Il piombo viene estratto dal suo minerale mediante riduzione con carbonio. È necessario compiere notevoli sforzi per separare il minerale di piombo dai minerali di zinco. Negli ultimi anni, il piombo è diventato uno dei materiali più altamente riciclati in uso generale.
Impieghi per il piombo
Oltre l’80 % di tutto il piombo prodotto è usato per realizzare batterie piombo-acido, con il piombo metallico come catodo e l’ossido di piombo (IV) come anodo. Oltre alle batterie di avviamento per veicoli stradali, queste batterie sono utilizzate anche per veicoli ibridi e a emissioni zero, alimentazione di riserva (ad esempio per computer e sistemi telefonici), e stoccaggio energetico in applicazioni di alimentazione remota.
Il resto viene utilizzato in un’ampia gamma di applicazioni:
- schermatura dalle radiazioni, sia come lamiera (quando si utilizzano raggi X e altre potenti apparecchiature per radiazioni) o come composti di piombo nel vetro per proteggere dalle radiazioni (come nei tubi televisivi e nelle apparecchiature mediche);
- come composti di piombo aggiunti al polivinilcloruro (PVC) come stabilizzante (dove la durabilità è importante);
- per applicazioni di copertura edifici (ad esempio per scossaline su tetti);
- per tubazioni e rivestimenti di serbatoi negli impianti chimici (il piombo non è più utilizzato per le condutture dell’acqua domestica) per la protezione di cavi elettrici interrati o subacquei.
Il piombo è anche utilizzato in una varietà di leghe con acciaio, ottone e alluminio (per migliorare la macchinabilità) e con lo stagno per applicazioni di saldatura.
Produzione annuale (piombo primario)
Queste cifre si riferiscono alla produzione primaria dal minerale e non includono la produzione secondaria dal materiale riciclato.
| Mondo | 4.7 milioni di tonnellate |
| Cina | 2.3 milioni di tonnellate |
| Australia | 633 000 tonnellate |
| Stati Uniti d’America | 385 000 tonnellate |
| Perù | 300 000 tonnellate |
| Messico | 240 000 tonnellate |
| India | 130 000 tonnellate |
Produzione primaria del piombo
Circa la metà del piombo raffinato nel mondo proviene dalle miniere di piombo, l’altra metà da fonti di piombo secondario (rottami). La Cina e l’Australia hanno le maggiori quantità di minerali di piombo e sono anche i maggiori produttori primari di questo metallo. Canada, Stati Uniti e Perù hanno quantità minori ma significative di minerali di piombo.
Il minerale di piombo più importante è la galena (PbS). Altri minerali importanti, come la cerussite (PbCO3) e l’anglesite (PbSO4), possono essere considerati prodotti derivati dalla galena causa alterazione per esposizione alle intemperie, e di solito si trovano più vicino alla superficie.
La produzione primaria del piombo prevede tre fasi:
- concentrazione di minerale
- fusione
- raffinazione.
(a) Concentrazione di minerale
I minerali di piombo e zinco (solitamente sfalerite), ZnS) si trovano spesso insieme e possono contenere anche argento, rame e oro. Il minerale deve essere prima separato dalle argille e da altri silicati (la “ganga”), dopodiché vengono separati il minerale di piombo e il minerale di zinco.
Il processo utilizzato è la flottazione con schiuma, ossia una successione di fasi ciascuna che fornisce una maggiore concentrazione del minerale di piombo. Il minerale, contenente ganga (che in genere contiene 3-8% di piombo) viene macinato con acqua fino a ottenere una dimensione delle particelle simile a quella della sabbia fine (<0,25 mm). Questa viene quindi miscelata con acqua e un agente schiumogeno (un detergente) e viene agitata violentemente con immissione d’aria per formare una sospensione fine con una schiuma di bolle sulla parte superiore. Il processo viene condotto in una serie di serbatoi. Poiché i minerali di piombo e zinco vengono bagnati meno facilmente della ganga, aderiscono alle bolle d’aria che vengono trasportate in superficie. Le particelle di roccia affondano e i minerali di piombo e zinco vengono eliminati.
Successivamente il minerale di piombo viene separato dal minerale di zinco. Viene aggiunta una sostanza chimica chiamata “depressiva” (o meglio, un agente di precipitazione selettivo) che è solubile in acqua (ad esempio, solfato di zinco); il minerale di zinco affonda e il minerale di piombo viene rimosso. Successivamente, viene aggiunta una sostanza chimica come il solfato di rame (II) e il minerale di zinco galleggia per essere rimosso.
Il concentrato di minerale di piombo dalle vasche di galleggiamento contiene circa il 50 % di piombo e circa lo 0.1% di argento, una quantità relativamente piccola ma preziosa.
(b) Fusione
La fusione è solitamente un processo a due stadi come descritto qui, sebbene vengano utilizzati anche metodi a fase singola con un consumo energetico ed emissioni inferiori.
Dopo la miscelazione con il calcare, il minerale concentrato filtrato viene riscaldato in aria o aria arricchita di ossigeno) su un nastro mobile. La maggior parte del solfuro viene convertita in ossido di piombo (II):
L’ anidride solforosa gassosa ottenuta può quindi essere purificata e utilizzata per produrre acido solforico).
L’ossido di piombo (II) viene riscaldato e trasformato in grumi, un processo noto come sinterizzazione. I grumi presenti vengono frantumati e selezionati ad una dimensione adeguata per il successivo trattamento in altoforno, simile nella costruzione a quelli per la lavorazione del ferro ma di dimensioni inferiori.
La sinterizzazione graduata (ogni grumo della dimensione di un pugno) viene miscelata con circa il 7% della sua massa in coke e calcare. Il coke viene aggiunto per due scopi: uno in qualità di agente riducente, e l’altro come fonte di calore quando reagisce con l’aria che, come nella fabbricazione del ferro, viene pompata nel forno. Il calcare fornisce materiale per il flusso contenente le impurità, le scorie. La miscela viene introdotta nella parte superiore dell’altoforno e l’ossido di piombo (ll) viene ridotto a piombo fuso. Il carbonio e il monossido di carbonio, prodotti dal coke, sono gli agenti riducenti:
Il piombo fuso è prelevato dalla base del forno e gettato in lingotti da 4 tonnellate o messo in un “bollitore di contenimento” che mantiene il metallo fuso per il processo di raffinazione.
Il prodotto contiene circa il 99.5% di piombo, mentre il restante 0.5% è costituito principalmente da antimonio e argento con quantità minori di altri metalli, compreso l’oro. Poiché in questa fase il piombo contiene argento e oro, esso è indicato come piombo da lingotti.
I flussi in lavorazione formano una scoria fusa e surnatante di ossidi metallici e silicati. La scoria contiene gran parte dello zinco rimanente nel minerale e viene trattata successivamente per produrre zinco metallico.
La fusione può essere effettuata anche utilizzando un condotto attraverso il quale l’olio e l’aria arricchita di ossigeno passano ad alta velocità formando condizioni turbolente. Esistono diversi processi di questo tipo che operano sotto nomi come Isasmelt, Ausmelt e Sirosmelt. L’unico processo, Isasmelt, è discusso alla fine di questa unità.
(c) Raffinazione
Il lingotto viene riscaldato appena sopra il suo punto di fusione. Il rame solido e il solfuro di rame salgono in superficie e vengono rimossi.
L’arsenico viene quindi rimosso mescolando il piombo con un getto d’aria e rimuovendo la scoria risultante e contenente ossidi di arsenico.
L’argento viene rimosso con una tecnica nota come processo di Parkes. Circa il 2% di zinco viene aggiunto al piombo e si forma una crosta di zinco ricca di argento che viene rimossa. Viene quindi aggiunto altro zinco a 740 °K e il bagno viene raffreddato appena sopra il suo punto di fusione (693 °K). Durante il raffreddamento, una crosta solida argento/zinco si separa, sale in superficie e viene rimossa continuamente.
Il processo Parkes dipende da quanto segue:
- Piombo e zinco sono quasi immiscibili appena al di sopra dei loro punti di fusione
- L’argento è molto più solubile nello zinco che nel piombo
- Le leghe argento/zinco hanno punti di fusione più elevati rispetto allo zinco puro.
A 863 °K lo zinco viene rimosso trasferendo il piombo in un “bollitore per lo zinco”. In questa fase il piombo desilverato contiene circa lo 0.6% di zinco e lo 0.0004% di argento. La dezincatura viene eseguita per distillazione sotto vuoto a 860 °K quando lo zinco vaporizza.
