Luyện kim khai khoáng

Xử lý quặng gồm các quá trình xử lý các hạt nguyên liệu rắn ở dạng thô để tách các vật liệu có giá trị ra khỏi các vật liệu không còn giá trị gọi là gangue (đất phế bỏ). Thường thì cần phải nghiền nhỏ các hạt để thực hiện việc chia tách này. Quá trình chia tách thường tận dụng tính chất vật lý của các hạt, các tính chất này có thể bao gồm khối lượng riêng, kích thước và hình dạng hạt, tính chất điện từ và tính chất bề mặt. Do có nhiều quy trình giảm kích thước và chia tách liên quan tới việc dùng nước nên các quá trình phân tách lỏng-rắn cũng là một đề tài của việc xử lý quặng.

Luyện kim bằng nước quan tâm tới các quá trình sử dụng dung dịch chứa nước để chiết ra kim loại từ quặng. Quy trình luyện kim bằng nước phổ biến nhất là lọc (leaching), trong đó kim loại có giá trị được hòa tan vào dung dịch chứa nước. Sau khi được tách khỏi quặng rắn, dung dịch sẽ trải qua các quy trình tinh chế và cô khác nhau trước khi kim loại có giá trị được hoàn nguyên (recover) ở trạng thái kim loại hay hợp chất. Các quy trình tinh chế và cô dung dịch gồm có ngưng tụ, chưng cất, hút bám (adsorption) và chiết dung môi (solvent extraction). Bước hoàn nguyên cuối cùng có thể là ngưng tụ, hay một quy trình luyện kim điện. Đôi khi các quá trình luyện kim bằng nước được tiến hành trực tiếp trên quặng mà không qua một bước tiền xử lý nào. Tuy nhiên thường thì quặng phải được xử lý trước qua một số bước, có thể là bằng các quy trình luyện kim cao nhiệt.

Luyện kim cao nhiệt gồm các quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao trong đó các phản ứng hóa học diễn ra giữa các vật liệu ở thể khí, rắn và nóng chảy. Chất rắn chứa kim loại giá trị được cho phản ứng tạo thành các hợp chất trung gian để xử lý thêm hay chuyển đổi thành trạng thái nguyên tố hoặc kim loại của chúng. Tiêu biểu cho các quá trình luyện kim cao nhiệt liên quan tới dạng khí và rắn là nung kết và thiêu kết. Các quy trình tạo ra sản phẩm ở dạng nóng chảy thường được gọi chung là sự nấu luyện (smelting). Năng lượng duy trì nhiệt độ cao cho các quá trình có thể hoàn toàn là từ bản chất sinh nhiệt của các phản ứng hóa học xảy ra, thường là các phản ứng ôxi hóa. Tuy nhiên thường năng lượng phải được cung cấp từ bên ngoài bằng cách đốt nhiên liệu hoặc trong một số trường hợp sử dụng trực tiếp điện năng.

Luyện kim điện gồm các quá trình luyện kim diễn ra trong một số dạng pin điện giải. Dạng quy trình luyện kim điện phổ biến nhất là điện triết (electrowinning, electroextraction) và lọc bằng tĩnh điện (electro-refining). Điện triết là một quy trình điện phân giúp hoàn nguyên kim loại trong dung dịch có nước, thường là sau khi quặng đã trải qua một hay nhiều quá trình luyện kim bằng nước. Kim loại giá trị được mạ lên cathode, trong khi anode là một chất dẫn điện trơ. Lọc bằng tĩnh điện được dùng để hòa tan một anode kim loại bị tạp nhiễm (thường là sau một quá trình nấu chảy) và cho ra một cathode với độ tinh khiết cao. Một quy trình luyện kim điện khác là điện phân muối nóng chảy trong đó kim loại giá trị được hòa tan vào muối nóng chảy đóng vai trò là chất điện phân, và kim loại giá trị được thu về tại cathode của pin. Quá trình điện phân muối nóng chảy được thực hiện ở nhiệt độ đủ để giữ cả chất điện phân và kim loại tạo ra ở trạng thái nóng chảy. Phạm vi của luyện kim điện có sự chồng chập đáng kể với luyện kim nước (trong trường hợp điện phân muối nóng chảy) và luyện kim cao nhiệt. Ngoài ra các hiện tượng điện hóa đóng một vai trò đáng kể trong nhiều quá trình xử lý quặng và luyện kim bằng nước.