Общие сведения о благородных металлах
Лекция 1. Общие сведения о благородных металлах.
К благородным металлам относятся золото, серебро и две триады металлов платиновой группы: рутений, родий, палладий — легкие и осмий, иридий, платина — тяжелые платиновые металлы.
Во всем мире дорожают добыча руд и получение из них цветных металлов, особенно благородных, в частности золота и серебра. К основным причинам этой тенденции относятся следующие:
-уменьшение запасов руд цветных и благородных металлов, увеличение затрат на добычу и производство этих металлов;
-расширение национальных и международных усилий по стабилизации и контролю цен на сырьевые ресурсы;
-необходимость обходиться собственными источниками сырья, особенно стратегическими;
выполнение международных и государственных требований по охране окружающей среды, в связи с чем удаление и захоронение отходов становятся все более затруднительными;
-быстрое увеличение цен на источники сырья и энергии, что делает рецикл отработанных продуктов и оборудования более эффективным, чем использование первичного сырья.
Следует отметить, что постоянно расширяется использование благородных металлов во многих областях науки и техники благодаря их уникальным физико-химическим свойствам. Особая роль благородных металлов обусловлена также их высокой ценой и влиянием на финансовую систему и внешние экономические связи. Металлургия благородных металлов довольно сложна. Поэтому специалисты в области благородных металлов должны хорошо ориентироваться в технологиях извлечения золота и серебра из первичного и вторичного сырья, должны знать обогащение, гидрометаллургию, пирометаллургию обработку металлов и другие процессы.
Рекомендуемые материалы
Золото наряду с серебром, медью и метеоритным железом является одним из первых металлов, известных человеку. Красивый желтый цвет, нахождение в природе в самородном состоянии, легкая обрабатываемость золота рано обратили на себя внимание первобытного человека, который стал добывать его уже в конце каменного века (8000—12000 лет до н.э.), используя для украшений и производства разных бытовых изделий. Золото было известно в Египте за 12 000 лет до н.э. и широко применялось там за 4000 лет до н.э.
Основные центры добычи золота в древние времена: Африка (Верхний Египет, Нубия), Малая и Средняя Азия, Испания, Кавказ, территории современных Венгрии, Чехии, Словакии, Румынии, Армении, Грузии, рудные районы Урала, Алтая, Казахстана, Сибири.
В древние века производство, добыча золота и серебра осуществлялись исключительно с применением ручного труда и примитивных способов дробления и толчения руд в ступах, истирания их жерновами из твердых горных пород и промывки на шлюзах с грубыми покрытиями для улавливания золота (каменные, деревянные, шкуры животных).
Из технических достижений того периода, дошедших до нашего времени, следует отметить плавку металлов, купелирование свинцового сплава для выделения из него золота и серебра, а также способ разделения золота и серебра кислотами. Кроме того, в древности (5 в. до н.э.) были известны способы извлечения золота, основанные на избирательном прилипании его к жировой поверхности.
С 1492 г., добыча золота и серебра заметно увеличивается и вводится ряд усовершенствований в способы их производства: гидравлическая промывка россыпей, мокрое измельчение руд в толчеях с последующей промывкой на шлюзах и в чанах, амальгамация.
Общее количество золота добытого в древние и средние века (до 1492 г.), оценивается ориентировочно величиной, превышающей 127 000 т.
Большое значение для быстрого роста производства золота имело промышленное использование с 1890 г. цианистого процесса извлечения золота из руд, открытого еще в 1843 г. русским ученым П.Р.Багратионом.
Этот высокоэффективный процесс получил быстрое распространение во всем мире и до настоящего времени является основным гидрометаллургическим методом извлечения золота и серебра из руд и концентратов.
В 20 в. мировая добыча золота развивалась неравномерно. После быстрого роста в начале века резкое падение добычи золота вызвала 1-я Мировая война 1914—18 гг. Уровень 1914г. был достигнут только в 1934 г. с последующим подъемом до 1940 г. Затем, в связи со 2-й Мировой войной (1939—45 гг.) вновь последовали резкое падение и медленный рост производства золота до 1970 г. В последующие годы мировая золотодобыча заметно снижается, но в 1982-99 гг. наблюдается тенденция к ее повышению.
