Otrzymywanie ołowiu

Własności i zastosowanie ołowiu

Ołów (Pb) - jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 82, z grupy węglowców; szary, ciężki, miękki, łatwo topliwy metal odporny chemicznie; używany do wyrobów płyt akumulatorowych, aparatury chemicznej; związki ołowiu są trujące. Wartościowość + 2 i + 4 Temperatura topnienia ołowiu wynosi 327°C, a temperatura wrzenia wynosi 1740°C- Na powietrzu powierzchnia ołowiu pokrywa się ochronną warstewką tlenku. W obecności tlenu nie jest odporny na działanie kwasów.

Siarczek ołowiu, który uważany jest za podstawowy surowiec w produkcji, w stanie czystym zawiera około 86% Pb. Zawartość ołowiu w rudach siarczkowych jest znacznie mniejsza i wynosi w granicach od 2 do 4%. Rudy ołowiu są zanieczyszczone głównie skałą płonną, składającą się z krzemionki oraz węglanów wapnia i magnezu

Ze względu na matą zawartość ołowiu w rudzie poddaje się ją procesowi wzbogacania, najczęściej melodą flotacji. Otrzymane w ten sposób produkty wzbogacenia nazywa się koncentratami. Zawierają one około 35-75% ołowiu.

Ołów jest metalem miękkim i bardzo plastycznym przez co można go walcować na cienką folię. Wytrzymałość na rozciąganie jest mała i dla tego z ołowiu nie można ciągnąć drutu. Domieszki w postaci arsenu, antymonu, cynku, zwiększają jego wytrzymałość i twardość. Ołów jest metalem, który daje się łatwo obrabiać w temperaturze otoczenia Ulega on umocnieniu w czasie przeróbki ale zjawisko to zanika po kilku minutach. Praktycznie obróbka plastyczna ołowiu w temperaturze pokojowej jest obróbką na gorąco. Daje się łatwo spawać i lutować. Metaliczny ołów ma zastosowanie w przemyśle chemicznym przy produkcji kwasu siarkowego (do wykładania komór i panwi), celulozy, wapnia bielącego. Ma zastosowanie do wyrobu rur kanalizacyjnych, gazowych, przewodów do kwasu siarkowego, siarkawego i fosforowego, do przewodów elektrycznych i kabli podwodnych, ekranów ochronnych w laboratoriach radiologicznych i radiacyjnych, płyt akumulatorowych,

Ołów utwardzony antymonem (10-30%) ma zastosowanie jako meta! czcionkowy, ołów z arsenem (0,3% As) jest łatwo płynny i służy do wyrobu śrutu myśliwskiego. Znalazł on również zastosowanie do wyrobu stopów łożyskowych. Związki ołowiu są szeroko stosowane jako pigmenty o dobrze kryjących własnościach np, zasadowy węglan olowiawy Pb(OH)2*2PbCO, chromian ołowiawy PbCr04, minia ołowiana PbsOs.

3.2. Własności fizyczne, chemiczne i mechaniczne ołowiu:

1. fizyczne:

gęstość p = 11,34 [g / cm³ ]

masa atomowa M_Pb= 207,19

temperatura topnienia Ttop = 327,4 [°C ]

temperatura wrzenia T_wrze= 17501 °C ]

ciepło właściwe 0,0309 [ kcal / gK ]

ciepło topnienia 5,51 [ kcal / kg ]

ciepło parowania 206 [ kcal / kg ]

przewodnictwo cieplne 0.084 [cal/cm -s -K ]

ciepło topnienia 6,3 [cal / g ]

ciepło parowania 222,6 [ cal / g ]

zabarwienie metaliczno-szare

miękki

opór właściwy 0.2065 [ mm²/m ]

przewodność elektryczna 4, 842 [ m / Q • mm² ]

2. chemiczne:

