معالجة المغنيسيوم ، وإعداد خام المغنيسيوم للاستخدام في مختلف المنتجات.
المغنيسيوم (Mg) هو معدن أبيض فضي يشبه في مظهره الألومنيوم ولكنه يزن ثلث أقل. بكثافة 1.738 جرام فقط لكل سنتيمتر مكعب ، فهو أخف معدن إنشائي معروف. لديها بنية بلورية سداسية معبأة قريبة (hcp) ، بحيث ، مثل معظم المعادن في هذا الهيكل ، تفتقر إلى الليونة عندما تعمل في درجات حرارة منخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، في شكله النقي ، فإنه يفتقر إلى القوة الكافية لمعظم التطبيقات الهيكلية. ومع ذلك ، فإن إضافة عناصر صناعة السبائك يحسن خصائصها إلى حد أنه يتم استخدام سبائك المغنيسيوم المصبوب والمُشغول على نطاق واسع ، خاصة عندما يكون الوزن الخفيف والقوة العالية مهمين.
يتفاعل المغنيسيوم بقوة مع الأكسجين في درجات الحرارة المرتفعة ؛ فوق 645 درجة مئوية (1190 درجة فهرنهايت) في الهواء الجاف ، تحترق بضوء أبيض ساطع وحرارة شديدة. لهذا السبب ، يتم استخدام مساحيق المغنيسيوم في الألعاب النارية. في درجة حرارة الغرفة ، يتكون فيلم مستقر من هيدروكسيد المغنيسيوم غير القابل للذوبان في الماء على سطح المعدن ، مما يحميه من التآكل في معظم الأجواء. كونه مادة تفاعل قوية تشكل مركبات مستقرة مع الكلور والأكسجين والكبريت ، يحتوي المغنيسيوم على العديد من التطبيقات المعدنية ، مثل إنتاج التيتانيوم من رابع كلوريد التيتانيوم وإزالة الكبريت من حديد الفرن العالي. تفاعلها الكيميائي واضح أيضًا في مركبات المغنيسيوم التي لها تطبيق واسع في الصناعة والطب والزراعة.
التاريخ
يستمد المغنيسيوم اسمه من المغنسيت ، وهو معدن كربونات المغنيسيوم ، ويقال أن هذا المعدن بدوره مدين باسمه إلى رواسب المغنسيت الموجودة في Magnesia ، وهي منطقة في منطقة ثيساليا اليونانية القديمة. يقال أن الكيميائي البريطاني همفري ديفي أنتج مزيجًا من المغنيسيوم في عام 1808 عن طريق التحليل الكهربائي لكبريتات المغنيسيوم الرطبة باستخدام الزئبق ككاثود. ومع ذلك ، تم إنتاج أول المغنيسيوم المعدني في عام 1828 من قبل العالم الفرنسي A.-A.-B. مشغول. تضمن عمله تقليل كلوريد المغنيسيوم المنصهر بواسطة البوتاسيوم المعدني. في عام 1833 كان العالم الإنجليزي مايكل فاراداي أول من أنتج المغنيسيوم بالتحليل الكهربائي لكلوريد المغنسيوم المنصهر. تم تكرار تجاربه من قبل الكيميائي الألماني روبرت بنسن.
بدأ أول إنتاج صناعي ناجح في ألمانيا عام 1886 بواسطة Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen ، استنادًا إلى التحليل الكهربائي للكرناليت المنصهر. أصبح Hemelingen لاحقًا جزءًا من المجمع الصناعي IG Farbenindustrie ، الذي طور خلال العشرينيات والثلاثينيات من القرن الماضي عملية لإنتاج كميات كبيرة من كلوريد المغنيسيوم المنصهر والخالي من الماء (المعروف الآن باسم عملية IG Farben) بالإضافة إلى التكنولوجيا للتحليل الكهربائي لهذا المنتج إلى معدن المغنيسيوم والكلور. كانت المساهمات الأخرى التي قدمتها IG Farben هي تطوير العديد من السبائك المصبوبة والمطهرة ، والتدفقات التكريرية والوقائية ، ومنتجات المغنيسيوم المطاوع ، وعدد كبير من تطبيقات الطائرات والسيارات. خلال الحرب العالمية الثانية ، بدأت شركة داو للكيماويات في الولايات المتحدة وشركة ماغنيسيوم إلكترون المحدودة في المملكة المتحدة التخفيض الكهربي للمغنيسيوم من مياه البحر الذي يتم ضخه من خليج جالفستون ، تكساس ، وبحر الشمال في هارتلبول ، إنجلترا. في الوقت نفسه في أونتاريو ، كندا ، تم إدخال عملية LM Pidgeon لتقليل أكسيد المغنيسيوم مع السيليكون في المعالجات التي يتم إطلاقها خارجيًا حراريًا.
