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抽出冶金学は、金属を天然鉱床から抽出するプロセスと方法を研究する冶金工学の一分野です。この分野は材料科学であり、鉱石の種類、洗浄、濃縮、分離、化学プロセス、純金属の抽出、およびさまざまな用途に適した合金化のあらゆる側面を網羅しています。時には完成品として直接使用されることもありますが、多くの場合、用途に適した特性を得るためにさらなる加工が必要な形態で使用されます。[ 1 ]
鉄および非鉄金属抽出冶金の分野には、金属抽出に用いられるプロセスに基づいて、鉱物処理、湿式冶金、乾式冶金、電気冶金のカテゴリーに大まかに分類される専門分野が存在する。同じ金属であっても、産出状況や化学的要件に応じて、複数の抽出プロセスが用いられる。宇宙資源抽出の分野における抽出冶金は、宇宙冶金と呼ばれる。
鉱物処理は選鉱から始まります。選鉱とは、まず鉱石を粉砕、すりつぶし、ふるい分けなどによって、その後に行う濃縮プロセスに応じて必要なサイズに砕く工程です。その後、鉱石は、産出形態や後続のプロセスに応じて、不要な不純物から物理的に分離されます。分離プロセスでは、材料の物理的特性を利用します。これらの物理的特性には、密度、粒子サイズと形状、電気的特性と磁気的特性、表面特性などが含まれます。主な物理的および化学的方法には、重力分離、磁気分離、浮選などがあり、これらによって鉱石から不純物や不要な物質が除去され、金属のベース鉱石が濃縮されます。つまり、鉱石中の金属の割合が増加します。この濃縮物は、水分を除去するために処理されるか、そのまま金属抽出に使用されるか、または取り扱いが容易な形状や形態に加工されます。
鉱石には複数の有価金属が含まれていることがよくあります。前の工程で発生した尾鉱は、別の工程の原料として使用され、元の鉱石から二次生成物を抽出することができます。また、精鉱にも複数の有価金属が含まれている場合があります。その精鉱は、有価金属を個々の成分に分離するために処理されます。
湿式冶金は、水溶液を用いて鉱石から金属を抽出するプロセスに関するものです。湿式冶金プロセスの最初のステップは浸出であり、これは有価金属を水溶液または適切な溶媒に溶解させるプロセスです。溶液が鉱石固形物から分離された後、抽出物は、有価金属が金属状態または化学化合物として回収される前に、さまざまな精製および濃縮プロセスにかけられることがよくあります。これには、沈殿、蒸留、吸着、および溶媒抽出が含まれる場合があります。最終的な回収ステップには、沈殿、セメンテーション、または電気冶金プロセスが含まれる場合があります。湿式冶金プロセスは、前処理ステップなしで鉱石材料に直接実行される場合もあります。より多くの場合、鉱石はさまざまな鉱物処理ステップ、場合によっては乾式冶金プロセスによって前処理する必要があります。[ 2 ]
乾式冶金は、ガス、固体、溶融材料の間で化学反応が起こる高温プロセスです。貴重な金属を含む固体は、さらなる処理のための中間化合物を形成するために処理されるか、元素または金属状態に変換されます。[ 3 ]ガスと固体が関与する乾式冶金プロセスは、焼成と焙焼操作 によって典型的に表されます。溶融製品を生成するプロセスは、まとめて製錬操作と呼ばれます。[ 4 ] 高温乾式冶金プロセスを維持するために必要なエネルギーは、起こる化学反応の発熱性から得られる場合があります。通常、これらの反応は酸化であり、たとえば硫化物から二酸化硫黄への反応です。ただし、多くの場合、燃料の燃焼によって、または一部の製錬プロセスの場合、電気エネルギーを直接適用することによって、プロセスにエネルギーを追加する必要があります。
エリンガム図は、起こりうる反応を分析し、その結果を予測するのに役立つ方法である。
電気冶金は、何らかの形の電解槽で行われる冶金プロセスです。最も一般的な電気冶金プロセスは、電解採取と電気精製です。[ 5 ]電解採取は、通常、鉱石が1つ以上の湿式冶金プロセスを経た結果として、水溶液中の金属を回収するために使用される電気分解プロセスです。目的の金属は陰極にめっきされ、陽極は不活性な電気伝導体です。電気精製は、不純な金属陽極（通常は製錬プロセスから）を溶解して、高純度の陰極を生成するために使用されます。溶融塩電解は、貴重な金属が電解質として機能する溶融塩に溶解され、貴重な金属がセルの陰極に集まる別の電気冶金プロセスです。溶融塩電解プロセスは、電解質と生成される金属の両方を溶融状態に保つのに十分な温度で行われます。電気冶金の適用範囲は、湿式冶金および（溶融塩電解の場合）乾式冶金の分野と大きく重複している。さらに、電気化学現象は、多くの鉱物処理および湿式冶金プロセスにおいて重要な役割を果たしている。
