مقدمه
سرب و قلع از فلزات پرکاربرد در صنایع مختلف هستند و در بسیاری از آلیاژها بهویژه لحیمها، باتریها و پوششهای ضد خوردگی به کار میروند. از آنجا که ترکیب این دو فلز در فرایندهای صنعتی فراوان دیده میشود، گاهی لازم است قلع (Sn) از سرب (Pb) جدا شود تا هر یک با خلوص بالا برای کاربردهای بعدی استفاده گردد.
فرایند جداسازی قلع از سرب، بسته به شکل فیزیکی مخلوط، درصد ترکیب، و هدف نهایی (خالصسازی یا بازیافت)، میتواند روشهای مختلفی مانند جداسازی حرارتی، شیمیایی یا الکترولیتی را در برگیرد. در ادامه، این روشها به تفصیل بررسی میشوند.
۱. ترکیب و ویژگیهای فلزی سرب و قلع
سرب (Pb) فلزی نرم، سنگین و با نقطه ذوب نسبتاً پایین (۳۲۷ درجه سانتیگراد) است. قلع (Sn) نیز فلزی براق، نقرهای و دارای نقطه ذوب ۲۳۲ درجه سانتیگراد میباشد. تفاوت نقطه ذوب این دو فلز، کلید اصلی در روشهای جداسازی فیزیکی است.
از طرفی، قلع تمایل بیشتری به تشکیل اکسیدهای پایدار دارد، در حالی که سرب معمولاً در دماهای بالا به صورت فلزی باقی میماند یا اکسید آن (PbO) در شرایط خاص تجزیه میشود.
این تفاوتها مبنای روشهای جداسازی حرارتی و شیمیایی محسوب میشوند.
۲. روشهای اصلی جداسازی قلع از سرب
الف) روش حرارتی (ذوب انتخابی)
یکی از متداولترین روشها برای جدا کردن قلع از سرب، استفاده از تفاوت نقطه ذوب آنهاست.
در این روش، مخلوط آلیاژی در دمایی بین ۲۳۲ تا ۳۲۷ درجه سانتیگراد حرارت داده میشود. در این بازه، قلع شروع به ذوب شدن میکند، در حالی که بخش عمده سرب هنوز جامد است.
ذوب جزئی قلع باعث میشود بتوان آن را از سطح جدا کرد یا از میان مواد جامد فیلتر نمود.
مراحل اجرای روش حرارتی:
-
گرم کردن تدریجی آلیاژ سرب-قلع تا دمای حدود ۲۴۰ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد.
-
نگه داشتن دما برای مدتی جهت ذوب کامل قلع.
-
جداسازی بخش مایع (قلع ذوبشده) از جامد (سرب).
-
در صورت نیاز، تصفیه نهایی قلع با روشهای شیمیایی یا الکترولیتی برای رسیدن به خلوص بالا.
این روش برای آلیاژهایی با درصد بالای سرب مناسب است و در صنایع بازیافت لحیمها کاربرد فراوانی دارد.
ب) روش اکسیداسیون انتخابی
در این روش، از اختلاف در پایداری اکسیدهای قلع و سرب استفاده میشود. قلع در دمای بالا بهراحتی به اکسید قلع (SnO₂) تبدیل میشود، در حالی که سرب در همان شرایط معمولاً به PbO یا PbO₂ تبدیل میشود که خاصیتهای فیزیکی متفاوتی دارند.
برای جداسازی، ابتدا مخلوط فلزی در معرض هوای داغ یا اکسیژن کنترلشده قرار میگیرد تا قلع به SnO₂ تبدیل شود. سپس این اکسید با روشهای شیمیایی (مانند احیاء با کربن یا واکنش با اسیدها) از سرب جدا میگردد.
مراحل کلی:
-
حرارتدهی مخلوط در دمای ۵۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد در حضور اکسیژن.
-
تشکیل اکسید قلع در سطح.
-
شستوشو و انحلال انتخابی اکسیدها در اسید یا قلیا (مثلاً استفاده از HCl برای حل PbO و باقیماندن SnO₂).
-
بازیافت قلع از اکسید با روشهای احیایی.
این فرایند بیشتر در صنایع متالورژی برای بازیافت قلع از سرب لحیمکاری استفاده میشود.
ج) روش الکترولیتی (الکتروتصفیه)
روش الکترولیتی یکی از دقیقترین و کارآمدترین راهها برای جداسازی فلزات است.
در این روش، آلیاژ سرب-قلع به عنوان آند در یک سلول الکترولیتی قرار داده میشود. با انتخاب مناسب الکترولیت و پتانسیل، یکی از فلزات (معمولاً قلع) در محلول حل میشود و دیگری (سرب) به عنوان لجن آندی باقی میماند.
