Утилизация отходов цветных металлов

Полупроводниковый лом: отходы производства электронной  промышленности.

Переработка цветных  металлов

 

В отечественной  литературе под цветными металлами  подразумевают в основном медь, цинк, кадмий, никель, кобальт и ртуть. Отдельно от цветных числятся легкие – натрий, калий, магний, кальций  и алюминий. Особую группу составляют благородные – золото, серебро  и платиноиды. В число редких включают многие d-металлы – титан, цирконий, тантал, ниобий, ванадий, многие из которых  в настоящее время перестали  оправдывать свое название (титан, ванадий). Группу рассеянных элементов образуют галлий, индий, таллий и некоторые f-металлы, к радиоактивным относятся природные  радий, уран, торий и сравнительно недавно полученные техногенные d - и f - элементы. Кстати, число техногенных элементов стремительно растет, и они тоже претендуют на выделение в особую группу.

Зарубежные  авторы делят металлы на две большие  группы железные и нежелезные (ferrous metals и nonferrous metals). Такого рода деление затушевывает элементы классификации и систематики, но зато оно отражает крайнюю степень смешанности металлов, которые используются в большинстве случаев в виде сплавов

 

Алюминий и его сплавы.

На основе легких металлов (кроме перечисленных  к ним относят также литий, бериллий, скандий и галлий) в  сочетании с кремнием и бором  получают твердые конструкционные, подшипниковые сплавы и жидкие сплавы – растворители и теплоносители.

Первым  этапом их утилизации является разделение кислотных и амфотерных компонентов  путем обработки расплавом щелочи в присутствии кислорода:

(Al, Ga, Ge, B, Si) + (NaOH, O₂) → NaAlO₂, NaGaO₂ NaBO₂, Na₂GeO₃, Na₂SiO₃

Вмещающим компонентом большинства легких сплавов является алюминий.

 

 

 

Остальные элементы содержатся в следующих  количествах (табл. 1).

Таблица 1. Состав алюминиевых  сплавов (%, остальное – алюминий)

Компонент Сплав	Медь	Железо	Магний	Марганец	Кремний
Дюралюминий	2,5 – 5,0	-	0,5 – 2,0	0,5 – 1,2	0,2 – 1,0
Магналий	-	-	10 – 30	-	-
Силумин	-	-	-	-	12 - 14
Склерон	3,0	до 0,5	-	0,6	до 0,5

Рост производства алюминия приводит к двух-трехкратному увеличению вторичных  ресурсов из-за роста отходов обработки  и широкого использования сплавов  в быту и для изготовления тары. В настоящее время вторичный  алюминий составляет 20% от объема производства. Основные вторичные ресурсы –  это тара, провода, стружка и вышедшие из строя детали, побочные красные  шламы (основа – железистые шпинели  алюминия), горные глинистые отходы, золы, шлаки и некоторые породоотвалы.

Основной  процесс утилизации алюминиевых  отходов – плавка в горизонтальной ванной печи с подачей лома непосредственно  в расплав и погружением его  с помощью прижимных валков во избежание переокисления. Однако проблема не только в окислении, а в том, что лом имеет сложный, разнообразный  и непостоянный состав. Помимо обычных  компонентов алюминиевых сплавов  лом может содержать значительные количества никеля, хрома, кальция и  титана. Иногда он содержит и неметаллы  – фосфор, серу, мышьяк и сурьму. Все это вызывает необходимость  его предварительной разделки (ручной, механической, магнитной и электродинамической), Эти операции не только позволяют  повысить содержание алюминия в ломе с 70 до 99%, но и удалить примеси, мешающие его последующей обработке и  снижающие качество вторичного металла.

Следует отметить, что чисто алюминиевые  материалы используются только в  электротехнике, а остальной алюминиевый  лом – это сплавы или механические сочетания с большим или меньшим  содержанием железа. Поэтому основная проблема утилизации алюминия – это  отделение черных сплавов. Значительная часть их отделяется во время предварительной  плавки.

Рафинирование алюминия производят в два этапа. На первом металл расплавляют на поверхности  искусственного тяжелого расплава (например, сульфида никеля, плотность которого 5,5 кг/дм³, температура плавления 8000°С), затем сливают расплав в конвертор, продувая кислород для удаления неметаллов и добавляя раскислители-шлакообразователи (Mg, B, Si) для восстановления остаточного Al₂O₃.

 

 

Медь и ее сплавы

Важнейшим среди тяжелых металлов по праву  считается медь. Как и алюминий, она является весьма энергоемким  металлом. Большая часть ее используется в электротехнике, где требуется  материал высокой степени чистоты, который может быть получен только электролитическим путем. Соответственно, и отходы ее отличаются высокой чистотой. Поэтому утилизация металлической  меди очень выгодна экономически.

Процесс состоит из трех стадий – разборка, черновая плавка и рафинирование. Первая стадия преследует цель отделения попутных металлов и неметаллических, в том  числе полимерных, компонентов, вторая позволяет получить металл 99%-ной  чистоты, третья – очистить до 99,99%. Основной источник вторичной меди – отходы обработки сплавов (табл. 2).

