Ionometallurgy
ખનીજ પ્રક્રિયા અને ધાતુઓનું નિષ્કર્ષણ એ ખૂબ જ ઊર્જા-સઘન પ્રક્રિયાઓ છે, જેને નક્કર અવશેષો અને ગંદાપાણીના મોટા જથ્થાના ઉત્પાદનમાંથી મુક્તિ આપવામાં આવી નથી, જેને વધુ પ્રક્રિયા અને નિકાલ માટે ઊર્જાની પણ જરૂર પડે છે. વધુમાં, જેમ જેમ ધાતુઓની માંગ વધે છે તેમ તેમ ધાતુવિજ્ઞાન ઉદ્યોગે પ્રાથમિક (દા. ત. ખનિજ અયસ્ક) અને/અથવા ગૌણ (દા. ત. સ્લેગ્સ, ટેલિંગ્સ, મ્યુનિસિપલ કચરો) કાચી સામગ્રીમાંથી ઓછી ધાતુ સામગ્રી ધરાવતા સામગ્રીના સ્રોતો પર આધાર રાખવો જોઈએ. પરિણામે, ખાણકામની પ્રવૃત્તિઓ અને કચરાના રિસાયક્લિંગે વધુ પસંદગીયુક્ત, કાર્યક્ષમ અને પર્યાવરણને અનુકૂળ ખનિજ અને ધાતુ પ્રક્રિયા માર્ગો વિકસાવવા તરફ વિકસાવવું જોઈએ. રસના ખનિજ તબક્કાઓને કેન્દ્રિત કરવા અને નિર્ધારિત કાચા માલ સાથે ભૌતિક અથવા રાસાયણિક રીતે સંકળાયેલી અનિચ્છનીય સામગ્રીને નકારી કાઢવા માટે પ્રથમ ખનિજ પ્રક્રિયાની કામગીરી જરૂરી છે. જોકે, આ પ્રક્રિયામાં આશરે 30 જીજે/ટન ધાતુની માંગ થાય છે, જે યુએસએમાં ખાણકામ પર ખર્ચવામાં આવતી કુલ ઊર્જાનો લગભગ 29 ટકા હિસ્સો ધરાવે છે. દરમિયાન, પાયરોમેટાલર્જી એ ગ્રીનહાઉસ વાયુ ઉત્સર્જન અને હાનિકારક ફ્લુ ધૂળના નોંધપાત્ર ઉત્પાદક છે. હાઈડ્રોમેટલર્જીમાં એચ2એસઓ4, એચસીએલ, કેસીએન, એનએસીએન જેવા લિક્સિવિએન્ટ્સના મોટા જથ્થાનો વપરાશ થાય છે, જે નબળી પસંદગી ધરાવે છે. વધુમાં, પર્યાવરણીય ચિંતા અને કેટલાક દેશો દ્વારા લાદવામાં આવેલા ઉપયોગ પ્રતિબંધ હોવા છતાં, અયસ્કમાંથી સોનું પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટે સાયનિડેશનને હજુ પણ મુખ્ય પ્રક્રિયા તકનીક માનવામાં આવે છે. ઓછી આર્થિક રીતે વિકસિત દેશોમાં કારીગરોના ખાણિયાઓ દ્વારા તેની સ્પષ્ટ ઝેરી હોવા છતાં, ખનિજોમાંથી સોના અને ચાંદીને કેન્દ્રિત કરવા માટે પણ પારાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. બાયો-હાઈડ્રો-મેટલર્જી બેક્ટેરિયા અને ફૂગ જેવા જીવંત જીવોનો ઉપયોગ કરે છે, અને જો કે આ પદ્ધતિ માત્ર વાતાવરણમાંથી અને તેમાંથી ઇનપુટની માંગ કરે છે, તેને ઓછા ઘન-થી-પ્રવાહી ગુણોત્તર અને લાંબા સંપર્ક સમયની જરૂર પડે છે, જે નોંધપાત્ર રીતે અવકાશ-સમયની ઉપજમાં ઘટાડો કરે છે. આયનોમેટાલર્જી આયનીય પ્રવાહી (આઇએલએસ) અને ઊંડા યુટેક્ટિક દ્રાવકો (ડીઇએસ) જેવા બિન-જલીય આયનીય દ્રાવકોનો ઉપયોગ કરે છે, જે બંધ-લૂપ ફ્લો શીટના વિકાસને ધાતુઓને અસરકારક