冶煉
冶煉是指從礦石中提取出金屬單質的過程。自然界中的金屬礦石一般是相應金屬元素與氧、硫等元素形成的化合物，因此需要通過化學還原的方法使金屬元素還原成單質。現代的冶煉工藝可以分為三大步驟：礦石準備、還原，以及精製[1][2]。
歷史 編輯
人類能冶煉的第一種金屬是銅，銅的冶煉工藝大約在公元前5000年出現。銅的冶煉方法出現後，人類又陸續獲得了冶煉錫、鉛，以及銀的能力[2]。但煉鐵的溫度很高，故直到4000年前人類都還沒掌握鐵製品，最早能大規模冶鐵的國家是赫梯王國，該國自公元前14世紀開始具有大量冶鐵的能力。冶鐵技術的出現推動了文明的發展，使世界進入鐵器時代[3]。18世紀，英國首創用焦炭取代木炭煉鐵的近代高爐技術[2][4]。
工藝流程 編輯
現代冶煉一般分為三大步驟：礦石準備、還原，以及精煉。礦石準備步驟中，需要對礦石進行分選，除去雜質，再進行燒結成型。一部分的硫化物礦物在此之後需要進行焙燒處理，脫去硫等元素，形成品位更高的氧化物。在還原中，使用一氧化碳等還原劑與礦石反應，使金屬元素還原為金屬單質。在精煉過程中，會對還原得到的金屬單質進行處理，以減少其中的雜質含量[1][5]。
焙燒 編輯
礦石準備中，一部分礦石需要在還原前進行焙燒。焙燒的目的是使礦石中的碳酸鹽分解，或使氧氣與硫化物發生反應，形成品位更高、便於還原的金屬氧化物或其他化合物。例如，孔雀石的焙燒可以使其中的主要成分鹼式碳酸銅（Cu2(CO3)(OH)2）發生以下反應[6][7]：
![{\displaystyle \mathrm {Cu_{2}(CO_{3})(OH)_{3}\ {\xrightarrow[{}]{\Delta }}\ 2CuO\ +CO_{2}\ +H_{2}O} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/87fe3e6e53b6eea156fe082cb2655ba265f2f80d)
對以金屬硫化物為主要成分的礦石而言，焙燒則主要發生以下反應（以閃鋅礦為例）[6]：
![{\displaystyle \mathrm {2ZnS\ +3O_{2}\ {\xrightarrow[{}]{\Delta }}\ 2ZnO\ +2SO_{2}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b54eda009201e21186e61c63b64eccaf31124c6)
亦有加入氯化劑使金屬礦物生成氯化物的氯化焙燒，或使硫化物成為硫酸鹽，以便濕法冶金的焙燒工藝[1][6]。
還原 編輯
還原旨在通過金屬礦物與還原劑（如焦炭、一氧化碳）的反應，使金屬元素還原，形成所需的金屬單質。煉鐵的高爐即為對鐵礦石進行還原的反應裝置。在還原過程中，亦會加入石灰石、石英石等，以便造渣。還原過程會產生二氧化碳等氣體，以及廢棄的爐渣[1][2]。[8]
精煉 編輯
還原得到的金屬一般需要精煉才能得到精品。在精煉中，不需要的雜質會被進一步排除，得到金屬單質含量更高的精品。對高爐煉出的生鐵來說，可使用平爐煉鋼等方法精煉為成品鋼。在粗銅的精煉中，會先進行再氧化，製成陽極進行電解，製得精銅。粗鋅則可利用蒸餾法進行精煉[5]。
環境問題 編輯
冶煉屬於污染較重的工業，冶煉產生的廢水以及廢渣會對環境造成影響，一些有毒金屬也會在過程中排放到環境中。銅、銀、鈷、鐵和硒在冶煉中可能會以氣態排放到大氣中。此外，冶煉過程中產生的二氧化硫若過量排放，可能造成酸雨等環境問題[9][10]。
參見 編輯
參考文獻 編輯
- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 魏壽昆. 火法冶金. 中国大百科全书 第一版. [2018-08-15]. （原始內容存檔於2020-02-25）.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Smelting. Encyclopaedia Britannica. [2018-08-15]. （原始內容存檔於2018-08-15）.
- ^ Souckova-Siegolová, J. Treatment and usage of iron in the Hittite empire in the 2nd millennium BC. Mediterranean Archaeology. 2001, 14: 189–93.
- ^ Simcoe, Charles R. "The Age Of Steel: Part II." Advanced Materials & Processes 172.4 (2014): 32-33. Academic Search Premier.
- ^ 5.0 5.1 中國期貨業協會編. 锌. 中國財政經濟出版社. 2011-11-01: 48–55 [2018-08-15]. ISBN 978-7-5095-3190-7. （原始內容存檔於2021-05-15）.
- ^ 6.0 6.1 6.2 Ray, H.S.; et al. Extraction of Nonferrous Metals. Affiliated East-West Press Private Limited. 1985: 131–132. ISBN 81-85095-63-9.
- ^ Copper Metal from Malachite | Earth Resources (PDF). asminternational.org. [2015-08-26]. （原始內容存檔 (PDF)於2015-09-23）.
- ^ George C. Wang. The Utilization of Slag in Civil Infrastructure Construction. Elsevier Science. 2016-06-24: 36– [2018-08-15]. ISBN 978-0-08-100397-8. （原始內容存檔於2021-05-15）.
- ^ Hutchinson, T. C.; Whitby, L. M. Heavy-metal pollution in the Sudbury mining and smelting region of Canada, I. Soil and vegetation contamination by nickel, copper, and other metals. Environmental Conservation. 1974, 1 (2): 123–132 [2018-02-07]. ISSN 1469-4387. doi:10.1017/S0376892900004240. （原始內容存檔於2018-02-08） –透過Cambridge University Press （英語）.
- ^ Likens, Gene E.; Wright, Richard F.; Galloway, James N.; Butler, Thomas J. Acid Rain. Scientific American. 1979, 241 (4): 43–51. JSTOR 24965312.