استحصال مس
روشهای استحصال مس
مس ، حدود ۳-۱۰*۵ در صد پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. مقدار آن در آب دریاها در حدود ۷-۱۰*۳ درصد می‌باشد. قشر زمین برای استخراج مس مناسبتر است. مس به سه صورت در طبیعت یافت می‌شود که عبارتند از سنگهای اکسیده ، سنگهای سولفوره و مس طبیعی.
سنگهای اکسیده بیشتر در قشر زمین وجود دارند و تغییرات جوی و فعل و انفعالات طبیعی ، باعث تبدیل سنگهای سولفوره به سنگهای اکسیده می‌شود. سنگهای اکسیده مس بیشتر از کربنات‌ها ، سولفات‌ها و گاه سیلیکاتها تشکیل شده‌اند.
مس گاهی به صورت آزاد در طبیعت یافت می‌شود. اغلب این مس به‌صورت دانه‌های ریز در داخل کنگلومرا یافت می‌شود. گاهی قطعات بزرگتر نیز در کانادا یافت شده است. چنین مسی حتی تا درجه خلوص ۹۹٫۹۲ درصد هم یافت شده است.
معادن مس در دنیا به صورت رو باز و زیر زمینی وجود دارند. البته امروزه بیشترین درصد مس دنیا از معادن رو باز استخراج می‌شود، مشروط بر اینکه حداقل مس موجود در سنگ معدن حدود ۰٫۴ در صد باشد. از معادن مس زیر زمینی نیز که حداقل ۰٫۷ درصد مس داشته باشند، در صورت اقتصادی بودن استخراج به عمل می‌آید.
سنگهای معدنی مس غالبا حاوی سایر فلزات مانند سرب و کادمیم است و در مقادیر کمتر حاوی نیکل و کبالت نیز می‌باشند.
روش های تولید مس از سنگ معدن در صنعت، شامل دو روش عمده پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی می باشد. روش پیرومتالورژی شامل مراحل استخراج کانسنگ، پرعیارکردن، ذوب و ریخته گری آند و در نهایت پالایش الکترولیزی و دستیابی به مس خالص می باشد.
در روش هیدرومتالورژی، کانسنگ های معدنی پس از استخراج از معدن تحت عملیات خردایش و آگلومراسیون قرار گرفته و با انجام عملیات انحلال (لیچینگ ) بر روی آن، محلول حاوی عنصر معدنی حاصل می‌شود. در ادامه فلز مس از این محلول به کمک فرآیند های پالایش (جدایش با حلالیا تبادل یونی و الکترووینینگ) استحصال می گردد .
در ادامه هر دو روش مورد بررسی قرار می گیرد .
پیرومتالورژی
روش پیرومتالورژی(Pyrometallurgy)
این روش شامل فرآیندهای زیر است: استخراج کانسنگ ← تغلیظ (تولید کنسانتره) ← ذوب و فرآوری (تولید آند) ← الکترولیز و پالایش نهایی (تولید کاتد ۹۹٫۹۹%) ← ریخته‌گری (تولید اسلب، بیلت، مفتول و لوله)
پس از عملیات استخراج، سنگ معدن در کارخانه تغلیظ وارد سنگ شکن اولیه و ثانویه شده و به ابعادی در حدود ۱۲ میلی‌متر خرد و وارد آسیای گلوله‌ای شده و بامواد شیمیایی و شیرآهک به صورت دوغاب (اندازه دانه‌ها کمتر از ۱۰۰ میکرون) در می‌آید. دوغاب حاصله در قسمت سوم و با فرآیند فلوتاسیون (شناورسازی) تغلیظ شده و کنستانتره مس (با عیار حدود ۲۵%) و کنسانتره مولیبدن از آن به دست می‌آید (روش فلوتاسیون به این صورت است که مقدار کمی از معرفهای فلوتاسیون به محلول اضافه می‌شود و به داخل حوضچه‌های آب که به شدت