Υδρομεταλλουργία

Βασικές αρχές

Τα μέταλλα, όπως και όλα τα στοιχεία, είναι διαλυτά ως ιόντα σε υδατικά διαλύματα. Η υδρομεταλλουργία, λοιπόν, είναι ο κλάδος της εξαγωγικής μεταλλουργίας που χρησιμοποιεί υδατικά διαλύματα προκειμένου να επιτύχει την εξαγωγή μετάλλων από ορυκτές πρώτες ύλες και την ανάκτηση αυτών των μετάλλων.
Οι συνθήκες της εκχύλισης εξαρτώνται από την οξύτητα (pH) και το οξειδοαναγωγικό δυναμικό (Eₕ) του διαλύματος, καθώς και από την παρουσία συμπλοκοποιητών (ιόντων με ισχυρή ικανότητα δημιουργίας συμπλόκων). Με βάση τα θερμοδυναμικά διαγράμματα Pourbaix (Πουρμπαί) ή διαγράμματα επικρατούντος ιόντος, ο υδρομεταλλουργός επιλέγει τις πλέον κατάλληλες συνθήκες προκειμένου να επιτύχει την διαλυτοποίηση ενός ορυκτού. Με βάση τα ίδια διαγράμματα, γίνεται και η επιλογή των συνθηκών για την ανάκτηση ενός μετάλλου.

Εκχύλιση

Η εκχύλιση γίνεται συνήθως σε δεξαμενές που μπορεί να είναι αναδευόμενες ή μη αναδευόμενες. Οι αναδευόμενες δεξαμενές είναι κυλινδρικές και η ανάδευση γίνεται μηχανικά ή με την εμφύσηση αέρα (δεξαμενές Pachuca). Οι μη αναδευόμενες δεξαμενές χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν για την εκχύλιση οξειδωμένων μεταλλευμάτων χαλκού, αλλά σήμερα δεν χρησιμοποιούνται πλέον. 
Η εκχύλιση υπό πίεση γίνεται σε αυτόκλειστα με ή χωρίς την εμφύσηση αερίων. Τα αυτόκλειστα μπορεί να είναι οριζόντια, όπως συμβαίνει στην οξειδωτική εκχύλιση σφαλερίτη (ZnS), ή κατακόρυφα, όπως συμβαίνει στην εκχύλιση βωξίτη.
Μία άλλη πολύ διαδεδομένη τεχνική εκχύλισης είναι η εκχύλιση σε σωρούς (αγγλ., heap leaching). Το μετάλλευμα προς εκχύλιση συγκεντρώνεται σε σωρούς. Κάτω από τους σωρούς τοποθετείται αδιαπέρατη γεωμεμβράνη. Οι σωροί καταβρέχονται με διάλυμα οξέος και το μεταλλοφόρο διάλυμα συγκεντρώνεται στην απορροή των σωρών. Η εκχύλιση σε σωρούς χρησιμοποιείται πολύ για την παραγωγή χρυσού, χαλκού και ουρανίου από φτωχά αλλά μεγάλα σε όγκο κοιτάσματα.
Παρεμφερής είναι και η επιτόπια εκχύλιση (αγγλ., in-situ leaching), μόνον που το μετάλλευμα δεν εξορύσσεται. Στην επιτόπια εκχύλιση, διάλυμα οξέος διοχετεύεται στον όγκο του κοιτάσματος μέσω φρεάτων με αντλίες υψηλής πίεσης, και συγκεντρώνεται ή αντλείται φορτωμένο με μέταλλο από κάποιο άλλο σημείο του κοιτάσματος. Το κοίτασμα πρέπει να είναι σχετικώς πορώδες και τα υποκείμενα πετρώματα να είναι πρακτικώς αδιαπέρατα. Η τεχνική της επιτόπιας εκχύλισης εφαρμόζεται εκτενώς στην εξόρυξη ουρανίου. 
Η τεχνική της εκχύλισης σε σωρούς συνδυάζεται και με χρήση βακτηρίων που οξειδώνουν τον δισθενή σίδηρο ή το θείο και έτσι επιταχύνεται η εκχύλιση. Η τεχνική της βιοεκχύλισης σε σωρούς χρησιμοποιείται στην εξαγωγή χαλκού, χρυσού και ουρανίου. Η βιοεκχύλιση γίνεται επίσης και σε αναδευόμενες δεξαμενές.   Ο τομέας της Υδρομεταλλουργίας που  μελετά την χρήση μικροοργανισμών στην Μεταλλουργία είτε επί μεταλλευμάτων είτε επί μεταλλοφόρων διαλυμάτων ονομάζεται Βιοϋδρομεταλλουργία .   Τελευταία, έχει αρχίσει διεθνώς έντονη ερευνητική δραστηριότητα, πέραν των θειούχων ορυκτών και στα οξειδωμένα μεταλλεύματα, όπως μολύβδου, ψευδαργύρου, καδμίου, μολυβδαινίου, νικελίου και κοβαλτίου, τα οποία κυρίως επειδή είναι σαφώς πολυπληθέστερα των θειούχων, αναμένεται να αποτελέσουν την σημαντικότερεη πηγή παραγωγής μετάλλων για το άμεσο μέλλον. Μία από αυτές τις προσπάθειες  έχει πραγματοποιηθεί στο Εργαστήριο Υδρομεταλλουργίας του ΕΜΠ, όπου χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της βιολογικής εκχύλισης των φτωχών ελληνικών λατεριτών με ετερότροφους μικροοργανισμούς, με σχετικά ικανοποιητικά αποτελέσματα, ιδιαίτερα όταν η εκχύλιση γινόταν σε δύο φάσεις, δηλ. γινόταν εκχύλιση με τα προϊόντα μεταβολισμού των μικροοργανισμών κατόπιν κατάλληλης ζυμωτικής διεργασίας.

