Pemprosesan magnesium, penyediaan bijih magnesium untuk digunakan dalam pelbagai produk.
Magnesium (Mg) adalah logam putih keperakan yang mirip dengan aluminium tetapi beratnya satu pertiga kurang. Dengan ketumpatan hanya 1.738 gram per sentimeter padu, ia adalah logam struktur paling ringan yang diketahui. Ia mempunyai struktur kristal heksagon (hcp) yang rapat, sehingga, seperti kebanyakan logam struktur ini, ia tidak mengalami kemuluran ketika bekerja pada suhu lebih rendah. Selain itu, dalam bentuk tulennya, kekurangan kekuatan yang mencukupi untuk kebanyakan aplikasi struktur. Walau bagaimanapun, penambahan unsur paduan meningkatkan sifatnya sehingga kedua-dua aloi magnesium tuang dan tempa digunakan secara meluas, terutamanya di mana berat dan kekuatan tinggi penting.
Magnesium sangat reaktif dengan oksigen pada suhu tinggi; di atas 645 ° C (1,190 ° F) di udara kering, ia terbakar dengan cahaya putih yang terang dan panas yang kuat. Atas sebab ini, serbuk magnesium digunakan dalam piroteknik. Pada suhu bilik, lapisan stabil magnesium hidroksida tidak larut dalam air terbentuk di permukaan logam, melindunginya daripada kakisan di kebanyakan atmosfera. Menjadi reaktan kuat yang membentuk sebatian stabil dengan klorin, oksigen, dan sulfur, magnesium mempunyai beberapa aplikasi metalurgi, seperti dalam pengeluaran titanium dari titanium tetraklorida dan dalam desulfurisasi besi tanur letupan. Kereaktifan kimianya juga terbukti pada sebatian magnesium yang memiliki aplikasi yang luas dalam industri, perubatan, dan pertanian.
Sejarah
Magnesium memperoleh namanya dari magnesit, mineral magnesium karbonat, dan mineral ini pada gilirannya dikatakan berutang kepada timbunan magnesit yang terdapat di Magnesia, sebuah daerah di wilayah Yunani kuno Thessaly. Ahli kimia Britain Humphry Davy dikatakan telah menghasilkan gabungan magnesium pada tahun 1808 dengan elektrolisis magnesium sulfat lembap, menggunakan merkuri sebagai katod. Magnesium logam pertama, bagaimanapun, dihasilkan pada tahun 1828 oleh saintis Perancis A.-A.-B. Awek. Karyanya melibatkan pengurangan magnesium klorida cair oleh kalium logam. Pada tahun 1833 saintis Inggeris Michael Faraday adalah yang pertama menghasilkan magnesium dengan elektrolisis magnesium klorida cair. Eksperimennya diulang oleh ahli kimia Jerman, Robert Bunsen.
Pengeluaran industri pertama yang berjaya dimulakan di Jerman pada tahun 1886 oleh Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen, berdasarkan elektrolisis carnallite cair. Hemelingen kemudian menjadi sebahagian daripada kompleks industri IG Farbenindustrie, yang, pada tahun 1920-an dan 30-an, mengembangkan proses untuk menghasilkan sejumlah besar magnesium klorida cair dan bebas air (sekarang dikenali sebagai proses IG Farben) serta teknologi untuk elektrolisis produk ini kepada logam magnesium dan klorin. Sumbangan lain oleh IG Farben adalah pengembangan banyak campuran aloi cor dan lunak, fluks penapisan dan pelindung, produk magnesium tempa, dan sebilangan besar aplikasi pesawat dan kenderaan. Semasa Perang Dunia II, Dow Chemical Company dari Amerika Syarikat dan Magnesium Elektron Limited dari United Kingdom memulakan pengurangan elektrolit magnesium dari air laut yang dipam dari Galveston Bay, Texas, dan Laut Utara di Hartlepool, England. Pada masa yang sama di Ontario, Kanada, proses LM Pidgeon untuk mengurangkan magnesium oksida secara termal dengan silikon dalam retort api luaran diperkenalkan.
Berikutan perang, aplikasi ketenteraan semakin terkenal. Dow Chemical memperluas pasaran orang awam dengan mengembangkan produk tempa, teknologi ukiran foto, dan sistem rawatan permukaan. Pengekstrakan tetap berdasarkan elektrolisis dan pengurangan haba. Untuk proses ini dibuat penyempurnaan seperti pemanasan dalaman retort (proses Magnetherm, diperkenalkan di Perancis pada tahun 1961), pengekstrakan dari kilang magnesium klorida dehidrasi (diperkenalkan oleh syarikat Norway Norsk Hydro pada tahun 1974), dan peningkatan teknologi sel elektrolitik dari sekitar tahun 1970.