به هم زده شده و حباب هوا به داخل آن دمیده می‌شود هدایت می‌شوند. خاصیت معرفهای فلوتاسیون آن است که روی کانه‌های خاص با ترکیب شیمیایی و یا شبکه بلوری معین تشکیل غشائی می‌دهد که سطح آنرا برای جذب حباب هوا آماده کرده و آنها را روی آب شناور می‌کند. سایر ذرات که غشائی روی آن تشکیل نشده است شناور نخواهد شد و بدین ترتیب می‌توان ذرات خاصی را از مجموع ذرات شناور کرده و جدا کرد). کنستانتره مس صاف شده (به شکل خمیره) و در کوره‌های خشک کن رطوبت‌گیری شده و به مرحله ذوب می‌رود. مواد مذاب ترکیبی از مس و سایر مواد ناخالصی نظیر گوگرد، آهن، طلا و… با عیار حدود ۴۵% است (به اسم مات مس). عبور هوا و اکسیژن از مات مس در کوره‌های مبدل، ناخالصیها و به خصوص آهن و گوگرد را اکسیده کرده و به سرباره انتقال می‌دهد. این مس که هنوز ناخالص (به دلیل وجود عناصر مختلف و مواد غیر فلزی ) و متخلخل است و آنرا «مس بلیستر» (تاول‌دار یا جوشدار) می‌نامند و ناخالصی‌های آن را در کوره‌های دیگر و با کمک گاز پروپان سوزانده و در چرخ ریخته‌گری به صورت صفحات بزرگی در‌می‌آورند که به عنوان آند در الکترولیز مس به کار می‌روند. در مرحله پالایش، صفحات آند از مرحله قبل و نیز صفحات نازک کاتد (از جنس مس بسیار خالص) در محلول الکترولیت اسید سولفوریک و سولفات مس وارد و پس از عبور جریان معین تحت ولتاژ بسیار پایین (کمتر از ۰٫۵V) از آنها، مس به صورت یون از آند جدا شده و بر روی کاتد می‌نشیند. عناصر و فلزات دیگر (از جمله فلزات گرانبها مثل طلا و نقره) در محلول الکترولیت حل نمی‌شوند و از این رو در کف کوره‌‌ی الکترولیز به صورت لجن رسوب می‌کنند. کاتدها و نیز محصولات منتجه از آن (اسلب، مفتول، لوله مسی) قابل فروش در بازار فلزات است.
نکات
- از گاز SO2 تولیدی در مرحله ذوب برای تولید اسید سولفوریک به عنوان یک محصول جانبی (قابل فروش و نیز مورد نیاز در روش هیدرومتالورژی) استفاده می‌شود.
- برای تولید یک تن کاتد مس، حدود ۱۱۰ متر مکعب آب نیاز است که بخش عمده آن بازیافت می‌شود.
- لجن الکترولیز و سرباره مرحله ذوب دارای مقداری مس و سایر فلزات (از جمله طلا و نقره) هستند که به عنوان محصول جانبی در بورس کالا فروخته می‌شوند.
- مولیبدون، سولفور مولیبدون و فرومولیبدون نیز از محصولات جانبی فرآیند است.
روش هیدرومتالورژی
سنگهای اکسیده مس
عمولاً در انتخاب یک روش برای استخراج مس یا هر فلز دیگر پارامترهای مختلفی دخالت دارد و مهمترین آنها اقتصادی و مقرون به صرفه بودن آن روش است. دست‌اندر کاران صنعت استخراج معمولاً سعی در ابداع یک روش جدید با هزینه‌های کمتر و بازده بالا یا بهبود روشهای قبلی برای پایین آوردن هزینه و بهره‌وری بالاتر دارند. با پیشرفت تکنولوژی و ساخت دستگاه‌های جدید روز به روز روشهای اقتصادی‌تر جایگزین روشهای پرهزینه قدیمی می‌شود. روشهای مرسوم و کلی استخراج مس ر زیر آمده است.
