Ilustracja interaktywna przedstawia kolejność produkcji cynku. Od koncentratu strzałka w prawo z napisem: prażenie. Nad strzałką trzy prostokąty z napisami: tlenek siarki(IV ), pył i opary, chlorek cynku lub sodu. Od prażenia strzałka do kalcynacji. Od kalcynacji dwie strzałki – jedna prowadzi do spiekania, druga do ługowania. Od spiekania dwa odnośniki: do tlenku siarki((IV ) oraz pyłów i oparów. W stronę spiekania strzałki z: siarczan((IV ) cynku, pył i opary. Od ługowania odnośnik do kwaśnej mgły, w stronę ługowania strzałka z: topienie i odlewanie, katoda cynkowa, tlenek baru lub węglan sodu, dodatki koloidalne, kwas siarkowy((VI ). Od spiekania strzałka do spieku, od spieku strzałka do retortowania, nad retortowaniem odnośnik do oparów, a w stronę retortowania strzałka z: krzemionka, proszek z recyklingu, węgiel lub koks. Od retortowania strzałka do stopionego cynku, od stopionego cynku strzałka do odlewu, od odlewu odnośnik do oparów, od oparów strzałka do płyty cynkowej. Od ługowania strzałka do roztworu ługującego, następnie strzałka do oczyszczania. Przy oczyszczaniu odnośnik do kwaśnej mgły, w stronę oczyszczania strzałka z: dodatki oczyszczające, pył cynkowy. Od oczyszczania strzałka do roztworu cynku, od roztworu cynku strzałka do elektrolizy. Od elektrolizy odnośnik do mgły, w stronę elektrolizy strzałka z: tlenek baru lub węglan sodu, dodatki koloidalne, kwas siarkowy. Od elektrolizy strzałka do katody cynkowej, od katody cynkowej strzałka do topienia i odlewania. Od topienia i odlewania odnośnik do mgły. Od topienia i odlewania strzałka w kierunku płyty cynkowej. Punkt pierwszy. Prażenie. Następuje utlenianie koncentratu siarczku cynku w wysokich temperaturach do zanieczyszczonego tlenku cynku, zwanego „cynkiem kalcynowanym” zgodnie ze schematami:2 ZnS + 3 O 2 → 2 ZnO + 2 SO 2 2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3 Około 90 % cynku w koncentratach utlenia się do tlenku cynku. Jednak w temperaturach prażenia około 10 % cynku reaguje z żelazowymi zanieczyszczeniami koncentratu siarczku cynku, tworząc ferryt cynku. Produktem ubocznym prażenia jest tlenek siarki(IV ), który jest następnie przetwarzany na kwas siarkowy(VI ). Proces prażenia różni się w zależności od rodzaju używanego pieca. Istnieją trzy rodzaje pieców: piec z wieloma paleniskami, piec zawiesinowy i piec do fluidyzacji. Punkt drugi. Proces pirometalurgiczny. W procesie pirometalurgicznym, tlenek cynku (ZnO ) jest redukowany za pomocą węgla, kolejno ma miejsce destylacja metalicznego cynku (powstały z mieszanki) w atmosferze tlenku węgla(II ). Główną wadą każdego procesu pirometalurgicznego jest to, że cynk powstający w tym procesie ma tylko 98 % czystości. Standardowy skład powstającej mieszanki to 1,3 % ołowiu, 0,2 % kadmu, 0,03 % żelaza i 98,5 % cynku. Aby osiągnąć wyższą czystość, cynk musi zostać rafinowany. Punkt trzeci. Spiekanie. Proces rozpoczyna się od operacji spiekania. Spiek, który jest mieszaniną Zn –Pb , kierowany jest wraz z koksem i wapniem do pieca szybowego, z wtłaczanym sprężonym powietrzem. Następuje tu redukcja związków Zn i Pb , aż do wydzielenia czystych metali. Węgiel w gazach spalinowych ulega reakcji z wybranymi zanieczyszczeniami, takimi jak ołów, kadm i halogenki. Nieczystości te są przenoszone do worków filtracyjnych. Otrzymany