فرآیند تولید روی (Zinc Production Process)
فرآیند تولید روی (Zinc Production Process)
روی چهارمین فلز پرمصرف در جهان پس از آهن، آلومینیم و مس است و تولید سالانه آن حدود ۱۳میلیون تن برآورد می‌شود. حدود ۷۰٪ از روی جهان از استخراج معادن تأمین می‌شود،در حالی که ۳۰٪ باقی‌مانده از بازیافت روی ثانویه به دست می‌آید.
یشترین تولیدکنندگان روی در جهان: چین ، پرو ، هند ، مکزیک ، استرالیا ، آمریکا ، ایران نیز دارای ذخایر بزرگ روی (مثل معدن انگوران زنجان) است.
فرآیند تولید روی یکی از مهم‌ترین و جالب‌ترین فرآیندهای متالورژی است، چون هم شامل واکنش‌های شیمیایی پیچیده است و هم تصفیه‌ی دقیق فلز را در بر می‌گیرد.
روی در طبیعت به‌صورت آزاد وجود ندارد، بلکه به‌صورت ترکیبات معدنی یافت می‌شود، از جمله:
- سفالریت → ZnS (Sphalerite) (مهم‌ترین سنگ معدن روی)
- اسمیت‌زونیت (ZnCO₃)
- همیمورفیت (Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O)
- فرانکلینیت (ZnFe₂O₄)
مراحل اصلی تولید فلز روی تولید روی معمولاً از سنگ معدن (سفالریت) ZnS انجام می‌شود که مهم‌ترین منبع طبیعی روی است.
فرآیند کلی شامل سه مرحله‌ی اصلی است:
1- آماده‌سازی و تغلیظ سنگ معدن :
سنگ معدن روی معمولاً همراه با سرب، نقره و کادمیم استخراج می‌شود. ابتدا آن را خُرد و آسیاب می‌کنند تا دانه‌های ریز به‌دست آید. سپس با روش فلوتاسیون (Flotation)، کانی‌های روی را از سایر مواد جدا می‌کنند. در این روش از مواد شیمیایی و حباب‌های هوا استفاده می‌شود تا ذرات سولفید روی (ZnS) به سطح بیایند . نتیجه: کنسانتره‌ی روی که حاوی حدود ۴۰ تا ۶۰٪ ZnS است.
2- استخراج فلز از سنگ (از طریق تشویه و انحلال):
استخراج فلز از سنگ معدن دو روش اصلی برای استخراج فلز روی وجود دارد:
الف) روش خشک (حرارتی) Pyrometallurgical
فرآیند حرارتی با استفاده از کوره‌های ISF انجام می‌گیرد. این فرآیند تولید روی به دلیل انتشار زیاد گاز و مصرف بالای انرژی در اروپا به کار نمی‌رود و از فرآیند الکترولیتی استفاده می‌کنند. در این فرآیند، از کلوخه‌ها، روی و سرب حاصل می‌شود.
- تشویه(Roasting) :
کنسانتره ZnS را در دمای حدود ۹۰۰°C در حضور اکسیژن می‌سوزانند تا به اکسید روی (ZnO) و دی‌اکسید گوگرد (SO₂) تبدیل شود:
2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂
- احیا (Reduction) :
ZnO به‌وسیله‌ی زغال‌سنگ یا گاز طبیعی در کوره احیا می‌شود:
ZnO + C → Zn + CO
فلز روی در این دما بخار می‌شود (چون نقطه‌ی جوش آن پایین است) و سپس تقطیر و متراکم می‌گردد.
ب) روش تر (الکتروشیمیایی) Hydrometallurgical
این روش امروزه رایج ترین روش صنعتی است که بیش از 90 درصد روی تولید شده در جهان طی این فرآیند به دست آمده‌اند.
این فرآیند، خود دارای چندین مرحله است که از آن‌ها به ترتیب می‌توان به تغلیظ سنگ معدن، برشته کردن سنگ معدن، تبدیل اکسید روی به سولفات و الکترولیز محلول سولفات روی اشاره کرد.
1.تشویه‌ی ZnS به ZnO (مانند روش قبلی).
- انحلال ZnO در محلول اسید سولفوریک H₂SO₄ :
ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O → محلولی از سولفات روی (ZnSO₄) به دست می‌آید.
- تصفیه‌ی محلول (Purification) :
برای حذف ناخالصی‌هایی مانند Cu، Cd، Co و Fe از مواد رسوب‌دهنده یا پودر روی استفاده می‌شود.
- الکترولیز (Electrolysis) :
محلول ZnSO₄ تصفیه‌شده را در سلول‌های الکترولیتی عبور می‌دهند:
Zn ^ {2+} + 2e ^ – → Zn (در کاتد)
روی فلزی خالص بر روی کاتد ته‌نشین می‌شود.
- ذوب و ریخته‌گری : روی ته‌نشین‌شده را ذوب کرده و در قالب‌های شمش (ingots) می‌ریزند.
3- پالایش و خالص‌سازی نهایی :
روی تولید شده در روش الکترولیز دارای خلوص بسیار بالا (بیش از ۹۹٫۹٪) است.در صورت نیاز، فلزات جانبی مانند کادمیم، نیکل و سرب نیز جدا می‌شوند.