תהליך וטכנולוגיה של עיבוד עפרות ניקל
ניקל הוא מתכת אסטרטגית בעלת תפקיד חשוב יותר ויותר בתעשיות מודרניות שונות. בנוסף לשימוש בייצור פלדת אל-חלד, ניקל הוא גם מרכיב מפתח בפיתוח סוללות לרכב חשמלי, סגסוגות מיוחדות לתעשיית התעופה והחלל, ואפילו ציפוי אלקטרוליטי. ככל שהביקוש העולמי עולה, תהליכי וטכנולוגיות עיבוד עפרות ניקל מתפתחים במהירות לייצור מוצרים בעלי דרגות ספציפיות, יעילות גבוהה והשפעה סביבתית מבוקרת . מאמר זה דן בשלבים הכלליים ובטכנולוגיות המרכזיות בעיבוד עפרות ניקל , החל מכרייה ועד זיקוק.
סוגי עפרות ניקל: לטריט וגופרית
באופן כללי, עפרת ניקל מחולקת לשני סוגים עיקריים: עפרת ניקל לטריט ועפרת ניקל גופרתי. עפרת לטריט נוצרת מבלייה של סלעים אולטרה-מאפיים באזורים טרופיים ונמצאת בדרך כלל קרוב לפני השטח. לטריט מכיל לעתים קרובות ניקל במינרלים כמו לימוניט וספרוליט. לעומת זאת, עפרת גופרתי נוצרת באמצעות תהליכים מגמטיים ומכילה ניקל במינרלים גופריתיים כמו פנטלנדיט. ההבדלים במאפייני המינרלים הללו קובעים באופן משמעותי את שיטת העיבוד שבה משתמשים.
עפרות גופרתי בדרך כלל קלות יותר להעשרתן באמצעות תהליכי ציפה, בעוד שעפרות לטריט מאתגרות יותר מכיוון שהניקל מפוזר במטריצה של מינרלים של תחמוצת/הידרוקסיד, ולכן רבות מהן מעובדות בדרכים פירומטאלורגיות (התכה) או הידרומטלורגיות בלחץ גבוה.
שלבים ראשוניים: כרייה והכנת עפרות
תהליך עיבוד הניקל מתחיל בכרייה, בין אם בשיטות כרייה פתוחות או תת-קרקעיות, בהתאם לעומק ולסוג המרבץ. לאחר הכרייה, העפרה מועברת למתקן עיבוד כדי לעבור שלבי הכנה, הכוללים בדרך כלל:
1. ריסוק: הקטנת גודל העפרה כדי להקל על הטיפול והעיבוד.
2. טחינה: מייצרת חלקיקים בגדלים עדינים כדי להגביר את שחרור המינרלים היקרים.
3. סינון וסיווג: הפרדת גדלי חלקיקים בהתאם לצורכי התהליך הבא.
4. ייבוש: במיוחד עבור עפרת לטאריט בעלת תכולת מים גבוהה, ייבוש חשוב לפני התהליך הפירומטלורגי.
שלב ההכנה משפיע באופן משמעותי על יעילות התהליכים הבאים. גודל החלקיקים, תכולת הלחות והומוגניות העפרה יקבעו את צריכת האנרגיה ושיעורי הפקת הניקל.
טכנולוגיית עיבוד עפרות ניקל גופרתי
עבור עפרות ניקל גופרתי, דרך העיבוד הנפוצה ביותר היא שילוב של ריכוז מינרלים והתכה.
1. ציפה (ציפה בקצף)
ציפה היא תהליך של הפרדת מינרלים על סמך תכונות פני השטח שלהם. עפרה טחונה מעורבבת עם מים, ריאגנטים כימיים ואוויר. מינרלים גופרתיים בדרך כלל הופכים הידרופוביים יותר לאחר הוספת קולט, ולכן הם נצמדים לבועות אוויר ועולים כקצף. קצף זה מתקבל כתרכיז עשיר בניקל, בעוד שהחומר הנותר הופך לפסולת.
היתרון של הציפה הוא שהיא יכולה להגדיל משמעותית את תכולת הניקל לפני הכניסה לשלב ההתכה, ובכך להפחית את עומס האנרגיה בתהליך שלאחר מכן.
2. התכה והמרה
לאחר מכן, תרכיז הניקל מותך בכבשן כדי לייצר ניקל מט - פאזה גופרית נוזלית המכילה ניקל, נחושת וברזל. השלב הבא הוא המרה לחמצון הברזל והגופרית, מה שהופך את המט לעשיר יותר בניקל. ניתן לעבד את המוצר הסופי לניקל טהור או למוצרי ביניים כגון ניקל סולפט לסוללות.
3. זיקוק מתקדם
זיקוק יכול להתבצע באמצעות אלקטרוליזה או תהליכים הידרו-מטאלורגיים. במתקנים מסוימים, מומס ומופרד חומר מט באמצעות טכניקות המסה סלקטיבית, מיצוי ממס ושיקוע כדי לייצר מוצר באיכות גבוהה.
טכנולוגיית עיבוד עפרות ניקל לטריט
עפרות לטאריט מהוות חלק משמעותי מעתודות הניקל בעולם, במיוחד באזורים טרופיים. עיבודן מורכב יותר ומתחלק בדרך כלל לשני מסלולים עיקריים: פירומטאלורגיה והידרומטלורגיה.
1. פירומטאלורגיה: RKEF עבור פרוניקל או NPI
אחת הטכנולוגיות הנפוצות ביותר לייצור לטריט היא תנור חשמלי סיבובי (RKEF). תהליך זה משמש לעתים קרובות לייצור פרוניקל או ברזל חזיר ניקל (NPI), חומר גלם לתעשיית הפלדה אל חלד.