鉱物処理と金属抽出は非常にエネルギー集約的なプロセスであり、大量の固体残渣と廃水を発生させ、それらの処理と処分にもエネルギーを必要とします。さらに、金属需要の増加に伴い、冶金業界は一次原料（例：鉱石）および／または二次原料（例：スラグ、尾鉱、都市ごみ）の両方から、金属含有量の低い原料に頼らざるを得なくなっています。したがって、鉱業活動と廃棄物リサイクルは、より選択的で効率的かつ環境に優しい鉱物および金属処理ルートの開発へと進化していく必要があります。
鉱物処理工程は、まず目的の鉱物相を濃縮し、特定の原料に物理的または化学的に関連する不要な物質を除去するために必要です。しかし、このプロセスには金属1トンあたり約30 GJのエネルギーが必要であり、これは米国における鉱業に費やされる総エネルギーの約29%に相当します。[ 6 ]一方、乾式製錬は温室効果ガス排出と有害な排ガス粉塵の大きな発生源です。湿式製錬では、選択性の低いH2SO4、HCl、KCN、NaCNなどの浸出剤を大量に消費します。[7]さらに、環境問題や一部の国による使用制限にもかかわらず、シアン化法は依然として鉱石から金を回収するための主要なプロセス技術と考えられています。水銀 は、明らかな毒性があるにもかかわらず、経済的に発展途上にある国の零細鉱夫によって鉱物から金や銀を濃縮するためにも使用されています。バイオ湿式冶金は、細菌や真菌などの生物を利用するものであり、この方法は大気からの酸素と二酸化炭素の供給のみを必要とするものの、固液比が低く、接触時間が長いため、空間時間収率が大幅に低下する。
イオン冶金は、イオン液体（IL）や深共晶溶媒（DES）などの非水系イオン溶媒を利用することで、例えば浸出や電解採取といった冶金単位操作を統合し、金属を効率的に回収するための閉ループフローシートの開発を可能にします。この技術は、金属の化学種を制御し、不純物を許容しつつ、適切な溶解度と電流効率を示す非水系環境で、中程度の温度で金属を処理することを可能にします。これにより、従来の処理経路が簡素化され、金属処理プラントの規模を大幅に縮小することができます。
DESは、一般的に安価で安全な2つまたは3つの成分から構成される流体で、多くの場合水素結合相互作用を介して自己会合し、各成分の融点よりも低い融点を持つ共晶混合物を形成します。DESは一般的に100 ℃以下の温度で液体であり、従来のILと同様の物理化学的特性を示しますが、はるかに安価で環境に優しいです。それらのほとんどは、塩化コリン（ChCl）と水素結合供与体（尿素、エチレングリコール、マロン酸など）の混合物、または塩化コリンと水和金属塩の混合物です。他のコリン塩（酢酸塩、クエン酸塩、硝酸塩など）ははるかに高価であるか、合成する必要があり、[ 8 ]これらのアニオンから調製されたDESは通常、塩化コリンよりも粘度が高く、導電率が高くなる可能性があります。[ 9 ]この結果、めっき速度が低下し、スローイングパワーが劣るため、塩化物ベースのDESシステムが依然として好まれています。たとえば、Reline（塩化コリンと尿素の1:2混合物）は、混合金属酸化物マトリックスからZnとPbを選択的に回収するために使用されています。[ 10 ]同様に、Ethaline（塩化コリンとエチレングリコールの1:2混合物）は、鋼の電解研磨における金属溶解を促進します。[ 11 ] DESは、Cu/ZnやGa/Asなどの複雑な混合物から金属を回収したり、[ 12 ]鉱物から貴金属を回収したりするのに有望な結果を示しています。[ 13 ]また、DESを浸出剤および酸化剤として組み合わせた電気触媒作用により、複雑な混合物から金属を回収できることが実証されており、[ 14 ]同時に、電解採取により溶液から金属イオンを分離することができます。[ 15 ]
