European Copper Institute Poland

Wydobycie i otrzymywanie miedzi z rud: rudy siarczkowe

 

Trudno sobie wyobrazić świat bez miedzi. Polegamy na miedzi, gdy korzystamy z energii elektrycznej, oświetlenia, ogrzewania, komunikacji, instalacji wodociągowej i transportu. Dzięki miedzi nasze domy, szkoły i przedsiębiorstwa są efektywne, wygodne, estetyczne i będą trwały przez długie lata.

W tym e-podręczniku poznamy sposoby wydobycia miedzi z ziemi.

Miedź odznacza się niezwykłym połączeniem właściwości. Jest dobrym przewodnikiem elektryczności i ciepła. Jest plastyczna i może zapobiegać rozwojowi bakterii (zob. Miedź: Właściwości i zastosowania).

Podobnie jak wszystkie zasoby świata, możliwe do wydobycia złoża miedzi, są ograniczone. Od kiedy miedź została pierwszy raz wydobyta, zawsze była powtórnie przetwarzana. Obecnie blisko jedna trzecia zapotrzebowania na miedź jest pokrywana z recyklingu, dzięki czemu oszczędzamy zasoby Ziemi.

Miedź doskonale nadaje się do recyklingu, ponieważ może być bez końca przetapiana, nie tracąc swoich właściwości. Głównym źródłem miedzi pochodzącej z odzysku są np. stare miedziane rury wodociągowe, armatura i chłodnice samochodowe. Są one przetapiane i przetwarzane w nowe produkty. Nawet kilka gramów miedzi w twoim telefonie komórkowym jest wartych tego, by je odzyskać.

Miedź jest metalem niereaktywnym; reaguje, bardzo powoli, tylko z atmosferą.

Dla tego w ziemi znajdywane są duże samorodki metalicznej miedzi. Ta forma jest nazywana miedzią rodzimą. Największa bryła miedzi rodzimej, jaką kiedykolwiek znaleziono, pochodziła z Minnesoty w USA i ważyła ponad 400 ton. Miedź rodzima nie jest wydobywana, ponieważ występuje w zbyt małych ilościach. Ma zatem, niewielkie znaczenie ekonomiczne.

Wydobycie metali

Metale są często spotykane w postaci związków obecnych w rudach. Ruda jest to skała lub minerał o takiej zawartości metalu, która czyni jego pozyskiwanie opłacalnym.

Wydobycie miedzi

Około 200 lat temu Wielka Brytania była ważnym światowym dostawcą miedzi i cyny, których kopalnie znajdowały się w Walii i w Dewonie. Obecnie kopalnie te są zamknięte, a współcześnie największe kopalnie miedzi na świecie znajdują się w Chile (kopalnia Escondida) i w Indonezji (kopalnia Grasberg). Wydobywają one wiele milionów ton rudy miedzi rocznie.

Rudami o największym znaczeniu są siarczki i tlenki. Z ich wzorów chemicznych możesz obliczyć procentową zawartość miedzi w każdym z tych minerałów. To jednak nie jest tożsame z zawartością miedzi w rudzie, gdyż ta zawiera także niepożądane krzemiany i inne minerały, określane jako skała płonna, które należy oddzielić.

Minerał Wzór chemiczny Zawartość miedzi %
Kupryt Cu2O Zob. pytanie 2
Chalkozyn Cu2S Zob. pytanie 2
Bornit Cu2FeS4 63
Malachit CuCO3Cu(OH)4 58
Azuryt 2CuCO3Cu(OH)4 55
Chalkopiryt Cu2FeS2 35

Minerały miedzi i jej rudy występują w całej skorupie ziemskiej, zarówno w skałach osadowych jak magmowych. Zewnętrzna warstwa skorupy ziemskiej o grubości 10 km zawiera 33 g miedzi na tonę skały. Jest to zbyt mała ilość, aby wydobycie skał było ekonomicznie opłacalne.

