Рафинирование металлов

Осуществляется при высокой температуре в расплавах и имеет ряд разновидностей. Окислительное рафинирование основано на способности некоторых примесей образовывать с O, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединения основного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Так, при продувке жидкой меди воздухом с примесями Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющих бо́льшее сродство к кислороду, чем Cu, образуются оксиды, которые всплывают на поверхность ванны и затем удаляются.

Ликвация металлов основано на различии температур плавления и плотности компонентов, составляющих сплав, и на малой их взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определённых температурах выделяются кристаллы Cu (т. н. шликеры), которые вследствие меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, а также очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при P, Sn и других металлов.

При фракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твёрдой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в твёрдой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка, плазменная металлургия, вытягивание монокристаллов из расплава (метод Чохральского), направленная кристаллизация).

В основе ректификации, или дистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Рафинирование осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации фракций, и их последующего удаления многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить время рафинирования. Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и других процессах. Безвоздушное просеивание жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. При рафинировании стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность соприкосновения между металлом и шлаком в результате их перемешивания значительно больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; благодаря этому резко повышается интенсивность протекания десульфурации, дефосфорации, раскисления металлов, очистки его от неметаллических включений. Редактирование состава стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твёрдых оксидов, которые прилипают к пузырькам газа и плавают на поверхность расплава.

Электролитическое рафинирование является электролизом водных растворов или солевых расплавов и позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов.

Электролитическое рафинирование с растворимыми металлами заключается в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов вследствие приобретения ионами основного металла электронов из внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно из-за различий электрохимических потенциалов примесей и основного металла. Например, нормальный электродный потенциал ${\displaystyle {{\ce {Cu}}}}$ относительно водородного электрода сравнения, принятого за ноль (+ 0,346 В), в ${\displaystyle {{\ce {Au}}}}$ и ${\displaystyle {{\ce {Ag}}}}$ эта величина имеет более положительное значение, а у Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co нормальный электродный потенциал отрицательный. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дне электролитной ванны в виде шлама, а металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают. Иногда (например, в гидрометаллургии Zn) используют электролитическое рафинирование с нерастворимыми анодами. Основной металл находится в растворе, предварительно тщательно очищенном от примесей, и в результате электролиза осаждается в компактном виде на катоде.

Основано на различной растворимости металла и примесей в растворах кислот или щелочей. Примеси постепенно накапливаются в растворе, выделяются из него химическим путём (гидролиз, цементация, образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена). Примером химического рафинирования может служить аффинаж благородных металлов. Рафинирование Au проводят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu, Ag и других металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.