کاربرد اسید سولفوریک در استخراج مس

کاربرد اسید سولفوریک در استخراج مس

معرفی فلز مس

مس جز معدود فلزاتی است که علاوه بر ترکیب، به صورت آزاد هم در طبیعت یافت می‌شود. مس خاصیت هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی دارد و قابلیت ماشین‌کاری و شکل‌پذیری آن بسیار خوب است و به این دلیل در صنعت امروز جهان به عنوان یک فلز پایه مطرح شده است. آلیاژهای مس با روی، قلع و آلومینیوم و عناصر دیگر دارای خواص مکانیکی بالاتری نسبت به مس خالص هستند که کاربرد وسیعی در صنایع مختلف پیدا کرده‌اند. آلیاژ مس با آلومینیوم و روی دارای کاربردهای بسیاری در صنعت است. مس همچنین با سایر فلزات مانند سیلیسیم و برلیوم، سرب و نیکل آلیاژهای مختلفی تشکیل می‌دهد که کاربردهای گوناگونی در صنایع دارند.کانه‌های مس در طبیعت به سه صورت یافت می‌شود که بر حسب اهمیت و فراوانی به ترتیب عبارتند از سولفید، کربنات و سیلیکات. مس گاهی در طبیعت به صورت آزاد (مس طبیعی) نیز یافت می‌شود. سنگ‌های اکسیدی که عمدتا در پوسته زمین قرار دارند معمولا سولفورهایی هستند که در اثر تغییرات آب و هوا و همچنین فعل و انفعالات شیمیایی، به مرور زمان اکسید شده‌اند.

ذخایر پورفیری مس که از گونه سولفیدی هستند حجم زیادی از ذخایر جهان را تشکیل می‌دهند. این ذخایر دارای بالاترین حجم ذخیره و کمترین درصد مس محتوی هستند. و عمدتا در کشورهای شیلی، پرو، آمریکا، مکزیک، کانادا و قاره اقیانوسیه قرار دارد. عیار مس در این ذخایر از ۰٫۳ درصد تا ۲ درصد متغیر است. و حدود ۴۵ درصد مس جهان از این ذخایر بدست می‌آید. علاوه بر موارد فوق، ذخایر نوع استراتی باند که عیار مس بالایی دارند و کانسارهای ماسیو سولفاید که حاصل فعالیت آتشفشان‌های زیر دریایی است از انواع دیگر کانه معدنی مس است.

از میان روش‌های موجود برای استحصال مس و با در نظرگرفتن جنبه اقتصادی در آن‌ها، فرایند پیرو‌متالورژی که ماده اولیه آن کانه سولفیدی مس است. بخش اعظمی از مس تولید جهان را به خود اختصاص داده است. با افزایش تقاضای جهانی برای بیشتر فلزات و از جمله مس و همچنین بالارفتن قیمت‌ها اهمیت فرآوری مس از منابع و روش‌های دیگر بیشتر شده و سهم این منابع و روش‌ها طی سالیان اخیر افزایش یافته است.

فرآیند هیدرومتالورژی استخراج مس که به عنوان دومین روش فرآوری مس از کانه‌های معدنی شناخته می‌شود با توجه به ویژگی‌های مثبتی که در رعایت جوانب زیست محیطی و جنبه‌های اقتصادی دارد به تدریج نقش بیشتری در تولید این فلز پیدا می‌کند. کانه مورد استفاده در روش هیدرومتالورژی، کانه اکسیدی مس است و البته در سال‌های اخیر، تحقیقات و مطالعات مفصلی برای ارائه روش مناسب برای کانه‌های سولفیدی مس در حال انجام است.

از ویژگی‌های مثبت دیگر فرایند هیدرومتالورژی استحصال مس از کانه‌های کم عیار است که این مساله باعث شده کاربرد این روش در جهان طی چند سال اخیر به صورت قابل توجهی رشد کند. در ایران نیز با راه‌اندازی واحد لیچینگ سرچشمه، سالانه مقداری مقداری کاتد مس به این روش تولید می‌شود و با توجه به میزان ذخایر موجود، پتانسیل استفاده از روش هیدرومتالورژی بسیار بالاست.