Kopalnie miedzi są budowane, tam gdzie zawartość miedzi jest wyższa od 5 kg na tonę skały (0,5% masy). Najciepiej, gdyby ta liczba była bliższa 2%.

Największe złoża rud miedzi są położone w Chile na zachodnim wybrzeżu Południowej Ameryki. Złoża te powstały wskutek aktywności wulkanicznej, będącej częścią procesu, który doprowadził do wypiętrzenia łańcucha górskiego Andów.

West coast of South America showing line of volcanoes

Zachodnie wybrzeże Ameryki Południowej. Widać szereg wulkanów, rozciągających się wzdłuż całego wybrzeża kontynentu. Jest to wynik wsuwania się płyty tektonicznej Nazca pod kontynentalną płytę południowoamerykańską. Kliknij, żeby powiększyć obraz. (Dzięki uprzejmości Smithsonian/Google Earth)..

Procesy te ukształtowały łańcuch górski Andów, widoczny w tle zdjęcia El Teniente (poniżej).  Miliony lat aktywności wulkanicznej doprowadziły do powstania skał o dużej koncentracji miedzi i innych cennych metali. Aktywność ta jest także przyczyną trzęsień ziemi, które są stałym zagrożeniem dla kopalń.

Codelco's El Teniente mineZakład przeróbki rudy w jednej z największych kopalń miedzi, El Teniente. (Dzięki uprzejmości Codelco).

Brytyjska Służba Geologiczna (British Geological Survey) i Instytut Smithsona (Smithsonian Institution) posiadają strony internetowe i aplikacje na których możesz zobaczyć bieżącą i historyczną aktywność wulkaniczną. Złoża miedzi pochodzenia wulkanicznego są określane jako złoża porfiru miedziowego.

Wskazówki dla wyszukiwania w Internecie: Porphyry copper – Nazca subduction – Global volcanism smithsonian

Miedź może być otrzymywana z rudy wydobywanej:

W kopalni podziemnej: przez głębienie pionowego szybu na odpowiednią głębokość i drążenie poziomych chodników w złożu rudy.

Odkrywkowo: 90% rud jest wydobywane tą metodą. Rudy położone w pobliżu powierzchni mogą być wydobywane po usunięciu warstwy nadkładu. Ruda jest traktowana rozcieńczonym kwasem siarkowym. Przecieka on powoli przez rudę rozpuszczając miedź i tworząc siarczan miedzi. Miedź jest odzyskiwana w procesie rafinacji elektrolitycznej. Aby poznać zalety tego procesu zapoznaj się z procesem ługowania.

Escondida mine (BHP Billiton)Escondida w Chile jest największym producentem miedzi na świecie, którego udział w globalnej produkcji wynosi 5%. (Dzięki uprzejmości BHP Billiton).

Ruda miedzi jest ładowana na ciężarówki. W niektórych kopalniach pracują one bez kierowcy. (Dzięki uprzejmości Codelco).

GPS-guided driverless truck (Codelco)Ten pojazd przewożący rudę miedzi nie ma kierowcy. Jest prowadzony prze system GPS. Czy widzisz antenę GPS? (Dzięki uprzejmości Codelco).

Etapy procesu przetwarzania rudy

 

Etap 1: Kruszenie i mielenie
Ruda z tej kopani zawiera około 2% miedzi. Pierwszym etapem otrzymywania miedzi z rudy jest kruszenie i mielenie rudy w dużych cylindrycznych młynach kulowych.

Młyny kulowe rozdrabniają rudę na proszek (Dzięki uprzejmości Rio Tinto).

Etap 2: Flotacja pianowa
Sproszkowana ruda jest mieszana ze specjalnym olejem parafinowym, który powoduje, że cząstki minerału miedzi stają się niezwilżalne wodą. Ruda jest następnie podawana do kąpieli wodnej, zawierającej środek spieniający, wytwarzający pianę.

To rzadka okazja, żeby zobaczyć budynek młynowni i flotacji przed nakryciem go dachem. (Dzięki uprzejmości Codelco).

