a ús industrial
La producció de metalls a partir de minerals és una base crucial per a diversos sectors industrials, des de la construcció i l'automoció fins a l'energia i l'electrònica. Gairebé tots els materials metàl·lics utilitzats pels humans provenen originalment de minerals de l'escorça terrestre, que s'han de processar a través d'una sèrie de passos tècnics per convertir-se en metalls o aliatges purs amb les propietats mecàniques i químiques necessàries. Aquest procés, conegut com a metal·lúrgia extractiva, engloba la mineria, la preparació del mineral, la separació de minerals valuosos, l'extracció de metalls i el refinament. En la pràctica industrial, l'elecció de la tècnica està molt influenciada pel tipus de mineral, el contingut de metall, les impureses, l'economia, els requisits energètics i l'impacte ambiental.
1. Característiques del mineral i determinació del mètode d'extracció
Un mineral és una roca o mineral que conté un metall en concentracions prou altes per ser extret i processat econòmicament. El metall pot estar present com un òxid (per exemple, Fe₂O₃ en hematites), un sulfur (per exemple, CuFeS₂ en calcopirita), un carbonat (per exemple, ZnCO₃ en smithsonita) o fins i tot l'element lliure (per exemple, or). Cada forma química requereix un enfocament diferent. Els minerals d'òxid són relativament fàcils de reduir a metall, mentre que els minerals de sulfur generalment requereixen un procés de torrefacció per convertir el sulfur en òxid abans de la reducció o la fusió.
A més, el contingut de metall i el tipus de ganga (roca d'impuresa com ara sílice, alúmina o calcària) determinen l'estratègia de separació. Els minerals de baixa qualitat sovint requereixen una concentració més intensa per a una extracció posterior eficient. En la indústria moderna, es realitzen anàlisis mineralògiques i químiques (per exemple, XRF, XRD o assaigs) per determinar la millor ruta de procés.
2. Preparació del mineral: trituració i mòlta
L'etapa inicial del processament del mineral a la planta és la reducció de la mida per alliberar minerals valuosos de la ganga. Aquest procés normalment comença amb la trituració mitjançant una trituradora de mandíbules o una trituradora de con fins a una mida de diversos centímetres. A continuació, es mòlt mitjançant un molí de boles o un molí SAG fins a mides de partícula més fines, que de vegades arriben fins i tot a desenes de micres, depenent dels requisits del procés de separació.
La clau de l'èxit en aquesta etapa és trobar un equilibri entre l'alliberament de minerals i el consum d'energia. Una mòlta massa fina pot augmentar els costos d'electricitat i complicar la separació, mentre que una mòlta massa gruixuda deixa minerals valuosos lligats a la ganga, cosa que redueix la recuperació.
3. Concentració de mineral: separació de minerals valuosos
Un cop la mida de partícula és adequada, el mineral s'enriqueix mitjançant mètodes de concentració per augmentar el contingut de metall. Algunes tècniques més utilitzades són:
1. Flotació (flotació per escuma)
És altament eficaç per a minerals sulfurats com el coure, el plom i el zinc. El principi és aprofitar les diferències en les propietats de la superfície dels minerals. Certs reactius fan que els minerals valuosos siguin hidròfobs, que s'adhereixen a les bombolles d'aire i després suren com a escuma, que es recull com a concentrat.
2. Separació per gravetat
S'utilitza quan hi ha diferències de densitat significatives, com ara en minerals d'or al·luvials, cassiterita (SnO₂) o certs minerals de ferro. L'equip pot ser una plantilla, un concentrador en espiral o una taula vibratòria.
3. Separació magnètica
Apte per a minerals magnètics com la magnetita (Fe₃O₄) o per separar certes impureses. La intensitat magnètica es pot ajustar de baixa a alta segons les propietats del mineral.
4. Rentat i classificació
Per a certs minerals, les impureses de l'argila es poden reduir rentant-les. Mentrestant, la classificació es pot fer manualment o mitjançant una classificació basada en sensors per separar les roques de baixa qualitat abans del processament posterior.
El resultat d'aquesta etapa és un concentrat ric en metalls i residus que s'han de gestionar de manera segura.
4. Pirometal·lúrgia: extracció de metalls mitjançant alta temperatura
La pirometal·lúrgia és la tècnica d'extracció de metalls mitjançant reaccions a alta temperatura, que normalment impliquen fusió i reducció. Constitueix la base de la producció de ferro i molts metalls no ferrosos.
a. Torrat i calcinació
– Torrefacció: escalfar el mineral de sulfur amb oxigen per produir òxids i SO₂. Exemple: processar el concentrat de sulfur de coure abans de la seva fusió.
– Calcinació: escalfament de carbonats o hidròxids per alliberar CO₂ o H₂O, per exemple en alguns minerals de zinc.
b. Fusió i reducció
En el procés de fosa, el mineral o concentrat es barreja amb un agent reductor (com ara coc o carboni) i un flux (com ara pedra calcària) i després s'escalfa en un forn. El flux ajuda a unir les impureses a l'escòria, que se separa del metall fos.
