Adattato dall'EPA 1995.

Rame

Il rame viene estratto sia in miniere a cielo aperto che in miniere sotterranee, a seconda della qualità del minerale e della natura del deposito di minerale. Il minerale di rame contiene tipicamente meno dell'1% di rame sotto forma di minerali di solfuro. Una volta che il minerale viene consegnato fuori terra, viene frantumato e macinato fino a ottenere una finezza polverosa e quindi concentrato per un'ulteriore lavorazione. Nel processo di concentrazione, il minerale macinato viene impastato con acqua, vengono aggiunti reagenti chimici e l'aria viene soffiata attraverso l'impasto. Le bolle d'aria si attaccano ai minerali di rame e vengono quindi espulse dalla parte superiore delle celle di galleggiamento. Il concentrato contiene tra il 20 e il 30% di rame. Gli sterili, o minerali di ganga, dal minerale cadono sul fondo delle celle e vengono rimossi, disidratati da addensanti e trasportati come impasto liquido in un bacino di sterili per lo smaltimento. Tutta l'acqua utilizzata in questa operazione, dagli addensanti di disidratazione e dallo stagno degli sterili, viene recuperata e riciclata nel processo.

Il rame può essere prodotto pirometallurgicamente o idrometallurgicamente a seconda del tipo di minerale utilizzato come carica. I concentrati di minerale, che contengono solfuro di rame e minerali di solfuro di ferro, vengono trattati mediante processi pirometallurgici per ottenere prodotti di rame di elevata purezza. I minerali di ossido, che contengono minerali di ossido di rame che possono trovarsi in altre parti della miniera, insieme ad altri materiali di scarto ossidati, vengono trattati mediante processi idrometallurgici per produrre prodotti di rame di elevata purezza.

La conversione del rame dal minerale al metallo avviene mediante fusione. Durante la fusione i concentrati vengono essiccati e immessi in uno dei diversi tipi di fornaci. Lì i minerali di solfuro vengono parzialmente ossidati e fusi per produrre uno strato di matte, un misto di solfuro di rame e ferro e scorie, uno strato superiore di rifiuti.

Il mascherino viene ulteriormente elaborato mediante conversione. Le scorie vengono estratte dalla fornace e immagazzinate o scartate in cumuli di scorie in loco. Una piccola quantità di scorie viene venduta per la massicciata ferroviaria e per la graniglia di sabbiatura. Un terzo prodotto del processo di fusione è l'anidride solforosa, un gas che viene raccolto, purificato e trasformato in acido solforico per la vendita o per l'utilizzo in operazioni di lisciviazione idrometallurgica.

Dopo la fusione, il matte di rame viene immesso in un convertitore. Durante questo processo la matte di rame viene versata in un recipiente cilindrico orizzontale (circa 10ґ4 m) munito di una fila di tubi. I tubi, detti tuyères, sporgono nel cilindro e servono per immettere aria nel convertitore. Calce e silice vengono aggiunte al matte di rame per reagire con l'ossido di ferro prodotto nel processo per formare scorie. Il rame di scarto può anche essere aggiunto al convertitore. La fornace viene ruotata in modo che le tuyères siano sommerse e l'aria viene soffiata nella matte fusa facendo reagire il resto del solfuro di ferro con l'ossigeno per formare ossido di ferro e anidride solforosa. Quindi il convertitore viene ruotato per far fuoriuscire le scorie di silicato di ferro.

Una volta rimosso tutto il ferro, il convertitore viene ruotato all'indietro e sottoposto a un secondo soffio d'aria durante il quale il resto dello zolfo viene ossidato e rimosso dal solfuro di rame. Il convertitore viene quindi ruotato per far fuoriuscire il rame fuso, che a questo punto viene chiamato rame blister (così chiamato perché se lasciato solidificare a questo punto, avrà una superficie irregolare a causa della presenza di ossigeno gassoso e zolfo). L'anidride solforosa proveniente dai convertitori viene raccolta e immessa nel sistema di depurazione dei gas insieme a quella proveniente dal forno fusorio e trasformata in acido solforico. A causa del contenuto di rame residuo, le scorie vengono riciclate nel forno fusorio.

