استخراج سرب از گالنا — فلز ذوب‌شده‌ی قدیمی‌ترین بشریت

SAFETY WARNING: سرب یک نوروتوکسین تجمعی است. سرب در استخوان‌ها و اندام‌ها تجمع می‌یابد و باعث آسیب برگشت‌ناپذیر به سیستم عصبی، کلیه‌ها و مغز می‌شود. طبق WHO و CDC هیچ سطح ایمن سرب در خون وجود ندارد. کودکان و زنان باردار NEVER نباید در هنگام هیچ کار مرتبط با سرب حاضر باشند. تمام ذوب‌آلایی سرب باید در فضای باز با حفاظت کامل تنفسی و پوستی انجام شود.

گالنا (PbS) سولفید سرب است که ۸۶٫۶ درصد سرب به لحاظ جرمی را به خود دارد. مهم‌ترین کانسنگ سرب در جهان است. ذوب‌آلایی دو مرحله را شامل می‌شود: (۱) کوبیدن برای تبدیل PbS به اکسید سرب PbO، و (۲) کاهش PbO با کربن برای تولید سرب فلزی. سرب در دمای ۳۲۷٫۵ درجه سلسیوس ذوب می‌شود — یکی از کم‌ترین نقاط ذوب هر فلزی، که همین دلیل است که بین اولین فلزاتی است که توسط اقوام باستانی ذوب‌آلایی شد.

گالنا به راحتی از طریق خصوصیات منحصر به فردش شناخته می‌شود: درخشندگی فلزی روشن (نقره‌ای-خاکستری)، شکافت مکعبی کامل (به قطعات مکعب شکل شکسته می‌شود)، و سنگینی استثنایی. چگالی نسبی 7.4-7.6 است، که آن را قابل‌توجهی سنگین‌تر از اکثر سنگ‌ها می‌کند. سختی 2.5 در مقیاس موهز است — می‌تواند با فشار قوی ناخن یا سکه مسی خراشیده شود. رگه‌ی روی چینی بدون لعاب خاکستری رنگ سرب تا سیاه است. گالنا اغلب در رگه‌های هیدروترمال همراه با کوارتز، کلسیت، فلوریت، اسفالریت (روی‌سولفید)، و پیریت یافت می‌شود.

سنگ حاوی گالنا را از رگه‌های آشکار یا باقیمانده‌های معدن جمع‌آوری کنید. به دنبال کریستال‌های مکعبی مشخصه و درخشش فلزی باشید. قطعاتی را انتخاب کنید که بیشترین لعاب و وزن را داشته باشند — این‌ها دارای بیشترین درصد سرب هستند. از نمونه‌هایی که دارای کوارتز یا کلسیت گنگ (سنگ ضایع) فراوان هستند خودداری کنید. 3-5 کیلوگرم سنگ معدن برای ذوب معنی‌داری جمع‌آوری کنید. در طول جمع‌آوری دستکش بپوشید — گرد گالنا نباید با پوست تماس پیدا کند.

کانی گالنا را با استفاده از چکش روی سنگ صاف یا صفحه فولادی به قطعاتی کوچک‌تر از 1-2 سانتی‌متر تقسیم کنید. شکافت مکعبی کامل گالنا باعث می‌شود که به조각‌های مکعبی منظمی تقسیم شود. قطعات درخشان فلزی گالنا را از مواد بی‌فائده (کوارتز، کلسیت، سنگ میزبان) جدا کنید. تفاوت چگالی، مرتب‌سازی دستی را موثر می‌کند — قطعات گالنا به‌طور قابل‌توجهی سنگین‌تر احساس می‌شوند. حین خردایی از یک ماسک تنفسی P100/FFP3 استفاده کنید تا از استنشاق گرد و غبار سرب جلوگیری کنید.

گالن خردشده را در سطلی آب قرار دهید و تکان دهید. ذرات گنگ سبکتر شناور یا معلق می‌شوند در حالی که گالن سنگین (SG 7.5) به سرعت فرو می‌رود. آب گلی را بریزید و 2-3 بار تکرار کنید. این جداسازی گرانشی کانی را غلیظ می‌کند. آب شستشو را در ظرف جداگانه جمع کنید — NOT آب آلوده به سرب را بر روی خاک یا در لوله‌های زهکشی نریزید. اجازه دهید آب شستشو فرو نشین شود، رسوب را جمع کنید، و به طور مسئولانه دفع کنید.