L'exemple més famós és l'alt forn del ferro: el mineral de ferro es redueix mitjançant monòxid de carboni a ferro líquid (metall calent), mentre que la sílice i altres impureses formen escòria juntament amb el CaO de la pedra calcària.
c. Conversió inicial i refinament
En el coure, la fusió normalment produeix mat (una barreja de sulfurs), que després es converteix per augmentar el contingut de coure. Perquè el ferro es converteixi en acer, el metall calent es processa en un forn d'oxigen bàsic (BOF) o un forn d'arc elèctric (EAF) per reduir el carboni i controlar la composició de l'aliatge.
La pirometal·lúrgia destaca per la seva gran capacitat i velocitat de procés, però requereix una alta energia i sistemes de control d'emissions (pols, SO₂, CO₂).
5. Hidrometal·lúrgia: Extracció de metalls mitjançant solucions
La hidrometal·lúrgia utilitza la dissolució selectiva de metalls del mineral en una solució (lixiviació) i després recupera els metalls mitjançant precipitació, extracció amb dissolvents o electroobtenció. Aquest mètode sovint s'escull per a minerals de baixa qualitat o complexos.
a. Lixiviació
El tipus de lixiviació depèn del metall i del mineral:
– Àcid sulfúric per a certs òxids o laterites de coure.
– Cianuració per a or i plata (amb una gestió de seguretat molt estricta).
– Lixiviació alcalina per a la bauxita (el procés Bayer produeix alúmina).
La lixiviació es pot fer en una pila de lixiviació, un tanc de lixiviació (reactor) o una autoclau pressuritzada per a reaccions que requereixen alta temperatura/pressió.
b. Separació i recuperació de metalls
Després de dissoldre el metall, la solució s'ha de purificar de les impureses:
– L'extracció amb dissolvents (SX) separa certs ions metàl·lics mitjançant dissolvents orgànics.
– La precipitació fa precipitar metalls o impureses ajustant el pH i els reactius.
– L'electroobtenció (EW) diposita metall al càtode mitjançant un corrent elèctric, per exemple en el coure SX-EW, que produeix un càtode amb un alt contingut de Cu.
La hidrometal·lúrgia sovint és més selectiva i pot reduir les emissions a l'aire, però requereix una bona gestió de les aigües residuals i estabilitat dels residus.
6. Electrometal·lúrgia: producció i refinació basades en l'electricitat
L'electrometal·lúrgia utilitza el corrent elèctric per produir o refinar metalls. Dues aplicacions importants són:
1. Electròlisi de sals foses
S'utilitza per a l'alumini. L'alúmina (Al₂O₃) es dissol en criolita fosa i després s'electrolitza (el procés Hall-Héroult). Aquest mètode consumeix molta energia, però s'ha convertit en l'estàndard de la indústria perquè l'alumini és difícil de reduir directament amb carboni.
2. Electrorefinació
Refinació de metalls com el coure: l'ànode de coure impur es dissol i el coure pur precipita al càtode. Les impureses valuoses com l'or o la plata es poden recollir com a llim ànode i processar-les posteriorment.
L'electrometal·lúrgia destaca per produir una alta puresa, però depèn de la disponibilitat de grans quantitats d'electricitat i d'un control estricte del procés.
7. Control de qualitat, aliatge i conformació de productes industrials
Els metalls extrets rarament s'utilitzen directament sense ajustaments de composició. Les indústries solen afegir elements d'aliatge per aconseguir propietats específiques: crom i níquel per a la resistència a la corrosió en acer inoxidable, o magnesi i silici en aliatges d'alumini per a la resistència i la formabilitat. El processament posterior inclou la desgasificació, la dessulfuració i el control d'oxigen i nitrogen. El producte es modela mitjançant fosa, laminació, forja o extrusió segons les necessitats de la cadena de subministrament industrial.
8. Aspectes mediambientals i de sostenibilitat
La indústria d'extracció de metalls s'enfronta a reptes importants: emissions de CO₂ dels processos tèrmics, emissions de SO₂ dels minerals sulfurats i gestió de residus. Per tant, les tecnologies modernes inclouen la captura de sofre per produir àcid sulfúric, l'ús d'energies renovables en l'electròlisi, el reciclatge d'aigües de procés i l'estabilització dels residus amb alts estàndards de seguretat. A més, el reciclatge de metalls (metal·lúrgia secundària) és cada cop més important per reduir la dependència del mineral verge i reduir la petjada de carboni.
Tancament
El procés de producció de metalls a partir de minerals per a ús industrial implica una sèrie complexa i interconnectada de processos: des de la preparació i la concentració fins a la pirometal·lúrgia, la hidrometal·lúrgia i l'electrometal·lúrgia. Cada metall té una ruta diferent basada en les propietats químiques del mineral i les seves demandes econòmiques i ambientals. Amb els avenços tecnològics, la indústria continua avançant cap a processos més eficients, selectius i sostenibles, de manera que es puguin satisfer les necessitats de desenvolupament i innovació en metalls sense comprometre la seguretat i la sostenibilitat ambiental.