بعد الحرب ، فقدت التطبيقات العسكرية الشهرة. قامت شركة داو كيميكال بتوسيع الأسواق المدنية من خلال تطوير المنتجات المطاوعة ، وتقنية الحفر الضوئي ، وأنظمة معالجة الأسطح. بقي الاستخراج على أساس التحليل الكهربائي والتخفيض الحراري. لهذه العمليات تم إجراء تحسينات مثل التسخين الداخلي للمعاجين (عملية Magnetherm ، التي تم إدخالها في فرنسا في عام 1961) ، والاستخراج من حبيبات كلوريد المغنيسيوم المجففة (التي قدمتها الشركة النرويجية Norsk Hydro في عام 1974) ، وتحسينات في تكنولوجيا الخلايا الإلكتروليتية من حوالي عام 1970.
اعتبارًا من عام 2019 ، أنتجت الصين حوالي 85 في المائة من المغنيسيوم في العالم ، وأنتجت روسيا وكازاخستان وإسرائيل والبرازيل معظم الكمية المتبقية.
الخامات والمواد الخام
يشكل المغنيسيوم العنصر الثامن الأكثر وفرة في الطبيعة 2.4 في المائة من قشرة الأرض. بسبب تفاعلها القوي ، لا يحدث في الدولة الأصلية ، ولكنه موجود في مجموعة متنوعة من المركبات في مياه البحر ، والأجاج ، والصخور.
من بين المعادن الخام ، الأكثر شيوعًا هي كربونات الدولوميت (مركب من المغنيسيوم وكربونات الكالسيوم ، MgCO 3 · CaCO 3) والمغنيسيت (كربونات المغنيسيوم ، MgCO 3). أقل شيوعًا هو بروسيت هيدروكسيد المعادن ، Mg (OH) 2 ، و carnallite المعدنية هاليد (مركب من المغنيسيوم وكلوريد البوتاسيوم والمياه ، MgCl 2 · KCl · 6H 2 O).
يمكن استرداد كلوريد المغنيسيوم من المحاليل الملحية التي تحدث بشكل طبيعي مثل بحيرة الملح العظمى (التي تحتوي عادة على 1.1 في المائة بالوزن من المغنيسيوم) والبحر الميت (3.4 في المائة) ، ولكن أكبر مصدر هو محيطات العالم. على الرغم من أن مياه البحر هي ما يقرب من 0.13 في المائة من المغنيسيوم ، إلا أنها تمثل مصدرًا لا ينضب تقريبًا.
التعدين والتركيز
يتم تعدين كل من الدولوميت والمغنسيت ويتم تركيزهما بالطرق التقليدية. يتم حفر Carnallite على شكل خام أو مفصول عن مركبات الملح الأخرى التي يتم جلبها إلى السطح عن طريق تعدين المحلول. تتركز المحاليل الملحية المحتوية على المغنيسيوم في الأحواض الكبيرة عن طريق التبخر الشمسي.
