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
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西臺王國,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
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]。
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]:
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]:
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]
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
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
參考文獻
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