การสกัดตะกั่วจากกาลีนา — โลหะหลอมที่เก่าแก่ที่สุดของมนุษยชาติ

คำเตือนด้านความปลอดภัย: ตะกั่วเป็นสารพิษต่อระบบประสาทที่สะสมในร่างกาย ตะกั่วสะสมในกระดูกและอวัยวะต่าง ๆ และก่อให้เกิดความเสียหายที่ไม่สามารถกลับคืนได้ต่อระบบประสาท ไต และสมอง ไม่มีระดับตะกั่วในเลือดที่ปลอดภัยตามมาตรฐานขององค์การอนามัยโลก (WHO) และศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค (CDC) เด็กและสตรีมีครรภ์ต้องไม่อยู่ในบริเวณที่มีการทำงานกับตะกั่วโดยเด็ดขาด การหลอมตะกั่วทั้งหมดต้องทำกลางแจ้งพร้อมอุปกรณ์ป้องกันระบบทางเดินหายใจและผิวหนังอย่างเต็มรูปแบบ

กาลีนา (PbS) เป็นตะกั่วซัลไฟด์ มีปริมาณตะกั่ว 86.6% โดยน้ำหนัก เป็นแร่ตะกั่วที่สำคัญที่สุดในโลก การหลอมประกอบด้วยสองขั้นตอน: (1) การย่างเพื่อเปลี่ยน PbS เป็นตะกั่วออกไซด์ PbO และ (2) การรีดิวซ์ PbO ด้วยคาร์บอนเพื่อให้ได้ตะกั่วโลหะ ตะกั่วมีจุดหลอมเหลวที่ 327.5 องศาเซลเซียส — ซึ่งเป็นจุดหลอมเหลวต่ำที่สุดอย่างหนึ่งในบรรดาโลหะทั้งหมด จึงเป็นเหตุให้ตะกั่วเป็นโลหะแรก ๆ ที่มนุษย์โบราณหลอมได้สำเร็จ

กาลีนาสามารถจดจำได้ง่ายจากคุณสมบัติเฉพาะตัว: ความวาวแบบโลหะสว่าง (สีเทาเงิน) รอยแตกแบบลูกบาศก์สมบูรณ์ (แตกออกเป็นชิ้นรูปลูกบาศก์) และมีน้ำหนักมากเป็นพิเศษ ค่าถ่วงจำเพาะคือ 7.4-7.6 ทำให้หนักกว่าหินทั่วไปอย่างเห็นได้ชัด ความแข็งอยู่ที่ 2.5 ตามมาตราโมห์ส — สามารถขีดข่วนได้ด้วยเล็บมือที่กดแรงหรือเหรียญทองแดง รอยขีดบนกระเบื้องพอร์ซเลนไม่เคลือบจะเป็นสีเทาตะกั่วถึงดำ กาลีนามักพบในสายแร่ไฮโดรเทอร์มอลที่สัมพันธ์กับควอตซ์ แคลไซต์ ฟลูออไรต์ สฟาเลอไรต์ (สังกะสีซัลไฟด์) และไพไรต์

เก็บหินที่มีกาลีนาจากสายแร่ที่โผล่ขึ้นมาหรือกองเศษแร่จากเหมือง มองหาผลึกลูกบาศก์ที่เป็นเอกลักษณ์และความวาวแบบโลหะ เลือกชิ้นที่มีความวาวสว่างที่สุดและหนักที่สุด — ชิ้นเหล่านี้มีปริมาณตะกั่วสูงที่สุด หลีกเลี่ยงตัวอย่างที่มีหินมลทิน (gangue) ควอตซ์หรือแคลไซต์มาก เก็บแร่ 3-5 กก. สำหรับการหลอมที่มีความหมาย สวมถุงมือขณะเก็บ — ฝุ่นกาลีนาไม่ควรสัมผัสผิวหนัง