Pada 2019, China menghasilkan sekitar 85 peratus magnesium dunia, dan Rusia, Kazakhstan, Israel, dan Brazil menghasilkan sebahagian besar bakinya.
Bijih dan bahan mentah
Unsur kelapan yang paling banyak terdapat di alam, magnesium merupakan 2.4 peratus kerak Bumi. Kerana kereaktifan yang kuat, ia tidak berlaku di negara asalnya, melainkan dijumpai dalam sebilangan besar sebatian di air laut, air garam, dan batu.
Antara mineral bijih, yang paling biasa ialah karbonat dolomit (sebatian magnesium dan kalsium karbonat, MgCO 3 · CaCO 3) dan magnesit (magnesium karbonat, MgCO 3). Yang kurang biasa ialah brukit mineral hidroksida, Mg (OH) 2, dan karnallit mineral halida (sebatian magnesium dan kalium klorida dan air, MgCl 2 · KCl · 6H 2 O).
Magnesium klorida dapat dipulihkan dari air garam yang terdapat secara semula jadi seperti Great Salt Lake (biasanya mengandungi 1.1 persen berat magnesium) dan Laut Mati (3.4 peratus), tetapi sejauh ini sumber terbesar adalah lautan dunia. Walaupun air laut hanya sekitar 0.13 peratus magnesium, ia mewakili sumber yang hampir habis.
Perlombongan dan penumpuan
Kedua-dua dolomit dan magnesit dilombong dan dipusatkan dengan kaedah konvensional. Carnallite digali sebagai bijih atau dipisahkan dari sebatian garam lain yang dibawa ke permukaan oleh perlombongan larutan. Air garam yang mengandungi semula jadi magnesium tertumpu di kolam besar dengan penyejatan solar.
Pengekstrakan dan penapisan
Reagen kimia yang kuat, magnesium membentuk sebatian stabil dan bertindak balas dengan oksigen dan klorin dalam keadaan cecair dan gas. Ini bermaksud bahawa pengekstrakan logam dari bahan mentah adalah proses intensif tenaga yang memerlukan teknologi yang diselaraskan. Pengeluaran komersial mengikuti dua kaedah yang sama sekali berbeza: elektrolisis magnesium klorida atau pengurangan haba magnesium oksida melalui proses Pidgeon. Elektrolisis pernah menyumbang kira-kira 75 peratus pengeluaran magnesium dunia. Namun, pada awal abad ke-21, ketika China muncul sebagai pengeluar magnesium terkemuka di dunia, kos tenaga kerja dan tenaga yang rendah di sana memungkinkan proses Pidgeon dapat dilaksanakan secara ekonomi walaupun kurang efisien daripada elektrolisis.
Elektrolisis
Proses elektrolit terdiri daripada dua langkah: penyediaan bahan baku yang mengandungi magnesium klorida dan pemisahan sebatian ini ke dalam logam magnesium dan gas klorin dalam sel elektrolit.
Dalam proses perindustrian, makanan sel terdiri daripada pelbagai garam cair yang mengandungi magnesium klorida anhidrat (asasnya bebas air), sebahagiannya magnesium klorida dehidrasi, atau karnallit anhidrat. Untuk mengelakkan kekotoran yang terdapat dalam bijih karnallit, karnalit tiruan dehidrasi dihasilkan dengan penghabluran terkawal dari larutan yang mengandungi magnesium dan kalium yang dipanaskan. Sebilangan besar magnesium klorida dehidrasi dapat diperoleh melalui proses Dow, di mana air laut dicampurkan dalam flocculator dengan dolomit reaktif yang dibakar ringan. Magnesium hidroksida yang tidak larut mengendap ke dasar tangki penenang, di mana ia dipam sebagai buburan, disaring, diubah menjadi magnesium klorida melalui reaksi dengan asid hidroklorik, dan dikeringkan dalam satu siri langkah penyejatan hingga 25 peratus kandungan air. Penyahhidratan akhir berlaku semasa peleburan.
Magnesium klorida anhidrat dihasilkan dengan dua kaedah utama: penyahhidratan garam magnesium klorida atau klorinasi magnesium oksida. Dalam kaedah terakhir, dicontohkan oleh proses IG Farben, dolomit yang dibakar ringan dicampurkan dengan air laut dalam flokulator, di mana magnesium hidroksida diendapkan keluar, disaring, dan dikalsinasi menjadi magnesium oksida. Ini dicampurkan dengan arang, dibentuk menjadi globula dengan penambahan larutan magnesium klorida, dan dikeringkan. Globul dibebankan ke dalam klorinator, tungku poros berlapis bata di mana ia dipanaskan oleh elektrod karbon hingga kira-kira 1.000-1.200 ° C (1.800-2.200 ° F). Gas klorin yang diperkenalkan melalui lubang di dalam tungku bertindak balas dengan magnesium oksida untuk menghasilkan magnesium klorida cair, yang disadap pada selang waktu dan dikirim ke sel elektrolitik.
