در بین شمش‌های فلزی رایج، شاید آن‌طور که باید به شمش سرب توجه نشود و دلیل آن، مسمومیت ناشی از تماس یا تنفس بخارهای سمی سرب در هنگام فرآوری آن است. بااین‌حال، این فلز یک فلز ارزشمند مهندسی در کاربردهایی همچون پوشش مخزن، عایق صدا، محافظ در برابر تشعشع و محافظت در برابر خوردگی است. در این مقاله به‌طور تخصصی به فرآیند تولید شمش سرب و خواص و کاربردهای آن اشاره خواهیم کرد. به‌منظور اطلاع از قیمت شمش سرب به این لینک مراجعه نمایید.

 

شمش سرب چیست؟

سرب یک عنصر شیمیایی در گروه ۱۴ فلزات جدول تناوبی با نماد Pb و عدد اتمی ۸۲ است. اکنون از آن برای ساخت باتری‌های ذخیره‌سازی و یک ترکیب ضدضربه (تترا اتیل سرب) برای مدیریت آلودگی استفاده می‌شود.

چگالی آن ۱۱٫۳۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب است و در ساختار کریستالی مکعبی وجه پر یافت می‌شود. نقطه ذوب پایین سرب نشان می‌دهد که هیچ‌یک از چهار الکترون ظرفیت آن در پیوند فلزی قرار نمی‌گیرند. سرب معمولاً دارای عدد اکسیداسیون +۲ به‌جای +۴ است.

از دوران ماقبل تاریخ، شمش سرب مورداستفاده قرار گرفته است، زیرا استخراج آن نسبتاً آسان است. در امپراتوری روم، سرب به‌طور گسترده‌ای در دسترس بود و از آن در ظروف، لوله‌کشی، سکه‌ها و مجسمه‌ها استفاده می‌شد. مردم برای هزاران سال از آن استفاده کردند تا اینکه در اواخر قرن نوزدهم کشف شد که سمی و کشنده است.

سرب به‌اندازه بسیاری از فلزات دیگر واکنش‌پذیر نیست. دارای کیفیت فلزی شکننده است و اغلب اتصالات کووالانسی با عناصر دیگر ایجاد می‌کند. سرب برخلاف اکثر فلزات، نرم، کدر و رسانای الکتریکی ضعیفی است. شمش‌های سرب را می‌توان تا سطوح خلوص موردنیاز یا به‌صورت آلیاژ شده با آنتیموان و قلع با خواص مشخص تولید کرد و آن را به‌گونه‌ای فرآوری کرد که شمش‌های سرب الزامات کاربردی را برآورده کنند. برای آشنایی بیشتر با مشخصات فلز سرب به این لینک مراجعه نمایید.

 

تاریخچه شمش سرب

مصریان احتمالاً اولین کسانی بودند که سرب را استخراج کردند و از آن برای ساختن مجسمه‌های مینیاتوری استفاده کردند. ترکیبات سرب نیز در لعاب‌های سرامیکی مصری کشف شده است. در سال ۲۰۰۰ قبل از میلاد از سرب برای ساخت سکه در چین استفاده می‌شد.

ویژگی‌های مقاوم در برابر خوردگی سرب در ابتدا توسط یونانی‌ها شناخته شد و از آن به‌عنوان پوشش محافظ بدنه کشتی استفاده کردند. پس‌ازآن نیز رومی‌ها شروع به استخراج مقادیر زیادی سرب برای سیستم‌های آبی گسترده خود کردند.

تولید شمش سرب رومی تا قرن اول بعد از میلاد به حدود ۸۰۰۰۰ تن در سال می‌رسید. حمام‌ها با ورق‌های سربی اندود شده بودند و لوله‌کشی سرب با پیچاندن ورقه‌های فلزی سرب به دور یک میله و جوش دادن لبه‌ها به یکدیگر ساخته می‌شد. لوله‌کشی سرب که تا قرن بیستم استفاده می‌شد، به جلوگیری از خوردگی کمک کرد اما باعث مسمومیت گسترده با سرب شد.

