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La pirometallurgia è uno dei tre metodi principali usati in metallurgia per estrarre metalli dai rispettivi minerali; si basa sull'utilizzo di temperature elevate nelle varie lavorazioni. Le altre branche sono la idrometallurgia (basata su processi chimici in soluzione acquosa) e la elettrometallurgia (che sfrutta processi elettrochimici).[1][2][3][4][5] I trattamenti pirometallurgici possono arrivare al metallo puro, o altrimenti possono fornire composti intermedi o leghe da utilizzare in processi successivi. ferro, rame, nichel, zinco, cromo, stagno, e piombo sono alcuni esempi di metalli estratti con metodi pirometallurgici.[2]
I processi pirometallurgici in genere prevedono queste fasi principali:[2]
- Trattamento del minerale iniziale per formare composti differenti
- Arricchimento o separazione del composto di interesse in alcune fasi
- Riduzione a metallo
- Raffinazione
Durante queste fasi di lavorazione sono impiegati processi termici differenti. I principali sono:
- Calcinazione
- Arrostimento
- Fusione
- Riduzione metallotermica
- Raffinazione
La maggior parte dei processi pirometallurgici richiede energia per sostenere la temperatura alla quale avviene il processo. Questa energia è di solito fornita da una combustione o da un riscaldamento elettrico. In alcuni casi nel materiale da trattare si produce una reazione esotermica sufficiente a sostenere la temperatura senza l'aggiunta di ulteriore combustibile o di riscaldamento elettrico; si dice allora che il processo è "autogeno". Ad esempio il trattamento di alcuni solfuri minerali sfrutta l'esotermicità della loro combustione.
La calcinazione è la decomposizione termica di un materiale solido. Due esempi tipici sono la calcinazione del carbonato di calcio per ottenere calce viva (CaO) e del solfato di calcio diidrato per ricavare scagliola (CaSO4·½H2O):
- CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
- CaSO4·2H2O(s) → CaSO4·½H2O(s) + 3½H2O(g)
I processi di calcinazione sono condotti in fornaci di vario tipo, come forni a tino, forni rotativi e reattori a letto fluidizzato.
L'arrostimento è il trattamento termico di un minerale per produrre una reazione solido-gas. Il caso più comune è l'arrostimento di solfuri minerali.[1] In presenza di aria e a temperatura elevata, l'ossigeno reagisce con il solfuro minerale per formare diossido di zolfo (gassoso) e l'ossido del metallo (solido). A seconda delle condizioni usate si possono avere prodotti differenti. Ad esempio il solfuro di zinco trattato ad alta temperatura con un eccesso di ossigeno forma ossido di zinco:
- 2ZnS(s) + 3O2(g) (eccesso) 2ZnO(s) + 2SO2(g)
![{\displaystyle {\ce {->[{\text{800-900 °C}}]}}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8f5381795029160401ef20d92f85c885bf972f7c)
mentre trattato a più bassa temperatura con una quantità limitata di ossigeno forma il solfato di zinco:[1]
- ZnS(s) + 2O2(g) ZnSO4(s)
![{\displaystyle {\ce {->[{\text{600-700 °C}}]}}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b6caad0afdbeb697c669ad4c19467ea0bb79079b)
Durante la fusione avvengono reazioni chimiche nelle quali almeno un componente è allo stato liquido. Vari ossidi dei metalli possono essere ridotti per riscaldamento con carbone coke. Un esempio è la riduzione di diossido di stagno, dove lo stagno metallico si forma allo stato liquido:[4]
- SnO2(s) + 2C(s) → Sn(l) + 2CO(g)
Questo tipo di trattamento si basa sull'utilizzo di un metallo fortemente riducente per assicurare l'esotermicità della reazione. Alcuni esempi sono la riduzione del tetracloruro di titanio nel processo Kroll e la riduzione del cloruro di rubidio:[1][4]
- 2Mg(l) + TiCl4(g) → 2MgCl2(l) + Ti(s)
- Ca(l) + 2RbCl(l) → CaCl2(l) + 2Rb(g)
I processi di raffinazione di tipo pirometallurgico possono essere diversissimi a seconda del metallo che si sta isolando e dalla purezza che si vuole ottenere. Esistono sia metodi fisici (tra i quali liquazione, fusione a zona, distillazione, filtrazione) e metodi chimici (ad esempio ossidazione, clorurazione); questi ultimi sono più spesso usati per rimuovere le impurezze.
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