w ten sposób spiek ma skład 48 % cynku, 8 % żelaza, 5 % glinu, 4 % krzemu, 2,5 % wapnia i mniejsze ilości magnezu, ołowiu i innych metali. Punkt czwarty. Retortowanie. Produkt jest kolejno transportowany z koksem do elektrycznego pieca retortowego. Para elektrod grafitowych z górnej i dolnej części pieca powoduje przepływ prądu przez mieszaninę. Mieszance gwarantuje opór elektryczny koks, w celu podgrzania mieszaniny do 1400 ° C i wytworzenia tlenku węgla(II ). Takie warunki pozwalają na zajście poniższej reakcji chemicznej: ZnO + CO → Zn + CO 2 Punkt piąty. Odlewanie Pary cynku i tlenek węgla(IV ) przedostają się do próżniowego skraplacza, gdzie cynk jest odzyskiwany przez barbotowanie przez stopioną kąpiel cynkową. Więcej niż 95 % par cynku, które opuszczają retortę, skrapla się w postaci ciekłego cynku. Tlenek węgla(IV ) jest odzyskiwany za pomocą węgla, a tlenek węgla(II ) wraca z powrotem do pieca retortowego. Punkt szósty. Elektroliza Elektroliza, znana również jako proces hydrometalurgiczny lub proces elektrolityczny. Metoda ta jest obszernie stosowana w porównaniu do innych procesów pirometalurgicznych, z powodu możliwości otrzymania cynku o wysokiej czystości. Proces elektrolizy składa się z 4 etapów: ługowania, oczyszczania, elektrolizy oraz topienia i odlewania. Punkt siódmy. Ługowanie. Podstawowa formuła chemiczna ługowania, która napędza ten proces, to: ZnO + SO 3 → ZnSO 4 . W praktyce można to otrzymać poprzez proces zwany podwójnym ługowaniem. Początkowo kalcyna jest ekstrahowana w środowisku obojętnym lub lekko kwaśnym (kwasu siarkowego(VI )), w celu ługowania cynku z tlenku cynku. Pozostała jej część jest kolejno ponownie ługowana za pomocą stężonego kwasu siarkowego(VI ), w celu wyodrębnienia pozostałości cynku z tlenku cynku i ferrytu cynkowego. Efektem czego jest otrzymanie substancji w formie stałej i ciekłej. Postać płynna zawiera cynk i jest często zwana produktem ługowania, natomiast ciało stałe posiada w swoim składzie pozostałości po ługowaniu, takie jak metale szlachetne (zwykle srebro) a także inne metale jak na przykład ołów, które są sprzedawane jako produkt uboczny procesu. W produkcie wymywania można znaleźć żelazo, które jest usuwane w etapie pośrednim, w postaci goetytu, jarozytu i hematytu. Ponadto występuje w tym produkcie jeszcze kadm, miedź, arsen, antymon, kobalt, german, nikiel i tal. Z tego powodu, cynk otrzymany tą metodą należy oczyścić. Punkt ósmy. Oczyszczanie. W procesie oczyszczania wykorzystuje się pył cynkowy i parę do usuwania miedzi, kadmu, kobaltu i niklu. Wcześniejsze dodanie pyłu i pary mogłoby zakłócić proces elektrolizy. Stężenia zanieczyszczeń w wyniku tego etapu są ograniczone do mniejszej wartości niż 0,05 miligrama na litr. Oczyszczanie ma miejsce w dużych zbiornikach, gdzie zakres temperatur waha się od 40 do 85 ° C , a ciśnienie przyjmuje wartości od atmosferycznego do 2,4 atm . Produkty uboczne są sprzedawane i poddawane dalszej rafinacji. Aby proces elektrolityczny był wydajny, roztwór siarczanu(VI ) cynku powinien być wolny od zanieczyszczeń, które mogą wpływać na zmianę napięcia rozkładu, która spowoduje, że ogniwo elektrolityczne wytwarza gazowy wodór, a nie metaliczny cynk. Punkt dziewiąty. Kwas siarkowy(VI ) Cynk jest ekstrahowany za pomocą elektrolitycznego spieniania (typ elektrolizy) z oczyszczonego roztworu siarczanu(VI ) cynku. Przepuszcza się podczas procesu prąd elektryczny przez roztwór znajdujący się w ogniwach, co prowadzi do osadzania się cynku na katodach (blachy aluminiowe) i wydzielenia się tlenu na anodach. Podczas procesu formuje się kwas siarkowy(VI ), który jest ponownie wykorzystywany w procesie ługowania. Co każde 24 do 48 godzin komórka jest wyłączana, a cynkowane katody są usuwane i płukane. Cynk jest oddzielany mechanicznie z aluminiowych płyt. Zakres temperatur pracy ogniwa elektrolitycznego waha się od 30 do 35 ° C , stosowane jest ciśnienie atmosferyczne. Roztwór kwasu siarkowego(VI ) jest elektrolitem. Część elektrolitu krąży w sposób ciągły przez wieże chłodnicze, ma to na celu zarówno ochłodzenie, jak i skoncentrowanie elektrolitu poprzez odparowanie wody. Ochłodzony i skoncentrowany elektrolit jest zawracany do ogniw. Punkt dziesiąty. Topienie i odlewanie. Katody cynkowe, wychodzące z elektrokonstrukcji, mogą być poddane dodatkowemu etapowi transformacji w odlewni, a zależy to od postaci produktów końcowych. Katody cynkowe topi się w piecach indukcyjnych, a następnie wylewa się je na produkty handlowe, tak zwane wlewki. Dodawanie innych metali i składników stopów, stosuje się w celu wytworzenia stopów zawierających cynk stosowany w odlewnictwie ciśnieniowym lub do aplikacji galwanizacyjnej. Za pomocą specjalnych, izolowanych pojemników można transportować stopiony cynk do zakładów przetwórczych.
Ilustracja interaktywna przedstawia kolejność produkcji cynku. Od koncentratu strzałka w prawo z napisem: prażenie. Nad strzałką trzy prostokąty z napisami: tlenek siarki(IV ), pył i opary, chlorek cynku lub sodu. Od prażenia strzałka do kalcynacji. Od kalcynacji dwie strzałki – jedna prowadzi do spiekania, druga do ługowania. Od spiekania dwa odnośniki: do tlenku siarki((IV ) oraz pyłów i oparów. W stronę spiekania strzałki z: siarczan((IV ) cynku, pył i opary. Od ługowania odnośnik do kwaśnej mgły, w stronę ługowania strzałka z: topienie i odlewanie, katoda cynkowa, tlenek baru lub węglan sodu, dodatki koloidalne, kwas siarkowy((VI ). Od spiekania strzałka do spieku, od spieku strzałka do retortowania, nad retortowaniem odnośnik do oparów, a w stronę retortowania strzałka z: krzemionka, proszek z recyklingu, węgiel lub koks. Od retortowania strzałka do stopionego cynku, od stopionego cynku strzałka do odlewu, od odlewu odnośnik do oparów, od oparów strzałka do płyty cynkowej. Od ługowania strzałka do roztworu ługującego, następnie strzałka do oczyszczania. Przy oczyszczaniu odnośnik do kwaśnej mgły, w stronę oczyszczania strzałka z: dodatki oczyszczające, pył cynkowy. Od oczyszczania strzałka do roztworu cynku, od roztworu cynku strzałka do elektrolizy. Od elektrolizy odnośnik do mgły, w stronę elektrolizy strzałka z: tlenek baru lub węglan sodu, dodatki koloidalne, kwas siarkowy. Od elektrolizy strzałka do katody cynkowej, od katody cynkowej strzałka do topienia i odlewania. Od topienia i odlewania odnośnik do mgły. Od topienia i odlewania strzałka w kierunku płyty cynkowej. Punkt pierwszy. Prażenie. Następuje utlenianie koncentratu siarczku cynku w wysokich temperaturach do zanieczyszczonego tlenku cynku, zwanego „cynkiem kalcynowanym” zgodnie ze schematami:2 ZnS + 3 O 2 → 2 ZnO + 2 SO 