Chiết xuất Chì từ Galena — Kim loại được Luyện của Nhân loại Lâu Đời Nhất

SAFETY WARNING: Chì là một chất độc thần kinh tích lũy. Chì tích lũy trong xương và các cơ quan gây tổn hại không thể đảo ngược cho hệ thần kinh, thận và não. Không có mức chì trong máu an toàn theo WHO và CDC. Trẻ em và phụ nữ mang thai phải NEVER có mặt trong bất kỳ công việc nào liên quan đến chì. Tất cả việc luyện chì phải được thực hiện ngoài trời với bảo vệ hô hấp và da toàn bộ.

Galena (PbS) là sulfide chì, chứa 86,6% chì theo khối lượng. Nó là quặng chì quan trọng nhất trên toàn thế giới. Luyện chảy bao gồm hai giai đoạn: (1) rang để chuyển đổi PbS thành oxit chì PbO, và (2) khử PbO bằng carbon để tạo ra chì kim loại. Chì nóng chảy ở 327,5 độ C — một trong những điểm nóng chảy thấp nhất của bất kỳ kim loại nào, đó là lý do tại sao nó nằm trong số các kim loại đầu tiên được luyện chảy bởi các nền văn minh cổ đại.

Galena dễ dàng được nhận diện bởi các tính chất đặc trưng của nó: độ bóng kim loại rực rỡ (màu xám bạc), mặt vỡ lập phương hoàn hảo (vỡ thành các mảnh hình lập phương), và tính nặng ngoại lệ. Trọng lượng riêng là 7,4-7,6, làm cho nó nặng hơn đáng kể so với hầu hết các loại đá. Độ cứng là 2,5 trên thang Mohs — nó có thể bị xước bằng một móng tay bấn mạnh hoặc đồng xu. Vạch trên sứ không tráng men là xám chì đến đen. Galena thường xuất hiện trong các mạch thủy nhiệt kết hợp với thạch anh, canxit, huorit, sphalerit (kẽm sunfua), và pyrit.

Thu thập đá chứa galena từ các mạch lộ thiên hoặc chất thải khai thác. Tìm kiếm các tinh thể lập phương đặc trưng và độ bóng kim loại. Chọn những mẫu có độ bóng sáng nhất và cảm giác nặng nhất — những mẫu này có hàm lượng chì cao nhất. Tránh các mẫu có nhiều quartz hoặc calcite gangue (đá thải). Thu thập 3-5 kg quặng để có một quá trình luyện ý nghĩa. Đeo găng tay trong quá trình thu thập — bụi galena không nên tiếp xúc với da.

Nghiền quặng galena thành các mảnh không lớn hơn 1-2 cm bằng búa trên một tảng đá phẳng hoặc tấm sắt. Sự mẻ lập phương hoàn hảo của galena làm cho nó vỡ thành các mảnh lập phương gọn gàng. Tách các mảnh galena kim loại sáng bóng khỏi vật liệu gang (thạch anh, canxit, đá nền). Sự khác biệt về mật độ làm cho việc phân loại bằng tay hiệu quả — các mảnh galena cảm thấy nặng hơn rõ rệt. Đeo P100/FFP3 respirator trong quá trình nghiền để tránh hít phải bụi chì.

Đặt galena nghiền vào một xô nước và khuấy động. Các hạt gangue nhẹ nổi hoặc lơ lửng trong khi galena nặng (SG 7.5) chìm nhanh chóng. Đổ bỏ nước đục và lặp lại 2-3 lần. Phương pháp tách theo trọng lực này làm cô đặc quặng. Thu thập nước rửa vào một container riêng — đừng NOT đổ nước bị ô nhiễm chì lên đất hoặc vào cống. Để nước rửa lắng đọng, thu thập cặn, và xử lý một cách có trách nhiệm.

MANDATORY SAFETY STEP — KHÔNG NOT SKIP. Luyện chảy chì tạo ra khí chì độc hại, bụi oxit chì và khí sulfur dioxide. Bạn MUST mặc: (1) máy hô hấp P100/FFP3 với lõi lọc khí axit (cho SO2), (2) kính chống dung dịch hóa chất, (3) găng tay gauntlet da, (4) tạp dề da, (5) quần áo tay dài che phủ hoàn toàn da, (6) giày da có mũi kín. Làm việc ONLY ngoài trời với gió thổi khí độc đi xa khỏi bạn. Đứng ở phía gió ngược lúc nào. Giữ một xô cát khô gần đó để chứa tràn. Không thực phẩm, đồ uống hoặc hút thuốc ở bất kỳ nơi nào gần khu vực làm việc. Rửa tay và mặt kỹ lưỡng bằng xà phòng trước khi ăn hoặc uống sau bất kỳ phiên nào.

Xây dựng một lò rang phẳng, mở từ gạch chịu lửa hoặc đá phẳng, kích thước xấp xỉ 60 x 60 cm. Lò rang nên hơi lõm (dạng chảo) để chứa quặng. Đặt nó ở một vị trí mở, thông thoáng tốt — quá trình rang tạo ra lượng lớn lưu huỳnh dioxide (SO2), một loại khí kích thích độc hại. Một luồng gió tự nhiên nhẹ giúp đưa khí độc đi. Các lò luyện cổ đại đôi khi sử dụng các vị trí sườn đồi để bắt gió.