الاستخراج والتكرير
كاشف كيميائي قوي ، يشكل المغنيسيوم مركبات مستقرة ويتفاعل مع الأكسجين والكلور في كل من الحالات السائلة والغازية. وهذا يعني أن استخراج المعدن من المواد الخام هو عملية كثيفة الاستخدام للطاقة تتطلب تقنيات جيدة الضبط. يتبع الإنتاج التجاري طريقتين مختلفتين تمامًا: التحليل الكهربائي لكلوريد المغنيسيوم أو الاختزال الحراري لأكسيد المغنيسيوم من خلال عملية Pidgeon. شكل التحليل الكهربائي مرة واحدة ما يقرب من 75 في المائة من إنتاج المغنيسيوم العالمي. ومع ذلك ، في أوائل القرن الحادي والعشرين ، عندما ظهرت الصين كمنتج رائد للمغنيسيوم في العالم ، سمحت التكلفة المنخفضة للعمالة والطاقة هناك بأن تكون عملية بيدجون قابلة للحياة اقتصاديًا على الرغم من كونها أقل كفاءة من التحليل الكهربائي.
التحليل الكهربائي
تتكون العمليات الإلكتروليتية من خطوتين: إعداد مادة خام تحتوي على كلوريد المغنيسيوم وتفكك هذا المركب في معدن المغنيسيوم وغاز الكلور في الخلايا الإلكتروليتية.
في العمليات الصناعية ، تتكون الأعلاف الخلوية من أملاح منصهرة متنوعة تحتوي على كلوريد المغنسيوم اللامائي (خالٍ من الماء بشكل أساسي) ، أو كلوريد المغنسيوم المجفف جزئيًا ، أو الكرناليت اللامائي. من أجل تجنب الشوائب الموجودة في خامات الكرناليت ، يتم إنتاج الكرناليت الصناعي المجفف عن طريق التبلور المتحكم فيه من المحاليل المسخنة المحتوية على المغنيسيوم والبوتاسيوم. يمكن الحصول على كلوريد المغنسيوم المجفف جزئيًا من خلال عملية Dow ، حيث يتم خلط مياه البحر في المرسب مع الدولوميت التفاعلي المحترق بخفة. يترسب هيدروكسيد المغنسيوم غير القابل للذوبان إلى قاع خزان الترسيب ، حيث يتم ضخه على شكل ملاط ، ومرشح ، وتحويله إلى كلوريد المغنيسيوم عن طريق التفاعل مع حمض الهيدروكلوريك ، وتجفيفه في سلسلة من خطوات التبخر إلى 25 في المائة من محتوى الماء. يحدث الجفاف النهائي أثناء الصهر.
يتم إنتاج كلوريد المغنسيوم اللامائي بطريقتين رئيسيتين: تجفيف محلول كلوريد المغنسيوم أو الكلورة من أكسيد المغنيسيوم. في الطريقة الأخيرة ، والمتمثلة في عملية IG Farben ، يتم خلط الدولوميت المحترق بخفة بمياه البحر في المرسب ، حيث يتم ترسيب هيدروكسيد المغنسيوم ، وتصفيته ، وتكلسه إلى أكسيد المغنيسيوم. يخلط هذا مع الفحم ، ويتشكل في كريات مع إضافة محلول كلوريد المغنيسيوم ، ويجفف. يتم شحن الكريات إلى جهاز الكلورة ، وهو فرن مبطن بالطوب حيث يتم تسخينه بواسطة أقطاب كربون إلى ما يقرب من 1000 - 1200 درجة مئوية (1800 - 2200 درجة فهرنهايت). يتفاعل غاز الكلور الذي يتم إدخاله من خلال الثقوب في الفرن مع أكسيد المغنيسيوم لإنتاج كلوريد المغنسيوم المنصهر ، والذي يتم استغلاله على فترات وإرساله إلى الخلايا الإلكتروليتية.
يتم تجفيف محلول ملحي المغنيسيوم على مراحل. في عملية Norsk Hydro ، تتم إزالة الشوائب أولاً بالترسيب والتصفية. يتركز المحلول الملحي المنقى ، الذي يحتوي على ما يقرب من 8.5 بالمائة من المغنيسيوم ، عن طريق التبخر إلى 14 بالمائة ويتم تحويله إلى جسيمات في برج التحبيب. يتم تجفيف هذا المنتج أيضًا إلى جزيئات خالية من الماء ويتم نقله إلى الخلايا الإلكتروليتية.