2 2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3 Około 90 % cynku w koncentratach utlenia się do tlenku cynku. Jednak w temperaturach prażenia około 10 % cynku reaguje z żelazowymi zanieczyszczeniami koncentratu siarczku cynku, tworząc ferryt cynku. Produktem ubocznym prażenia jest tlenek siarki(IV ), który jest następnie przetwarzany na kwas siarkowy(VI ). Proces prażenia różni się w zależności od rodzaju używanego pieca. Istnieją trzy rodzaje pieców: piec z wieloma paleniskami, piec zawiesinowy i piec do fluidyzacji. Punkt drugi. Proces pirometalurgiczny. W procesie pirometalurgicznym, tlenek cynku (ZnO ) jest redukowany za pomocą węgla, kolejno ma miejsce destylacja metalicznego cynku (powstały z mieszanki) w atmosferze tlenku węgla(II ). Główną wadą każdego procesu pirometalurgicznego jest to, że cynk powstający w tym procesie ma tylko 98 % czystości. Standardowy skład powstającej mieszanki to 1,3 % ołowiu, 0,2 % kadmu, 0,03 % żelaza i 98,5 % cynku. Aby osiągnąć wyższą czystość, cynk musi zostać rafinowany. Punkt trzeci. Spiekanie. Proces rozpoczyna się od operacji spiekania. Spiek, który jest mieszaniną Zn –Pb , kierowany jest wraz z koksem i wapniem do pieca szybowego, z wtłaczanym sprężonym powietrzem. Następuje tu redukcja związków Zn i Pb , aż do wydzielenia czystych metali. Węgiel w gazach spalinowych ulega reakcji z wybranymi zanieczyszczeniami, takimi jak ołów, kadm i halogenki. Nieczystości te są przenoszone do worków filtracyjnych. Otrzymany w ten sposób spiek ma skład 48 % cynku, 8 % żelaza, 5 % glinu, 4 % krzemu, 2,5 % wapnia i mniejsze ilości magnezu, ołowiu i innych metali. Punkt czwarty. Retortowanie. Produkt jest kolejno transportowany z koksem do elektrycznego pieca retortowego. Para elektrod grafitowych z górnej i dolnej części pieca powoduje przepływ prądu przez mieszaninę. Mieszance gwarantuje opór elektryczny koks, w celu podgrzania mieszaniny do 1400 ° C i wytworzenia tlenku węgla(II ). Takie warunki pozwalają na zajście poniższej reakcji chemicznej: ZnO + CO → Zn + CO 2 Punkt piąty. Odlewanie Pary cynku i tlenek węgla(IV ) przedostają się do próżniowego skraplacza, gdzie cynk jest odzyskiwany przez barbotowanie przez stopioną kąpiel cynkową. Więcej niż 95 % par cynku, które opuszczają retortę, skrapla się w postaci ciekłego cynku. Tlenek węgla(IV ) jest odzyskiwany za pomocą węgla, a tlenek węgla(II ) wraca z powrotem do pieca retortowego. Punkt szósty. Elektroliza Elektroliza, znana również jako proces hydrometalurgiczny lub proces elektrolityczny. Metoda ta jest obszernie stosowana w porównaniu do innych procesów pirometalurgicznych, z powodu możliwości otrzymania cynku o wysokiej czystości. Proces elektrolizy składa się z 4 etapów: ługowania, oczyszczania, elektrolizy oraz topienia i odlewania. Punkt siódmy. Ługowanie. Podstawowa formuła chemiczna ługowania, która napędza ten proces, to: ZnO + SO 3 → ZnSO 4 . W praktyce można to otrzymać poprzez proces zwany podwójnym ługowaniem. Początkowo kalcyna jest ekstrahowana w środowisku obojętnym lub lekko kwaśnym (kwasu siarkowego(VI )), w celu ługowania cynku z tlenku cynku. Pozostała jej część jest kolejno ponownie ługowana za pomocą stężonego kwasu siarkowego(VI ), w celu wyodrębnienia pozostałości cynku z tlenku cynku i ferrytu cynkowego. Efektem czego jest