-ołów reaguje z wodą tworząc trudno rozpuszczalne węglany i siarczany ołowiu, które po pewnym czasie tworzą silnie przylegającą warstwę chroniącą przed dalszym atakiem wody

-odporny na działanie rozcieńczonego kwasu siarkowego, kwasu solnego i kwasu fluorowodorowego

-w powietrzu wilgotnym zawierającym dwutlenek węgla powierzchnia ołowiu staje się

matowa pokrywając warstewką tlenku Pb₂O, który ulegnie przemianie w węglan

zasadowy 3PbCOs * Pb(OH)₂

-ołów po stopnieniu ulega utlenieniu na Pb₂O, a następnie przy podwyższeniu temperatury na PbO

-ołów rozpuszcza się w kwasie azotowym

-w temperaturze 600 [°C] ołów paruje co jest przyczyną strat w procesach metalurgicznych

-ołów jest odporny na działanie takich czynników jak woda morska, kwasu fosforowego, stężonego kwasu octowego, kwasu chromowego, amoniaku, utleniaczy i związków organicznych

3- mechaniczne-

•& wytrzymałość na rozciąganie Rm = 11.2-22,2 I Mpa ]

•> wydłużenie A,o = 21-73%

•& twardość HB = 2,5-3

•& przewężenie Z = 100%

<• udarność U = 2,3 EkG ' m / cm²!

3.3. Technologia otrzymywania ołowiu:

Otrzymywanie ołowiu z koncentratów

Koncentraty ołowiowe przerabia się na otów metodą prażenia i redukcji. Prażenie siarczkowych koncentratów ołowiowych ma na celu przemianę siarczków w tlenki i uzyskanie spieku w postaci porowatych kawałków. Prażenie przeprowadza się na urządzeniach taśmowych, Podstawową reakcją dostarczającą znacznych ilości ciepła podczas prażenia siarczków jest utlenianie według równania:

2PbS+3O₂=2PbO +2SO₂

Siarczek ołowiu ma budowę zwartą i z tego powodu utlenia się tylko na powierzchni ziarna. Aby uzyskać lepsze wyniki prażenia należy stosować siarczki o znacznym stopniu rozdrobnienia i zapewnić podczas procesu dobry dopływ tlenu.

Wytapianie ołowiu surowego z prażonki jest procesem redukcyjnym prowadzącym w piecach szybowych,

Do pieca szybowego wsypuje się od góry spieczoną prażonkę i koks, natomiast od dołu przez dysze wprowadza się powietrze. Tlen zawarty w powietrzu powoduje niecałkowite spalenie się koksu, a powstały tlenek węgla redukuje do czystego ołowiu. Równocześnie ulegają redukcji niektóre tlenki metali, które rozpuszczają się w ołowiu. W ten sposób surowy ołów zbiera się w garze pieca. Zawarte we wsadzie pewne ilości siarczków różnych metali nie ulegają redukcji lecz topnieją tworząc płynny kamień o temperaturze topnienia 1000°C. Składniki skały płonnej tworzą żużel o temperaturze topnienia 1200⁰C. Produkty w garze pieca rozdzielają się według ich gęstości. Warstwę dolną stanowi ołów surowy, natomiast warstwę górną kamień i żużel. Ołów spływa po rynnie do kotła rafinacyjnego lub do specjalnych form. Żużel l kamień odprowadza się okresowo z pieca do odstojników. Po pewnym czasie w odstojniku następuje pod wpływem różnicy gęstości oddzielenie kamienia od żużla. Kamień zawierający cenne składniki podlega dalszej przeróbce, natomiast żużel przerabia się w celu odzyskania pozostałego w nim ołowiu i wydzielenia cynku- Ołów surowy zawiera mniejsze lub większe ilości miedzi, antymonu, cynku, arsenu, bizmutu, a także srebra i złota. Domieszki te w ilości 1-6% pogarszają własności plastyczne oraz jego odporność na korozję,

3.4. Rafinacja ołowiu:

Rafinację ołowiu można podzielić na trzy zabiegi:

•:• rafinację wstępną

•& usuwanie srebra i złota

•!• rafinację końcową.