Froth flotation tanksZbiorniki flotacji pianowej. (Dzięki uprzejmości Codelco).

Strumienie powietrza wprowadzane do kąpieli powodują, że hydrofobowe cząstki minerału miedzi są zbierane przez pęcherzyki powietrza. Wypływają one na powierzchnię tworząc pianę. Niepożądana skala płona opada na dno i jest usuwana.

Piana jest zgarniana z powierzchni i wzbogacona ruda (głównie minerał miedzi) jest przekazywana do prażenia. Mieszanina wody, środka spieniającego i parafiny jest poddawana recyklingowi.

Na tym etapie, wzbogacona ruda zawiera już około 25% miedzi w ujęciu masowym. Jest to tzw. koncentrat miedzi, który może być wysyłany do innych zakładów lub krajów w celu przetwarzania. Przykładowo, Chiny, Niemcy i Japonia są głównymi producentami miedzi, którzy importują koncentrat.

Trade flow in copper concentrateWykres przedstawia przepływy w międzynarodowym handlu koncentratem miedzi. Przepływy są skierowane z krajów o największym wydobyciu, do głównych krajów przemysłowych. Całkowite obroty w 2017 r. przekroczyły 25 milionów ton. Chile wyeksportowało 8,4 miliona ton.

Etap 3: Prażenie
Na tym etapie procesu rozpoczynają się reakcje chemiczne. Przekształcają one minerały miedzi w miedź metaliczną.

Możemy zilustrować rodzaje procesu na przykładzie chalkopirytu – CuFeS2. Ze wzoru chemicznego wynika, że w celu otrzymania miedzi należy usunąć żelazo i siarkę.

Proces prażenia:

  • część CuFeS2 przekształca się w tlenek miedzi
  • część siarki zostaje usunięta w postaci dwutlenku siarki

Proces ten polega na prażeniu koncentratu rudy z flotacji pianowej. Koncentrat jest ogrzewany w powietrzu do temperatury między 500⁰C a 700⁰C. Produktem otrzymanym z pieca prażalniczego jest ruda prażona. Jest to stała mieszanina tlenków, siarczków i siarczanów. Jedną z reakcji, zachodzących w tym procesie jest:

2CuFeS2(s) + 3O2(g) → 2FeO(s) + 2CuS(s) + 2SO2(g)

Ponieważ SO2  jest substancją niebezpieczną, należy go usunąć z gazów uwalnianych do środowiska. Jednym z rozwiązań jest przekształcenie dwutlenku siarki w kwas siarkowy, który jest sprzedawany do użytku przemysłowego, albo jest wykorzystywany do ekstrakcji rud tlenkowych metodą ługowania.

Etap 4: wytapianie w obecności topników
Kalcynat jest ogrzewany do temperatury powyżej 1200⁰C z topnikami takimi, jak krzemionka i kamień wapienny. Kalcynat topi się i reaguje z topnikami. Niektóre zanieczyszczenia tworzą żużel (np. FeO.SiO2), który unosi się na powierzchni (jak olej na powierzchni wody) i może być łatwo usunięty.

Copper sulphide ore smelter(Dzięki uprzejmości Xstrata)

Piec szybowy do wytopu miedzi z rud siarczkowych wytwarza również dwutlenek siarki w postaci gazowej. Jest on wychwytywany z gazów odlotowych w skruberze. Odsiarczanie spalin służy także ochronie środowiska.

Na przykład:
FeO(s) + SiO2(s)→ FeO.SiO2 (żużel)

Jest to proces bardzo podobny do usuwania zanieczyszczeń w piecu szybowym. Pozostały płynny materiał jest mieszaniną siarczków miedzi i siarczków żelaza. Jest to tzw. kamień miedziowy.

Etap 5: Przetwarzanie kamienia miedziowego w miedź konwertorową
Ciekły kamień miedziowy jest utleniany w konwerterze powietrzem, otrzymanym produktem jest miedź konwertorowa.