રીતે પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટે પરવાનગી આપે છે, ઉદાહરણ તરીકે, લીચિંગ અને ઇલેક્ટ્રોઇનિંગની ધાતુકર્મ એકમ કામગીરીને એકીકૃત કરીને. તે બિન-જલીય વાતાવરણમાં મધ્યમ તાપમાને ધાતુઓ પર પ્રક્રિયા કરવાની મંજૂરી આપે છે જે ધાતુના વિશિષ્ટતાને નિયંત્રિત કરવાની મંજૂરી આપે છે, અશુદ્ધિઓને સહન કરે છે અને તે જ સમયે યોગ્ય દ્રાવ્યતા અને વર્તમાન કાર્યક્ષમતા દર્શાવે છે. આ પરંપરાગત પ્રક્રિયા માર્ગોને સરળ બનાવે છે અને ધાતુ પ્રક્રિયા પ્લાન્ટના કદમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરવાની મંજૂરી આપે છે. આયનીય પ્રવાહી સાથે ધાતુના નિષ્કર્ષણ DES એ પ્રવાહી છે જે સામાન્ય રીતે બે કે ત્રણ સસ્તા અને સલામત ઘટકોથી બનેલું હોય છે જે સ્વ-જોડાણ માટે સક્ષમ હોય છે, ઘણીવાર હાઇડ્રોજન બોન્ડ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા, દરેક વ્યક્તિગત ઘટક કરતા ઓછા ગલનબિંદુ સાથે યુટેક્ટિક મિશ્રણ રચવા માટે. ડીઇએસ સામાન્ય રીતે 100 ડિગ્રી સેલ્સિયસ કરતા ઓછા તાપમાને પ્રવાહી હોય છે, અને તેઓ પરંપરાગત આઇએલએસ જેવા જ ભૌતિક-રાસાયણિક ગુણધર્મો દર્શાવે છે, જ્યારે તે ખૂબ સસ્તા અને પર્યાવરણને અનુકૂળ હોય છે. તેમાંના મોટા ભાગના કોલિન ક્લોરાઇડ અને હાઇડ્રોજન-બોન્ડ ડોનર (દા. ત. યુરિયા, ઇથિલિન ગ્લાયકોલ, મેલોનિક એસિડ) ના મિશ્રણ અથવા હાઇડ્રેટેડ મેટલ સોલ્ટ સાથે કોલિન ક્લોરાઇડના મિશ્રણ છે. અન્ય કોલીન ક્ષાર (દા. ત.) એસિટેટ, સાઇટ્રેટ, નાઇટ્રેટ) નો ખર્ચ ઘણો વધારે હોય છે અથવા તેનું સંશ્લેષણ કરવાની જરૂર હોય છે, અને આ એનાયનોમાંથી ઘડવામાં આવેલ DES સામાન્ય રીતે વધુ ચીકણું હોય છે અને કોલિન ક્લોરાઇડ કરતાં વધુ વાહકતા ધરાવે છે. આના પરિણામે પ્લેટિંગ દર ઓછો થાય છે અને ફેંકવાની શક્તિ નબળી પડે છે અને આ કારણોસર ક્લોરાઇડ આધારિત DES પ્રણાલીઓ હજુ પણ પસંદ કરવામાં આવે છે. દાખલા તરીકે, મિશ્ર ધાતુના ઓક્સાઇડ મેટ્રિક્સમાંથી Zn અને Pb ને પસંદગીયુક્ત રીતે પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટે રેલાઇન (કોલિન ક્લોરાઇડ અને યુરિયાનું 1:2 મિશ્રણ) નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. તેવી જ રીતે, એથલીન (કોલિન ક્લોરાઇડ અને ઇથિલિન ગ્લાયકોલનું 1:2 મિશ્રણ) સ્ટીલના ઇલેક્ટ્રોપોલિશિંગમાં ધાતુના વિસર્જનને સરળ બનાવે છે. DES એ Cu/Zn અને Ga/AS જેવા જટિલ મિશ્રણમાંથી ધાતુઓ અને ખનિજોમાંથી