Podczas rafinacji wstępnej wydziela się najpierw miedz, a następnie inne domieszki oprócz metali szlachetnych Usuwanie miedzi odbywa się w kotłach rafinacyjnych, w których podczas ochładzania do temperatury nieco wyższej od temperatury topnienia ołowiu wydziela się miedz w postaci kryształów. Wydzielona miedz z ołowiu jest lżejsza i wypływa na powierzchnie. Odmiedziowany ołów

świeży się w piecu płomieniowym. Podczas świeżenia usuwa się cynę, arsen i antymon, które tworzą

tlenki trwalsze od tlenków ołowiu,

Usuwanie srebra i złota odbywa się za pomocą cynku, który wprowadzony do roztopionego ołowiu

tworzy ze srebrem i złotem nierozpuszczalne związki. Związki cynku ze srebrem i złotem wypływają

na powierzchnię ołowiu w postaci piany. Zebrana piana poddawana jest dalszym zabiegom w celu

wydzielenia z niej szlachetnych metali. Pozbawiony ołów srebra i złota zawiera nadal bizmut, arsen,

antymon oraz inne zanieczyszczenia,

Rafinację końcową przeprowadza się trzema sposobami poprzez:

•i* utlenianie

•> chlorowanie

<• fugowanie.

Utlenianie przeprowadza się w piecu płomieniowym lub w kotle rafinacyjnym. Czynnikiem utleniającym jest powietrze zasysane do pieca naturalnym ciągiem spalin. Część tworzącego się tlenku cynku uchodzi z powietrzem, natomiast pozostała część tworzy na powierzchni ołowiu żużel-Proces chlorowania polega na przepuszczeniu gazowego chloru przez ciekły ołów. Tworzące się chlorki cynku są usuwane mechanicznie z powierzchni roztopionego metalu, Ługowanie polega na działaniu roztopionym wodorotlenkiem sodu na zanieczyszczony cynkiem ołów. Tworzy się wówczas nierozpuszczalny w ołowiu cynkan sodu Na20*ZnO, który usuwa się mechanicznie. Pozbawiony cynku ołów oczyszcza się Jeszcze z bizmutu za pomocą wapnia, który z bizmutem tworzy nierozpuszczalne związki. Związki te usuwa się z powierzchni ołowiu mechanicznie. Ołów można oczyszczać metodą elektrolizy.

3.5. Elektrolityczna rafinacja ołowiu:

W charakterze elektrolitów do rafinacji ołowiu znalazł zastosowanie elektrolit o nazwie heksafluorokrzemianowy. Elektrolit Jest otrzymywany przez neutralizację kwasu heksafluorokrzemianowego tlenkiem ołowiu:

H₂SiF₆ + PbO = PbSiF₆ + H₂O

Przez zmieszanie heksaftuorokrzemianu, ołowiu (II) z kwasem heksafluorokrzernianowym otrzymuje

się elektrolit zawierający od 40 do 80 [g / dm³] Pb²* oraz 70 do 100 [g / dm³] H2SiF₆.

Anody odlewane są z ołowiu zanieczyszczonego, przeznaczonego do rafinowania o zawartości

97-99% Pb. Katody przygotowane są z ołowiu rafinowanego o zawartości Pb = 99,99% w postaci płyt

o grubości 1-2[mm]-

W procesie elektrorafinacji ołowiu zachodzą następujące reakcje:

<• na anodzie Pb = Pb²* + 2e

•:• na katodzie Pb²¹ + 2e = Pb

Na anodzie przebiega roztwarzanie natomiast na katodzie osadzanie się ołowiu Charakterystyczne dla procesu rafinacji ołowiu jest stosowanie małych gęstości prądu 150-250 [A / m²] Wydajność prądu w procesie elektrorafinacji jest wysoka i wynosi do 97% co wynika z nad napięcia wodoru na ołowiu. Wysoka wydajność prądu, małe napięcie między elektrodami 0,4-r0,6 [V] umożliwia rafinowanie ołowiu przy małym jednostkowym zużyciu energii elektrycznej,

Przy elektrycznym roztwarzaniu anod wraz z ołowiem do roztworu przechodzą zanieczyszczenia w postaci Zn, Co, Fe, Ni, Sn. natomiast As, Sb, Bi, Cu, Ag, Au pozostają w szlamie anodowym. Potencjał normalny ołowiu wynosi 0,12 [V]. Potencjał takich zanieczyszczeń jak Cu, As, Sb, Bi są większe i pozostają nierozpuszczalne w anodzie. Zanieczyszczenia w postaci Fe, Co, NI, Zn i Sn ulegają anodowemu roztworzeniu. Obecność kobaltu i niklu w ołowiu anodowym jest niepożądana ze względu na wydzielanie się tych zanieczyszczeń na katodzie. Najbardziej kłopotliwym zanieczyszczeniem jest cyna, która ze względu na swój potencjał równy 0,14 (V] jest zbliżona do ołowiu. Cyna z ołowiem ulega anodowemu roztwarzaniu i katodowemu wydzielaniu. Dlatego cynę usuwa się z ołowiu przez odlewanie anod lub też przy przetapianiu rafinowanego ołowiu katodowego w obecności NaOH. W wyniku elektrolitycznego rafinowania otrzymuje się ołów o zawartości 99,97-99,998% Pb i szlam anodowy, w którym koncentrują się takie cenne metale jak: srebro, złoto, bizmut oraz Inne.

ćwiczenie nr 5

Redukcja tlenku ołowiu za pomocą węgla •

Cal ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem redukcji PbO przy użyciu reduktorów w fazie stałej, Aparaturą do wykonania ćwiczenia jest:

<• tygiel ceramiczny z określoną zawartością tlenku ołowiu i reduktora

<• piec elektryczny w którym umieszczony zostanie tygiel z PbO + C Odczynnikiem jest tlenek ołowiu.

Wykonanie ćwiczenia:

-odważenie na wadze technicznej próbki PbO -15 g

-umieszczenie próbki w przygotowanym tyglu

-obliczenie stechiometryczne ilości C:

PbO + C == 2 Pb + CO₂

-odważenie obliczonej ilości C na wadze technicznej <• do tygla, w którym umieszczono uprzednio próbkę PbO wprowadziliśmy odważoną ilość C ^ zawartość tygla starannie wymieszaliśmy bagietką

•& tygiel umieściliśmy w piecu nagrzanym do temperatury 700°C na okres 75 min

^ po upływie 75 min tygiel wyjęliśmy z pieca i odlaliśmy wytopiony meta!

<* po ochłodzeniu zważyliśmy na wadze technicznej otów wytopiony z badanej próbki.

Z reakcji obliczamy ile należy wsypać węgla do tygla. Redukcja węglem:

2PbO + C = 2Pb + CO₂

M_Pb = 207,2

M_PbO= 223,2 z Mc = 12

M_CO2= 44

446,4 gPbO - 12 g C 15gPbO - X g C

X=0.4gC+10%=0,44gC

Obliczamy masę teoretyczną otrzymanego ołowiu

446,4 g PbO - 414,4 g Pb 15gPbO - XgPb

X=13,92gPb

Następnie ważymy otrzymany ołów

m_P - masa praktyczna

m_P = 9 gPb

% - sprawność procesu

r\ = 64,65%

Wnioski:

Celem ćwiczenia było otrzymanie ołowiu przez redukcję tlenku ołowiu węglem Część ołowiu została w tyglu, więc nie wszystko zostało zważone.