Обращает на себя внимание резкий рост добычи золота в послевоенные годы в ЮАР, достигший в 1970 г. 1000,3 т, что составило около 80% мирового производства. В последующие годы добыча золота в ЮАР уменьшилась до 450—500 т в год . Следует отметить также большое сокращение производства золота в послевоенные годы в Канаде и США. В 1995—98 гг. производство золота, значительно возросло в связи с пуском ряда новых золотодобывающих предприятий в США, Канаде, Австралии, КНР и развитием золотодобычи в Индонезии, Папуа - Н.Гвинеи, где открыты новые значительные месторождения золота.
В настоящее время 1 -е место в мире по добыче золота занимает ЮАР, 2-е - США, 3-е - Австралия, 4-е - Канада, на 5-е место вышел Китай (табл. 1.).
Большая часть золота (94-98%) добывается при переработке руд, из россыпей — только 2,5—3%, попутно при выплавке цветных металлов извлекается 3,5—4,0%. Однако в передовых капиталистических странах попутное производство золота в цветной металлургии значительно выше: так, в Канаде оно составляет 20-25% (отн.), а в США - 25-30%.
Табл.1
Страна | 1990 | 1991 | 1992 | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 |
ЮАР | 605,1 | 601,1 | 614,1 | 619,5 | 583,9 | 522,4 | 494,6 | 492,5 | 464,4 | 449,5 |
США | 294,2 | 296,0 | 329,1 | 332,1 | 326,0 | 319,0 | 329,3 | 362,0 | 366,0 | 341,9 |
Австралия | 244,2 | 236,2 | 243,5 | 247,3 | 254,9 | 253,5 | 289,5 | 313,2 | 310,1 | 302,8 |
Канада | 167,4 | 175,3 | 160,4 | 153,1 | 146,4 | 150,3 | 164,7 | 171,5 | 164,3 | 157,9 |
Китай | 93,6 | 103,9 | 112,2 | 119,4 | 120,7 | 132,6 | 144,6 | 148,8 | 160,2 | 156,3 |
Индонезия | 17,6 | 24,4 | 45,9 | 52,2 | 55,3 | 74,1 | 92,5 | 101,6 | 139,1 | 154,5 |
Россия | - | - | 151,7 | 164,5 | 158,1 | 142,1 | 138,2 | 138,0 | 127,3 | 138,2 |
Перу | 14,6 | 15,1 | 18,0 | 27,4 | 39,3 | 57,4 | 64,8 | 74,8 | 91,2 | 127,4 |
Ўзбекистан | - | - | 63,0 | 65,4 | 65,0 | 66,6 | 78,3 | 81,7 | 80,4 | 85,9 |
Гана | 17,3 | 27,3 | 33,3 | 41,4 | 44,5 | 53,2 | 50,3 | 55,7 | 73,3 | 78,2 |
Бразилия | 84,1 | 78,6 | 76,5 | 75,7 | 73,4 | 67,4 | 64,2 | 59,1 | 54,7 | 54,1 |
Чили | 33,3 | 33,3 | 39,3 | 38,5 | 43,3 | 48,5 | 56,4 | 52,9 | 47,4 | 48,1 |
Аргентина | 1,2 | 1,6 | 1,6 | 1,3 | 1,2 | 1,0 | 0,9 | 2,5 | 20,1 | 35,0 |
Филиппины | 37,2 | 30,5 | 27,2 | 29,8 | 31,0 | 29,4 | 31,8 | 33,8 | 34,9 | 31,9 |
В последние годы повышение мирового спроса на золото способствовало формированию значительных запасов сырья, содержащих золото. Использование вторичных ресурсов в мировой экономике неуклонно растет. Запасы золота распределяются ориентировочно следующим образом: 60% составляют официальные резервы (в банках и казначействах), 20% - частная тезаврация (накопление) и 20% - в виде драгоценностей (ювелирные и художественные изделия) и промышленной продукции.
Из общего количества добываемого золота 35—65% идет на пополнение официальных резервов и 15-45% - в частную тезаврацию. Особая роль золота состоит в том, что оно является валютным металлом.
