Kuinka kuparia louhitaan: menetelmät, historia ja esiintymät

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-07 20:58

Kupari on nykyään epätavallisen kysytty metalli ja sitä käytetään laajasti sekä jokapäiväisessä elämässä että teollisuudessa. Luonnossa Cu löytyy sekä puhtaana että malmin muodossa. On olemassa useita tapoja erottaa ja saada kuparia alkuperäisistä kivistä. Niitä käytetään kuitenkin laaj alti teollisuudessa. Miten kuparia louhitaan, käsitellään artikkelissa.

Hieman historiaa

Arkeologit eivät valitettavasti pystyneet selvittämään, millä alueella kuparia muinaisina aikoina alettiin louhia ja käyttää ensimmäistä kertaa. Kuitenkin tiedetään varmasti, että juuri tätä metallia alettiin käsitellä ja käyttää jokapäiväisessä elämässä aivan ensimmäisenä.

Kupari on ollut ihmisten tiedossa kivikaudelta lähtien. Joissakin arkeologien löytämissä tämän metallin kimpaissa on jälkiä käsittelystä kivikirveillä. Aluksi ihmiset käyttivät kuparia pääasiassa koristeina. Samaan aikaan ihmiset muinaisina aikoina käyttivät yksinomaan tämän metallin kimpaleita, jotka he löysivät tällaisten tuotteiden valmistukseen. Myöhemmin ihmiset oppivat käsittelemään jakuparia sisältävä malmi.

Ajatus Cu:n louhinnasta ja käsittelystä oli monien antiikin kansojen tiedossa. Arkeologit ovat löytäneet paljon todisteita. Kun ihminen oppi valmistamaan kuparin ja sinkin seoksia, alkoi pronssikausi. Itse asiassa nimen "kupari" loivat kerran muinaiset roomalaiset. Tällaista metallia tuotiin tähän maahan pääasiassa Kyproksen saarelta. Siksi roomalaiset kutsuivat sitä nimellä aes cyprium.

Kuinka kuparia louhittiin muinaisina aikoina

Koska tätä metallia käytettiin aikoinaan hyvin laaj alti ihmisten elämässä, sen louhintatekniikat kehitettiin tietysti varsin täydellisesti. Esivanhempamme saivat kuparia pääasiassa malakiittimalmeista. Tällaisen materiaalin ja hiilen seos laitettiin saviastiaan ja asetettiin kaivoon. Seuraavaksi kattilassa oleva massa sytytettiin tuleen. Tuloksena oleva hiilimonoksidi pelkisti malakiitin kupariksi.

Osakkeet luonnossa

Mistä kuparia löytyy luonnosta nykyään? Tällä hetkellä tämän suositun metallin esiintymiä löydetään kaikilta maanosilta. Samaan aikaan Cu-varantoja pidetään käytännössä rajattomina. Aikamme geologit löytävät uusia puhtaan kuparin esiintymiä sekä sitä sisältäviä malmeja. Esimerkiksi vuonna 1950 tämän metallin maailmanvarat olivat 90 miljoonaa tonnia. Vuoteen 1970 mennessä tämä luku oli noussut jo 250 miljoonaan tonniin ja 340 miljoonaan tonniin vuonna 1998. Tällä hetkellä uskotaan, että planeetan kuparivarat ovat yli 2,3 miljardia tonnia.

Puhtaan kuparin talletukset ja uuttomenetelmät

Kuten jo mainittiin, alun perin ihmiset käyttivät alkuperäistä Cu:ta jokapäiväisessä elämässä. Tietysti se saadaanniin puhdasta kuparia tänään. Tämän metallin hippuja muodostuu maankuoressa eksogeenisten ja endogeenisten prosessien seurauksena. Planeetan suurin tunnettu alkuperäisen kuparin esiintymä sijaitsee tällä hetkellä Yhdysvalloissa, Lake Superior -alueella. Venäjällä alkuperäistä kuparia esiintyy Udokan-esiintymässä sekä joissakin muissa paikoissa Transbaikaliassa. Lisäksi vastaus kysymykseen, mistä kuparia voidaan louhia Venäjällä kimpaiden muodossa, on Uralin alue.

Luonnossa tämän lajikkeen puhdasta metallia muodostuu kuparisulfaattikerrostumien hapettumisalueella. Yleensä kuparihippuja itsessään sisältää noin 90-99%. Loput ovat muiden metallien osuus. Joka tapauksessa kaksi päätekniikkaa toimivat vastauksena kysymykseen siitä, kuinka alkuperäistä kuparia louhitaan. Tällaisia esiintymiä, kuten myös malmia, kehitetään suljetussa kaivoksessa tai avolouhosmenetelmällä. Ensimmäisessä tapauksessa käytetään sellaisia teknisiä prosesseja kuin poraus ja rikkominen.

