Pirometallurgia

La pirometallurgia è uno dei tre metodi principali usati in metallurgia per estrarre metalli dai rispettivi minerali; si basa sull'utilizzo di temperature elevate nelle varie lavorazioni. Le altre branche sono la idrometallurgia (basata su processi chimici in soluzione acquosa) e la elettrometallurgia (che sfrutta processi elettrochimici).^{[1][2][3][4][5]} I trattamenti pirometallurgici possono arrivare al metallo puro, o altrimenti possono fornire composti intermedi o leghe da utilizzare in processi successivi. ferro, rame, nichel, zinco, cromo, stagno, e piombo sono alcuni esempi di metalli estratti con metodi pirometallurgici.^[2]

I processi pirometallurgici in genere prevedono queste fasi principali:^[2]

• Trattamento del minerale iniziale per formare composti differenti
• Arricchimento o separazione del composto di interesse in alcune fasi
• Riduzione a metallo
• Raffinazione

Durante queste fasi di lavorazione sono impiegati processi termici differenti. I principali sono:

• Calcinazione
• Arrostimento
• Fusione
• Riduzione metallotermica
• Raffinazione

La maggior parte dei processi pirometallurgici richiede energia per sostenere la temperatura alla quale avviene il processo. Questa energia è di solito fornita da una combustione o da un riscaldamento elettrico. In alcuni casi nel materiale da trattare si produce una reazione esotermica sufficiente a sostenere la temperatura senza l'aggiunta di ulteriore combustibile o di riscaldamento elettrico; si dice allora che il processo è "autogeno". Ad esempio il trattamento di alcuni solfuri minerali sfrutta l'esotermicità della loro combustione.

Lo stesso argomento in dettaglio: Calcinazione.

La calcinazione è la decomposizione termica di un materiale solido. Due esempi tipici sono la calcinazione del carbonato di calcio per ottenere calce viva (CaO) e del solfato di calcio diidrato per ricavare scagliola (CaSO₄·½H₂O):

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

CaSO₄·2H₂O(s) → CaSO₄·½H₂O(s) + 3½H₂O(g)

I processi di calcinazione sono condotti in fornaci di vario tipo, come forni a tino, forni rotativi e reattori a letto fluidizzato.

Lo stesso argomento in dettaglio: Arrostimento.

L'arrostimento è il trattamento termico di un minerale per produrre una reazione solido-gas. Il caso più comune è l'arrostimento di solfuri minerali.^[1] In presenza di aria e a temperatura elevata, l'ossigeno reagisce con il solfuro minerale per formare diossido di zolfo (gassoso) e l'ossido del metallo (solido). A seconda delle condizioni usate si possono avere prodotti differenti. Ad esempio il solfuro di zinco trattato ad alta temperatura con un eccesso di ossigeno forma ossido di zinco:

2ZnS(s) + 3O₂(g) (eccesso) ${\displaystyle {\ce {->[{\text{800-900 °C}}]}}}$ 2ZnO(s) + 2SO₂(g)

mentre trattato a più bassa temperatura con una quantità limitata di ossigeno forma il solfato di zinco:^[1]

ZnS(s) + 2O₂(g) ${\displaystyle {\ce {->[{\text{600-700 °C}}]}}}$ ZnSO₄(s)

Durante la fusione avvengono reazioni chimiche nelle quali almeno un componente è allo stato liquido. Vari ossidi dei metalli possono essere ridotti per riscaldamento con carbone coke. Un esempio è la riduzione di diossido di stagno, dove lo stagno metallico si forma allo stato liquido:^[4]

SnO₂(s) + 2C(s) → Sn(l) + 2CO(g)

Questo tipo di trattamento si basa sull'utilizzo di un metallo fortemente riducente per assicurare l'esotermicità della reazione. Alcuni esempi sono la riduzione del tetracloruro di titanio nel processo Kroll e la riduzione del cloruro di rubidio:^[1][4]

2Mg(l) + TiCl₄(g) → 2MgCl₂(l) + Ti(s)

Ca(l) + 2RbCl(l) → CaCl₂(l) + 2Rb(g)

Lo stesso argomento in dettaglio: Raffinazione (metallurgia).

I processi di raffinazione di tipo pirometallurgico possono essere diversissimi a seconda del metallo che si sta isolando e dalla purezza che si vuole ottenere. Esistono sia metodi fisici (tra i quali liquazione, fusione a zona, distillazione, filtrazione) e metodi chimici (ad esempio ossidazione, clorurazione); questi ultimi sono più spesso usati per rimuovere le impurezze.

• (EN) F. Habashi, Recent Trends in Extractive Metallurgy, in Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy, vol. 45, n. 1, 2009, pp. 1-13, DOI:10.2298/JMMB0901001H.
• (EN) J. Krüger, J. Reisener, M. Reuter e K. Richter, Metallurgy, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2002, DOI:10.1002/14356007.a16_375.
• (EN) M. S. Silberberg e P. Amateis, Chemistry: the molecular nature of matter and change, 7ª ed., New York, McGraw-Hill, 2015, ISBN 978–0–07–351117–7.
• T. W. Swaddle, Inorganic chemistry: an industrial and environmental perspective, Elsevier, 1997, ISBN 0-12-678550-3.
• Treccani, Pirometallurgìa, su Vocabolario on line, 2017. URL consultato il 19 settembre 2017.

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