Когда золото находится в государственных фондах, оно сохраняет исключительно функцию мировых денег, служит международным платежным средством.
Роль золота в экономике остается чрезвычайно большой и в основном определяется его функцией мировых денег. Золото является конечным средством сольдирования (в заключении расчетов без остатка) платежных балансов и пока в этой функции ничем не может быть заменено.
Значительно возросло применение золота в промышленности, оборонной и космической технике и в других отраслях народного хозяйства (медицина, приборостроение). Золото и его сплавы применяются в самолето- и ракетостроении для защиты от окисления высокочувствительных элементов; при сварке и пайке жароупорных сплавов, где требуется особо высокая практичность и неокисляемость сварных швов: в ракетах, реактивных двигателях, ядерных реакторах, сверхзвуковых самолетах, космических аппаратах и др. Широко применяются покрытия из золота в электротехнике и электронике, при изготовлении различной радио- и рентгено-аппаратуры. В настоящее время на технические цели расходуется 10—15% добываемого золота.
В настоящее время перед металлургией золота стоят задачи более полного и комплексного извлечения металлов из руд и россыпей, которые успешно решаются путем внедрения эффективных методов переработки упорных сульфидных, мышьяковистых, сурьмянистых и углистых золотосодержащих руд и концентратов. Широко используется сорбционная технология извлечения золота непосредственно из пульп. Успешно развивается добыча попутного золота на предприятиях цветной металлургии.
Соотношение между видами добычи золота в странах СНГ составляло ориентировочно: рудное 50%, россыпное 40%, попутное в цветной металлургии 10%.
В настоящее время золотодобывающие предприятия по запасам, содержанию золота в рудах, объёму производству золота и себестоимости 1 грамма металла делятся на следующие группы (табл. 1)
таблица 1.
По запасам, т. | По содержанию золота в рудах, г/т | По объёму производства золота т/год | По себестоимости, 1 г. золота в долл. США |
Очень крупные ...>1000 | Очень богатые..... >10 | Очень крупные.>50 | Высоко рентабельные< 4 |
Крупные……….100 | Богатые..............5-10 | Крупные..........10-50 | Рентабельные..............4-6 |
Средние.........10-100 | Средние..............2-5 | Средние..............5-10 | Средней рентабельности...6-10 |
Мелкие .............1-10 | Бедные........0,5-2,0 | Малые..............1-5 | Мало рентабельные.....10-14 |
Очень мелкие....< 1 | Очень бедные.. <0,5 | Очень малые...... < 1 | Нерентабельные......> 14 |
Серебро, также как и золото, добывалось человеком с давних времен и широко использовалось для украшений, бытовой утвари и денежного обращения.
Главным потребителем серебра являются фото- и кинематография, рентгенография и другие отрасли использования фотоматериалов. Широко используется серебро в электротехнике, электронике, радиотехнике и связанных с ними отраслях машиностроения. Важным потребителем серебра являются ракетная, космическая и авиационная техника, военно-морской флот, производство серебро-цинковых и серебро-кадмиевых аккумуляторов, а также первичных источников тока. Большое количество серебра используется для изготовления припоев, в химической промышленности и в химическом машиностроении. В настоящее время более 70% серебра расходуется на промышленные цели., т.е. из металла, служившего главным образом для производства монет, украшений и бытовой утвари, серебро превратилось в «промышленный» металл.
Основными потребителями серебра являются (т/год): США 3500-4500; ФРГ 1400-1500; Япония 1800-3200; Италия 900-1100; Англия 700—850; Франция 450—600. На долю этих стран приходится около 85% серебра, потребляемого в промышленности.
В мировом производстве серебра 80% его добывается попутно при переработке руд и концентратов цветных металлов и лишь около 20% — при эксплуатации серебряных месторождений. Соотношение между ценами на золото и серебро на международном рынке в настоящее время составляет (35—40) : 1.
