Первый способ получения металлического цинка

Пирометаллургические способы получения цинка

Исторически первым способом был пирометаллургический. Технология способа и аппаратурное оформление процесса связаны с особенностями восстановления цинка из оксида. Восстановление оксида цинка до металла углеродом и СО происходит при температуре 1 000–1 100 °С, а температура кипения получаемого при этом цинка – 906 °С.
Реакции восстановления

ZnO + C ⇄ Znг + CO

ZnO + CO ⇄ Znг + CO2

сопровождаются выделением газообразного цинка, его возгонкой (дистилляцией). Компоненты пустой породы остаются при этом в твердом виде. Конденсацией поров можно получить жидкий металлический цинк.

Достоинствами пирометаллургической схемы получения цинка являются ее малостадийность, сравнительно высокое прямое извлечение цинка в металл (93 %), использование высокопроизводительного оборудования непрерывного действия и возможность перерабатывать низкокачественное сырье с высоким содержанием железа, мышьяка, сурьмы и кремнезема.

Недостатки пирометаллургической схемы – большой расход кокса (до 25 % от массы агломерата), большой расход электроэнергии при использовании электропечей, малая комплексность использования сырья и получение цинка низших марок, требующего рафинирования.

В настоящее время в мировой практике по пирометаллургическому способу получают не более 15 % цинка. Эта технология обычно применяется для переработки бедных цинковых концентратов с высоким содержанием примесей железа, мышьяка, сурьмы, кремнезема и с невысоким содержанием редких металлов (кадмия, индия, таллия и других), а также при небольшом объёме производства и при потребности в цинке низших марок.

Цинк в медицине

Биологическая роль и функции цинка в организме

Согласно исследованиям ученых, в организме взрослого человека цинк содержится в размере:

• у женщин — 1,5 грамма
• у мужчин — 2,5-3 грамма

Процентное соотношение цинка в организме:

• в коже — 20%
• в костно-мышечной системе — 60%

Основная функция элемента для человеческого организма — это формирование карбоангидраза в эритроцитах для поддержания кислотно-щелочного равновесия. Этот белок обеспечивает преобразование углекислого газа и обратное его перемещение в легкие для последующего выдоха. Цинк, будучи частью 400 пищеварительных ферментов, влияет на полноценное усвоение микроэлементов из пищи.

Помимо основного свойства, цинк выполняет следующие функции:

• Влияет на синтез гормонов. Цинк оказывает влияние на: активность тройных гормонов гипофиза; обмен липидов и холестерина; действие инсулина в крови.
• Есть данные об участии металла в кроветворении, в формировании новых клеток. Это важные функции в период роста и для регенерации тканей.
• Для мужчин особо важен этот микроэлемент, поскольку активно способствует выработке тестостерона. Цинк стимулирует образование семенной жидкости и оказывает положительное влияние на здоровье простаты.
• Является антиоксидантом, нейтрализует действие токсинов и свободных радикалов, предотвращая развитие рака.
• Цинк управляет воспроизводством ДНК и РНК.
• Участвует в синтезе коллагена. Этот фибриллярный белок составляет основу соединительной ткани: суставы, сухожилия, кожа, кости, хрящи. Обеспечивает их прочность и эластичность.
• Цинк «успокаивает» нервную систему, улучшает умственную деятельность, положительно влияет на сон.
• Цинк — ключ к иммунитету. Участвует в метаболизме витаминов А, С, Е, помогает при борьбе с проявлениями аллергии.

Продукты питания, богатые цинком

Цинк из пищи и витаминов всасывается в верхней части кишечника посредством белковых соединений из желудочного сока. Этот микроэлемент обязательно должен быть в рационе мужчин, беременных, кормящих женщин и детей в период их активного роста.

ТОП-10 продуктов питания по содержанию цинка в мкг на 100 грамм:

Суточная норма потребления цинка

При правильном питании гипоцинкоз (недостаток цинка) человеку не опасен. Лишь при возникновении проблем с всасыванием солей цинка из кишечника и выведением его из организма, могут возникать нарушения обменного характера.