Il rame in blister, contenente almeno il 98.5% di rame, viene raffinato in rame ad elevata purezza in due passaggi. La prima fase è la raffinazione al fuoco, in cui il rame fuso in blister viene versato in un forno cilindrico, simile nell'aspetto a un convertitore, dove prima l'aria e poi il gas naturale o il propano vengono soffiati attraverso la massa fusa per rimuovere l'ultimo zolfo e l'eventuale ossigeno residuo dal rame. Il rame fuso viene quindi versato in una ruota di colata per formare anodi sufficientemente puri per l'elettroraffinazione.

Nell'elettroraffinazione, gli anodi di rame vengono caricati in celle elettrolitiche e interspaziati con fogli di partenza di rame, o catodi, in un bagno di soluzione di solfato di rame. Quando una corrente continua passa attraverso la cella, il rame viene sciolto dall'anodo, trasportato attraverso l'elettrolita e ridepositato sui fogli di partenza del catodo. Quando i catodi hanno raggiunto uno spessore sufficiente, vengono rimossi dalla cella elettrolitica e al loro posto viene inserita una nuova serie di fogli di partenza. Le impurità solide negli anodi cadono sul fondo della cella come fanghi dove vengono infine raccolte e lavorate per il recupero di metalli preziosi come oro e argento. Questo materiale è noto come melma anodica.

I catodi rimossi dalla cella elettrolitica sono il prodotto primario del produttore di rame e contengono il 99.99% di rame. Questi possono essere venduti a mulini di vergella come catodi o lavorati ulteriormente in un prodotto chiamato vergella. Nella produzione di barre, i catodi vengono fusi in un forno a tino e il rame fuso viene versato su una ruota di colata per formare una barra adatta ad essere laminata in una barra continua del diametro di 3/8 di pollice. Questo prodotto in barre viene spedito ai mulini dove viene estruso in varie dimensioni di filo di rame.

Nel processo idrometallurgico, i minerali ossidati e i materiali di scarto vengono lisciviati con acido solforico dal processo di fusione. Viene eseguita la lisciviazione on-site, o in pile appositamente preparate distribuendo l'acido sulla parte superiore e lasciandolo filtrare attraverso il materiale in cui viene raccolto. Il terreno sotto i cuscinetti di lisciviazione è rivestito con un materiale plastico resistente agli acidi e impermeabile per evitare che il liquido di lisciviazione contamini le acque sotterranee. Una volta che le soluzioni ricche di rame sono state raccolte, possono essere lavorate mediante uno dei due processi: il processo di cementazione o il processo di estrazione con solvente/elettroestrazione (SXEW). Nel processo di cementazione (oggi raramente utilizzato), il rame nella soluzione acida si deposita sulla superficie del rottame di ferro in cambio del ferro. Quando è stata cementata una quantità sufficiente di rame, il ferro ricco di rame viene immesso nella fonderia insieme ai concentrati di minerale per il recupero del rame attraverso la via pirometallurgica.

Nel processo SXEW, la soluzione di lisciviazione incinta (PLS) viene concentrata mediante estrazione con solvente, che estrae il rame ma non le impurità metalliche (ferro e altre impurità). La soluzione organica carica di rame viene quindi separata dal percolato in una vasca di decantazione. L'acido solforico viene aggiunto alla miscela organica gravida, che spoglia il rame in una soluzione elettrolitica. Il percolato, contenente il ferro e altre impurità, viene riportato all'operazione di lisciviazione dove il suo acido viene utilizzato per un'ulteriore lisciviazione. La soluzione di striscia ricca di rame viene fatta passare in una cella elettrolitica nota come cella elettrolitica. Una cella di estrazione elettrolitica differisce da una cella di elettroraffinazione in quanto utilizza un anodo permanente e insolubile. Il rame in soluzione viene quindi placcato su un catodo a foglio di partenza più o meno nello stesso modo in cui lo è sul catodo in una cella di elettroraffinazione. L'elettrolita impoverito di rame viene restituito al processo di estrazione con solvente dove viene utilizzato per rimuovere più rame dalla soluzione organica. I catodi prodotti dal processo di estrazione elettrolitica vengono quindi venduti o trasformati in barre allo stesso modo di quelli prodotti dal processo di elettroraffinazione.