به دلیل مقاومت در برابر حرارت، سرب در قرون‌وسطی به‌عنوان یک ماده در ساخت سقف در بسیاری از نقاط اروپا مورداستفاده قرار گرفت. قدمت سقف‌های سربی کلیسای وست مینستر و کلیسای جامع سنت پل در لندن به صدها سال پیش می‌رسد. پیوتر (آلیاژ قلع و سرب) بعدها برای تولید لیوان‌ها، بشقاب‌ها و ظروف تخت استفاده شد.

چگالی بالای سرب به‌عنوان یک ماده مناسب برای ساخت گلوله پس از ظهور سلاح‌ها یافت شد. در اواسط قرن هفدهم، شات سرب در ابتدا با اجازه دادن به قطرات مذاب سرب در آب ریخته شد و به شکل کروی شکل گرفت.

 

سنگ معدن و ترکیبات سرب

سنگ معدن سرب

گالن، یک کانی سولفید سرب (PbS)، مهم‌ترین کانی معدنی است. این سنگ معدن حاوی ۸۶ درصد سرب است. توده‌های مکعبی و کاملاً قابل شکافت و کریستال‌های مکعبی خاکستری فلزی آن غیرمعمول و مشخص هستند.

گالن یک کانی رایج است که به دلیل محلول‌های گرمابی، توده‌های نامنظم و عظیمی را در سنگ‌آهک دولومیتی، مناطق دگرگونی و سنگ‌های آتشفشانی تشکیل می‌دهد. غالباً غنی از نقره است و می‌توان از آن به‌عنوان سنگ معدن نقره نیز استفاده کرد. با آنالیز شیمیایی شمش سرب در این لینک آشنا شوید.

 

ترکیبات شمش سرب

اکسید سرب

با حل کردن Pb3O4 در محلول اسید نیتریک ضعیف، اکسید سرب (II) یا PbO2 به دست می‌آید. در دمای بالاتر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد، به PbO تجزیه می‌شود و آن را به یک عامل اکسیدکننده قوی تبدیل می‌کند. PbO یک اکسید فلزی در دو نوع لیتارژ (سرب قرمز رنگ) و ماسیکوت (سرب زرد رنگ) است. در کوره، سرب مذاب در هوا در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد اکسید می‌شود تا شکل لیتارژ تولید شود. سرب در هوا گرم می‌شود تا ماسیکوت شود.

 

هالیدهای سرب

جامد زرد PbF4 تنها تتراهالید پایدار سرب است. هنگامی‌که گرم می‌شود، به PbF2 و F2 تجزیه می‌شود. از فلوئور یا HF می‌توان برای ساخت آن با واکنش با ترکیبات سرب استفاده کرد. در طی این عمل، PbI4 تولید نمی‌شود زیرا تتراهالیدهای دیگر پایداری کمتری دارند.
دی هالیدهای سرب جامدات کریستالی هستند که در آب سرد کمی حل می‌شوند اما در آب گرم به میزان قابل‌توجهی حل می‌شوند. عناصر حساس به نور PbCl2 و PbBr2 تابش طیف الکترومغناطیسی را ذخیره می‌کنند.

 

کربنات سرب

در طبیعت، کربنات سرب (II) به‌صورت سروسیت با فرمول شیمیایی PbCO3 یافت می‌شود. NaHCO3 آن را از محلول سرب (NO3)2 در دماهای پایین رسوب می‌دهد. این ماده تحت نام white-Pb به‌عنوان رنگ‌دانه سفید استفاده شده است. بااین‌حال، TiO2 به دلیل ماهیت غیر سمی، به‌سرعت در حال جایگزینی آن است.

 

استات سرب

سرب (CH3COO)2 یا استات سرب یک ترکیب شیمیایی کریستالی سفید رنگ با طعم شیرین است. سرب، اسید استیک و پراکسید هیدروژن برای ساختن آن باهم جوشانده می‌شوند. برای پاک‌سازی چشم در پزشکی استفاده می‌شود. همچنین در فرآیند رنگرزی برای ساختن ترکیبات مختلف سرب و رنگ‌دانه استفاده می‌شود.