Kuparikimpaleet voivat painaa paljon. Suurimmat niistä löydettiin aikoinaan Lake Superior -järveltä Yhdysvalloissa. Näiden nuggettien paino oli noin 500 tonnia.

Mistä kuparia louhitaan Venäjällä, saimme selville. Tämä on pääasiassa Transbaikalia ja Ural. Maassamme löydettiin tietysti myös tämän metallin erittäin suuria kimpaleita eri aikoina. Esimerkiksi Keski-Uralilta löydettiin usein jopa useita tonneja painavia kuparikappaleita. Yhtä näistä 860 kg painavista nugeista säilytetään nykyään Pietarissa, Kaivosinstituutin museossa.

Kuparimalmit ja niiden esiintymät

Tällä hetkellä Cu:n saamista pidetään kustannustehokkaana ja tarkoituksenmukaisena, vaikka sitä olisi kalliossa vähintään 0,3%.

Useimmiten seuraavia kiviä louhitaan luonnossa kuparin eristämiseksi teollisesti luonnossa nykyään:

• borniitit Cu₅FeS_{4 - sulfidimalmit, joita kutsutaan muuten kuparipurppuraisiksi tai kirjavaksi pyriittiksi ja jotka sisältävät noin 63,3 % Cu;}

• kalkopyriitti CuFeS_{2 - hydrotermistä alkuperää olevat mineraalit;}

• kalkosiinit Cu_{2S sisältää yli 75 % kuparia;}

• cuprites Cu_{2O, löytyy usein myös alkuperäisistä kupariesiintymistä;}

• malakiitit, jotka ovat hiilipitoisia kuparivihreitä.

Venäjän suurin kuparimalmiesiintymä sijaitsee Norilskissa. Tällaisia kiviä louhitaan myös suuria määriä paikoin Uralilla, Transbaikaliassa, Tšukotkassa, Tuvassa ja Kuolan niemimaalla.

Kuinka kuparimalmiesiintymiä kehitetään

Erilaisia Cu-pitoisia kiviä sekä hippuja voidaan louhia planeet alta käyttämällä kahta pääteknologiaa:

• suljettu;
• avoinna.

Ensimmäisessä tapauksessa esiintymäpaikalle rakennetaan kaivoksia, joiden pituus voi olla useita kilometrejä. Työntekijöiden ja laitteiden siirtämistä varten tällaiset maanalaiset tunnelit on varustettu hisseillä ja rautateillä. Kiven murskaus kaivoksissa suoritetaan käyttämälläerikoisporauslaitteet piikillä. Kuparimalmin keräys ja lastaus huipulle kuljettamista varten suoritetaan kauhoilla.

Jos esiintymät sijaitsevat enintään 400-500 metrin etäisyydellä maan pinnasta, ne louhitaan avoimella menetelmällä. Tällöin ylempi kivikerros poistetaan ensin kentältä räjähteillä. Lisäksi itse kuparimalmi poistetaan vähitellen.

Menetelmiä metallin saamiseksi kivistä

Miten kuparia louhitaan, tai pikemminkin sitä sisältäviä malmeja, saimme selville. Mutta miten yritykset saavat myöhemmin itse Cu:n?

Kuparin erottamiseen kivistä on kolme päätapaa:

• elektrolyytti;
• pyrometallurginen;
• hydrometallurgiset.

Pyrometallurginen vaahdotusmenetelmä

Tätä tekniikkaa käytetään yleisesti kuparin eristämiseen kivistä, jotka sisältävät 1,5-2 % Cu. Tällaista materiaalia rikastetaan vaahdotusmenetelmällä. Samaan aikaan:

• malmi jauhetaan huolellisesti hienoksi jauheeksi;
• sekoita saatu materiaali veteen;
• lisää massaan erityisiä vaahdotusreagensseja, jotka ovat monimutkaisia orgaanisia aineita.

Vahdotusreagenssit päällystävät erilaisten kupariyhdisteiden pieniä rakeita ja antavat niille kostumattomuuden.

Seuraava vaihe:

• vaahtoa muodostavia aineita lisätään veteen;
• johtaa voimakas ilmavirta jousituksen läpi.

