التكرير (علم المعادن)

كانت عملية التكليس إحدى الطرق القديمة لاستخلاص الفضة من الرصاص . تتضمن هذه العملية صهر عينات الرصاص غير النقية في وعاء التكليس، وهو وعاء صغير مسامي مصمم للتنقية، يساعد في عملية الأكسدة، ويتحمل في الوقت نفسه الحرارة اللازمة لصهر هذه المعادن في الفرن. يؤدي هذا التفاعل إلى أكسدة الرصاص إلى الليثارج ، بالإضافة إلى أي شوائب أخرى موجودة، بينما لا تتأكسد الفضة. ^{[ 1 ]}

في القرن الثامن عشر، كانت العملية تتم باستخدام نوع من الأفران العاكسة ، ولكنها تختلف عن النوع المعتاد في أن الهواء كان يُنفخ فوق سطح الرصاص المنصهر من خلال منفاخ أو (في القرن التاسع عشر) أسطوانات نفخ. ^{[ 2 ]}

حصل مخترع عملية باتينسون ، هيو لي باتينسون ، على براءة اختراعها عام 1833، ووصفها بأنها "طريقة محسّنة لفصل الفضة عن الرصاص" . استغلت هذه الطريقة حقيقة أن الرصاص المنصهر (الذي يحتوي على آثار من الفضة) هو أول معدن يتصلب من السائل، تاركًا السائل المتبقي أغنى بالفضة. تكونت معدات باتينسون من صف يصل إلى 13 وعاءً حديديًا، يُسخّن كل منها من الأسفل. يُوضع بعض الرصاص، الذي يحتوي بطبيعته على نسبة ضئيلة من الفضة، في الوعاء المركزي ويُذاب. ثم يُترك ليبرد. عندما يتصلب الرصاص، يُزال باستخدام مغارف حديدية كبيرة مثقبة ويُنقل إلى الوعاء التالي في اتجاه معين، ثم يُنقل المعدن المتبقي، الذي أصبح الآن أغنى بالفضة، إلى الوعاء التالي في الاتجاه المعاكس. تُكرر العملية من وعاء إلى آخر، فيتراكم الرصاص في الوعاء في أحد طرفي الصف، بينما يتراكم المعدن الغني بالفضة في الوعاء في الطرف الآخر. ^{[ 3 ] [ 4 ]} مستوى التخصيب الممكن محدود بمزيج الرصاص والفضة ، وعادةً ما تتوقف العملية عند حوالي 600 إلى 700 أونصة لكل طن (حوالي 2%)، لذلك يتم إجراء فصل إضافي عن طريق التكوير. ^{[ 5 ]}

كانت العملية اقتصادية بالنسبة للرصاص الذي يحتوي على 250 غرامًا على الأقل من الفضة لكل طن. ^{[ 2 ]}

تستخدم عملية باركس ، التي حصل ألكسندر باركس على براءة اختراعها عام 1850 ، الزنك المنصهر . لا يمتزج الزنك مع الرصاص، وعند مزج المعدنين المنصهرين، ينفصل الزنك ويطفو إلى السطح مع حوالي 2% من الرصاص. مع ذلك، يذوب الفضة بسهولة أكبر في الزنك، لذا تحمل الطبقة العليا من الزنك جزءًا كبيرًا من الفضة. يُبرّد المصهور بعد ذلك حتى يتصلب الزنك، ثم تُزال الخبث . بعد ذلك، تُستخلص الفضة عن طريق تبخير الزنك. ^{[ 2 ]} حلت عملية باركس محل عملية باتينسون إلى حد كبير، باستثناء الحالات التي يحتوي فيها الرصاص على كمية غير كافية من الفضة. في هذه الحالة، وفرت عملية باتينسون طريقة لإثرائه بالفضة إلى حوالي 40 إلى 60 أونصة لكل طن، وعند هذا التركيز يمكن معالجته باستخدام عملية باركس. ^{[ 6 ]}

كان المنتج الأولي لصهر النحاس عبارة عن نحاس غير نقي يُسمى "النحاس الفقاعي" ، والذي يحتوي على الكبريت والأكسجين. ولإزالة هذه الشوائب، كان يُصهر النحاس الفقاعي ويُصلّب بشكل متكرر، خاضعًا لدورة من الأكسدة والاختزال. ^{[ 7 ]} في إحدى مراحل الصهر السابقة، أُضيف الرصاص. وقد ذاب الذهب والفضة فيه بشكل تفضيلي، مما وفر وسيلة لاستخلاص هذه المعادن الثمينة. ولإنتاج نحاس أنقى مناسب لصنع صفائح النحاس أو الأواني المجوفة ، أُجريت عمليات صهر إضافية باستخدام الفحم كوقود. وقد مكّن التطبيق المتكرر لعمليات التكرير بالنار هذه من إنتاج نحاس بنسبة نقاء تتراوح بين 98.5% و99.5%.