Καθαρισμός του μεταλλοφόρου διαλύματος

Ο καθαρισμός του μεταλλοφόρου διαλύματος από άλλες διαλυμένες ακαθαρσίες γίνεται με αντιδράσεις κατακρήμνισης, εξουδετέρωσης ή απλής αντικατάστασης. Για παράδειγμα, ο καθαρισμός διαλύματος θειικού ψευδαργύρου από τον περιεχόμενο τρισθενή θειικό σίδηρο (Fe₂(SO₄)₃)γίνεται με την κατακρήμνιση ζαροσίτη ((NH₄)Fe₃(SO₄)₂(OH)₆):
Στην συνέχεια, το διάλυμα θειικού ψευδαργύρου καθαρίζεται από τον περιεχόμενο θειικό χαλκό με την προσθήκη σκόνης μεταλλικού ψευδαργύρου που προκαλεί την αντίδραση αντικατάστασης:
Μία άλλη πιο σύγχρονη τεχνική καθαρισμού του μεταλλοφόρου διαλύματος είναι με την χρήση οργανικών διαλυτών γνωστή ως εξαγωγή με οργανικό διαλύτη. Το μεταλλοφόρο διάλυμα έρχεται σε επαφή με μία οργανική φάση, η οποία περιέχει κάποιο οργανικό οξύ RH (ή άλλη οργανική ένωση) με μεγάλη ικανότητα δημιουργίας οργανομεταλλικών συμπλόκων και πολύ μικρή διαλυτότητα στο νερό. Το μέταλλο — έστω χαλκός — ενώνεται με τον οργανικό διαλύτη και περνάει στην οργανική φάση (φόρτιση):
Κατόπιν η μεταλλοφόρος οργανική φάση έρχεται σε επαφή με ένα καθαρό υδατικό διάλυμα κατάλληλης οξύτητας, ώστε να αποδεσμευτεί το μέταλλο από την οργανική φάση και να μεταφερθεί στο καθαρό διάλυμα και να αναγεννηθεί ο οργανικός διαλύτης (αποφόρτιση). 
Παρομοίως επιτυγχάνεται ο καθαρισμός μεταλλοφόρων διαλυμάτων εκχύλισης με την χρήση ιοντεναλλακτικών ρητινών. 
Ο καθαρισμός του μεταλλοφόρου διαλύματος με κατακρήμνιση των ακαθαρσιών γίνεται επίσης σε αναδευόμενες δεξαμενές, ενώ τα κατακρημνίσματα απομακρύνονται με πυκνωτές και διηθητήρες. Ειδικές μικρές ορθογώνιες δεξαμενές χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό με οργανικούς διαλύτες, ενώ για τον καθαρισμό με ιοντοεναλλακτικές ρητίνες χρησιμοποιούνται κλειστές δεξαμενές με το διάλυμα να διέρχεται μέσα από στρώμα ρητίνης.

Ανάκτηση του μετάλλου

Η τελική ανάκτηση του μετάλλου γίνεται συνήθως με ηλεκτρόλυση, οπότε γίνεται λόγος για ηλεκτρολυτική ανάκτηση. Έτσι ανακτώνται π.χ. καθαρός χαλκός και καθαρός ψευδάργυρος από αντίστοιχα θειικά διαλύματα. Μέταλλα τα οποία δεν ανακτώνται με ηλεκτρόλυση υδατικών διαλυμάτων, ανακτώνται με ηλεκτρόλυση τηγμάτων. Το αλουμίνιο παράγεται με ηλεκτρόλυση ευτηκτικού τήγματος κρυολίθου (Na₃AlF₆) – αλουμίνας (Al₂O₃). Το μαγνήσιο παράγεται με ηλεκτρόλυση τήγματος χλωριούχου μαγνησίου (MgCl₂). Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται και για τον καθαρισμό ακάθαρτων μετάλλων, όπως αργό χαλκό (άνοδοι), αργό χρυσό (bullion), κ.ά. Στην περίπτωση αυτή, γίνεται λόγος για ηλεκτρολυτικό καθαρισμό.
Η ηλεκτρόλυση γίνεται σε μεγάλα ηλεκτρολυτικά κελιά που έχουν πολλές μεταλλικές πλάκες για ανόδους και καθόδους. Για παράδειγμα, η ηλεκτρολυτική ανάκτηση ψευδαργύρου από θειικά διαλύματα γίνεται με ανόδους μολύβδου και καθόδους αλουμινίου. Ο ηλεκτρολυτικός καθαρισμός αργού χαλκού γίνεται με καθόδους λεπτά φύλλα καθαρού χαλκού και ανόδους φτιαγμένες από τον ίδιο τον αργό χαλκό.
Ορισμένα μέταλλα ανακτώνται ως καθαρές χημικές ενώσεις. Π.χ., καθαρό θειούχο νικέλιο (NiS) παράγεται με την εμφύσηση υδροθείου (H₂S) σε διαλύματα καθαρού θειικού νικελίου (NiSO₄):