 

فرآیند تولید شمش سرب

تولید اولیه شمش سرب به سه مرحله نیاز دارد:

 

۱٫ خالص سازی و فلوتاسیون سنگ معدن سرب

سنگ معدن سرب و روی (معمولاً اسفالریت، ZnS) اغلب به‌صورت ترکیبی یافت می‌شود و حاوی نقره، مس و طلا است. سنگ معدن باید ابتدا از خاک رس و سایر سیلیکات‌ها که گانگ یا مواد باطله نامیده می‌شوند، جدا شود و سپس سنگ معدن سرب و روی از آن جدا شوند.

روش مورداستفاده برای این منظور، فلوتاسیون کفی است که شامل یک سری مراحل است که به‌تدریج غلظت سنگ معدن سرب بالاتری می‌دهد. سنگ معدن، که حاوی گانگ (معمولاً ۳ تا ۸ درصد سرب) است، با آب به‌اندازه ذرات ۰٫۲۵ میلی‌متر، معادل شن و ماسه، فرآوری می‌شود. سپس با آب و یک عامل کف زا ترکیب می‌شود و به‌شدت توسط جریان هوا هم زده می‌شود تا یک سوسپانسیون خوب با کفی از حباب در بالا ایجاد شود.

از تانک‌های متوالی برای انجام این فرآیند استفاده می‌شود. کانی‌های سرب و روی به حباب‌های هوا که به سطح منتقل می‌شوند متصل می‌شوند، زیرا نسبت به گانگ به‌راحتی خیس می‌شوند. با غرق شدن ذرات سنگ، سنگ معدن سرب و روی از بین می‌رود.

سپس سنگ معدن روی از سنگ معدن سرب جدا می‌شود. سنگ معدن روی ته‌نشین می‌شود و سنگ سرب پس از استفاده از ماده شیمیایی به نام دپرسانت که در آب محلول است (به‌عنوان‌مثال سولفات روی)، از بین می‌رود. پس از افزودن یک معرف مانند سولفات مس (II)، سنگ معدن روی شناور می‌شود و ممکن است از بین برود. کنسانتره سنگ سرب مخازن فلوتاسیون اکنون حاوی حدود ۵۰ درصد سرب و حدود ۰٫۱ درصد نقره است که نسبت کمی مفید است.

 

۲٫ ذوب ریزی شمش سرب

اگرچه که برای ذوب سرب از فناوری‌های تک مرحله‌ای با مصرف انرژی و انتشار کمتر نیز استفاده می‌شود، اما ذوب سرب معمولاً دو مرحله‌ای است. پس از ترکیب با سنگ‌آهک، سنگ معدن تصفیه‌شده و غلیظ شده بر روی یک تسمه متحرک در هوا یا هوای غنی‌شده با اکسیژن برشته می‌شود. سولفید بیشتر به اکسید سرب (II) تبدیل می‌شود. برای این منظور، گاز دی‌اکسید گوگرد را می‌توان خالص کرد و برای تولید اسیدسولفوریک از آن استفاده کرد.

 

۲PbS(s) + 3O2 (g) = 2PbO(s) +2SO(s) + 2SO2(g)

 

تف جوشی، فرآیند گرم کردن اکسید سرب (II) و تشکیل توده‌ها است. توده‌ها خردشده و به‌اندازه مناسب برای تصفیه در کوره بلند، مشابه کوره بلند آهنی اما کوچک‌تر، مرتب می‌شوند. هر توده زینتر درجه‌بندی‌شده با تقریباً ۷ درصد جرم آن در کک و سنگ‌آهک مخلوط می‌شود. کک برای دو منظور اضافه می‌شود: یک عامل کاهنده و یک منبع گرما هنگامی‌که با هوای رانده‌شده به داخل کوره واکنش می‌دهد، مشابه نحوه ساخت آهن.

سنگ‌آهک موادی را برای شار سرباره فراهم می‌کند که حاوی ناخالصی است. اکسید سرب (ll) با رساندن مخلوط به بالای کوره بلند به سرب مذاب تبدیل می‌شود. عوامل کاهنده شامل کربن و مونوکسید کربن هستند که از کک ایجاد می‌شوند. سرب مذاب از کف کوره گرفته می‌شود و به شمش‌های ۴ تنی ریخته می‌شود. واکنش‌ها در این مرحله عبارت‌اند از:

 

PbO(s) + C(s) = Pb (l) + CO (g)

Pb(s) + CO (g) = Pb (l) + CO2 (g)

 

۳٫ پالایش شمش سرب

شمش فقط تا حد ذوب شدن گرم می‌شود. با این کار، سولفید مس و مس جامد به سطح می‌آیند و از بین می‌روند. آرسنیک با انفجار سرب با هوا و حذف سرباره ازجمله اکسیدهای آرسنیک از بین می‌رود. روش پارکز نیز برای حذف نقره از سطح استفاده می‌شود.

