2.3. Purificarea metalelor

Prin procedeele amintite, metalele se obţin în stare impură (brută). Purificarea se realizează prin afinare şi prin rafinare.

Afinarea este operaţia prin care se obţin metalele pure şi rafinarea operaţia prin care se obţin metale de înaltă puritate (99,999%). Alegerea procedeelor de purificare este determinată de natura metalelor, de gradul de puritate dorit, de natura impurităţilor, ţinând seama că orice procedeu de purificare avansată este foarte scump. Afinarea se realizează prin procedee pirometalurgice ca: oxidarea, cupelaţia, dezoxidarea, licuaţia, segregaţia, diluarea etc.

Prin oxidare se îndepărtează impurităţile metalice mai active din metale mai puţin active. Cu cât diferenţa de “nobleţe” dintre metalul de bază şi impurităţi este mai mare, cu atât purificarea se realizează mai uşor. Aşa se poate purifica de exemplu cupru de zinc şi de fier, plumbul de zinc, stibiu sau arsen.

Cupelaţia este operaţia de purificare a metalelor nobile (argint, aur) prin oxidarea impurităţilor cu oxigenul dintr-un curent de aer cald. Oxizii volatili rezultaţi prin oxidare sunt antrenaţi de curentul de aer iar cei nevolatili sunt absorbiţi de pereţii cupelei (formată din material refractar, poros) sau formează zgura care se acumulează la suprafaţa metalului afinat.

Dezoxidarea se aplică pentru purificarea metalelor impurificate cu proprii oxizi. Pentru dezoxidare se utilizează substanţe “avide” de oxigen (C, CaC₂, P₄, Mg) care au rolul de a reduce metalul din oxid. Noul oxid format se separă la suprafaţa metalului topit sub formă de zgură. Oţelul se dezoxidează cu cocs, aluminiu, ferosiliciu, silicomangan ş.a.

Licuaţia este operaţia de purificare prin încălzire treptată, aplicată metalelor brute cu condiţia ca metalul de purificat să aibă punct de topire mai scăzut decât impurităţile. Plumbul brut conţine şi zinc, stibiu, cupru; prin încălzire la 340 – 360 ^oC plumbul se topeşte iar impurităţile nu.

Segregaţia este operaţia de purificare a metalelor prin cristalizare fracţionată. Metalul brut topit se răceşte selectiv. Aşa se purifică aurul şi argintul de impurităţile de zinc sau plumb.

Diluarea constă în micşorarea conţinutului de impurităţi prin adăugarea controlată de metal pur în metalul topit.

Dintre procedeele de rafinare se pot aminti: distilarea, disocierea termică, disproporţionarea, electroliza, topirea zonală.

Distilarea se aplică pentru rafinarea metalelor cu puncte de topire scăzute: mercur, potasiu, rubidiu, calciu, stronţiu, bariu, zinc, plumb ş.a. Operaţia se efectuează în vid sau în atmosferă inertă.

Prin disociere termică se obţin metale de înaltă puritate. În acest scop, metalul de purificat, din metalul brut, se transformă într-un compus volatil (hidrură, oxid, halogenură, carbonil) care se descompune uşor prin încălzire. Operaţia se efectuează în vid. Procedeul de disociere termică a iodurilor volatile de titan, zirconiu, hafniu, vanadiu, niobiu, lantan se numeşte procedeul van Arkel şi de Boer şi se realizează într-o instalaţie ca cea descrisă schematic prezentată în Fig.2.1, alcătuită dintr-un vas de sticlă greu fuzibilă (1). Prin orificiul (3) se introduce pulberea de metal brut amestecată cu iod, apoi se sudează orificiul. În vas este sudată şi o bară de wolfram (4) prevăzută cu un fir (5) tot de wolfram şi legată la o sursă de curent. Vasul se introduce într-un cuptor electric, prin încălzire, la o temperatură de aproximativ 600^oC se formează iodura de metal, care se volatilizează şi care venind în contact cu filamentul de wolfram, încălzit la 900 – 2000^oC, se disociază termic, metalul se depune pe filament şi vaporii de iod reacţionează cu o altă cantitate de metal din metalul brut.

Disproporţionarea este operaţia de purificare a unor metale (aluminiu, galiu, indiu, germaniu, iridiu) ale căror halogenuri au proprietatea de a reacţiona, la temperaturi ridicate, cu metalul formând sub-halogenuri care se descompun la temperatură scăzută în metalul extrapur şi halogenură în forma superioară de valenţă:

2AlCl₃ + Al_brut  3AlCl₂  Al_pur + 2AlCl₃

Electroliza este atât o operaţie de obţinere a metalelor cât şi una de rafinare a lor. In scopul rafinării, metalul brut are rol de anod în celula de electroliză, catodul poate fi metalul pur sau grafitul şi electrolitul, o sare solubilă a metalului supus rafinării. Se rafinează electrolitic cupru, aluminiu, argint, aur, nichel, cobalt ş.a.

În cazul rafinării cuprului, baia de electroliză conţine o soluţie apoasă de ioni Cu²⁺ în care se petrec următoarele echilibre de disociaţie electrolitică:

CuSO₄  Cu²⁺ +  SO₄^2-

HOH  H⁺ + HO^-

Reacţiile care au loc la electrozi sunt:

(+) Cu²⁺ + 2e^-  Cu⁰

(-) 2HO^- - 2e^-  2HO⁰ ; 2HO = H₂O + O; O + Cu_brut = CuO + impurităţi

Ionii care nu participă direct la procesele de electrod sunt implicaţi în reacţiile:

2H⁺ + SO₄^2- H₂SO₄;        

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

Prin electroliză se constată că metalul de rafinat aflat în materialul brut, se transformă prin oxidare anodică într-un compus solubil şi se obţine în stare pură prin reducerea catodică a acestuia.

Topirea zonală este o metodă de rafinare bazată pe principiul extracţiei solid – lichid datorată solubilităţii diferite a impurităţilor in metalul lichid fata de cel solid.