Kupariyhdisteiden kevyet kuivat hiukkaset tarttuvat ilmakupliin ja kelluvat pintaan. Niitä sisältävä vaahto kerätään, puristetaan pois vedestä ja kuivataan perusteellisesti. Tuloksena saadaan konsentraatti, josta sitten eristetään raaka Cu.

Kuinka kuparia louhitaan malmista: rikastus paahtamalla

Fotaatiomenetelmää käytetään melko usein teollisuudessa. Mutta joskus paahtotekniikkaa käytetään myös kuparimalmin rikastamiseen. Tätä tekniikkaa käytetään useimmiten malmeille, jotka sisältävät suuren määrän rikkiä. Tässä tapauksessa materiaali esilämmitetään 700-8000 °C:n lämpötilaan. Tämän seurauksena sulfidit hapettuvat kiven rikkipitoisuuden pienentyessä.

Seuraavassa vaiheessa näin valmistettu malmi sulatetaan kuiluuuneissa 14 500 °C:n lämpötilassa. Viime kädessä tätä tekniikkaa käytettäessä saadaan matta - kuparin ja raudan seos. Lisäksi tätä yhteyttä parannetaan puh altamalla sisään muuntimia. Tämän seurauksena rautaoksidi menee kuonaksi ja rikki SO4:ksi.

Puhtaan kuparin valmistus: elektrolyysi

Käytettäessä vaahdotus- ja paahtomenetelmiä saadaan kuparia. Itse asiassa tällainen materiaali sisältää noin 91 % Cu. Puhtaamman kuparin saamiseksi karkeakupari jalostetaan edelleen.

Tässä tapauksessa paksut anodilevyt valetaan ensin primäärikuparista. Seuraava:

• ota kuparisulfaattiliuos kylpyyn;
• roikkuu kylpyhuoneessaanodilevyt;
• katodeina käytetään ohuita puhdasta kuparilevyjä.

Elektrolyysireaktion aikana kuparia liukenee anodeille ja saostuu katodeille. Kupari-ionit liikkuvat kohti katodia, ottavat siitä elektroneja ja siirtyvät Cu+2+2e-atomeiksi?>Cu.

Kuparin sisältämät epäpuhtaudet voivat käyttäytyä eri tavalla puhdistettuna. Sinkki, kadmium, rauta liukenee anodille, mutta eivät laskeudu katodille. Tosiasia on, että sähkökemiallisen jännitteen sarjassa ne ovat kuparin vasemmalla puolella, eli niillä on enemmän negatiivisia potentiaalia.

Kuparisulfaattia saadaan hapettamalla sulfidimalmi hitaasti hapella kuparisulfaatiksi CuS + 2O₂ > CuSO_{4. Tämän jälkeen suola huuhdotaan pois vedellä.}

Hydrometallurginen menetelmä

Tässä tapauksessa rikkihappoa käytetään kuparin uuttamiseen ja rikastamiseen. Tätä tekniikkaa käyttävän reaktion tuloksena saadaan Cu:lla ja muilla metalleilla kyllästetty liuos. Sitten kupari eristetään siitä. Tällä tekniikalla voidaan saada kuparikuparin lisäksi muita metalleja, mukaan lukien jalometallit. Joka tapauksessa tätä tekniikkaa käytetään useimmiten Cu:n erottamiseen kivistä, joissa sitä ei ole liikaa (alle 0,5 %).

Kupari kotona

Tämän metallin erottaminen sillä kyllästetyistä malmeista on siksi suhteellisen yksinkertaista teknisesti. Jotkut ovat siksi kiinnostuneita kuparin louhinnasta kotona. Hanki tämä metalli malmista, savesta jne. omin käsin, ilmanerikoislaitteiden saatavuus on kuitenkin erittäin vaikeaa.

Jotkut esimerkiksi ovat kiinnostuneita kuparin erottamisesta savesta omin käsin. Luonnossa on todellakin tämän materiaalin, joka on myös runsaasti Cu:ta, esiintymiä. Valitettavasti ei kuitenkaan ole olemassa tunnettuja todistettuja tekniikoita kuparin saamiseksi savesta kotona.

Omin käsin tätä metallia kotona voidaan yrittää eristää ehkä vain kuparisulfaatista. Tätä varten jälkimmäinen on ensin liuotettava veteen. Seuraavaksi sinun on vain asetettava jokin rautaesine tuloksena olevaan seokseen. Jonkin ajan kuluttua jälkimmäinen - substituutioreaktion seurauksena - peitetään kuparipinnoitteella, joka voidaan sitten yksinkertaisesti puhdistaa pois.