Извлечение свинца из галенита — самого древнего выплавленного человеком металла

SAFETY WARNING: Свинец — кумулятивный нейротоксин. Свинец накапливается в костях и органах и вызывает необратимое повреждение нервной системы, почек и мозга. Согласно WHO и CDC не существует безопасного уровня содержания свинца в крови. Дети и беременные женщины NEVER должны присутствовать во время любых работ со свинцом. Все плавление свинца должно производиться на открытом воздухе с полной защитой органов дыхания и кожи.

Галенит (PbS) — это сульфид свинца, содержащий 86,6% свинца по массе. Это наиболее важная руда свинца в мире. Плавление включает два этапа: (1) обжиг для преобразования PbS в оксид свинца PbO и (2) восстановление PbO углеродом для получения металлического свинца. Свинец плавится при 327,5 градусов C — один из самых низких температур плавления среди любых металлов, именно поэтому он был одним из первых металлов, которые плавили древние народы.

Галенит легко узнается по его отличительным свойствам: ярко выраженный металлический (серебристо-серый) блеск, совершенная кубическая спайность (раскалывается на кубические фрагменты) и исключительная тяжесть. Удельный вес составляет 7,4-7,6, что делает его заметно тяжелее большинства горных пород. Твердость составляет 2,5 по шкале Мооса — его можно поцарапать ногтем, надавив сильно, или медной монетой. Черта на неглазурованном фарфоре свинцово-серая до черной. Галенит часто встречается в гидротермальных жилах, связанных с кварцем, кальцитом, флюоритом, сфалеритом (сульфидом цинка) и пиритом.

Собирайте галенитсодержащую породу из открытых жил или отвалов шахт. Ищите характерные кубические кристаллы и металлический блеск. Выбирайте куски с наиболее ярким блеском и наибольшей тяжестью — они содержат наибольшее количество свинца. Избегайте образцов с большим количеством кварца или кальцита в пустой породе (отходы). Собирайте 3-5 кг руды для значимой плавки. Надевайте перчатки при сборе — пыль галенита не должна контактировать с кожей.

Разломайте галенит на куски не больше 1-2 см, используя молоток на плоском камне или железной пластине. Идеальная кубическая спайность галенита приводит к его разлому на аккуратные кубические фрагменты. Отделите блестящие металлические куски галенита от вмещающей породы (кварц, кальцит, вмещающая порода). Разница в плотности делает ручную сортировку эффективной — куски галенита ощущаются заметно тяжелее. Носите P100/FFP3 респиратор во время дробления, чтобы избежать вдыхания свинцовой пыли.

Поместите дробленый галенит в ведро с водой и перемешивайте. Более легкие частицы пустой породы всплывают или остаются в взвеси, а тяжелый галенит (SG 7.5) быстро оседает. Слейте мутную воду и повторите 2-3 раза. Такая гравитационная сепарация концентрирует руду. Собирайте воду для промывки в отдельную емкость — NOT выливайте загрязненную свинцом воду на грунт или в канализацию. Дайте воде для промывки отстояться, соберите осадок и утилизируйте ответственно.

MANDATORY SAFETY STEP — DO NOT SKIP. Плавление свинца производит токсичные пары свинца, пыль оксида свинца и диоксид серы. Вы MUST надевать: (1) P100/FFP3 респиратор с картриджем для кислотного газа (для SO2), (2) химические защитные очки, (3) кожаные перчатки-гаунтлеты, (4) кожаный фартук, (5) одежду с длинными рукавами, полностью закрывающую кожу, (6) закрытые кожаные ботинки. Работайте ONLY на открытом воздухе с ветром, дующим в сторону от вас. Позиционируйте себя с наветренной стороны в любое время. Держите рядом ведро с сухим песком для локализации разливов. Никакой пищи, напитков или курения рядом с рабочей зоной. Тщательно вымойте руки и лицо с мылом перед едой или питьем после любого сеанса.

Постройте плоский открытый очаг из огнеупорного кирпича или плоских камней размером примерно 60 x 60 см. Очаг должен быть слегка вогнутым (чашеобразным) для удержания руды. Разместите его на открытом, хорошо вентилируемом месте — обжиг производит большие количества диоксида серы (SO2), который является токсичным раздражающим газом. Небольшой естественный сквозняк помогает уносить дымы. Древние плавильщики иногда использовали места на склонах холмов для улавливания ветра.

Разложите измельченный галенит тонким слоем (2-3 см) на очаге. Зажгите уголь снизу и вокруг руды. Реакция обжига начинается примерно при 450-500 градусах Цельсия: 2PbS + 3O2 -> 2PbO + 2SO2. Руда меняет цвет с металлического серебристого на тусклый желтовато-серый (оксид свинца, PbO, также называемый литаргом). Перемешивайте руду каждые 15-20 минут длинным железным стержнем, чтобы открыть свежие поверхности воздуху. Обжиг занимает 2-3 часа. Выделяемый диоксид серы пахнет сгоревшими спичками — стойте с наветренной стороны и носите респиратор.