ทุบแร่กาลีนาเป็นชิ้นขนาดไม่เกิน 1-2 ซม. โดยใช้ค้อนบนหินแบนหรือแผ่นเหล็ก รอยแตกแบบลูกบาศก์สมบูรณ์ของกาลีนาทำให้มันแตกออกเป็นชิ้นลูกบาศก์เรียบร้อย แยกชิ้นกาลีนาที่มีความวาวแบบโลหะสว่างออกจากหินมลทิน (ควอตซ์ แคลไซต์ หินข้าง) ความแตกต่างของความหนาแน่นทำให้การคัดแยกด้วยมือได้ผลดี — ชิ้นกาลีนาจะรู้สึกหนักกว่าอย่างชัดเจน สวมหน้ากาก P100/FFP3 ขณะบดเพื่อหลีกเลี่ยงการสูดดมฝุ่นตะกั่ว

ใส่กาลีนาที่บดแล้วลงในถังน้ำและกวน อนุภาคหินมลทินที่เบากว่าจะลอยหรือแขวนลอยในขณะที่กาลีนาที่หนัก (SG 7.5) จมลงอย่างรวดเร็ว เทน้ำขุ่นออกและทำซ้ำ 2-3 ครั้ง การแยกด้วยแรงโน้มถ่วงนี้ช่วยเพิ่มความเข้มข้นของแร่ เก็บน้ำล้างในภาชนะแยก — ห้ามเทน้ำที่ปนเปื้อนตะกั่วลงดินหรือลงท่อระบายน้ำ ปล่อยให้น้ำล้างตกตะกอน เก็บตะกอน และกำจัดอย่างรับผิดชอบ

ขั้นตอนความปลอดภัยบังคับ — ห้ามข้าม การหลอมตะกั่วผลิตไอตะกั่วที่เป็นพิษ ฝุ่นตะกั่วออกไซด์ และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ คุณต้องสวม: (1) หน้ากาก P100/FFP3 พร้อมตลับกรองก๊าซกรด (สำหรับ SO2) (2) แว่นตาป้องกันสารเคมีกระเด็น (3) ถุงมือหนังแบบปลอกแขน (4) ผ้ากันเปื้อนหนัง (5) เสื้อผ้าแขนยาวที่ปกปิดผิวหนังทั้งหมด (6) รองเท้าหนังหุ้มปลายเท้า ทำงานกลางแจ้งเท่านั้นโดยให้ลมพัดไอพิษออกจากตัวคุณ วางตำแหน่งตัวเองอยู่เหนือลมตลอดเวลา เตรียมถังทรายแห้งไว้ใกล้ ๆ เพื่อกักกันการหกรั่วไหล ห้ามรับประทานอาหาร ดื่มน้ำ หรือสูบบุหรี่ใกล้พื้นที่ทำงาน ล้างมือและใบหน้าด้วยสบู่อย่างทั่วถึงก่อนรับประทานอาหารหรือดื่มน้ำหลังทำงานทุกครั้ง

สร้างเตาแบนเปิดจากอิฐทนไฟหรือหินแบน ขนาดประมาณ 60 x 60 ซม. เตาควรเว้าเล็กน้อย (เป็นแอ่ง) เพื่อกักแร่ไว้ วางเตาในสถานที่เปิดโล่งที่มีการระบายอากาศดี — การย่างผลิตก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ในปริมาณมาก ซึ่งเป็นก๊าซพิษที่ระคายเคือง ลมธรรมชาติเบา ๆ ช่วยพัดไอพิษออกไป นักหลอมโลหะสมัยโบราณบางครั้งใช้สถานที่บนเนินเขาเพื่อรับลม