يُستخلص أنقى أنواع النحاس بعملية التحليل الكهربائي ، باستخدام لوح من النحاس غير النقي كقطب موجب (أنود) وصفيحة رقيقة من النحاس النقي كقطب سالب (كاثود) . المحلول الإلكتروليتي عبارة عن محلول حمضي من كبريتات النحاس الثنائي. بتمرير التيار الكهربائي عبر الخلية، يذوب النحاس من القطب الموجب ويترسب على القطب السالب. مع ذلك، تبقى الشوائب إما في المحلول أو تتجمع على شكل رواسب غير قابلة للذوبان. لم تُصبح هذه العملية ممكنة إلا بعد اختراع الدينامو ؛ وقد استُخدمت لأول مرة في جنوب ويلز عام ١٨٦٩.

ينتج عن فرن الصهر الحديد الزهر ، الذي يحتوي على 4-5% من الكربون ، وعادةً ما يحتوي على بعض السيليكون . ولإنتاج حديد قابل للتشكيل، كانت هناك حاجة إلى عملية إضافية (تُعرف عادةً باسم التصفية ، وليس التكرير) . منذ القرن السادس عشر، كانت هذه العملية تُجرى في فرن تصفية . في نهاية القرن الثامن عشر، بدأ استبدال هذه العملية بعملية التكوير (في فرن التكوير )، والتي بدورها حلت محلها تدريجيًا عملية إنتاج الفولاذ الطري باستخدام عملية بسمر . ^{[ 8 ]}

يُستخدم مصطلح التكرير في سياق أضيق. فعملية التكرير الأصلية لهنري كورت لم تكن تُجدي إلا مع الحديد الزهر الأبيض كمادة خام ، وليس مع الحديد الزهر الرمادي الذي كان المادة الخام المعتادة في أفران التكرير. ولاستخدام الحديد الزهر الرمادي ، كانت هناك حاجة إلى عملية تكرير أولية لإزالة السيليكون. كان يُصهر الحديد الزهر في فرن ذي تدفق مستمر ، ثم يُصب في حوض. هذه العملية تُؤكسد السيليكون لتكوين خبث يطفو على سطح الحديد، ويُزال بخفض حاجز في نهاية الحوض. وكان ناتج هذه العملية معدنًا أبيض، يُعرف باسم الحديد المكرر أو الحديد المصفى .

لعزل المواد المعدنية النفيسة، تُستخدم عمليات التحلل الحراري و/أو التحلل المائي . في التحلل الحراري، تُفصل المنتجات المعدنية النفيسة عن المواد الأخرى بتصلبها في حالة انصهار لتُصبح رمادًا ، ثم تُسكب أو تُؤكسد . أما في التحلل المائي، فتُذاب المنتجات المعدنية النفيسة إما في الماء الملكي (المكون من حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك ) أو في محلول من حمض الهيدروكلوريك وغاز الكلور . بعد ذلك، يمكن ترسيب بعض المعادن أو اختزالها مباشرةً باستخدام ملح أو غاز أو مركب عضوي أو نيتروهيدرات . ثم تخضع هذه المعادن لمراحل تنقية أو يُعاد بلورتها . تُفصل المعادن النفيسة عن أملاحها المعدنية بالتكليس . تُحلل المواد المعدنية النفيسة مائيًا أولًا، ثم تُجهز حراريًا ( بالتحلل الحراري ) بعد ذلك. وتكون هذه العمليات أكثر إنتاجية عند استخدام محفزات قد تحتوي أحيانًا على معادن نفيسة. عند استخدام المحفزات، تتم إزالة المنتج المعاد تدويره في كل حالة ويتم تشغيله عدة مرات خلال الدورة.