Infine, tutte le tracce di antimonio e zinco vengono rimosse mescolando idrossido di sodio in piombo fuso a 760 °K (il suo punto di fusione è 600 °K). La miscela risultante (zincato e antimonato di sodio) formano una pellicola sulla superficie del piombo fuso che viene rimosso. Il piombo raffinato ha una purezza del 99.99 %.
Produzione secondaria
A livello globale, oltre il 50% del piombo utilizzato ogni anno proviene da fonti riciclate. Infatti oltre il 90% del piombo utilizzato negli Stati Uniti proviene da metallo riciclato.
| Mondo | 5.5 milioni di tonnellate |
| Cina | 1.5 milioni di tonnellate |
| Stai Uniti d’America | 1.1 milioni di tonnellate |
| India | 340 000 tonnellate |
| Germania | 290 000 tonnellate |
| Messico | 205 000 tonnellate |
| Brasile | 188 000 tonnellate |
Il piombo per il riciclaggio può essere sotto forma di rottami metallici (lastre per tetti, ad esempio) o composti di piombo, come le paste delle batterie piombo-acido. Il piombo metallico pulito può essere fuso e raffinato direttamente, ma i composti e le leghe di piombo richiedono la fusione, utilizzando processi simili a quelli usati con i minerali di piombo.
Processo in due fasi
Nel processo a due fasi per la produzione secondaria vengono utilizzati forni rotativi o riverberatori più piccoli (Figura 3) piuttosto che altiforni più grandi in quanto ciò consente un migliore controllo della qualità del piombo. I forni rotativi possono accettare il piombo in quasi tutte le forme e possono utilizzare molte diverse fonti di carbonio (gas naturale, petrolio e coke) per la riduzione.
La prima fase utilizza pochissimo agente riducente e una volta riscaldato il forno l’eventuale piombo metallico si scioglie e può essere ottenuto dopo poche ore. Questo avrà un’elevata purezza poiché altri materiali, compresi i composti di piombo, rimangono nelle scorie. Viene aggiunto ulteriore scarto e il processo viene ripetuto fino a quando non si sono accumulate scorie sufficienti per la seconda fase.
La seconda fase prevede la riduzione delle scorie utilizzando un agente riducente a base di carbonio. Il carbonato di sodio (inteso come carbonato di sodio anidro normalmente commercializzato) o carbonato di calcio viene anche aggiunto come “fondente” per aiutare a formare le scorie di impurità. Gli ossidi di piombo, il solfato di piombo e gli eventuali ossidi di antimonio vengono ridotti e il risultato è “piombo antimoniale”, che può contenere anche un po ‘di bismuto e argento. L’antimonio (2-5%) conferisce al piombo una maggiore resistenza.
Processo in fase singola
Il processo Isasmelt (Figura 4) è un esempio di uno dei metodi più moderni di produzione secondaria di piombo in cui viene utilizzato un processo in fase singola, in particolare per la lavorazione della pasta per batterie. Questo viene immesso in un forno e fuso mediante un condotto attraverso il quale viene alimentata una miscela di olio e aria arricchita di ossigeno. È più economico utilizzare aria arricchita di ossigeno piuttosto che aria poiché ciò aumenta le velocità di reazione e significa che è possibile utilizzare impianti chimici più piccoli e ridurre il costo del carburante. Inoltre si rende più facile garantire che nessun gas come l’anidride solforosa vada perso e inquini l’atmosfera. Impianti ad ossigeno sono costruiti in loco.
Per le successive 36 ore altra pasta – insieme al carbone come agente riducente – viene alimentata nel forno a circa 1250 °K e piombo con una purezza del 99.9% viene ottenuto ogni poche ore.
Successivamente, vengono aggiunti flussi e la temperatura viene aumentata a 1500 °K. Ciò riduce la scoria, che si traduce nuovamente in piombo antimoniale.
Il processo Isasmelt ha una maggiore efficienza termica e la scoria residua ha un contenuto di piombo residuo inferiore. Tale processo viene utilizzato anche per la produzione di piombo primario.
Ultimo aggiornamento 26 Settembre 2016
Edizione italiana a cura di Salvatore Parisi e Valter Ballantini