Taljenje kovin: kako se pridobivajo kovine iz rude — plavž in elektroliza

Taljenje pomeni pridobivanje kovine iz naravne rude s segrevanjem in kemičnimi pretvorbami. Zlato je izjema, saj ga pogosto najdemo kot sveto (naravno) kovino, medtem ko druge kovine, kot so železo, baker, cink in srebro, običajno nastopajo v rudah in jih je treba predelati, da dobimo čisto kovino. Rude so pač kemično in mineralno raznolike: najpogostejše oblike so oksidi, sulfidi in karbonati, lahko pa so tudi silikati ali kompleksnejši minerali.

Osnovni princip taljenja

Taljenje običajno vključuje segrevanje rude do visokih temperatur, pogosto v prisotnosti redukcijskega sredstva (npr. koks ali oglje) in topila (flux), ki povezuje nečistoče. Namen redukcije je odstraniti kisik ali druge nekovinske sestavine, pri čemer ostane kovina. Topila, kot je apnenec (CaCO3), pomagajo tvoriti tekočo žlindro (slag), ki ujame kamnine in druge primesi; žlindra se loči od taline kovine in se nato odstrani ali reciklira.

Tipične reakcije, ki se dogajajo v plavžu ali talilni peči, so na primer:

• razkroj apnenca: CaCO3 → CaO + CO2
• vezava kamnine v žlindro: CaO + SiO2 → CaSiO3 (žlindra)
• redukcija železovega oksida z ogljikovim oksidom: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Plavž — taljenje železa

Železo se iz železove rude največkrat pridobiva v velikih navpičnih reaktorjih, ki jim pravimo plavži (blast furnaces). V plavž po plasteh vnašajo koncentrirano železovo rudo, koks in apnenec. Vroč zrak, vpihan skozi spodnje šobe, povzroči zgorevanje koksa, pri čemer nastaja CO in CO2; CO nato kemično reducira železove okside do kovinskega železa. Pri visokih temperaturah se železo stopi in zbira na dnu peči kot tekoče surovo železo (t.i. pig iron), ki ga nato predelajo v jeklo z različnimi postopki (npr. osnovno oksidacijsko ali električno taljenje).

Apnenec in kamninske primesi tvorita žlindro, ki jo lahko uporabimo kot gradbeni material (opeke, beton, polnila za ceste) ali jo recikliramo. Zgodnejše in manjše metode, ki so železo proizvajale v manj visokih pečeh, vključujejo proizvodnjo v cvetličarni (bloomery) in druge tehnične postopke, ki niso dosegali enakega izkoristka kot sodobni plavži.

Elektroliza in električni postopki

Nekatere kovine se zaradi svoje kemijske narave pridobivajo z elektrolizo. Pomembna sta dva pristopa:

• Elektroliza primarnih rud: pri aluminiju se najprej z Bayerjevim postopkom iz boksita pridobi alumina (Al2O3). Nato se alumina raztopi v kopeli topila (smola iz naravne ali umetne fluoritne soli, znane kot krio-lit) in reducira v Hall–Héroultovem postopku z neposredno elektrolizo. Pri tem se aluminij izloča na katodi, kisik pa reagira z oglenimi anodami in nastaja CO2. Ta proces je energetično zelo zahteven in zato izjemno občutljiv na stroške električne energije.
• Elektroliza pri rafinaciji (elektrorefiniranje): za baker in druge kovine se pogosto uporablja elektrolitično rafiniranje: surov baker (blister copper) je anoda v elektrolitskem bazenu z ustreznim elektrolitom. Ob pretekanju toka se baker raztopi z anode in izloči na katodi kot zelo čista kovina (katoda). Metode elektrolize omogočajo doseganje visokih stopenj čistosti (npr. bakra 99,99 %).

Električne obločne peči (electric arc furnaces, EAF) se pogosto uporabljajo za taljenje in recikliranje železa in jekla iz odpadnega materiala (odpadno jeklo se zlahka stopi v EAF), prav tako pa za nekatere druge kotne postopke. Vendar primarna proizvodnja aluminija ne temelji na obločnem taljenju, temveč na elektro-snovanju v Hall–Héroultovih celicah.

Primeri postopkov za posamezne kovine

Železo: plavži za surovo železo, nato pretvorba v jeklo z oksidacijskimi postopki (npr. konvertor, osnovni kisikov postopek) ali električnimi pečmi pri recikliranju.

Aluminij: iz boksita do aluminijevega oksida (Bayer), nato Hall–Héroultova elektroliza za pridobitev kovinskega aluminija. Postopek je energetsko intenziven, zato je reciklaža aluminija zelo pomembna — recikliran aluminij zahteva le majhen del energije v primerjavi z vnovično primarno proizvodnjo.

Baker: koncentriranje rude (npr. flotacija), pečenje (roasting) za odstranitev žvepla, taljenje v pečeh do nastanka matte in nato rafiniranje — pogosto z elektrolizo, kjer se baker nabira na katodi v čisto obliko.

Cink: rude se pogosto pražijo v okside (ZnO), nato pa se z različnimi metodami pridobi kovinski cink — termična redukcija ali elektrooblikovanje (electrowinning) iz raztopin. Cinkove tehnologije so raznolike in izbirajo glede na sestavo rude in ekonomske pogoje.

Okoljski in varnostni vidiki

Taljenje je pogosto energetsko zahtevno in lahko povzroča emisije CO2, SO2 in drugih onesnaževalcev. Pomembni ukrepi vključujejo čiščenje plinov, učinkovit nadzor žlindre, recikliranje odpadkov in optimizacijo porabe energije. Zaradi velikih količin porabljene električne energije pri elektrolizi (zlasti aluminij) je uporaba obnovljivih virov in izboljšave učinkovitosti ključna za zmanjšanje ogljičnega odtisa.

Recikliranje kovin močno zmanjša porabo energije in emisije: recikliran aluminij zahteva do 95 % manj energije kot primarno pridobivanje, recikliran baker pa tudi bistveno zmanjša okoljski vpliv. Poleg tega obnavljanje in reciklaža žlindre ter skrbno ravnanje z odpadnimi plini in stranskimi produkti zmanjšujejo škodljive posledice taljenja.

Kratek zgodovinski pregled

Metalurgija in zlasti taljenje sta imeli velik pomen za razvoj zgodnjih civilizacij. Najstarejši dokazi o taljenju bakra segajo v obdobje med 5500 in 5000 leti pred našim štetjem. Najdišča so v Pločniku in Belovode v Srbiji, kar kaže, da so ljudje že zelo zgodaj obvladovali osnovne postopke pridobivanja in obdelave kovin.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je taljenje?

V: Katere kovine je treba taliti?

V: Kaj se uporablja pri taljenju?

V: Kako se železo pridobiva iz rude?

V: Kako se aluminij pridobiva iz rude?

V: Kako se iz rud pridobiva baker?

V: Kdaj se je začela metalurgija?

Išči po črki