貴金属は、希少で天然に存在する経済的価値の高い金属元素です。化学的には、貴金属はほとんどの元素よりも反応性が低い傾向があります。貴金属には金や銀のほか、いわゆる白金族金属、すなわちルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金が含まれます（貴金属を参照）。これらの金属を対応する母鉱から抽出するには、通常、乾式製錬（焙焼など）、湿式製錬（シアン化法）、またはその両方を処理方法として用いる必要があります。初期の研究では、エタリン中の金の溶解速度はシアン化法と比べて非常に優れていることが示されており、酸化剤としてヨウ素を加えることでさらに向上します。工業プロセスでは、ヨウ素は電気触媒として利用できる可能性があり、電気化学セルの陽極での電気化学的酸化によって還元されたヨウ化物からその場で連続的に回収されます。溶解した金属は、電極電位を調整することで陰極に選択的に析出させることができます。また、この方法では脈石の一部（例えば黄鉄鉱）がよりゆっくりと溶解する傾向があるため、選択性も向上します。[ 16 ]
スペリーライト（PtAs₂ ）とモンチェイト（PtTe₂ ）は、多くの正マグマ鉱床で一般的に最も多く見られる白金鉱物ですが、エタリンでは同じ条件下では反応しません。これは、これらの鉱物が二硫化物（黄鉄鉱）、二砒化物（スペリーライト）、または二テルル化物（カラベライトとモンチェイト）であり、ヨウ素酸化に対して特に耐性があるためです。白金鉱物の溶解が起こる反応機構については、現在も研究が続けられています。
金属硫化物（例えば、黄鉄鉱 FeS 2、砒鉄鉱 FeAsS、黄銅鉱 CuFeS 2）は通常、水媒体中または高温での化学酸化によって処理されます。実際、アルミニウムやクロムなどのほとんどの卑金属は、高温で（電気）化学的に還元する必要があり、このプロセスには高いエネルギー需要が伴い、場合によっては大量の水性廃棄物が発生します。たとえば、水媒体中では、黄銅鉱は表面効果（多硫化物種の形成、[ 17 ] [ 18 ] ）により、コベリンや輝銅鉱よりも化学的に溶解しにくくなっています。Cl −イオンの存在は、形成された硫化物表面の形態を変化させ、不動態化を防ぐことで硫化物鉱物の浸出を容易にすると考えられています。[ 19 ] DESは、高濃度のCl−イオンと低含水率を提供すると同時に、高濃度の追加の塩または酸の必要性を低減し、ほとんどの酸化物化学を回避します。したがって、DES媒体では、不動態層がない状態で硫化物鉱物の電気溶解が有望な結果を示し、溶液から回収可能な金属イオンが溶液中に放出されます。
エタリンを用いて硫化銅鉱物から銅を抽出する際、輝銅鉱（Cu 2 S）とコベリン（CuS）は黄色の溶液を生成し、[CuCl 4 ] 2−錯体が形成されることを示している。一方、黄銅鉱から生成される溶液では、陰極で還元性の Fe 2+種が生成されるため、 Cu 2+種と Cu +種が溶液中に共存する。黄銅鉱からの銅の最良の選択的回収率（>97%）は、20 wt.% ChCl-シュウ酸と 80 wt.% エタリンの混合 DES で得られる。[ 20 ]
酸化物マトリックスからの金属の回収は、一般的に鉱酸を使用して行われます。しかし、DES 中での金属酸化物の電気化学的溶解により、pH 中性溶液中での溶解を 10,000 倍以上に高めることができます。[ 21 ]
研究によると、ZnO などのイオン性酸化物は ChCl:マロン酸、ChCl:尿素、およびエタリンに高い溶解度を示す傾向があり、これは HCl などの水性酸性溶液の溶解度に類似している。しかし、TiO 2などの共有結合性酸化物はほとんど溶解しない。金属酸化物の電気化学的溶解は、HBD からのプロトン活性、すなわちプロトンが酸素受容体として作用する能力と温度に強く依存する。ChCl :シュウ酸や ChCl:乳酸などの低い pH 値の共晶イオン流体は、より高い pH (ChCl:酢酸など) よりも溶解度が高いことが報告されている。[ 22 ]したがって、たとえば異なるカルボン酸を HBD として使用することにより、異なる溶解度を得ることができる。[ 23 ]
現在、実用的な電気化学条件下におけるほとんどのイオン液体の安定性は不明であり、溶解度や化学種モデルに組み込むための金属イオンの熱力学に関するデータがほとんどないため、イオン流体の基本的な選択は依然として経験的なものとなっている。また、プールベ図も利用できず、標準的な酸化還元電位も存在せず、化学種やpH値に関する知識も乏しい。文献で報告されているイオン流体を用いたプロセスの大半は、技術成熟度レベル（TRL）が3（実験的な概念実証）または4（実験室で検証された技術）であり、短期的な実用化には不利な点があることに留意する必要がある。しかし、イオン冶金は、環境に優しい溶媒の使用、温室効果ガス排出量の削減、腐食性および有害な試薬の回避を考慮することで、より選択的かつ持続可能な方法で金属を効果的に回収できる可能性を秘めている。