Таблица 2. Состав важнейших  сплавов меди

Компоненты Сплавы	Cu	Sn	Be	Al	Si	Zn	Ni	Mn
Бронзы:
Колокольная	80	20	-	-	-	-	-	-
Фосфористая	91	9	-	-	-	-	-	-
Бериллиевая	94	-	6	-	-	-	-	-
Алюминиевая	80	20	-	-	-	-	-	-
Кремнистая	98	-	-	-	2	-	-	-
Латуни:
Красная	80	-	-	-	-	20	-	-
Желтая	50	-	-	-	-	50	-	-
Белая	20	-	-	-	-	80	-	-
Прочие:
Константан	60	-	-	-	-	-	40	-
Никелин	56	-	-	-	-	13	31	-
Манганин	84	-	-	-	-	-	4	-
Нейзильбер	50	-	-	-	-	40	10	-
Монельметалл	30	-	-	-	-	-	70	-

Большинство вторичных сплавов  обрабатывают гидрометаллургическим  методом, переводя в раствор все  основные компоненты сплава и затем  выделяя их путем электролиза. Для  растворения чаще всего используют серную кислоту, а в качестве окислителей - кислород или дихромат калия:

3Cu + 7H₂SO₄ + K₂Cr₂O₇ = 3CuSO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO4 + 7H₂O

Недостатком этого метода является отсутствие селективности  при растворении компонентов  сплава, достоинством – высокая  скорость реакций и возможность  использовать электролиза как на стадиях выделения металлов, так и для регенерации хрома (VI).

Более приемлемым является селективный метод, при  котором растворение вначале  ведут без окислителя, переводя в  раствор менее благородные компоненты сплава (цинк, олово, никель, марганец, бериллий, алюминий), а затем отфильтрованный  осадок, содержащий медь, обрабатывают свежим раствором кислоты в присутствии  дихромата. Далее медь выделяют из раствора электролизом на медном катоде, после  чего заменяют катод, а этот раствор  снова подвергают электролизу с  целью регенерации хрома.

Другими источниками вторичной меди являются электропровода, автомобильный лом, отработанные катализаторы, травильные растворы, анодные шламы и плавильные шлаки. Каждый из этих видов отходов  перерабатывают отдельно, по особой технологии. Смешивание различных видов медного  сырья резко осложняет переработку. Напротив, для каждого существует свой метод предварительной, чаще всего  механической, разделки.

Переработка цветных  и редких металлов

 

Сплавы  кобальта, никеля, ванадия, молибдена  и алюминия. Их вначале растворяют в серной кислоте, а затем в  раствор добавляют горячую щелочь. При этом основные металлы (кобальт  и никель) образуют выпадающие в  осадок гидроксиды, а амфотерные (ванадий, молибден, алюминий) – растворимые  гидроксокомплексы:

(Co³⁺, Ni²⁺, V⁵⁺ Mo⁶⁺, Al³⁺) + NaOH + H₂O → Co(OH)₃↓ + Ni(OH)₂↓ + Na[V(OH)₆] + Na₂[Mo(OH)₈] + Na₃[Al(OH)₆].

Далее следует  фильтрация, после чего промытый осадок растворяют в серной кислоте, и раствор  сульфатов направляют на электролиз, а раствор осторожно нейтрализуют кислотой, выделяя и отфильтровывая последовательно осадки Al(OH)₃, V₂O₅·H₂O и MoO₃·H₂O.

 

Молибден из ламп накаливания

Из него изготавливают держатели вольфрамовых нитей. Дробленые отходы обрабатывают смесью серной и азотной кислот:

Mo + 2H₂SO₄ + 2HNO₃ = H₂MoO₄↓ + 2SO₂ + 2NO₂ + 2H₂O

 

 

 

Утилизация никеля и кобальта

Основная  доля этих металлов расходуется на легирование сталей и получение  химических и электрохимических  покрытий.

Никель  и кобальт из лома нержавеющих  сталей. Лом возвращают на металлургические заводы.

 

Утилизация свинца

Глобальная  проблема этого дорогого и очень  токсичного металла состоит в  том, что огромные количества его  расходуются и, к сожалению, безвозвратно теряются при работе бензиновых двигателей. Прочие виды свинцовых выбросов достаточно легко могут быть утилизированы  и обезврежены.

Свинец из лома аккумуляторов

В отработавших свой срок аккумуляторах свинец содержится в трех формах – Pb, PbO₂ и PbSO₄ . Все они достаточно эффективно могут быть переработаны путем плавки с восстановителем.

 

Свинец из стрельбищных почв

Гильзы  и пули достаточно легко разделить  механически. Далее следует механическое разделение почвы и металлов в  гидромеханических разделителях типа лотков или отсадочных машин. Полученные концентраты плавят или подвергают гидрохимической обработке азотной  и соляной кислотами.

Полученные  соли направляют на электролиз для  последовательного выделения цинка, свинца и меди.

 

Утилизация ртути

Использование ртути для производства промышленных и бытовых приборов приводит к  распылению ртути и к необходимости  ее утилизации.

Ртуть из скрапа

Под ртутьсодержащим  скрапом следует понимать лом  промышленных и бытовых приборов, содержащий металлическую ртуть (термометры, барометры, батарейки, ртутные выпрямители, переключатели, люминесцентные лампы  и т. п.). Такого рода материалы измельчают под водой и отмывают ртуть, собирая  ее в специальных углублениях  промывных емкостей. Небольшое количество ртути, содержащееся в растворе, осаждают в виде сульфида.

 

Утилизация титана

Титан из нержавеющих сталей и лома стали обычно направляют в переплавку, а лом – либо на получение ферротитана, либо в металлургический передел на раскисление металла:

2Fe₂O₃ + 3Ti = 3TiO₂ + 4Fe

Последнее сопровождается образованием титановых  шлаков.

 

Утилизация вольфрама

Это важнейший  компонент большинства тугоплавких  и жаростойких сплавов. В чистом виде используется для изготовления нитей ламп накаливания.