الخلايا الإلكتروليتية عبارة عن أوعية مبطنة بالطوب ومجهزة بكاثودات فولاذية متعددة وأنودات جرافيت. يتم تركيبها رأسيًا من خلال غطاء الخلية وتغمرها جزئيًا في إلكتروليت ملح منصهر يتكون من كلوريد قلوي يضاف إليه كلوريد المغنيسيوم المنتج في العمليات الموصوفة أعلاه بتركيزات من 6 إلى 18 في المائة. رد الفعل الأساسي هو:
تتراوح درجات حرارة التشغيل من 680 إلى 750 درجة مئوية (1260 إلى 1380 درجة فهرنهايت). استهلاك الطاقة هو 12 إلى 18 كيلو واط / ساعة لكل كيلوغرام من المغنيسيوم المنتج. يتم توليد الكلور والغازات الأخرى في أنود الجرافيت ، ويطفو معدن المغنيسيوم المنصهر إلى قمة الحمام المالح ، حيث يتم جمعه. يمكن إعادة استخدام الكلور في عملية الجفاف.
تخفيض حراري
في الإنتاج الحراري ، يتم تحميص الدولوميت إلى أكسيد المغنيسيوم (MgO) والجير (CaO) ، ويتم تقليلهما بواسطة السليكون (Si) ، مما ينتج عنه غاز المغنيسيوم وخبث سيليكات الديكالسيوم. رد الفعل الأساسي ،
هو ماص للحرارة - أي أنه يجب تطبيق الحرارة لبدء ذلك والمحافظة عليه. مع وصول المغنيسيوم إلى ضغط بخار يبلغ 100 كيلو باسكال (1 جو) عند 1800 درجة مئوية (3270 درجة فهرنهايت) ، يمكن أن تكون متطلبات الحرارة عالية جدًا. من أجل خفض درجات حرارة التفاعل ، تعمل العمليات الصناعية تحت تفريغ. هناك ثلاث طرق رئيسية ، تختلف باختلاف وسائل إمداد الحرارة. في عملية Pidgeon ، يتم خلط الدولوميت المطحون والمكلس مع مادة الفيروسيليكون المطحونة بدقة ، والتكتل ، وشحنه في ملاقط أسطوانية من النيكل والكروم والصلب. يتم تثبيت عدد من المعالجات أفقياً في فرن يعمل بالزيت أو الغاز ، مع أغطيةها وأنظمة المكثفات المرفقة الممتدة خارج الفرن. بعد دورة تفاعل عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية (2200 درجة فهرنهايت) وتحت ضغط منخفض من 13 باسكال ، تتم إزالة بلورات المغنيسيوم (تسمى التيجان) من المكثفات ، ويتم إخراج الخبث كمادة صلبة ، ويتم إعادة شحن المعوجة. في عملية Bolzano ، يتم تكديس قوالب دولوميت-فيروسيليكون على نظام دعم شحن خاص يتم من خلاله تسخين كهربائي داخلي للشحنة. يستغرق رد الفعل الكامل من 20 إلى 24 ساعة عند 1200 درجة مئوية تحت 400 باسكال.
تحتوي خبث سيليكات ثنائي الكالسيوم الناتجة عن العمليات المذكورة أعلاه على نقطة انصهار تبلغ حوالي 2000 درجة مئوية (3600 درجة فهرنهايت) وبالتالي فهي موجودة كمادة صلبة ، ولكن بإضافة الألومينا (أكسيد الألومنيوم ، Al 2 O 3) إلى الشحنة ، يمكن تخفيض نقطة الانصهار إلى 1،550 - 1600 درجة مئوية (2،825 - 2900 درجة فهرنهايت). تتميز هذه التقنية ، المستخدمة في عملية Magnetherm ، بميزة تسخين الخبث السائل مباشرة بواسطة التيار الكهربائي من خلال قطب نحاسي مبرد بالماء. يحدث تفاعل الاختزال عند 1600 درجة مئوية وضغط 400-670 باسكال. يتم تكثيف المغنيسيوم المبخر في نظام منفصل متصل بالمفاعل ، ويتم ضغط الخبث المنصهر والسيليكون على فترات.