กระจายกาลีนาที่บดแล้วเป็นชั้นบาง (2-3 ซม.) บนเตา จุดไฟถ่านใต้และรอบแร่ ปฏิกิริยาการย่างเริ่มที่อุณหภูมิประมาณ 450-500 องศาเซลเซียส: 2PbS + 3O2 -> 2PbO + 2SO2 แร่เปลี่ยนจากสีเงินแบบโลหะเป็นสีเทาเหลืองหม่น (ตะกั่วออกไซด์ PbO หรือเรียกว่าลิธาร์จ) คนแร่ทุก 15-20 นาทีด้วยแท่งเหล็กยาวเพื่อให้ผิวใหม่สัมผัสอากาศ การย่างใช้เวลา 2-3 ชั่วโมง ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมามีกลิ่นเหมือนไม้ขีดไฟที่จุดแล้ว — อยู่เหนือลมและสวมหน้ากากกรองอากาศ

การย่างเสร็จสมบูรณ์เมื่อแร่สูญเสียความวาวแบบโลหะทั้งหมดและมีลักษณะเป็นสีเทาเหลืองหม่นสม่ำเสมอ ทุบชิ้นใหญ่บางชิ้นออก — ด้านในควรถูกแปลงเช่นกัน โดยไม่มีแกนกาลีนาสีเงินแบบโลหะเหลืออยู่ หากยังมีแกนโลหะเหลืออยู่ ให้ย่างต่ออีก 30-60 นาทีพร้อมคนมากขึ้น แร่ที่ย่างไม่สมบูรณ์จะผลิตตะกั่วที่ปนเปื้อนกำมะถันและมีคุณภาพต่ำ

ใช้เบ้าหลอมดินเหนียวหรือกราไฟต์-ดินเหนียวที่ทนอุณหภูมิได้อย่างน้อย 600 องศาเซลเซียส (สูงกว่าจุดหลอมเหลวของตะกั่วที่ 327.5 องศาเซลเซียสมาก) เบ้าหลอมที่จุได้ 1-2 ลิตรเหมาะสม หากใช้เบ้าหลอมดินเหนียวทำเอง ต้องแน่ใจว่าได้เผาล่วงหน้าที่อุณหภูมิอย่างน้อย 800 องศาเซลเซียสเพื่อไล่ความชื้นออก ตะกั่วออกไซด์ (PbO) มีฤทธิ์กัดกร่อนเซรามิกบางชนิด จึงแนะนำให้ใช้เบ้าหลอมกราไฟต์-ดินเหนียว

วางชั้นถ่านบดหนา 2 ซม. ที่ก้นเบ้าหลอม เพิ่มชั้นตะกั่วออกไซด์ที่ย่างแล้ว (3-4 ซม.) ปิดทับด้วยชั้นถ่านอีกชั้น ปฏิกิริยาการรีดิวซ์คือ: PbO + C -> Pb + CO (ที่อุณหภูมิสูงกว่า 500 องศาเซลเซียส) การรีดิวซ์บางส่วนเกิดขึ้นผ่านคาร์บอนมอนอกไซด์: PbO + CO -> Pb + CO2 เติมเบ้าหลอมให้เต็มประมาณสองในสาม โดยสลับชั้นกัน จุดหลอมเหลวต่ำของตะกั่ว (327.5 องศาเซลเซียส) หมายความว่าโลหะจะกลายเป็นของเหลวก่อนที่ถ่านจะถูกใช้หมด

วางเบ้าหลอมที่บรรจุแล้วในเตาถ่านหรือหลุมไฟ เพิ่มอุณหภูมิเป็น 500-700 องศาเซลเซียสโดยใช้สูบลมหรือลมบังคับ การรีดิวซ์นี้ใช้อุณหภูมิค่อนข้างต่ำเมื่อเปรียบเทียบกับการหลอมทองแดงหรือเหล็ก ภายใน 1-2 ชั่วโมง คุณจะเห็นตะกั่วหลอมเหลวรวมตัวที่ก้นเบ้าหลอม — มีลักษณะเป็นของเหลวสว่างเป็นประกาย ให้ความร้อนต่อไปจนกว่าตะกั่วออกไซด์ทั้งหมดจะถูกใช้หมดและชั้นถ่านเหนือตะกั่วหลอมเหลวส่วนใหญ่เป็นขี้เถ้าและตะกรัน

