ガレナからの鉛の抽出 — 人類が最も古く製錬した金属

SAFETY WARNING: 鉛は蓄積性の神経毒性物質です。 鉛は骨と臓器に蓄積し、神経系、腎臓、および脳に不可逆的な損害をもたらします。WHOおよびCDCによると、安全な血中鉛レベルはありません。子どもと妊婦は、いかなる鉛作業中もNEVER存在してはいけません。すべての鉛製錬は屋外で完全な呼吸器保護と皮膚保護を備えて行う必要があります。

ガレナ(PbS)は硫化鉛であり、質量で86.6%の鉛を含んでいます。世界中で最も重要な鉛鉱石です。製錬には2つの段階が関係します:(1)PbSを酸化鉛PbOに変換するための焙焼、および(2)炭素によるPbOの還元で金属鉛を得ます。鉛の融点は327.5℃です — これはあらゆる金属の中で最も低い融点の1つであり、そのため古代民族によって最初に製錬された金属の1つです。

ガレナは独特の性質により容易に認識できます：明るい金属光沢（銀灰色）、完全な立方体へき開（立方体形の破片に割れる）、および例外的な重さです。比重は7.4～7.6であり、ほとんどの岩石よりも顕著に重くなっています。モース硬度は2.5です — 爪を強く押し付けるか銅貨で傷をつけることができます。釉薬を塗っていない磁器上のすじは鉛灰色から黒色です。ガレナはしばしば石英、方解石、蛍石、閃亜鉛鉱（硫化亜鉛）、および黄鉄鉱に関連する熱水脈中に産出します。

露出した鉱脈または鉱山の尾鉱からガレナを含む岩を採集します。特徴的な立方体結晶と金属光沢を探します。最も明るい光沢と最も重い感触の標本を選択します。これらは最も鉛含有量が高いものです。重い石英または方解石脈石(ゴミ岩)を含む標本は避けてください。有意義な製錬のために3〜5 kgの鉱石を採集します。採集中は手袋を着用してください。方鉛鉱の粉塵は肌に接触してはいけません。

ハンマーを使用して平らな石または鉄板の上でガレナ鉱石を1～2cm以下の大きさに砕きます。ガレナの完全な立方体へき開により、きれいな立方体の破片に破砕されます。光沢のある金属的なガレナの破片を脈石物質（石英、方解石、母岩）から分離します。密度の違いにより、手選別が効果的です。ガレナの破片は著しく重く感じられます。鉛粉塵の吸入を避けるために、粉砕中はP100/FFP3レスピレーターを着用してください。

砕いた方鉛鉱をバケツの水に入れて撹拌します。軽いズリ粒子は浮くか懸濁し、重い方鉛鉱(SG 7.5)は急速に沈みます。濁った水を注ぎ出し、2〜3回繰り返します。この比重分離により鉱石が濃縮されます。洗浄水を別の容器に集め、鉛で汚染された水を土壌またはドレーンにNOT流さないようにしてください。洗浄水を沈降させ、堆積物を集め、責任を持って処分してください。

MANDATORY SAFETY STEP — NOT SKIPを行わないでください。 鉛製錬は有毒な鉛ヒューム、酸化鉛ダスト、および二酸化硫黄ガスを発生させます。MUST着用してください: (1) 酸性ガスカートリッジ付きP100/FFP3呼吸器(SO2用)、(2) 化学飛沫用安全ゴーグル、(3) 皮革製ガントレット手袋、(4) 皮革製エプロン、(5) 肌を完全に覆う長袖衣類、(6) つま先が閉じた皮革製ブーツ。ONLY屋外で作業し、風がヒュームを遠ざけるようにしてください。常に風上に位置してください。液体流出の封じ込めのため、近くに乾いた砂のバケツを置いてください。作業区域の近くでは食べ物、飲み物、喫煙をしないでください。作業後、食べたり飲んだりする前に、石鹸で手と顔を徹底的に洗ってください。

耐火レンガまたは平らな石から、約60 x 60 cmの平らでオープンな炉床を構築します。炉床は鉱石を含むためにわずかに凹状（皿型）である必要があります。開放的で換気の良い場所に配置してください — 焙焼は大量の二酸化硫黄（SO2）を生成します。これは有毒な刺激性ガスです。わずかな自然通風は煙を遠ざけるのに役立ちます。古代の製錬所では、風をキャッチするために山腹の場所を使用することがありました。