در این مرحله، یک پوسته روی غنی از نقره تشکیل می‌شود و پس از افزودن تقریباً ۲ درصد روی به سرب حذف می‌شود. در دمای ۷۴۰ کلوین (نقطه ذوب آن ۶۹۳ کلوین است)، روی بیشتری اضافه می‌شود و حمام تا بیش از نقطه ذوب خود خنک می‌شود. یک پوسته جامد نقره/ روی در طول خنک شدن جدا می‌شود، به سطح بالا می‌رود و به‌طور مداوم حذف می‌شود.

انتقال سرب به یک مخزن در ۸۶۳ کلوین، روی را حذف می‌کند. سرب نقره زدایی شده حدود ۰٫۶ درصد روی و ۰٫۰۰۰۴ درصد نقره دارد. هنگامی‌که روی تبخیر می‌شود، از تقطیر خلأ در ۸۶۰ کلوین برای آب‌کردن آن استفاده می‌شود.

درنهایت، با مخلوط کردن هیدروکسید سدیم در سرب مذاب در دمای ۷۶۰ کلوین، تمام باقیمانده‌های آنتیموان و روی از بین می‌روند (نقطه ذوب آن ۶۰۰ کلوین است). زینت سدیم و آنتیمونات پوستی را روی سطح سرب مذاب تشکیل می‌دهند که خراشیده شده است. شمش سرب تصفیه‌شده دارای خلوص ۹۹٫۹۹ درصد است.

 

بزرگ ‌ترین تولیدکنندگان شمش سرب در جهان

اگرچه سرب فراوان نیست، اما فرآیندهای طبیعی منجر به ایجاد ذخایر قابل‌توجه تجاری به‌ویژه در ایالات‌متحده در ایالت‌های غربی و دره می سی سی پی شده است. همچنین در کانادا، استرالیا، اسپانیا، آلمان، آفریقا و آمریکای جنوبی نیز این ذخایر یافت می‌شوند.

سرب که به‌ندرت در طبیعت آزاد یافت می‌شود، در چندین کانی وجود دارد، اما همه آن‌ها به‌جز سولفید، PbS (گالن سربی) که منبع اصلی تولید سرب در سراسر جهان است، اهمیت کمی دارند. سرب همچنین در آنگوسیت (PbSO4) و سروسیت (PbCO3) یافت می‌شود. در اوایل قرن بیست و یکم، چین، استرالیا، ایالات‌متحده، پرو، مکزیک و هند بزرگ‌ترین تولیدکنندگان کنسانتره سرب در جهان بودند.

 

خواص شمش سرب

شمش سرب یک فلز براق سفید بسیار چکش‌خوار با بافتی نرم است. این فلز علاوه بر اینکه در برابر خوردگی مقاوم است، رسانای خوبی برای جریان الکتریسیته نیز هست. هنگامی‌که در هوا سوزانده می‌شود، فلز پودر شده شعله‌ای به رنگ سفید متمایل به آبی ایجاد می‌کند. فلوراید سرب زمانی تشکیل می‌شود که فلوئور با اکسیژن در دمای محیط ترکیب شود. نقطه ذوب سرب ۳۲۷ درجه سانتی‌گراد است که بسیار پایین است.

 

مزایای سرب

شمش سرب به دلیل سمی بودن کمتر خریداری می‌شود. این امر به‌طور طبیعی منجر به کاهش هزینه‌های خرید و استفاده از آن می‌شود. ازآنجایی‌که سرب در دمای پایین ذوب می‌شود، کار کردن با آن آسان است. ازاین‌رو، برای لحیم‌کاری ایدئال است.

 

معایب سرب

ازآنجایی‌که سرب بسیار خطرناک است، استفاده از آن می‌تواند زمین و مهم‌تر از آن منابع آب را آلوده کند. می‌تواند آب آشامیدنی را آلوده کرده و باعث بیماری شود. خطرات شمش سرب، سلامت انسان و همچنین اختلال در اکوسیستم را شامل می‌شود.