કિંમતી ધાતુઓ પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટે આશાસ્પદ પરિણામો પણ દર્શાવ્યા છે. એવું પણ દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે ડિઇએસના મિશ્રણનો ઉપયોગ કરીને વિદ્યુત ઉત્પ્રેરણ દ્વારા જટિલ મિશ્રણમાંથી ધાતુઓ પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય છે, જ્યારે ધાતુના આયનોને એક સાથે ઇલેક્ટ્રોઇનિંગ દ્વારા દ્રાવણથી અલગ કરી શકાય છે. આયનોમેટાલર્જી દ્વારા કિંમતી ધાતુઓની પુનઃપ્રાપ્તિ કિંમતી ધાતુઓ દુર્લભ છે, કુદરતી રીતે ઉચ્ચ આર્થિક મૂલ્યના ધાતુના રાસાયણિક ઘટકો જોવા મળે છે. રાસાયણિક રીતે, કિંમતી ધાતુઓ મોટાભાગના તત્વો કરતાં ઓછી પ્રતિક્રિયાશીલ હોય છે. તેમાં સોના અને ચાંદીનો સમાવેશ થાય છે, પરંતુ કહેવાતી પ્લેટિનમ જૂથની ધાતુઓ પણ છેઃ રુથેનિયમ, રોડિયમ, પેલેડિયમ, ઓસ્મિયમ, ઇરિડિયમ અને પ્લેટિનમ (કિંમતી ધાતુઓ જુઓ). તેમના અનુરૂપ આશ્રયદાતા ખનિજોમાંથી આ ધાતુઓના નિષ્કર્ષણ માટે સામાન્ય રીતે પાયરોમેટાલર્જી (દા. ત., શેકવું), હાઇડ્રોમેટાલર્જી (સાયનિડેશન), અથવા પ્રક્રિયા માર્ગો તરીકે બંનેની જરૂર પડે છે. પ્રારંભિક અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે એથલીનમાં સોનાના વિસર્જનનો દર સાયનિડેશન પદ્ધતિ સાથે ખૂબ જ અનુકૂળ રીતે સરખાવે છે, જે ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે આયોડિનના ઉમેરા દ્વારા વધુ વધારવામાં આવે છે. ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયામાં આયોડિનમાં વિદ્યુત ઉત્પ્રેરક તરીકે ઉપયોગમાં લેવાની ક્ષમતા હોય છે, જેના દ્વારા તે વિદ્યુતરાસાયણિક કોષના એનોડ પર વિદ્યુતરાસાયણિક ઓક્સિડેશન દ્વારા ઘટાડેલા આયોડાઇડમાંથી સતત પુનઃપ્રાપ્ત થાય છે. ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલને સમાયોજિત કરીને ઓગળેલી ધાતુઓને કેથોડ પર પસંદગીયુક્ત રીતે જમા કરી શકાય છે. આ પદ્ધતિ વધુ સારી પસંદગીને પણ મંજૂરી આપે છે કારણ કે ગેંગના ભાગ (દા. ત., પાઇરાઇટ) વધુ ધીમે ધીમે ઓગળી જાય છે. સ્પેરિલાઇટ (પી. ટી. એ. એસ. 2) અને મોનચાઇટ (પી. ટી. ટી. ઈ. 2), જે સામાન્ય રીતે ઘણા ઓર્થોમેગ્મેટિક થાપણોમાં વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં પ્લેટિનમ ખનિજો છે, તે એથેલિનમાં સમાન પરિસ્થિતિઓમાં પ્રતિક્રિયા આપતા નથી કારણ કે તે ડાયસલ્ફાઇડ (પાયરાઇટ), ડાયર્સેનાઇડ (સ્પેરિલાઇટ) અથવા ડાયટેલુરાઇડ્સ (કેલવેરાઇટ અને મોનચાઇટ) ખનિજો છે, જે ખાસ કરીને આયોડિન ઓક્સિડેશન માટે પ્રતિરોધક છે. પ્લેટિનમ ખનિજોના વિસર્જનની પ્રતિક્રિયા પદ્ધતિ હજુ પણ તપાસ હેઠળ છે. આયનોમેટાલર્જી સાથે સલ્ફાઇડ ખનિજોમાંથી ધાતુની પુનઃપ્રાપ્તિ ધાતુના સલ્ફાઇડ્સ (દા. ત., પાયરાઇટ ફે. એસ. 2, આર્સેનોપાયરાઇટ ફે. એ. એસ. એસ., કેલ્કોપાયરાઇટ ક્યુ. એફ. ઇ. એસ. 2) સામાન્ય રીતે જલીય માધ્યમોમાં અથવા ઊંચા તાપમાને રાસાયણિક ઓક્સિડેશન દ્વારા પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે. હકીકતમાં, મોટાભાગની આધાર ધાતુઓ, દા. ત. એલ્યુમિનિયમ, ક્રોમિયમ, રાસાયણિક રીતે ઊંચા તાપમાને ઘટાડવી જોઈએ, જેના દ્વારા પ્રક્રિયામાં ઊર્જાની ઊંચી માંગ થાય છે, અને કેટલીકવાર મોટા પ્રમાણમાં જલીય કચરો પેદા થાય છે. દાખલા તરીકે, જલીય માધ્યમોમાં, સપાટીની અસરો (પોલિસલ્ફાઇડ પ્રજાતિઓની રચના) ને કારણે કોવેટેલાઇટ અને ચાલ્કોસાઇટ કરતાં ચાલ્કોપાયરાઇટને રાસાયણિક રીતે વિસર્જન કરવું વધુ મુશ્કેલ છે. સીએલ-આયનોની હાજરી રચાયેલી કોઈપણ સલ્ફાઇડ સપાટીના આકારવિજ્ઞાનને બદલવા માટે સૂચવવામાં આવી છે, જે નિષ્ક્રિયતાને અટકાવીને સલ્ફાઇડ ખનિજને વધુ સરળતાથી લીચ કરવાની મંજૂરી આપે છે. ડીઇએસ ઉચ્ચ સીએલ-આયન સાંદ્રતા અને પાણીની ઓછી માત્રા પ્રદાન કરે છે, જ્યારે મોટાભાગના ઓક્સાઇડ રસાયણશાસ્ત્રને અવગણીને ઉચ્ચ વધારાના મીઠું અથવા એસિડ સાંદ્રતાની જરૂરિયાત ઘટાડે છે. આમ, સલ્ફાઇડ ખનિજોના ઇલેક્ટ્રોડિસોલ્યુશને નિષ્ક્રિય સ્તરોની ગેરહાજરીમાં DES માધ્યમોમાં આશાસ્પદ પરિણામો દર્શાવ્યા છે, જેમાં ધાતુના આયનોના દ્રાવણમાં મુક્ત થાય છે જે દ્રાવણમાંથી પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય છે. ઇથાલિન સાથે કોપર સલ્ફાઇડ ખનિજોમાંથી તાંબાના નિષ્કર્ષણ દરમિયાન, ચેલકોસાઇટ (ક્યુ 2 એસ) અને કોવેટેલાઇટ (ક્યુ એસ) પીળા દ્રાવણનું ઉત્પાદન કરે છે, જે સૂચવે છે કે [ક્યુસીએલ 4] 2− સંકુલ રચાય છે. દરમિયાન, કેથોડ પર ઘટતી ફે2 + પ્રજાતિઓના ઉત્પાદનને કારણે ચાલ્કોપાયરાઇટમાંથી બનેલા દ્રાવણમાં, ક્યુ2 + અને ક્યુ + પ્રજાતિઓ દ્રાવણમાં સહ-અસ્તિત્વ ધરાવે છે. 20 ડબલ્યુ. ટી.% સી. એચ. સી. એલ.-ઓક્સાલિક એસિડ અને 80 ડબલ્યુ. ટી.