Rải galena nghiền mỏng (2-3 cm) trên lò sưởi. Đốt lửa than đỏ bên dưới và xung quanh quặng. Phản ứng rang nóng bắt đầu ở khoảng 450-500 độ C: 2PbS + 3O2 -> 2PbO + 2SO2. Quặng thay đổi từ bạc kim loại sang màu xám vàng nhạt (oxit chì, PbO, còn được gọi là litharge). Khuấy quặng mỗi 15-20 phút bằng một thanh sắt dài để làm lộ các bề mặt tươi cho không khí. Rang nóng mất 2-3 giờ. Lưu huỳnh dioxide được giải phóng có mùi giống như diêm cháy — hãy đứng phía gió ngược và đeo mặt nạ hô hấp của bạn.

Quá trình rang hoàn tất khi quặng đã mất hoàn toàn độ bóng kim loại và có vẻ ngoài đồng nhất màu vàng xám nhạt. Bẻ gãy một vài mảnh lớn hơn — phần bên trong cũng phải được chuyển đổi, không còn nhân galena bạc-kim loại còn sót lại. Nếu vẫn còn nhân kim loại, tiếp tục rang thêm 30-60 phút với khuấy nhiều hơn. Quặng rang không hoàn tất sẽ tạo ra chì bị ô nhiễm lưu huỳnh với chất lượng kém.

Sử dụng坩埚 bằng đất sét hoặc đất sét-graphite được đánh giá ở mức ít nhất 600 độ C (cao hơn nhiều so với điểm nóng chảy 327.5 độ C của chì). Một坩埚 chứa 1-2 lít là phù hợp. Nếu sử dụng坩埚 đất sét tự làm, đảm bảo rằng nó đã được nung sơ ở ít nhất 800 độ C để đốt cháy độ ẩm. Chì oxit (PbO) có tính ăn mòn đối với một số gốm sứ, vì vậy các坩埚 đất sét-graphite được ưa thích.

Đặt một lớp than nghiền dày 2 cm ở đáy của坩埚. Thêm một lớp oxit chì nướng (3-4 cm). Phủ bên trên bằng một lớp than khác. Phản ứng khử là: PbO + C -> Pb + CO (ở nhiệt độ trên 500 độ C). Quá trình khử cũng xảy ra thông qua một oxide carbon: PbO + CO -> Pb + CO2. Lấp đầy坩埚 đến khoảng hai phần ba, xen kẽ các lớp. Điểm nóng chảy thấp của chì (327,5 độ C) có nghĩa là kim loại trở nên lỏng lửng tốt trước khi than được tiêu thụ hết.

Đặt坩埚 đã tải vào lò than hoặc hố lửa. Nâng nhiệt độ lên 500-700 độ C bằng cách sử dụng bao hay không khí ép. Quá trình khử được thực hiện ở nhiệt độ tương đối thấp so với luyện đồng hoặc sắt. Trong vòng 1-2 giờ, bạn sẽ thấy chì nóng chảy tích tụ ở đáy坩埚 — nó xuất hiện dưới dạng chất lỏng sáng bóng. Tiếp tục gia nhiệt cho đến khi tất cả oxide chì đã được tiêu thụ và lớp than ở trên chì nóng chảy phần lớn là tro và xỉ.

CAUTION: Chì nóng chảy bắn tung tóe dữ dội khi tiếp xúc với độ ẩm. Đảm bảo khuôn đúc ingot hoàn toàn khô — ngay cả một giọt nước cũng gây ra bắn tung tóe hơi nước nổ. Sử dụng khuôn cát được làm nóng trước hoặc khuôn đá được chạm khắc. Sử dụng kìm crucible, cẩn thận nâng crucible lên và đổ chì nóng chảy từ từ vào khuôn. Xỉ (vật liệu màu xám nhạt hơn) nổi trên trên cùng và có thể được giữ lại. Chì nóng chảy ở 327-400 độ C có vẻ sáng bóng như gương.

Cho phép thỏi chì làm mát trong khuôn trong ít nhất 20 phút. Chì đông đặc nhanh chóng do điểm nóng chảy thấp của nó. Bề mặt phát triển một lớp ôxít xám xỉn trong vòng vài phút sau khi đông đặc. Sau khi đủ mát để xử lý (sử dụng găng tay — ALWAYS), lấy ra thỏi chì từ khuôn. Một lượng galena 5 kg sẽ tạo ra khoảng 3-3,5 kg chì (tính đến gangue, rang không hoàn toàn và tổn thất slag). Galena tinh khiết sẽ lý thuyết tạo ra 4,3 kg (hàm lượng chì 86,6%).

Chì cực kỳ mềm — có thể dùng móng tay cào xước được (độ cứng Mohs 1,5). Nó cũng rất nặng (mật độ 11,34 g/cm3). Cắt một vết nhỏ bằng dao — chì mới cắt sáng bóng nhưng sẽ xỉn thành màu xám trong vài phút do quá trình oxy hóa. Chì có tính dẻo cao và có thể đập thành tấm mỏng mà không bị nứt. Nếu thỏi chì giòn hoặc chứa các tạp chất cứng, nghĩa là bị nhiễm xỉ quá mức và cần được nấu chảy lại rồi rót qua bộ lọc than.

QUAN TRỌNG: Dọn sạch ô nhiễm chì. Tất cả bề mặt, dụng cụ và quần áo tiếp xúc với bụi hoặc hơi chì phải được làm sạch. Quét (không thổi) tất cả bụi và tro vào thùng kín. Tro và xỉ nhiễm chì phải được xử lý như chất thải nguy hại — không bao giờ rải trên đất hoặc đổ vào nguồn nước. Rửa tất cả dụng cụ bằng xà phòng và nước. Cởi quần áo làm việc trước khi vào không gian sinh hoạt. Tắm rửa kỹ lưỡng. Bụi chì trên quần áo có thể gây ô nhiễm nhà cửa và đầu độc các thành viên gia đình qua tiếp xúc thứ cấp. Bảo quản thỏi chì trong thùng kín, có dán nhãn rõ ràng.