Le celle di estrazione elettrolitica vengono utilizzate anche per la preparazione di fogli di partenza sia per i processi di elettroraffinazione che di estrazione elettrolitica mediante placcatura del rame su catodi di acciaio inossidabile o titanio e quindi rimozione del rame placcato.

Pericoli e loro prevenzione

I pericoli principali sono l'esposizione a polveri di minerale durante la lavorazione e la fusione del minerale, fumi metallici (inclusi rame, piombo e arsenico) durante la fusione, anidride solforosa e monossido di carbonio durante la maggior parte delle operazioni di fusione, rumore da operazioni di frantumazione e macinazione e da fornaci, stress da calore da i forni e l'acido solforico ei rischi elettrici durante i processi elettrolitici.

Le precauzioni includono: LEV per le polveri durante le operazioni di trasferimento; scarico locale e ventilazione di diluizione per anidride solforosa e monossido di carbonio; un programma di controllo del rumore e di protezione dell'udito; indumenti protettivi e scudi, pause di riposo e fluidi per lo stress da calore; e LEV, PPE e precauzioni elettriche per i processi elettrolitici. La protezione respiratoria è comunemente indossata per proteggere da polveri, fumi e anidride solforosa.

La tabella 1 elenca gli inquinanti ambientali per le varie fasi della fusione e raffinazione del rame.

Tabella 1. Input di materiali di processo e output di inquinamento per la fusione e la raffinazione del rame

Portare

Il processo primario di produzione del piombo si compone di quattro fasi: sinterizzazione, fusione, scorificazione e raffinazione pirometallurgica. Per iniziare, una materia prima composta principalmente da concentrato di piombo sotto forma di solfuro di piombo viene alimentata in una macchina di sinterizzazione. Possono essere aggiunte altre materie prime tra cui ferro, silice, flusso di calcare, coke, soda, cenere, pirite, zinco, sostanze caustiche e particelle raccolte dai dispositivi di controllo dell'inquinamento. Nella macchina di sinterizzazione la carica di piombo viene sottoposta a getti d'aria calda che bruciano lo zolfo creando anidride solforosa. Il materiale di ossido di piombo esistente dopo questo processo contiene circa il 9% del suo peso in carbonio. La sinterizzazione viene quindi alimentata insieme a coke, vari materiali riciclati e di pulizia, calcare e altri agenti fondenti in un altoforno per la riduzione, dove il carbonio funge da combustibile e fonde o fonde il materiale di piombo. Il piombo fuso scorre sul fondo del forno dove si formano quattro strati: “speiss” (il materiale più leggero, essenzialmente arsenico e antimonio); “matte” (solfuro di rame e altri solfuri metallici); scorie d'altoforno (principalmente silicati); e lingotti di piombo (98% di piombo, in peso). Tutti gli strati vengono quindi drenati. Lo speiss e il matte vengono venduti alle fonderie di rame per il recupero del rame e dei metalli preziosi. Le scorie d'altoforno che contengono zinco, ferro, silice e calce vengono stoccate in cumuli e parzialmente riciclate. Le emissioni di ossido di zolfo sono generate negli altiforni da piccole quantità di solfuro di piombo residuo e solfati di piombo nell'alimentazione di sinterizzazione.