 

کاربرد شمش سرب چیست ؟

باتری سرب اسیدی

مصرف اصلی سرب برای باتری‌های ذخیره سرب اسید است که در آن شبکه یا صفحه از سرب یا سرب با فلز دیگر و معمولاً با آنتیموان ساخته شده است.

 

ورق سرب

ورق سرب در صنعت ساختمان برای فلاشینگ یا هوازدگی برای جلوگیری از نفوذ آب و برای سقف و روکش استفاده می‌شود. به دلیل مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی، ورق سرب همچنین برای پوشش حمام‌های شیمیایی، گیاهان اسیدی و مخازن ذخیره استفاده می‌شود. چگالی بالای ورق سرب آن را به یک ماده بسیار مؤثر برای اهداف عایق صدا تبدیل می‌کند. فولاد با روکش سربی نیز در محافظ تابش استفاده شده است.

 

لوله سرب

لوله‌های سربی به دلیل خواص مقاوم در برابر خوردگی برای حمل مواد شیمیایی خورنده در کارخانه‌های شیمیایی استفاده می‌شود. همچنین لوله سربی با ترکیب مناسب هنوز برای استفاده در اتصال کابل‌های غلاف سربی اکسترود می‌شود.

 

رنگ‌دانه‌ها

سرب به‌طور گسترده در رنگ‌ها استفاده می‌شود، اگرچه اخیراً استفاده از سرب در رنگ‌ها برای از بین بردن یا کاهش خطرات سلامتی به‌شدت کاهش یافته است. سرب سفید، پرمصرف‌ترین رنگ‌دانه سرب است. دیگر رنگ‌دانه‌های مهم سرب سولفات سرب و کرومات های سرب هستند.

 

روکش کابل

آلیاژهای سرب به دلیل شکل‌پذیری بالا، توانایی اکستروژن خوب، دمای نسبتاً پایین و مقاومت در برابر خوردگی عالی اثبات‌شده در تماس با طیف وسیعی از محیط‌های صنعتی و دریایی، خاک‌ها و مواد شیمیایی، به‌طور گسترده به‌عنوان مواد پوششی برای کابل‌های برق فشارقوی استفاده می‌شوند.

 

ساخت گلوله

استفاده از مهمات با گلوله‌های سربی که معمولاً در تیراندازی ورزشی با سلاح‌های سبک استفاده می‌شود.

 

آلیاژسازی با سرب

سرب با بسیاری از فلزات آلیاژهایی تشکیل می‌دهد. آلیاژهای تشکیل‌شده با قلع، مس، آرسنیک، آنتیموان، بیسموت، کادمیوم و سدیم همگی از اهمیت صنعتی برخوردار هستند. از سرب برای ساخت بلبرینگ، لحیم‌کاری و ساخت آلیاژهای ضد اصطکاک استفاده می‌شود.

لحیم‌های نرم عمدتاً آلیاژهای سرب- قلع با یا بدون آنتیموان هستند، درحالی‌که آلیاژهای همجوشی ترکیبات مختلفی از سرب، قلع، بیسموت، کادمیوم و سایر فلزات با نقطه ذوب پایین هستند. فویل سرب نیز از آلیاژهای سرب ساخته شده است. برای کاهش سایش ماشین‌ابزار، سرب به برنج اضافه می‌شود.

 

جمع بندی

تولید شمش سرب ازآن‌جهت که این فلز در ساخت باتری، ورق و لوله سربی، رنگ‌دانه‌ها، گلوله‌ها و غیره استفاده می‌شود، اهمیت بسزایی دارد. اما برخی کشورها استفاده از آن را به دلیل سمی بودن و خطرات زیست‌محیطی و خطرات برای سلامتی انسان، محدود کردند.

ضمن اینکه، شمش سرب به دلیل سمی بودن کمتر خریداری می‌شود. این امر به‌طور طبیعی منجر به کاهش هزینه‌های خرید و استفاده از آن می‌شود. همچنین، دمای ذوب پایین سرب، آن را برای استفاده در لحیم‌کاری مناسب کرده است.