השלבים כוללים:
ייבוש וקלינצציה בכבשן סיבובי: מפחיתים את תכולת הלחות ומסירים חומרים נדיפים. העפרה מחוממת תוך כדי ערבוב עם חומר מחזר (בדרך כלל פחם) ופלקס ספציפי.
– התכה בכבשן חשמלי: העפרה המלוכלכת מותכת בטמפרטורות גבוהות כדי להפריד את המתכת (תערובת ברזל-ניקל) מהסיגים.
– זיקוק מוצרים: מתכת מותכת יצוקה או מעובדת למוצרים בהתאם למפרטים.
היתרונות של RKEF הם יציבותו הטכנולוגית והתאמתו לפלדת אל-חלד. עם זאת, תהליך זה דורש אנרגיה משמעותית והוא בדרך כלל אופטימלי יותר עבור עפרות ספרוליט בעלות תכולת ניקל גבוהה יחסית.
2. הידרומטלורגיה: HPAL עבור משקע הידרוקסידי מעורב (MHP)
עבור עפרת לימוניט - שבדרך כלל באיכות נמוכה יותר אך נפוצה - טכנולוגיה הידרומטלורגית היא לרוב הבחירה, במיוחד HPAL (השטיפה חומצית בלחץ גבוה).
ב-HPAL, העפרה מעורבבת עם חומצה (בדרך כלל חומצה גופרתית) ומעובדת באוטוקלב בטמפרטורה ולחץ גבוהים. הניקל והקובלט מתמוססים בתמיסה ולאחר מכן מופרדים מהשארית המוצקה. לאחר מכן ניתן לזרז את הניקל והקובלט למוצרי ביניים כגון:
– MHP (משקע הידרוקסיד מעורב): משקע הידרוקסיד מעורב של ניקל-קובלט.
– MSP (משקע גופרתי מעורב): משקע גופרתי מעורב.
לאחר מכן ניתן לעדן עוד יותר את תוצר ה-MHP או ה-MSP לניקל סולפט וקובלט סולפט לחומר גלם לסוללות.
היתרון של HPAL הוא שניתן לעבד עפרות באיכות נמוכה ולייצר מוצרים המתאימים לשרשרת האספקה של סוללות. האתגרים כוללים את הצורך בחומרי ציוד עמידים בפני קורוזיה, ניהול שאריות, מורכבות תפעולית וצריכת ריאגנטים.
3. דליפה אטמוספרית ותהליכים חלופיים
מלבד HPAL, ישנה גם שטיפה אטמוספרית בלחצים נמוכים יותר, שבדרך כלל בעלת קצב המסה איטי יותר אך יכולה להיות פשוטה יותר. יתר על כן, מתפתח מחקר גם לשימוש בביו-שטיפה (באמצעות מיקרואורגניזמים) ותהליכים פירו-מטאלורגיים והידרומטלורגיים משולבים כדי לשפר את הכלכלה.
מוצרים ביניים וסופיים: מ-NPI לניקל סולפט
מוצרי עיבוד ניקל אינם תמיד ניקל טהור. בהתאם לצורכי התעשייה, המוצרים המעובדים יכולים לכלול:
– NPI ופרוניקל: בדרך כלל עבור נירוסטה.
– ניקל מט: תוצר ביניים מההתכה שניתן לעדן עוד יותר.
– MHP/MSP: מוצר ביניים לזיקוק ניקל-קובלט, במיוחד עבור סוללות.
ניקל סולפט (NiSO₄): חומר גלם חשוב לקתודות של סוללות.
– ניקל מתכתי טהור: עבור סגסוגות מיוחדות ויישומים הנדסיים אחרים.
בחירת מסלול התהליך נקבעת על פי סוג העפרה, זמינות האנרגיה, עלויות הריאגנטים, התשתית, תקנות סביבתיות ומוצרי היעד.
היבטים סביבתיים ויעילות אנרגטית
עיבוד ניקל מציב אתגרים סביבתיים הדורשים ניהול רציני, כולל פליטות גזים מפירומטלורגיה, צריכת אנרגיה גבוהה, שימוש בחומצות בהידרומטלורגיה וניהול פסולת וסיגים. טכנולוגיה מודרנית שואפת לשפר את יעילות האנרגיה, לנצל חום פסולת, לטפל במים במחזור הדם ולייצב שאריות לבטיחות לטווח ארוך.
במדינות מסוימות, יישום סטנדרטים סביבתיים מעודד תעשיות להשתמש במקורות אנרגיה נקיים יותר, להפחית פליטות פחמן ולהבטיח שיטות כרייה ושיקום אחראיות יותר.
סְגִירָה
עיבוד עפרות ניקל וטכנולוגייתם מושפעים במידה רבה מסוג העפרה המעובדת ומהמוצר הסופי הרצוי. עפרות גופרתיות נוטות לעבור עיבוד באמצעות ציפה והתכה כדי לייצר ניקל מט ובסופו של דבר טהור או מוצרים כימיים. בינתיים, עפרות לטאריט מעובדות לעתים קרובות באמצעות RKEF (עיבוד תחמוצת ברזל מזוקקת) כדי לייצר פרוניקל/NPI או HPAL כדי לייצר MHP/MSP, המתאימים ליישומי סוללות. עם הביקוש הגובר לניקל למעבר האנרגיה, חדשנות בטכנולוגיית עיבוד ושיפור שיטות הקיימות הן גורמים מרכזיים המאפשרים לתעשיית הניקל לשגשג תוך מזעור השפעתה הסביבתית.