MANDATORY SAFETY STEP — NOT SKIP را انجام ندهید. ذوب کردن سرب باعث تولید بخارهای سمی سرب، گرد و غبار اکسید سرب و گاز دی اکسید گوگرد می شود. شما MUST باید بپوشید: (1) تنفس کننده P100/FFP3 با کاسه گاز اسیدی (برای SO2)، (2) عینک محافظ شیمیایی، (3) دستکش چرمی بلند، (4) پیش بند چرمی، (5) لباس آستین بلند که کاملاً پوست را بپوشاند، (6) کفش چرمی بسته. کار ONLY در فضای باز با باد که بخارها را از شما دور می کند انجام دهید. خود را همیشه در سمت بادگیر قرار دهید. سطل ماسه خشک را در نزدیکی محل کار نگه دارید تا شیء ریخته شود. غذا، نوشیدنی یا سیگار کشیدن در هیچ جایی نزدیک محل کار مجاز نیست. دست ها و صورت را قبل از خوردن یا نوشیدن بعد از هر جلسه با صابون و آب به خوبی بشویید.

یک اجاق تخت و باز را از آجرهای آتش‌خور یا سنگ‌های تخت بسازید، تقریباً 60 × 60 سانتی‌متر. اجاق باید کمی مقعر (فرورفته) باشد تا کانه را در خود نگه‌دارد. آن را در مکانی باز و خوب‌تهویه‌شده قرار دهید — برشته‌کنی مقادیر زیادی دی‌اکسید گوگرد (SO2) تولید می‌کند که یک گاز تحریک‌کننده سمی است. یک جریان طبیعی خفیف به انتقال دودها کمک می‌کند. ذوب‌کنندگان باستانی گاهی از مکان‌های کناری تپه استفاده می‌کردند تا باد را بگیرند.

گالنای خرد شده را در یک لایه نازک (2-3 سانتی‌متر) روی اجاق پخش کنید. آتش زغال زیر و اطراف کانی روشن کنید. واکنش کباب کردن در حدود 450-500 درجه سلسیوس آغاز می‌شود: 2PbS + 3O2 -> 2PbO + 2SO2. کانی از رنگ نقره‌ای فلزی به خاکستری-زردی کم‌درخشان تغییر می‌کند (اکسید سرب، PbO، که به آن لیتاژ نیز گفته می‌شود). هر 15-20 دقیقه کانی را با یک میله آهنی بلند هم‌زنی کنید تا سطوح تازه‌ای در معرض هوا قرار گیرند. کباب کردن 2-3 ساعت طول می‌کشد. دی‌اکسید گوگردی آزاد شده بوی کبریت سوخته دارد — از سمت باد بایستید و ماسک تنفسی بپوشید.

کباب کردن زمانی کامل است که سنگ معدن تمام درخشندگی فلزی خود را از دست داده و به طور یکنواخت رنگ خاکستری-زرد کم‌درخش ظاهر شود. چند قطعه بزرگتر را بشکافید — قسمت داخلی نیز باید تبدیل شده باشد، بدون هیچ هسته گالنای نقره‌ای-فلزی باقی‌مانده. اگر هسته‌های فلزی باقی‌مانده باشند، کباب کردن را برای 30-60 دقیقه دیگر ادامه دهید و بیشتر هم‌زن کنید. سنگ معدن ناکافی‌کباب‌شده سرب آلوده‌شده با گوگرد تولید می‌کند که کیفیت آن ضعیف است.

از کاسه سفالی یا سفالی-گرافیت استفاده کنید که برای حداقل 600 درجه سلسیوس (بسیار بالاتر از نقطه ذوب سرب 327.5 درجه سلسیوس) درجه‌بندی شده باشد. کاسه‌ای که 1-2 لیتر ظرفیت داشته باشد مناسب است. اگر از کاسه سفالی خانگی استفاده می‌کنید، مطمئن شوید که قبلاً تا حداقل 800 درجه سلسیوس برای سوزاندن رطوبت، آتش‌گیری شده باشد. اکسید سرب (PbO) برای برخی از سفالیات خورنده است، بنابراین کاسه‌های سفالی-گرافیت ترجیح داده می‌شوند.