I lingotti di piombo grezzi provenienti dall'altoforno di solito richiedono un trattamento preliminare in caldaie prima di essere sottoposti alle operazioni di raffinazione. Durante la scorificazione, il lingotto viene agitato in un recipiente di scorificazione e raffreddato appena sopra il suo punto di congelamento (da 370 a 425°C). Una scoria, che è composta da ossido di piombo, insieme a rame, antimonio e altri elementi, galleggia verso l'alto e si solidifica sopra il piombo fuso.

Le scorie vengono rimosse e alimentate in un forno per scorie per il recupero dei metalli utili diversi dal piombo. Per migliorare il recupero del rame, i lingotti di piombo scoriati vengono trattati aggiungendo materiali contenenti zolfo, zinco e/o alluminio, abbassando il contenuto di rame a circa lo 0.01%.

Durante la quarta fase, il lingotto di piombo viene raffinato utilizzando metodi pirometallurgici per rimuovere eventuali materiali vendibili non contenenti piombo (ad es. oro, argento, bismuto, zinco e ossidi metallici come antimonio, arsenico, stagno e ossido di rame). Il piombo viene affinato in un bollitore di ghisa a cinque stadi. Antimonio, stagno e arsenico vengono rimossi per primi. Quindi viene aggiunto lo zinco e l'oro e l'argento vengono rimossi nelle scorie di zinco. Successivamente, il piombo viene raffinato mediante rimozione sotto vuoto (distillazione) dello zinco. L'affinamento prosegue con l'aggiunta di calcio e magnesio. Questi due materiali si combinano con il bismuto per formare un composto insolubile che viene scremato dal bollitore. Nella fase finale si possono aggiungere soda caustica e/o nitrati al piombo per rimuovere eventuali tracce residue di impurità metalliche. Il piombo raffinato avrà una purezza dal 99.90 al 99.99% e può essere miscelato con altri metalli per formare leghe o può essere colato direttamente in forme.

Pericoli e loro prevenzione

I rischi principali sono l'esposizione alle polveri di minerale durante la lavorazione e la fusione del minerale, i fumi metallici (inclusi piombo, arsenico e antimonio) durante la fusione, l'anidride solforosa e il monossido di carbonio durante la maggior parte delle operazioni di fusione, il rumore delle operazioni di macinazione e frantumazione e dei forni e lo stress da calore dai forni.

Le precauzioni includono: LEV per le polveri durante le operazioni di trasferimento; scarico locale e ventilazione di diluizione per anidride solforosa e monossido di carbonio; un programma di controllo del rumore e di protezione dell'udito; e indumenti protettivi e scudi, pause di riposo e fluidi per lo stress da calore. La protezione respiratoria è comunemente indossata per proteggere da polveri, fumi e anidride solforosa. Il monitoraggio biologico del piombo è essenziale.

La tabella 2 elenca gli inquinanti ambientali per le varie fasi della fusione e raffinazione del piombo.

Tabella 2. Input di materiali di processo e output di inquinamento per la fusione e la raffinazione del piombo

Zinco

Il concentrato di zinco viene prodotto separando il minerale, che può contenere anche solo il 2% di zinco, dalla roccia di scarto mediante frantumazione e flottazione, un processo normalmente eseguito nel sito minerario. Il concentrato di zinco viene quindi ridotto a zinco metallico in due modi: pirometallurgicamente mediante distillazione (retorting in una fornace) o idrometallurgicamente mediante elettroestrazione. Quest'ultimo rappresenta circa l'80% della raffinazione totale dello zinco.

Quattro fasi di lavorazione sono generalmente utilizzate nella raffinazione idrometallurgica dello zinco: calcinazione, lisciviazione, purificazione ed elettroestrazione. La calcinazione, o tostatura, è un processo ad alta temperatura (da 700 a 1000 °C) che converte il concentrato di solfuro di zinco in un ossido di zinco impuro chiamato calcina. I tipi di girarrosto includono focolare multiplo, sospensione o letto fluido. In generale, la calcinazione inizia con la miscelazione di materiali contenenti zinco con carbone. Questa miscela viene quindi riscaldata, o arrostita, per vaporizzare l'ossido di zinco che viene quindi spostato fuori dalla camera di reazione con il flusso di gas risultante. Il flusso di gas viene diretto all'area del filtro a maniche dove l'ossido di zinco viene catturato nella polvere del filtro a maniche.