روش احیا
این روش برای استخراج مس از سنگهای اکسیدی و پرعیار بکار می‌رود. اساس این روش ، حذف کامل گوگرد از سنگ معدن مس و احیاء بعدی آن توسط عوامل احیا کننده مانند کربن یا منوکسید کربن قرار دارد. این روش ، قدیمی است و امروزه بدلیل کمیاب بودن سنگهای اکسیدی پرعیار و همچنین مصرف سوخت و انرژی بالا ، تلفات زیاد مس در سرباره و هزینه زیاد حذف ناخالصیها ، مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
روش تهیه مات
در این روش ، سنگهای معدنی مس گوگرددار در کوره‌های ذوب به مخلوطی از سولفورهای مس و آهن که مات مس نام دارد، تبدیل می‌شود و سپس توسط یک کنورتور (مبدل) به مس خام تبدیل می‌شود که بعد از تصفیه و ذوب کاتدی مس فلزی بدست می‌آید. این روش ، بدلیل مصرف سوخت کمتر (وجود عناصر گرمازای کافی در مات که کنورتور را بی‌نیاز از سوخت خارجی می‌کند) و همچنین درجه خلوص بالاتر مس خام ، نسبت به روش احیا ، اقتصادی‌تر بوده ، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
متالوژی مس از طریق تشکیل مات
در میان روشهای استخراج مس ، تهیه مات متداولترین روش می‌باشد که بر اساس دو اصل زیر استوار می‌باشد:
- واکنش پذیری مس با گوگرد از سایر عناصر وجود در کانی بیشتر بوده ، زودتر از عناصری مثل نیکل و کبالت و سرب می‌تواند سولفور تشکیل بدهد. آهن هم سریعتر از عناصر فوق با گوگرد وارد واکنش می‌شود، از این رو ، مات مس معمولاً سولفور دوگانه آهن و مس می‌باشد که به‌سهولت از گانگ‌ها به‌صورت مذاب جدا می‌شود. مقدار گوگرد موجود در سنگ معدن ، عیار مات را تعیین می‌کند. مقدار بالای گوگرد نشانگر پایین بودن عیار مس می‌باشد بهترین حالت وقتی است که مقدار گوگرد ۳۵الی۵۰ درصد مس کافی باشد.
میل ترکیبی مس با اکسیژن کمتر از سایر فلزات و عناصر موجود می‌باشد، از این رو ، در محیط اکسیژنی پایدار است و به این ترتیب ، از مات مس جدا می‌شود .
هیدرومتالوژی
در این روش استخراج مس از کانه‌های اکسیدی یا سولفیدی کم عیار (که استخراج مس از آن به روش پیرومتالورژی مقرون به صرفه نیست) به وسیله‌ی حلال اسیدی (فرآیند لیچینگ) و سپس الکترووینینگ انجام می‌شود.
در این روش با ریختن اسید سولفوریک بر روی کانسنگ، محلولی به صورت CuSo4-FeSo4 و به نام PLS وارد حوضچه انحلال می‌شود (PLS: Pregnant Leaching Solution). در مرحله بعد، به روش الکتروشیمیایی و همانند روش تصفیه الکترولیتی در روش پیرومتالورژی، مس به روش الکترولیز استحصال می‌شود، با این تفاوت که در اینجا یون مس داخل محلول را بر روی آندی از جنس «سرب» رسوب می‌دهند و پس از رسیدن لایه رسوب به ضخامت کافی آنرا برش زده و جدا می‌کنند. این روش بخاطر حذف مرحله ذوب انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کند ولی بخش کوچکی از مس در دنیا از این طریق تولید می‌شود.
یک روش جدیدتر به نام بیولیچینگ وجود دارد که در آن بجای اسید، از میکروارگانیسم‌های طبیعی خاک برای تولید PLS استفاده می‌شود.
امروزه جهت گیری و رویکرد صنعت تولید مس به سوی روش های هیدرومتالورژی می باشد. این امر با توجه هزینه های سنگین مواد اولیه، سرمایه گذاری بالا ، نیروی انسانی و وجود مشکلاتی نظیر آلودگیهای زیست محیطی، مصرف بالای انرژی و عدم امکان استفاده مجدد از مواد مصرفی، روز به روز از اهمیت بیشتری برخوردار می گردد.
تحولات و پیشرفت این رشته در صنعت متالورژی استخراجی، ناشی از سازگاری بیشتر این روش با محیط زیست و مصرف کمتر انرژی می باشد که گسترش آن مرهون کشف و ساخت حلال ها و رزینهای آلی انتخابی و کاربرد میکروارگانیسم ها بوده است. آمار و اطلاعات گزارش شده نشان می‌دهد که با پیشرفت و توسعه فرآیندهای هیدرومتالورژی در سال های اخیر، روند افزایش تولید مس و سایر فلزات پایه از این روش افزایش چشمگیری داشته است.
بررسی ها و پیش بینی های انجام شده توسط سازمان های معتبر بین المللی حاکی از استمرار روند صعودی تولید هیدرومتالورژی و کاهش تولید به روش پیرومتالورژی در سالهای آینده می‌باشد.