یک لایه 2 سانتی‌متری از زغال خرد شده را در کف پودینه قرار دهید. یک لایه از اکسید سرب کوبالته شده (3-4 سانتی‌متر) را اضافه کنید. بالای آن را با یک لایه دیگر از زغال بپوشانید. واکنش احیا به صورت زیر است: PbO + C -> Pb + CO (در دمای بالاتر از 500 درجه سلسیوس). برخی از احیا نیز از طریق مونوکسید کربن رخ می‌دهد: PbO + CO -> Pb + CO2. پودینه را تا حدود دو‌سوم پر کنید، با تناوب لایه‌ها. نقطه ذوب پایین سرب (327.5 درجه سلسیوس) به این معنی است که فلز خیلی قبل از مصرف شدن زغال، مایع می‌شود.

کروژه پرشده را در کوره زغالی یا چاه آتش قرار دهید. دما را به 500-700 درجه سانتیگراد با استفاده از دمنده یا هوای فشرده برسانید. کاهش نسبت به ذوب مس یا آهن دمای نسبتاً پایینتری دارد. در عرض 1-2 ساعت، سرب مذاب را در کف کروژه جمع شده می‌بینید — این به صورت مایعی درخشان و براق ظاهر می‌شود. گرمایش را تا زمانی ادامه دهید که تمام اکسید سرب مصرف شود و لایه زغالی بالای سرب مذاب تا حد زیادی خاکستر و سرباره باشد.

CAUTION: سرب مذاب به شدت هنگام تماس با رطوبت پاشش می‌کند. مطمئن شوید که قالب شمش کاملاً خشک است — حتی یک قطره آب باعث پاشش بخار انفجاری می‌شود. از قالب شن خشک از پیش گرم‌شده یا قالب سنگ تراشی‌شده استفاده کنید. با استفاده از انبردست کروژه، کروژه را احتیاط‌انجام بلند کنید و سرب مذاب را آهسته در قالب بریزید. کاکلاء (ماده خاکستری کمرنگ) در بالا شناور می‌ماند و می‌تواند نگاه داشته شود. سرب مذاب در دمای 327-400 درجه سلسیوس درخشندگی آینه‌ای دارد.

اجازه دهید شمش در قالب حداقل 20 دقیقه سرد شود. سرب به دلیل نقطه ذوب پایین خود به سرعت جامد می‌شود. سطح در عرض چند دقیقه پس از جامد شدن، لایه‌ای اکسید خاکستری کم‌درخشان تشکیل می‌دهد. هنگامی که به اندازه‌ای سرد شود که بتوان آن را جابجا کرد (از دستکش استفاده کنید — ALWAYS)، شمش را از قالب خارج کنید. بار 5 کیلوگرمی گالنا باید تقریباً 3-3.5 کیلوگرم سرب تولید کند (با احتساب گنگ، محصول ناقص کنندگی و تلفات سنگ مذاب). گالنای خالص از نظر تئوری 4.3 کیلوگرم را تولید می‌کند (محتوای 86.6% سرب).

سرب بسیار نرم است — می‌تواند با ناخن خراش برداشته شود (سختی موهس 1.5). همچنین بسیار سنگین است (چگالی 11.34 گرم بر سانتی‌متر مکعب). با یک چاقو یک شکاف کوچک ایجاد کنید — سرب تازه‌برش خورده روشن و براق است اما در عرض چند دقیقه به دلیل اکسیداسیون به رنگ خاکستری کم‌رنگ تبدیل می‌شود. سرب بسیار شکل‌پذیر است و می‌تواند بدون ترک‌خوردگی به صفحات نازک کوبانده شود. اگر شمش شکننده باشد یا شامل فراشامل‌های سخت باشد، آلودگی سنگ‌زدایی بیش از حد دارد و باید دوباره ذوب شود و از طریق فیلتر زغال چوب ریخته شود.

CRITICAL: پاکسازی آلودگی سرب. تمام سطوح، ابزارها و لباسهایی که در معرض غبار یا بخارات سرب قرار گرفته‌اند باید تمیز شوند. تمام غبار و خاکستر را (بدون دمیدن) به درون ظروف بسته جمع کنید. خاکستر و زغال سرب‌آلود باید به عنوان زباله خطرناک دفع شود - هرگز بر روی خاک پخش نکنید یا در آب‌راهه‌ها دفع نکنید. تمام ابزارها را با صابون و آب بشویید. لباس کار را قبل از ورود به فضاهای زندگی خلع کنید. به طور کامل دوش بگیرید. غبار سرب روی لباس می‌تواند منازل را آلود کند و اعضای خانواده را از طریق قرارگیری ثانویه با سم مواجه کند. شمش سرب را در ظرفی بسته، با برچسب واضح، نگهداری کنید.