Платиновые металлы вследствие высокой коррозионной стойкости и способности сохранять неизменными свойства даже в самых трудных условиях работы (ценные специфические физические и химические свойства) находят все более широкое применение в народном хозяйстве. До 2-й Мировой войны около 60% платины потреблялось в ювелирном деле и медицине. После 2-й Мировой войны доля платины, используемой в этих областях, снизилась до 8—10%. Наряду с этим существенно возросло потребление платиновых металлов для промышленных целей.
Основными потребителями платиновых металлов являются химическая, нефтеперерабатывающая, электротехническая и автомобильная промышленности, а также стекольная промышленность, приборостроение и оборонная промышленность.
В химических лабораториях платина применяется для изготовления лабораторной посуды и аппаратов. В некоторых электротехнических производствах она используется в качестве нерастворимых анодов, например, в производстве перекиси водорода, перхлоратов и др. В виде покрытий платина и палладий применяются при изготовлении реакторов, специальных сосудов и аппаратов.
В химической промышленности платина и палладий в виде губки, черни, сетки, проволоки, листа и в коллоидной форме применяются в качестве катализаторов в неорганической и органической технологиях. Их применяют при синтезе аммиака из азота и водорода с последующим окислением его в азотную кислоту, для реакций гидрогенизации и дегидрогенизации органических веществ, восстановления нитросоединений и галогенидов, в производстве серной кислоты контактным способом, при получении синильной кислоты и др.
В качестве катализаторов применяются также сплавы платины с палладием, родием, иридием и рутением.
Широко используются платиновые металлы в качестве катализаторов в нефтеперерабатывающей промышленности для производства высококачественного моторного топлива и ряда синтетических продуктов, в крекинг- и риформинг-процессах, для очистки от серы и пр.
В электротехнической промышленности, электронике и приборостроении платина, платиновые металлы и их сплавы применяются при изготовлении контактов, электросопротивлений, потенциометров, плавких предохранителей, электродов рентгеновских трубок, аппаратов связи, деталей астрономических приборов и др. Термопары из платины и ее сплавов с родием применяются для длительных измерений высоких температур (1300-1800 °С). Сплав, состоящий из 40% Ir и 60% Rh, пригоден для измерения весьма высоких температур — до 2000—2300 0С.
Рутений применяется в приборостроении при изготовлении деталей, требующих весьма высокой прочности. Сплавы осмия с иридием отличаются большой твердостью и идут на изготовление точных измерительных инструментов — астрономических и мореходных. Сплавы платины с кобальтом используются для получения мощных постоянных магнитов.
В стекольной промышленности платину и ее сплавы с родием применяют при изготовлении оптического стекла высокой степени чистоты, не содержащего примесей железа. Платиновые ме таллы используются также в производстве фильер для волочения стеклянного волокна, толщина нитей которого иногда не превышает 1 мкм.
Новой областью потребления платиновых металлов с 1972 г. является автомобильная промышленность, где эти металлы используются для оснащения автомобилей специальными устройствами по очистке выхлопных газов от вредных примесей. Средний расход платины на изготовление одного фильтра нейтрализатора (70% Р1 и 30% Рd) составляет 2,1 г. В США с 1975 по 1983 гг. на производство фильтров-нейтрализаторов израсходовано 186 т платиновых металлов, из них свыше 80% (156 т) содержится в устройствах, которыми оборудованы находящиеся в эксплуатации автомобили.
Важную роль играют платиновые металлы в ракетной и космической технике, а также в разных отраслях оборонной промышленности.
В медицине платину и ее сплавы применяют для изготовления игл, шприцев, наконечников и других деталей, а также некоторых медикаментов. Палладий используется для зубных протезов (за рубежом).
Рекомендуем посмотреть лекцию "Раны прямой кишки".
Родий, иридий, рутений и осмий, как правило, применяются в сплавах с платиной и палладием. В основном эти металлы используются в химической промышленности.
Из иридия изготовляют тигли, выдерживающие температуру до 2300 °С. Стойки электрохимические и химические покрытия из иридия толщиной менее 0,1 мм. Радиоактивный изотоп иридия 192Ir используется в γ-дефектоскопии.
Палладий и рутений значительно дешевле платины и используются в качестве заменителей ее, где это возможно.
Данные о потреблении платины и палладия приведены в табл. . — .