Pyrometallurgia

Pyrometallurgia tarkoittaa metallien valmistusta korkeiden lämpötilojen avulla. Sana on johdettu kreikan kielen sanasta pyros, joka tarkoittaa tulta tai kuumuutta.

Pyrometallurgia metallien valmistuksessa

Pyrometallurgiaa käytetään mm. alkuainemetallien valmistukseen. Kun mineraali on erotettu hylkykivestä, alkuainemetalli täytyy saada erotettua mineraalista. Pyrometallurgiassa tähän käytetään lämpöä. Erilaisilla lämpöoloilla on erilaiset vaikutukset mineraaliin.

Kalsinointi on malmin kuumennusta, jossa tavoitteena on hajottaa se ja erottaa pois helposti haihtuva tuote. Esimerkiksi kun karbonaattimineraaleja kuumennetaan, hiilidioksidi (CO₂) haihtuu, kuten seuraavissa esimerkeissä:

PbCO₃(s) + lämpö → PbO(s) + CO₂(g)

tai

4 FeCO₃(s) + O₂(g) + lämpö → 2 Fe₂O₃(s) + 4 CO₂(g)

Monet mineraalit esiintyvät hydratoituneessa muodossa (eli sisältävät vettä). Kalsinaatiolla voidaan poistaa myös vettä, kuten seuraavassa reaktiossa:

Fe₂O₃·2Fe(OH)₃(s) + lämpö → 2 Fe₂O₃(s) + 3 H₂O(g)

Pasuttaminen on kuumennusta, joka aiheuttaa kemiallisen reaktion uunin ilman ja mineraalin välillä. Pasuttaminen on erityisen tärkeää prosessoitaessa sulfidimalmeja. Malmit kuumennetaan hapen läsnä ollessa, jolloin metallisulfidi muuttuu oksidiksi, ja vapautuu rikkidioksidia (SO₂). Esimerkiksi lyijy(II)oksidin (PbO) pasuttamisessa tapahtuu seuraava reaktio:

2 PbS(s) + 3 O₂(g) + lämpö → 2 PbO(s) + 2 SO₂(g)

Joissakin tapauksissa, etenkin vähemmän aktiivisten metallien kyseessä ollessa, sulfidin pasuttaminen synnyttää puhtaan metallin. Esimerkkinä elohopea (Hg):

HgS(s) + O₂(g) + lämpö → Hg(g) + SO₂(g)

Kun pasuttaminen tuottaa nestemäisen tuotteen, sitä kutsutaan sulattamiseksi (engl. smelting). Esimerkiksi sinkkioksidin (ZnO) sulattaminen:

ZnO(s) + C(s) + lämpö → Zn(l) + CO(g)

Kaasumainen hiilimonoksidi (CO) erottuu nestemäisestä sinkistä (Zn), jolloin metallin voi kerätä jatkokäsittelyä varten. Joissakin tapauksissa seokseen on lisättävä juoksute, ns. fluksi (engl. flux), joka reagoi hylkykiven kanssa muodostaen aineen, jonka sulamispiste on alhainen. Esimerkiksi piioksidit saadaan liuotettua reaktiossa kalsiumkarbonaatin (CaCO₃) kanssa:

SiO₂(s) + CaCO₃(s) (=flussi) → CO₂(g) + CaSiO₃(l) (=kuona)

Nestemäinen jäteliuos, joka syntyy flussin ja hylkykiven reagoidessa on yleensä silikaattimateriaali, jota kutsutaan kuonaksi (engl. slag). Nestemäisellä metallilla ja kuonalla on eri tiheydet, ja siten ne voidaan erotella. Säiliössä on eri korkeuksilla reiät, jolloin tiheämpi neste valuu pois alemmista, ja tiheydeltään pienempi neste ylemmistä hanarei'istä.

Pyrometallurgian edut ja heikkoudet verrattuna hydrometallurgiaan

Kun pyrometallurgiaa verrataan hydrometallurgiaan, siinä on seuraavia etuja: Rikkaat malmit on usein taloudellisempaa käsitellä pyrometallurgisesti kuin hydrometallurgisesti. Jos malmit ovat kompleksisia, niitä on yleensä helpompaa jalostaa pyrometallurgisesti. Vaikka syntyvät kuonamäärät ovat suuria, kuonia voi yleensä hyödyntää paremmin kuin hydrometallurgiassa syntyviä jätevesiä ja lietteitä, mikä on ympäristön kannalta etu.

Hydrometallurgiaan verrattuna pyrometallurgialla on myös heikkoutensa: Pyrometallurgia vaatii yleensä suuremmat investoinnit. Se kuluttaa enemmän energiaa, joten varsinkaan köyhiä malmeja ei yleensä ole taloudellista käsitellä pyromatallurgisesti. Materiaalien käsittely on monesti vaikeampaa. Tuotteet eivät yleensä ole niin puhtaita kuin hydrometallurgisesti valmistetut. Sulfidimalmeja pyrometallurgisesti käsiteltäessä rikkidioksidipäästöt ovat ympäristöongelma.