Недостаток цинка часто встречается у детей в период активного роста и у младенцев на грудном вскармливании. В молоке, к сожалению, малое количество необходимого для развития элемента.

У больных сахарным диабетом наблюдается повышенное выделение цинка с мочой и, соответственно, более низкое его содержание в организме.

Для повышения уровня цинка в организме рекомендуется не только добавлять в рацион продукты, богатые этим элементом, но и принимать цинкосодержащие препараты.

Рекомендуемые суточные дозы цинка в зависимости от пола и возраста:

• Новорожденные — 2 мг
• Малыши от 6 мес. до 5 лет — 3 мг
• Дели до 8 лет — 5 мг
• Подростки 8-14 лет — 8 мг
• Мужчины — 15 мг
• Женщины — 10 мг
• Беременные женщины — 15 мг
• Кормящие мамы — до 20 мг

Цинк — незаменимый питательный элемент, обладающий антиоксидантными и противовоспалительными свойствами, участвующий во множестве биологических процессов человеческого организма.

Гидрометаллургические способы получения цинка

В настоящее время большое внимание уделяется более полному использованию составляющих цинксодержащего сырья, внедрению безотвальной технологии, получению цинка высших марок. Для решения указанных задач в производстве цинка используют гидрометаллургический метод переработки цинковых концентратов по технологической схеме.

В основе гидрометаллургического метода заложено выщелачивание оксида цинка разбавленной серной кислотой из предварительно обожженного концентрата (огарка):

ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O

Цинк из раствора выделяют путем электролитического восстановления на катоде. На аноде в это время регенерируется серная кислота, что позволяет использовать отработанный электролит в качестве растворителя при выщелачивании огарка.

Так как в раствор при выщелачивании переходят многие сопутствующие элементы-примеси (медь, кадмий, никель, кобальт и другие), то перед электролизом раствор подвергают тщательной очистке. Чем чище поступает раствор на электролиз, тем более высокого качества получают товарный цинк.

При электролизе происходит следующая реакция:

ZnSO4 + H2O = Zn + H2SO4 + 0,5O2

Несмотря на многостадийность, гидрометаллургический способ обладает многими достоинствами: высокая комплексность использования сырья, получение цинка высших марок, не требующего рафинирования, высокое общее извлечение цинка и других ценных компонентов в соответствующую продукцию, исключение или значительное уменьшение расхода кокса. Этим способом в мировой практике перерабатывается в настоящее время до 85 % цинксодержащего сырья.

Производство металла

Необходимое оборудование

В чистом виде цинка не существует. Его извлекают их других природных пород. К ним относятся полиметаллические сульфидные руды и некоторые минералы: сфалерит, смитсонит, цинкит, смитсонит, гемиморфит, клейофан, каламин, вюрцит, виллемит и другие. Чаще всего из минералов встречается сфалерит.

Если цинк находится в составе смешанных руд, то его спутниками чаще всего являются таллий, кадмий, германий, галлий, индий.

Цинк перерабатывают на промышленных предприятиях. У каждого завода есть свои технологические особенности производства. Поэтому технологическая линия и оборудование могут различаться. На цинковых заводах можно наблюдать следующее оборудование:

• Вертикальные механизированные роторы.
• Шахтные и дуговые электропечи.
• Электролитные роторы.
• Транспортеры.
• Печи для обжига.
• Ванны для электролиза или целые электролизные комплексы.

Расчет сырья

Чистый цинк получают путем переработки сульфидных, цинковых и полиметаллических руд. Количество перерабатываемого цинкосодержащего сырья зависит от способности и мощности завода. Для всех он индивидуален. Поэтому точный расчет необходимого сырья нужно производить в рамках конкретного производства.

Далее рассмотрим технологии, процессы и методы производства цинка, а также изделий из него.

Способы получения

Для выделения цинка, руду обогащают флотационным или гравитационным способом. Итогом такого обогащения является получение цинкового концентрата. Помимо этого получаются побочные продукты медные, пиритные и свинцовые концентраты.