نمونهای از الکترولیتها:
-
محلول اسید سولفوریک رقیق با افزودن یونهای کلرید.
-
یا محلول قلیایی با یونهای قلع به صورت کمپلکس.
در این فرایند، قلع به شکل یون Sn²⁺ در محلول حل میشود و سپس با تغییر شرایط الکتریکی، میتوان آن را به صورت فلز خالص در کاتد رسوب داد.
مزیت بزرگ این روش، خلوص بسیار بالای فلزات جداشده و کنترل دقیق ترکیب شیمیایی است.
با این حال، هزینه تجهیزات و مصرف انرژی، آن را برای مقیاسهای کوچک کمتر اقتصادی میسازد.
د) روشهای شیمیایی محلولی (لیچینگ انتخابی)
در برخی کاربردها، بهویژه در بازیافت بردهای الکترونیکی، از روشهای محلولی استفاده میشود.
در این روش، آلیاژ خرد شده یا پودر شده در یک محلول شیمیایی خاص قرار میگیرد که یکی از فلزات را حل کرده و دیگری را به صورت جامد باقی میگذارد.
مثلاً:
-
استفاده از اسید نیتریک (HNO₃) میتواند قلع را به صورت Sn(NO₃)₂ در محلول حل کند، در حالی که سرب به PbSO₄ یا PbO تبدیل شده و رسوب میکند.
-
یا استفاده از اسید کلریدریک (HCl) باعث حل شدن سرب به شکل PbCl₂ در شرایط خاص میشود.
پس از مرحله انحلال، میتوان با روشهای تهنشینی، احیاء شیمیایی یا الکترولیز، قلع یا سرب خالص را بازیابی کرد.
این روش در بازیافت لحیمهای الکترونیکی و زبالههای صنعتی بهدلیل قابلیت کنترل بالا و آلودگی کمتر، محبوبیت دارد.
۳. کاربردهای صنعتی روشهای جداسازی
-
صنایع بازیافت بردهای الکترونیکی: استخراج قلع از لحیمهای قدیمی و جداسازی آن از سرب برای استفاده مجدد.
-
تصفیه سرب صنعتی: در تولید سرب نرم و خالص برای باتریهای سرب-اسید، حذف قلع ضروری است.
-
تولید قلع خالص برای پوششدهی قوطیهای مواد غذایی: قلع جداشده از سرب با روش الکترولیتی، پس از تصفیه، در صنایع قوطیسازی استفاده میشود.
-
کارخانههای لحیمسازی: برای بازگرداندن قلع از ضایعات و تنظیم ترکیب دقیق لحیم بدون آلودگی سرب.
۴. نکات ایمنی و زیستمحیطی
هر دو فلز، بهویژه سرب، دارای سمیت بالایی هستند. بخارات و ترکیبات محلول آنها میتوانند به سیستم عصبی و کلیهها آسیب برسانند.
بنابراین، رعایت نکات ایمنی زیر در فرایند جداسازی ضروری است:
-
استفاده از تهویه مناسب در عملیات حرارتی و ذوب.
-
بهکارگیری ماسک، دستکش و لباس مقاوم در برابر مواد شیمیایی.
-
جمعآوری و تصفیه فاضلابها و محلولهای اسیدی.
-
بازیافت پسماندهای حاوی فلزات سنگین به جای دفع مستقیم در محیط.
پایبندی به مقررات زیستمحیطی، علاوه بر حفاظت از سلامت انسان، باعث پایداری اقتصادی فرایند نیز میشود.
۵. نتیجهگیری
جداسازی قلع از سرب، فرایندی کلیدی در متالورژی و بازیافت فلزات است. انتخاب روش مناسب به نوع آلیاژ، درصد ترکیب، هدف از خالصسازی و امکانات فنی بستگی دارد.
روش حرارتی برای جداسازیهای ساده و سریع مناسب است، در حالی که روشهای الکترولیتی و شیمیایی برای خلوص بالا به کار میروند.
در کنار جنبههای فنی، توجه به مسائل ایمنی و زیستمحیطی باید در اولویت قرار گیرد تا فرایند نهتنها اقتصادی بلکه پایدار و سازگار با محیط زیست باشد.
منابع پیشنهادی برای مطالعه بیشتر
-
ASM Handbook – Volume 15: Materials and Processes for Electronics.
-
Metallurgical Process Engineering (Haver & Li): فصل مربوط به ذوب و تصفیه فلزات.
-
Environmental Protection Agency (EPA): Guidelines for Lead and Tin Recycling.