Обжиг завершен, когда руда полностью потеряла металлический блеск и приобрела однородный тусклый желто-серый цвет. Разломайте несколько крупных кусков — внутренняя часть также должна быть преобразована, без остатков серебристо-металлического ядра галенита. Если металлические ядра остаются, продолжайте обжиг еще 30-60 минут с более интенсивным перемешиванием. Неполно обожженная руда производит загрязненный серой свинец низкого качества.

Используйте глиняный или графитоглиняный тигель, рассчитанный на температуру не менее 600 градусов C (значительно выше температуры плавления свинца 327,5 градусов C). Подходит тигель объемом 1-2 литра. Если используется самодельный глиняный тигель, убедитесь, что он был предварительно обожжен при температуре не менее 800 градусов C для удаления влаги. Оксид свинца (PbO) агрессивен по отношению к некоторым керамикам, поэтому предпочтительны графитоглиняные тигли.

Поместите слой измельченного угля толщиной 2 см на дно тигля. Добавьте слой обожженного оксида свинца (3-4 см). Накройте еще одним слоем угля. Реакция восстановления: PbO + C -> Pb + CO (при температурах выше 500 градусов C). Некоторое восстановление также происходит через оксид углерода: PbO + CO -> Pb + CO2. Заполняйте тигель примерно на две трети, чередуя слои. Низкая температура плавления свинца (327,5 градусов C) означает, что металл становится жидким задолго до того, как уголь будет израсходован.

Поместите загруженный тигель в угольный горн или очаг. Поднимите температуру до 500-700 градусов Цельсия, используя мехи или принудительную подачу воздуха. Восстановление происходит при относительно низкой температуре по сравнению с плавкой меди или железа. В течение 1-2 часов вы увидите расплавленный свинец, скапливающийся на дне тигля — он выглядит как яркая, блестящая жидкость. Продолжайте нагревание до тех пор, пока весь оксид свинца не будет израсходован и угольный слой над расплавленным свинцом в значительной степени превратится в золу и шлак.

CAUTION: Расплавленный свинец брызгает с насилием при контакте с влагой. Убедитесь, что изложница полностью сухая — даже одна капля воды вызывает взрывное разбрызгивание пара. Используйте предварительно нагретую, сухую песчаную форму или вырезанную каменную форму. Используя тигельные щипцы, осторожно поднимите тигель и медленно налейте расплавленный свинец в форму. Шлак (более светлый серый материал) плывет сверху и может быть задержан. Расплавленный свинец при температуре 327-400 градусов Цельсия выглядит зеркально-блестящим.

Позвольте слитку охладиться в форме в течение не менее 20 минут. Свинец быстро затвердевает из-за его низкой температуры плавления. На поверхности образуется тусклый серый слой оксида в течение нескольких минут после затвердевания. Как только он достаточно охладится, чтобы его можно было держать в руках (используйте перчатки — ALWAYS), извлеките слиток из формы. Заряд галенита в 5 кг должен дать примерно 3-3,5 кг свинца (с учетом пустой породы, неполного обжига и потерь шлака). Чистая галенит теоретически дала бы 4,3 кг (содержание свинца 86,6%).

Свинец чрезвычайно мягкий — его можно поцарапать ногтем (твёрдость по шкале Мооса 1,5). Он также очень тяжёлый (плотность 11,34 г/см³). Сделайте небольшую насечку ножом — свежесрезанный свинец блестящий и яркий, но в течение нескольких минут тускнеет до матово-серого цвета из-за окисления. Свинец обладает высокой пластичностью и может быть расплющен в тонкие листы без трещин. Если слиток хрупкий или содержит твёрдые включения, это указывает на чрезмерное загрязнение шлаком, и его следует переплавить и пропустить через угольный фильтр.

CRITICAL: Очистка от загрязнения свинцом. Все поверхности, инструменты и одежда, подвергшиеся воздействию свинцовой пыли или паров, должны быть очищены. Соберите (не сдувайте) всю пыль и золу в герметичные контейнеры. Золу и шлак, загрязненные свинцом, необходимо утилизировать как опасные отходы — никогда не разбрасывайте на почву и не сбрасывайте в водоемы. Вымойте все инструменты с мылом и водой. Снимите рабочую одежду перед входом в жилые помещения. Тщательно примите душ. Свинцовая пыль на одежде может загрязнить дома и отравить членов семьи через вторичное воздействие. Храните свинцовый слиток в герметичном контейнере с четкой маркировкой.