% એથેલિનના મિશ્ર ડી. ઈ. એસ. સાથે ચાલ્કોપાયરાઇટમાંથી તાંબાની (> 97 ટકા) શ્રેષ્ઠ પસંદગીયુક્ત પુનઃપ્રાપ્તિ મેળવી શકાય છે. આયનોમેટાલર્જી સાથે ઓક્સાઇડ સંયોજનોમાંથી ધાતુની પુનઃપ્રાપ્તિ ઓક્સાઇડ મેટ્રિક્સમાંથી ધાતુઓની પુનઃપ્રાપ્તિ સામાન્ય રીતે ખનિજ એસિડનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. જો કે, DES માં ધાતુના ઓક્સાઇડનું વિદ્યુતરાસાયણિક વિસર્જન pH તટસ્થ દ્રાવણમાં 10,000 ગણાથી વધુ વિઘટનને વધારવાની મંજૂરી આપી શકે છે. અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે ઝેડએનઓ જેવા આયનીય ઓક્સાઇડમાં સીએચસીએલઃ મેલોનિક એસિડ, સીએચસીએલઃ યુરિયા અને એથલીનમાં ઉચ્ચ દ્રાવ્યતા હોય છે, જે જલીય એસિડિક દ્રાવણમાં દ્રાવ્યતા જેવી હોઈ શકે છે, દા. ત. એચસીએલ. જોકે, ટી. આઈ. ઓ. 2 જેવા કોવેલન્ટ ઓક્સાઇડ લગભગ કોઈ દ્રાવ્યતા દર્શાવતા નથી. ધાતુના ઓક્સાઇડનું વિદ્યુતરાસાયણિક વિસર્જન એચ. બી. ડી. માંથી પ્રોટોન પ્રવૃત્તિ પર ભારપૂર્વક નિર્ભર છે, એટલે કે. ઓક્સિજન સ્વીકારનારા તરીકે અને તાપમાન પર કાર્ય કરવા માટે પ્રોટોનની ક્ષમતા. એવું નોંધવામાં આવ્યું છે કે નીચા પીએચ-મૂલ્યોના યુટેક્ટિક આયનીય પ્રવાહી, જેમ કે સીએચસીએલઃ ઓક્સાલિક એસિડ અને સીએચસીએલઃ લેક્ટિક એસિડ, ઉચ્ચ પીએચ (દા. ત., સીએચસીએલઃ એસિટિક એસિડ) કરતાં વધુ સારી દ્રાવ્યતાને મંજૂરી આપે છે. તેથી, દાખલા તરીકે, એચ. બી. ડી. તરીકે વિવિધ કાર્બોક્સિલિક એસિડનો ઉપયોગ કરીને વિવિધ દ્રાવ્યતાઓ મેળવી શકાય છે. આઉટલુક હાલમાં, વ્યવહારુ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પરિસ્થિતિઓમાં મોટાભાગના આયનીય પ્રવાહીની સ્થિરતા અજ્ઞાત છે, અને આયનીય પ્રવાહીની મૂળભૂત પસંદગી હજુ પણ પ્રયોગમૂલક છે કારણ કે દ્રાવ્યતા અને વિશિષ્ટતા મોડેલોમાં ફીડ કરવા માટે ધાતુ આયન થર્મોડાયનેમિક્સ પર લગભગ કોઈ માહિતી નથી. ઉપરાંત, ત્યાં કોઈ પૌર્બાઇક્સ આકૃતિઓ ઉપલબ્ધ નથી, કોઈ પ્રમાણભૂત રેડોક્સ સંભવિતતા નથી, અને વિશિષ્ટતા અથવા પીએચ-મૂલ્યોનું ખુલ્લું જ્ઞાન છે. એ નોંધવું આવશ્યક છે કે આયનીય પ્રવાહી સાથે સંકળાયેલા સાહિત્યમાં નોંધાયેલી મોટાભાગની પ્રક્રિયાઓમાં ટેકનોલોજી રેડીનેસ લેવલ (ટી. આર. એલ.) 3 (પ્રાયોગિક પ્રૂફ-ઓફ-કન્સેપ્ટ) અથવા 4 (પ્રયોગશાળામાં માન્ય ટેકનોલોજી) હોય છે, જે ટૂંકા ગાળાના અમલીકરણ માટે ગેરલાભ છે. જો કે, આયનોમેટાલર્જીમાં વધુ પસંદગીયુક્ત અને ટકાઉ રીતે ધાતુઓને અસરકારક રીતે પુનઃપ્રાપ્ત કરવાની ક્ષમતા છે, કારણ કે તે પર્યાવરણીય રીતે સૌમ્ય દ્રાવકો, ગ્રીનહાઉસ વાયુ ઉત્સર્જનમાં ઘટાડો અને સડો કરતા અને હાનિકારક રીએજન્ટ્સને ટાળવા પર વિચાર કરે છે. સંદર્ભો ધાતુશાસ્ત્ર