otrzymanie substancji w formie stałej i ciekłej. Postać płynna zawiera cynk i jest często zwana produktem ługowania, natomiast ciało stałe posiada w swoim składzie pozostałości po ługowaniu, takie jak metale szlachetne (zwykle srebro) a także inne metale jak na przykład ołów, które są sprzedawane jako produkt uboczny procesu. W produkcie wymywania można znaleźć żelazo, które jest usuwane w etapie pośrednim, w postaci goetytu, jarozytu i hematytu. Ponadto występuje w tym produkcie jeszcze kadm, miedź, arsen, antymon, kobalt, german, nikiel i tal. Z tego powodu, cynk otrzymany tą metodą należy oczyścić. Punkt ósmy. Oczyszczanie. W procesie oczyszczania wykorzystuje się pył cynkowy i parę do usuwania miedzi, kadmu, kobaltu i niklu. Wcześniejsze dodanie pyłu i pary mogłoby zakłócić proces elektrolizy. Stężenia zanieczyszczeń w wyniku tego etapu są ograniczone do mniejszej wartości niż 0,05 miligrama na litr. Oczyszczanie ma miejsce w dużych zbiornikach, gdzie zakres temperatur waha się od 40 do 85 ° C , a ciśnienie przyjmuje wartości od atmosferycznego do 2,4 atm . Produkty uboczne są sprzedawane i poddawane dalszej rafinacji. Aby proces elektrolityczny był wydajny, roztwór siarczanu(VI ) cynku powinien być wolny od zanieczyszczeń, które mogą wpływać na zmianę napięcia rozkładu, która spowoduje, że ogniwo elektrolityczne wytwarza gazowy wodór, a nie metaliczny cynk. Punkt dziewiąty. Kwas siarkowy(VI ) Cynk jest ekstrahowany za pomocą elektrolitycznego spieniania (typ elektrolizy) z oczyszczonego roztworu siarczanu(VI ) cynku. Przepuszcza się podczas procesu prąd elektryczny przez roztwór znajdujący się w ogniwach, co prowadzi do osadzania się cynku na katodach (blachy aluminiowe) i wydzielenia się tlenu na anodach. Podczas procesu formuje się kwas siarkowy(VI ), który jest ponownie wykorzystywany w procesie ługowania. Co każde 24 do 48 godzin komórka jest wyłączana, a cynkowane katody są usuwane i płukane. Cynk jest oddzielany mechanicznie z aluminiowych płyt. Zakres temperatur pracy ogniwa elektrolitycznego waha się od 30 do 35 ° C , stosowane jest ciśnienie atmosferyczne. Roztwór kwasu siarkowego(VI ) jest elektrolitem. Część elektrolitu krąży w sposób ciągły przez wieże chłodnicze, ma to na celu zarówno ochłodzenie, jak i skoncentrowanie elektrolitu poprzez odparowanie wody. Ochłodzony i skoncentrowany elektrolit jest zawracany do ogniw. Punkt dziesiąty. Topienie i odlewanie. Katody cynkowe, wychodzące z elektrokonstrukcji, mogą być poddane dodatkowemu etapowi transformacji w odlewni, a zależy to od postaci produktów końcowych. Katody cynkowe topi się w piecach indukcyjnych, a następnie wylewa się je na produkty handlowe, tak zwane wlewki. Dodawanie innych metali i składników stopów, stosuje się w celu wytworzenia stopów zawierających cynk stosowany w odlewnictwie ciśnieniowym lub do aplikacji galwanizacyjnej. Za pomocą specjalnych, izolowanych pojemników można transportować stopiony cynk do zakładów przetwórczych.
Produkcja cynku za pomocą procesu elektrolitycznego oraz pirometalurgicznego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., na podstawie Porter F., Zinc Handbook: Properties, Processing, and Use in Design , United States 1991, s. 16–17 ; Craddock P. T., 2000 years of zinc and brass, edytor, London 1998. , licencja: CC BY-SA 3.0.