Blister copper being poured into anode casting wheelZ miedzi konwertorowej, otrzymanej w piecu szybowym wytwarza się anody. Są one odlewane są w formach odlewniczych. Anody są płytami miedzi o powierzchni około 1 metra kwadratowego, wyposażonymi w górnych narożnikach w uchwyty służące do podnoszenia i zawieszania.
(Dzięki uprzejmości Codelco).

Zachodzą tu następujące reakcje:

a) Eliminacja siarczku żelaza przez utlenianie do tlenku żelaza, wyniku czego powstaje żużel:

2FeS(l) +  3O2 + SiO2(l) →   2FeO.SiO2 + 2SO2 (g)
          powietrze topnik         żużel           gaz

b) Otrzymywanie miedzi konwertorowej drogą redukcji siarczku miedzi

Cu2S(l) +  O2(g) →     2Cu(l) + SO2
               powietrze    blister    gaz

Etap 6: Odlewanie anod
Miedź konwertorowa (blister) wytwarzana w tym procesie jest miedzią o czystości 99%. Nazwa miedzi “blister” pochodzi od pęcherzyków (ang. blister) dwutlenku siarki, powstających w tym procesie na powierzchni miedzi. Z miedzi konwertorowej odlewane są anody gotowe do rafinacji elektrolitycznej.

Anode casting wheelKaruzela odlewnicza obraca się powoli. Odlewane anody są wyjmowane po przeciwnej stronie. (Dzięki uprzejmości Codelco).

Ta ogromna karuzela służy do odlewania anod. Roztopiona miedź jest wlewana do formy, obracająca się karuzela przysuwa następną formę. W międzyczasie płynna miedź stygnie i krzepnie w formie anod o wysokości ponad jednego metra. Odlana anoda jest wyposażona w krótkie ramiona służące do podnoszenia i zawieszania.

Copper anodes being lifted into the cooling tanksPodnoszenie odlanych anod i opuszczanie ich do zbiorników chłodzących (Dzięki uprzejmości Codelco).

Etap 7: Rafinacja elektrolityczna
Miedź konwertorowa jest już praktycznie czysta (zawiera ponad 99% miedzi). Jednak dla dzisiejszego rynku taka czystość nie jest wystarczająca! Miedź jest więc dalej oczyszczana w procesie elektrolizy. Proces ten jest znany jako rafinacja elektrolityczna.

Z miedzi konwertorowej odlewane są duże płyty, które służą jako anody w elektrolizerze. W procesie elektrorafinacji uzyskuje się miedź wysokiej jakości, o wysokiej czystości wymaganej przez przemysł.

Nawet przy zastosowaniu najlepszych metod chemicznych nie można usunąć z miedzi wszystkich zanieczyszczeń, ale elektrorafinacja umożliwia uzyskanie miedzi o czystości 99.99%.

Copper cathodes about to be lowered into the electrolyte tankMiedziane katody są zawieszane między anodami.
(Dzięki uprzejmości Aurubis).

Miedziane katody są zawieszane między anodami. Czy rozpoznajesz kształt uchwytów do zawieszania na anodach z ilustracji przedstawiającej odlewanie anod? Atomy miedzi na anodzie tracą elektrony i stają się w elektrolicie jonami miedzi Cu2+. Na katodzie jony miedzi odzyskują dwa elektrony i stają się znowu atomami miedzi. Pozornie w całym procesie niczego nie zyskujemy: Cu → Cu2+ → Cu.

Oczyszczanie następuje dlatego, że inne metale obecne w anodzie (zanieczyszczenia) nie przechodzą do roztworu elektrolitu. Opadają one na dno zbiornika. Katody zawierają miedź o czystości 99,99%.

Anody z miedzi konwertorowej są zanurzone w elektrolicie zawierającym siarczan miedzi i kwas siarkowy. Katody z czystej miedzi są umieszczane pomiędzy anodami z miedzi konwertorowej, a przez roztwór przepływa prąd o natężeniu ponad 200 A. Napięcie zasilające wynosi około 1,3 V, proces jest więc bezpieczny.