Tutti i processi di calcinazione generano anidride solforosa, che viene controllata e convertita in acido solforico come sottoprodotto di processo commerciabile.

Il trattamento elettrolitico del calcinato desolforato consiste in tre fasi fondamentali: lisciviazione, purificazione ed elettrolisi. La lisciviazione si riferisce alla dissoluzione del calcinato catturato in una soluzione di acido solforico per formare una soluzione di solfato di zinco. Il calcinato può essere lisciviato una o due volte. Nel metodo della doppia lisciviazione, il calcine viene sciolto in una soluzione leggermente acida per rimuovere i solfati. Il calcinato viene quindi lisciviato una seconda volta in una soluzione più forte che dissolve lo zinco. Questa seconda fase di lisciviazione è in realtà l'inizio della terza fase di purificazione perché molte delle impurità di ferro cadono dalla soluzione così come lo zinco.

Dopo la lisciviazione, la soluzione viene purificata in due o più stadi mediante l'aggiunta di polvere di zinco. La soluzione viene purificata poiché la polvere costringe gli elementi deleteri a precipitare in modo che possano essere filtrati. La purificazione viene solitamente condotta in grandi vasche di agitazione. Il processo avviene a temperature che vanno da 40 a 85°C e pressioni che vanno da quella atmosferica a 2.4 atmosfere. Gli elementi recuperati durante la purificazione includono il rame come torta e il cadmio come metallo. Dopo la purificazione la soluzione è pronta per la fase finale, l'elettrovincita.

L'elettroestrazione dello zinco avviene in una cella elettrolitica e comporta il passaggio di una corrente elettrica da un anodo in lega di piombo-argento attraverso la soluzione acquosa di zinco. Questo processo carica lo zinco sospeso e lo costringe a depositarsi su un catodo di alluminio immerso nella soluzione. Ogni 24-48 ore, ogni cella viene spenta, i catodi rivestiti di zinco rimossi e risciacquati e lo zinco rimosso meccanicamente dalle piastre di alluminio. Il concentrato di zinco viene quindi fuso e colato in lingotti ed è spesso puro fino al 99.995%.

Le fonderie di zinco elettrolitico contengono fino a diverse centinaia di celle. Una parte dell'energia elettrica viene convertita in calore, che aumenta la temperatura dell'elettrolita. Le celle elettrolitiche operano a temperature comprese tra 30 e 35°C a pressione atmosferica. Durante l'elettroestrazione, una parte dell'elettrolita passa attraverso le torri di raffreddamento per abbassarne la temperatura e far evaporare l'acqua che raccoglie durante il processo.

Pericoli e loro prevenzione

I pericoli principali sono l'esposizione a polveri di minerale durante la lavorazione e la fusione del minerale, fumi metallici (inclusi zinco e piombo) durante la raffinazione e la tostatura, anidride solforosa e monossido di carbonio durante la maggior parte delle operazioni di fusione, rumore da operazioni di frantumazione e macinazione e da fornaci, stress da calore da i forni e l'acido solforico ei rischi elettrici durante i processi elettrolitici.

Le precauzioni includono: LEV per le polveri durante le operazioni di trasferimento; scarico locale e ventilazione di diluizione per anidride solforosa e monossido di carbonio; un programma di controllo del rumore e di protezione dell'udito; indumenti protettivi e scudi, pause di riposo e fluidi per lo stress da calore; e LEV, DPI e precauzioni elettriche per i processi elettrolitici. La protezione respiratoria è comunemente indossata per proteggere da polveri, fumi e anidride solforosa.

La tabella 3 elenca gli inquinanti ambientali per le varie fasi della fusione e raffinazione dello zinco.

Tabella 3. Input di materiali di processo e output di inquinamento per la fusione e la raffinazione dello zinco

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