Выделенный цинковый концентрат подвергают обжигу в печи. В результате образуется оксид цинка. Здесь процесс производства делится на два этапа. Образованный сернистый газ идет на переработку сернистой кислоты, а цинк поступает на следующий этап переработки.

Чистый цинк можно подучить следующим способами:

• Первый способ: пирометаллургический (дистилляционный). Суть этого способа производства состоит в следующем: полученный концентрат обжигают, подвергают спекании и восстанавливают с помощью угля или кокса. Образованные пары металла конденсируют и наливают в изложницы.
• Второй способ: электролитический (гидрометаллургический). Суть второго способа заключается в том, что после обжига концентрат подвергают обработке серной кислотой. Полученный раствор очищают от посторонних примесей и подвергают процессу электролиза.

Про пирометаллургический способ получения цинка вы узнаете из видеоролика ниже:

Стадии

Цинк проходит через следующие стадии производства:

• Подготовка сырья к переработке.
• Обжин подготовленного сырья.
• Подготовка в этапу выщелачивание.
• Проведение выщелачивания.
• Чистка раствора от примесей.
• Электролитное осаждение.
• Плавление катодного цинка.

Рассмотрим для примера более подробно последовательность производства цинка на российском предприятии — Челябинском цинковом заводе.

1. Получение сырья. На предприятие поставляют сырье (цинковый концентрат) в железнодорожных вагонах. Сырье от различных поставщиков перемешивается (для усреднения общих значений примесей) и отправляется по конвейеру на обжиг.
2. Обжиг концентрата. Для термообработки на заводе используются пять печей. При очень высокой температуре концентрат окисляется (880-950ºС). В результате получается два продукта: сернистый газ и цинковый огарок. Сернистый газ подвергают очистки и отправляют для переработки сернистой кислоты. В печи протекают экзотермические реакции, с помощью которых выделенное тепло сохраняется и остается для проведения плавления.
3. Получение серы. Полученная в процессе обжига серная кислота утилизируется.
4. Выщелачивание. Цинк извлекают в специальный раствор. Однако в жидкость попадает не только цинк, но и различные примеси. Когда необходимая концентрация раствора получена, смесь направляют на очистку. Однако весь цинк выделить не получается. Некоторая часть все же остается в растворе. Поэтому раствор подвергают дополнительной фильтрации. После этого цинк отправляют в вельц-цех. Это печи, форма которых похожа на цилиндр. Они осуществляют вращательные движения. Эту стадию проходят два продукта обжига: огарок и сернистый газ.
5. Электролиз цинка. Процедура проходит в электролизном комплексе. Очистка растворов проводится с помощью цинковой пыли. После очистки образуются продукты, которые получили название кеки. Кек в последующем идет на производства кадмия.
6. Вальцевание кека. Для того, чтобы выход цинка из кека был максимальным, названное вещество смешивают с коксовой мелочью и нагревают до высокой температуры (1200 С). Весь процесс проходит во вращательной трубчатой печи. Конечными продуктами на этой стадии являются вельц-окись и медистый клинкер. Окись в процессе возгоняется, подвергается охлаждению и улавливанию специальными фильтрами. В последующем вельц-окись идет на выщелачивание, а клинкер отправляют в качестве сырья на медные предприятия.
7. Гидрометаллургический процесс. Здесь проходит переработка в растворе серной кислоты. Процесс необходим для получения нескольких ценных элементов: раствора сульфата цинка, цинка технического и свинцового кека, в который входят индиевые сплавы, свинец и индий. Воды от переработки обрабатывают кальцинированной содой, фильтруют с помощью фильтпресса и заново отправляют в технологический процесс.
8. Литейный цех. Полученный катодный металлический цинк подвергается плавлению в индукционных печах.
9. Разливочный цех. Затем цинк отливается в блоки по 0,5-1,0 т. и слитки по 25 кг. Процесс осуществляется с помощью центробежной литейной машины. Также на заводе имеется установка для производства цинковой пыли, которая стоит во много раз выше самого цинка.

Далее будут рассмотрены производители цинка в России и мире.