Jakie reakcje zachodzą podczas elektrolizy?

W tych warunkach atomy miedzi przechodzą z zanieczyszczonej anody do elektrolitu, tworząc jony miedzi. Migrują one w kierunku katody, gdzie osadzają się jako atomy czystej miedzi.

N anodzie: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e-
Na katodzie: Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

Jest to taka sama reakcja jak ta, którą być może, próbowałeś wykonać w szkolnym laboratorium.

Elektroliza w laboratorium. W procesie rafinacji miedzi stosuje się wiele anod i katod zawieszonych naprzemiennie. Wszystkie katody są połączone z zaciskiem ujemnym, a wszystkie anody z zaciskiem dodatnim.

Atomy miedzi na powierzchni anody tracą dwa elektrony stając się jonami Cu2, które przechodzą do roztworu. Jony Cu2+ mają ładunek dodatni. Znajdują się one w polu elektrycznym pomiędzy elektrodami. Jako dodatnie, poruszają się do ujemnej katody, gdzie przyjmują dwa elektrony i powracają do postaci atomów metalu, nie posiadających ładunku.

W obwodzie elektrycznym elektrony poruszają się od bieguna ujemnego do dodatniego, zatem proces elektrolizy przenosi elektrony z katody do anody.

Anoda stopniowo eroduje, a na katodzie przybywa materiału. Nierozpuszczalne zanieczyszczenia pochodzące z anody opadają na dno jako szlam.

Co dzieje się z zanieczyszczeniami?
Złoto, srebro, platyna i cyna nie rozpuszczają się w tym elektrolicie, a zatem nie odkładają się na katodzie. Tworzą one cenny “szlam”, który zbiera się pod anodami.

Rozpuszczalne zanieczyszczenia, jak żelazo i nikiel, rozpuszczają się w elektrolicie, który musi być oczyszczany w sposób ciągły, aby zapobiec ich nadmiernemu odkładaniu się na katodach, co mogłoby obniżać czystość miedzi.

Obecnie, katody miedziane zostały zastąpione katodami ze stali nierdzewnej; reakcje chemiczne zachodzące w tym rozwiązaniu są identyczne. Katody są okresowo wyjmowane, a czysta miedź jest z nich zdejmowana.

Miedź katodowa jest przetapiana i odlewana w wlewki służące do dalszej produkcji wyrobów z miedzi. (Dzięki uprzejmości Aurubis).

Schemat technologiczny przedstawiający etapy procesu przetwarzania rudy siarczkowej. Znajdź piece, z których dwutlenek siarki jest przesyłany do zakładu produkującego kwas siarkowy.

Pytania i działania

1. Uszereguj wymienione produkty procesu otrzymywania miedzi w kolejności rosnącej według zawartości miedzi. Wykorzystaj powyższy schemat jako wskazówkę:
Kamień miedziowy
Ruda
Miedź katodowa
Miedź konwertorowa (blister)
Miedź anodowa
Koncentrat miedzi
Miedź rafinowana ogniowo

2. Korzystając z układu okresowego pierwiastków, znajdź masy atomowe pierwiastków w kuprycie i chalkozynie. Następnie oblicz procentową zawartość miedzi w każdym z tych minerałów. Nie zapomnij, aby podwoić masę miedzi jeżeli we wzorze występuje Cu2.

3. Które minerały w tabeli są siarczkami?

4. Dlaczego dwutlenek siarki jest separowany z gazów odlotowych pieca szybowego?

Od rudy do produktu Prezentacja wideo objaśniająca w prosty sposób procesy wydobycia i otrzymywania miedzi z rud.

Czy wiedziałeś, że…
Miedź może być bez końca przetwarzana bez utraty swoich właściwości. Oznacza to, że nie jest konsumowana, lecz może być wielokrotnie ponownie używana.