کانه‌های مورد استفاده در روش هیدرومتالورژی مس

اساس فرآیند هیدرومتالورژی بر پایه به کارگیری کانسنگ‌های سولفیدی و اکسیدی مس می‌باشد. در روش لیچینگ برای انحلال مس از اسیدهای قوی همچون اسید سولفوریک استفاده ‌می‌کنند که مراحل استخراج با حلال و الکترو وینینگ در ادامه آن قرار دارد. لیچینگ مس در نتیجه حل شدن مس موجود در کانه‌های آن در یک محلول آبی اتفاق می‌افتد این محلول اغلب اسید سولفوریک رقیق است. انحلال مس از تمام کانی‌های آن اتفاق می‌افتد اما اغلب کانی‌های ثانویه مس که در جدول زیر آمده است در فرآیند انحلال به کار گرفته می‌شود. کانی های اولیه مس به خصوص کالکوپریت (CuFeS₂) با سرعت کمی لیچ می‌شوند. در جدول زیر تقسیم‌بندی کانی‌ها بر اساس اولیه و ثانویه که معرف میزان فراوانی آن‌ها است آورده شده است. کانی‌های غیرسولفیدی مستقیما توسط محلول‌های H₂SO₄.H₂O بر اساس واکنش‌ زیر حل می‌شوند :

از آن‌جا که قابلیت انحلال (CuO(s پایین است افزودن آب به (Cu(s مقدار بسیار کمی Cu(aq)⁺² و (۲OH^–(aq تولید می‌کند افزودن اسید سولفوریک باعث سرعت بخشیدن به واکنش می‌شود زیرا واکنش ^–OHو ⁺H جهت تشکیل آب بسیار مطلوب است.

                             کانه های اصلی استخراج هیدرومتالوژیکی مس

استحصال مس به روش هیدرومتالورژی

امروزه رویکرد صنعت تولید مس به روش هیدرومتالورژی است. این روش با توجه به معایب روش پیرومتالورژی؛ همچون هزینه‌های سنگین مواد اولیه، سرمایه‌گذاری بالا، نیروی انسانی و مشکلاتی نظیر آلودگی‌های زیست محیطی، مصرف بالای انرژی و عدم امکان استفاده مجدد از مواد مصرفی، روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. تحولات و پیشرفت این رشته در صنعت متالورژی استخراجی، ناشی از سازگاری بیشتر این روش با محیط زیست و مصرف کمتر انرژی می‌باشد. که گسترش آن مرهون کشف و ساخت حلال‌ها و رزین‌های آلی انتخابی و کاربرد میکروارگانیسم‌ها بوده است. آمار و اطلاعات نشان می‌دهد که با پیشرفت و توسعه فرآیندهای هیدرومتالورژی در سال‌های اخیر روند تولید مس و سایر فلزات پایه به این روش، افزایش چشم‌گیری داشته است. به طوری که سهم تولید مس به روش هیدرومتالورژی، از ۱۵ درصد در سال ۱۹۹۸ به ۲۷ درصد در سال ۲۰۱۰ افزایش یافته است. همچنین پیش‌بینی های انجام شده توسط سازمان‌های معتبر بین المللی حاکی از استمرار روند صعودی تولید مس به روش هیدرومتالورژی وکاهش تولید به روش پیرومتالورژی در سال‌های آینده می‌باشد.

در روش هیدرومتالورژی کانسنگ‌های معدنی پس از استخراج، تحت عملیات خردایش و آگلومراسیون قرار گرفته، با انجام عملیات انحلال(لیچینگ) بر روی آن، محلول‌ حاوی عنصر معدنی حاصل ‌می‌شود. در ادامه فلز مس از این محلول به کمک فرآیندهای پالایش (جدایش با حلال یا تبادل یونی و الکترووینینگ) استحصال می‌گردد. روش های انحلال عموما به دو دسته اصلی انحلال بدون کمک میکروارگانیسم‌ها و انحلال با کمک میکروارگانیسم ها تفکیک می‌شود.

در طی فرآیند لیچینگ کانسنگ حاوی کانی های فلزات (مانند مس) قابل حل توسط یک عامل شیمیایی مانند اسید سولفوریک با قرارگرفتن در مجاورت محلول آبی حاوی اسید سولفوریک در شرایط فیزیکی و شیمیایی مناسب دچار انحلال شده و عناصر مورد نظر در اثر این انحلال به صورت یون درآمده از آن جدا می‌شوند. روش لیچینگ خود به انواع مختلف تقسیم می‌شود. در هیدرومتالورژی روش هایی که عموما در صنعت از آن‌ها استفاده می‌شود عبارتند از:

• لیچینگ درجا
• لیچینگ مخزنی
• لیچینگ ستونی
• فروشویی دامپ یا فروشویی انباره‌ای
• روش هیپ لیچینگ( انحلال توده‌ای)

ویژگی‌های روش لیچینگ مس

مقایسه روش‌های لیچینگ مس

مواد شیمیایی مصرفی در واحدهای لیچینگ مس

مهمترین مواد شیمیایی مورد نیاز در یک کارخانه لیچینگ مس شامل موارد زیر است:

• اسید سولفوریک غلیظ با غلظت حداقل ۹۳ درصد
• ماده آلی لیکس(LIX984N)
• سولفات کبالت
• کوار
• مواد رقیق کننده شمال کروزین، ریسول ۸۴۱۱، ریسول ۸۴۰۱
• واکس کاتد