粉砕したガレナを薄層（2～3 cm）で炉床に広げます。鉱石の下と周囲に木炭火を灯します。焙焼反応は約450～500℃で始まります：2PbS + 3O2 -> 2PbO + 2SO2。鉱石は金属銀色からくすんだ黄灰色（酸化鉛、PbO、リサージと呼ばれることもあります）に変わります。長い鉄棒で15～20分ごとに鉱石をかき混ぜて、新しい表面を空気に晒します。焙焼には2～3時間かかります。放出される二酸化硫黄はマッチが焦げたような臭いがします。風上に位置して呼吸マスクを着用してください。

焙焼は、鉱石が金属光沢を完全に失い、均一なくすんだ黄灰色に見えるときに完了します。いくつかの大きな破片を割ってみてください。内部も変換されており、残っている銀白色のガレナコアがないはずです。金属コアが残っている場合は、さらに30～60分間、より多くのかき混ぜで焙焼を続けてください。不完全に焙焼された鉱石は、硫黄で汚染された品質が低い鉛を生成します。

少なくとも600度C（鉛の融点327.5度Cをはるかに上回る）に耐える粘土またはグラファイト粘土るつぼを使用してください。1～2リットル容量のるつぼが適切です。自作の粘土るつぼを使用する場合は、湿分を焼き出すために少なくとも800度Cで予め焙焼されていることを確認してください。酸化鉛（PbO）は一部のセラミックスに対して腐食性があるため、グラファイト粘土るつぼが推奨されます。

るつぼの底に2 cmの粉砕木炭層を置きます。ロースト酸化鉛層(3-4 cm)を追加します。別の炭素層で覆います。還元反応は: PbO + C -> Pb + CO(500度C以上の温度で)。一酸化炭素を介した還元も発生します: PbO + CO -> Pb + CO2。約3分の2まで満杯になるまでるつぼを満たし、層を交互にします。鉛の低い融点(327.5度C)は、炭素が消費される前に金属が液体になることを意味します。

装填したるつぼを木炭鍛冶炉または火災坑に入れます。ふいごまたは強制空気を使用して温度を500～700℃に上げます。還元は銅または鉄の製錬と比較して比較的低温です。1～2時間以内に、るつぼの底で溶融した鉛が集まるのが見られます。それは明るく光沢のある液体として現れます。酸化鉛がすべて消費され、溶融した鉛上の木炭層が主に灰とスラグになるまで加熱を続けます。

CAUTION: 溶融した鉛は水分との接触時に激しく飛び散ります。インゴット型が完全に乾燥していることを確認してください。水が1滴でも蒸気の爆発的な飛び散りを引き起こします。予熱済みの乾燥砂型または彫刻された石型を使用してください。坩堝トング（タンツ）を使用して坩堝を慎重に持ち上げ、溶融した鉛を型にゆっくり注ぎます。スラグ（薄いグレーの物質）は上に浮き、押さえることができます。327～400℃の溶融した鉛は鏡のように輝いて見えます。

インゴットを型の中で少なくとも20分間冷却させます。鉛は融点が低いため急速に凝固します。凝固後数分以内に表面は鈍い灰色の酸化層を形成します。扱うのに十分冷えたら（手袋を使用してください — ALWAYS）、型からインゴットを取り出します。5 kg の閃亜鉛鉱チャージは約3～3.5 kg の鉛を産出するはずです（鉱物、不完全な焙焼、およびスラグの損失を考慮）。純粋な閃亜鉛鉱は理論的には4.3 kg を産出します（鉛含有率86.6%）。

鉛は極めて柔らかく、爪で傷がつく（モース硬度1.5）。また非常に重い（密度11.34 g/cm3）。ナイフで小さな切り込みを入れると、新しく切断された鉛は明るく光沢がありますが、酸化により数分以内に鈍い灰色に変色します。鉛は高い展性があり、割れることなくハンマーで薄いシートに加工できます。インゴットがもろい場合、または硬い異物を含む場合、過度なスラグ汚染があり、再溶融して活性炭フィルターを通して流し込む必要があります。

CRITICAL: 鉛汚染のクリーンアップ。鉛粉塵またはヒュームにさらされたすべての表面、工具、および衣類を清掃する必要があります。すべての粉塵と灰を（吹き飛ばさずに）密閉容器に掃き入れてください。鉛で汚染された灰とスラグは危険廃棄物として処分する必要があります。土壌に散布したり、水路に投棄したりしないでください。すべての工具を石鹸と水で洗ってください。生活空間に入る前に作業着を脱いでください。十分にシャワーを浴びてください。衣類の鉛粉塵は家を汚染し、二次暴露を通じて家族の中毒を引き起こします。鉛インゴットを密閉容器に保管し、明確にラベルを付けてください。