Dehidrasi brine magnesium dilakukan secara berperingkat. Dalam proses Norsk Hydro, kekotoran dikeluarkan terlebih dahulu dengan pemendakan dan penapisan. Air garam yang disucikan, yang mengandungi kira-kira 8.5 persen magnesium, dipusatkan dengan penyejatan menjadi 14 peratus dan ditukarkan menjadi zarah-zarah di menara pengisian. Produk ini kemudian dikeringkan ke zarah bebas air dan dihantar ke sel elektrolit.
Sel elektrolit pada dasarnya adalah kapal berlapis bata yang dilengkapi dengan beberapa katod keluli dan anod grafit. Ini dipasang secara menegak melalui penutup sel dan sebahagiannya terendam dalam elektrolit garam cair yang terdiri daripada klorida alkali yang mana magnesium klorida yang dihasilkan dalam proses yang dijelaskan di atas ditambahkan dalam kepekatan 6 hingga 18 peratus. Reaksi asasnya adalah:
Suhu operasi berbeza dari 680 hingga 750 ° C (1,260 hingga 1,380 ° F). Penggunaan tenaga adalah 12 hingga 18 kilowatt-jam per kilogram magnesium yang dihasilkan. Klorin dan gas lain dihasilkan di anod grafit, dan logam magnesium cair terapung ke bahagian atas mandi garam, di mana ia dikumpulkan. Klorin dapat digunakan semula dalam proses dehidrasi.
Pengurangan haba
Dalam pengeluaran termal, dolomit dikalsinasi menjadi magnesium oksida (MgO) dan kapur (CaO), dan ini dikurangkan oleh silikon (Si), menghasilkan gas magnesium dan terak silikat dicalcium. Reaksi asas, adalah endotermik - iaitu haba mesti digunakan untuk memulakan dan mengekalkannya. Dengan magnesium mencapai tekanan wap 100 kilopascals (1 atmosfera) pada 1.800 ° C (3.270 ° F), keperluan haba boleh menjadi cukup tinggi. Untuk menurunkan suhu tindak balas, proses perindustrian beroperasi di bawah vakum. Terdapat tiga kaedah utama, berbeza dengan cara mereka membekalkan haba. Dalam proses Pidgeon, dolomit tanah dan terkalsinasi dicampurkan dengan ferrosilicon yang telah digiling halus, dipanggang, dan dimasukkan ke dalam retor baja nikel-kromium silinder. Sejumlah retor dipasang secara mendatar di dalam relau berbahan bakar minyak atau gas, dengan penutupnya dan sistem pemeluwap terpasang yang meluas keluar dari relau. Selepas kitaran tindak balas pada suhu 1,200 ° C (2,200 ° F) dan di bawah tekanan 13 pascal yang dikurangkan, kristal magnesium (disebut mahkota) dikeluarkan dari kondensor, sanga dievakuasi sebagai pepejal, dan retort diisi semula. Dalam proses Bolzano, briket dolomit-ferrosilicon ditumpuk pada sistem sokongan cas khas di mana pemanasan elektrik dalaman dilakukan untuk pengisian. Tindak balas lengkap memerlukan 20 hingga 24 jam pada suhu 1,200 ° C di bawah 400 pascal.
Slag silikat dicalcium yang dihasilkan oleh proses di atas mempunyai takat lebur kira-kira 2,000 ° C (3,600 ° F) dan oleh itu hadir sebagai pepejal, tetapi, dengan menambahkan alumina (aluminium oksida, Al 2 O 3) pada muatan, takat lebur dapat dikurangkan menjadi 1,550-1,600 ° C (2,825-2,900 ° F). Teknik ini, yang digunakan dalam proses Magnetherm, mempunyai kelebihan bahawa terak cair dapat dipanaskan secara langsung oleh arus elektrik melalui elektrod tembaga yang disejukkan dengan air. Reaksi penurunan berlaku pada tekanan 1.600 ° C dan 400-670 pascal. Magnesium yang menguap dikondensasikan dalam sistem terpisah yang dipasang pada reaktor, dan terak cair dan ferrosilicon disadap pada selang waktu.