ข้อควรระวัง: ตะกั่วหลอมเหลวกระเด็นอย่างรุนแรงเมื่อสัมผัสกับความชื้น ให้แน่ใจว่าแม่พิมพ์แท่งโลหะแห้งสนิท — แม้แต่น้ำหยดเดียวก็ทำให้เกิดการกระเด็นจากไอน้ำระเบิด ใช้แม่พิมพ์ทรายที่อุ่นล่วงหน้าและแห้ง หรือแม่พิมพ์หินแกะสลัก ใช้คีมจับเบ้าหลอมยกเบ้าหลอมขึ้นอย่างระมัดระวังแล้วเทตะกั่วหลอมเหลวลงในแม่พิมพ์อย่างช้า ๆ ตะกรัน (วัสดุสีเทาอ่อน) ลอยอยู่ด้านบนและสามารถกันไว้ได้ ตะกั่วหลอมเหลวที่ 327-400 องศาเซลเซียสมีลักษณะสว่างเหมือนกระจก

ปล่อยให้แท่งโลหะเย็นในแม่พิมพ์อย่างน้อย 20 นาที ตะกั่วแข็งตัวเร็วเนื่องจากจุดหลอมเหลวต่ำ พื้นผิวจะเกิดชั้นออกไซด์สีเทาหม่นภายในไม่กี่นาทีหลังแข็งตัว เมื่อเย็นพอที่จะจับได้ (สวมถุงมือ — ทุกครั้ง) นำแท่งโลหะออกจากแม่พิมพ์ แร่กาลีนา 5 กก. ควรให้ตะกั่วประมาณ 3-3.5 กก. (เมื่อคิดหักหินมลทิน การย่างไม่สมบูรณ์ และการสูญเสียจากตะกรัน) กาลีนาบริสุทธิ์จะให้ตะกั่วตามทฤษฎี 4.3 กก. (ปริมาณตะกั่ว 86.6%)

ตะกั่วอ่อนมาก — สามารถขีดข่วนได้ด้วยเล็บมือ (ความแข็งโมห์ส 1.5) นอกจากนี้ยังหนักมาก (ความหนาแน่น 11.34 g/cm3) ตัดรอยบากเล็ก ๆ ด้วยมีด — ตะกั่วที่ตัดใหม่จะสว่างเป็นเงางามแต่จะหมองเป็นสีเทาหม่นภายในไม่กี่นาทีจากการเกิดออกซิเดชัน ตะกั่วมีความสามารถในการตีแผ่สูงมากและสามารถตีเป็นแผ่นบางได้โดยไม่แตกร้าว หากแท่งโลหะเปราะหรือมีส่วนแข็งปะปน แสดงว่ามีตะกรันปนเปื้อนมากเกินไป ควรหลอมใหม่และเทผ่านตัวกรองถ่าน

สำคัญมาก: การทำความสะอาดการปนเปื้อนตะกั่ว พื้นผิว เครื่องมือ และเสื้อผ้าทั้งหมดที่สัมผัสกับฝุ่นหรือไอตะกั่วต้องได้รับการทำความสะอาด กวาด (ห้ามเป่า) ฝุ่นและขี้เถ้าทั้งหมดลงในภาชนะปิดผนึก ขี้เถ้าและตะกรันที่ปนเปื้อนตะกั่วต้องกำจัดเป็นขยะอันตราย — ห้ามกระจายลงดินหรือทิ้งลงทางน้ำ ล้างเครื่องมือทั้งหมดด้วยสบู่และน้ำ ถอดเสื้อผ้าทำงานก่อนเข้าพื้นที่อยู่อาศัย อาบน้ำอย่างทั่วถึง ฝุ่นตะกั่วบนเสื้อผ้าสามารถปนเปื้อนบ้านและทำให้สมาชิกในครอบครัวได้รับพิษจากการสัมผัสทางอ้อม เก็บแท่งตะกั่วในภาชนะปิดผนึกที่ติดป้ายชัดเจน