Добыча и извлечение меди из руд: сульфидные руды

Электрика
Рудник Эль-Теньенте компании Codelco

Трудно представить мир без меди. Мы полагаемся на медь для электричества, освещения, отопления, связи, водопровода и транспорта. Благодаря меди наши дома, школы и предприятия эффективны, удобны, эстетичны и прослужат долгие годы.

В этом электронном руководстве мы узнаем, как добывать медь из земли.

Медь обладает необычным сочетанием свойств. Это хороший проводник электричества и тепла. Он податлив и может предотвратить рост бактерий.

Как и все ресурсы в мире, извлекаемые месторождения меди ограничены. С тех пор, как медь была впервые добыта, ее всегда перерабатывали. Сегодня почти треть потребности в меди перерабатывается, что позволяет экономить ресурсы Земли. В настоящее время можно выделить две эффективные отсадочные машины: БАТАК и Allmineral. Каждая из машин успешно зарекомендовала себя на этапах технологического процесса обогащения руд, минералов и отходов

Медь идеально подходит для вторичной переработки, поскольку ее можно бесконечно переплавлять, не теряя своих свойств. Основным источником переработанной меди являются, например, старые медные водопроводные трубы, фитинги и автомобильные радиаторы. Их переплавляют и перерабатывают в новые продукты. Даже несколько граммов меди в вашем мобильном телефоне стоит восстановить.

Медь — нереакционноспособный металл; он очень медленно реагирует только с атмосферой.

Поэтому в земле находят крупные самородки металлической меди. Эта форма называется самородной медью. Самый большой из когда-либо найденных кусков самородной меди был найден в Миннесоте, США, и весил более 400 тонн. Самородная медь не добывается, потому что она присутствует в слишком малых количествах. Поэтому он не имеет большого экономического значения.

Добыча металлов

Металлы часто встречаются в виде соединений, присутствующих в рудах. Руда — это горная порода или минерал с таким содержанием металла, чтобы добыча была прибыльной.

Добыча меди

Около 200 лет назад Великобритания была важным мировым поставщиком меди и олова, добываемых в Уэльсе и Девоне. В настоящее время эти рудники закрыты, и на сегодняшний день крупнейшие медные рудники в мире расположены в Чили (рудник Эскондида) и Индонезии (рудник Грасберг). Ежегодно они добывают много миллионов тонн медной руды.

Наибольшее значение имеют сульфиды и оксиды. Из их химических формул можно рассчитать процентное содержание меди в каждом из этих минералов. Однако это не то же самое, что содержание меди в руде, так как она также содержит нежелательные силикаты и другие минералы, известные как пустая порода, которые необходимо отделить.

МинеральнаяХимическая формулаСодержание меди%
KuprytCu 2 ОВидеть вопрос 2
ЧалкозинCu 2 SВидеть вопрос 2
БорнитCu 2 FeS 463
МалахитCuCO 3 Cu(OH) 458
Азурит2CuCO 3 Cu(OH) 455
халькопиритCu 2 FeS 235

Медные минералы и медные руды встречаются по всей земной коре, как в осадочных, так и в изверженных породах. Внешняя кора толщиной 10 км содержит 33 г меди на тонну породы. Это слишком мало, чтобы добыча породы была экономически выгодной.

Медные рудники строятся там, где содержание меди выше 5 кг на тонну породы (0,5% по массе). В идеале это число должно быть ближе к 2%.

Крупнейшие месторождения медной руды расположены в Чили на западном побережье Южной Америки. Эти отложения образовались в результате вулканической активности как части процесса, приведшего к поднятию горной цепи Анд.

Западное побережье Южной Америки. Можно увидеть череду вулканов, протянувшуюся вдоль всего побережья континента. Это результат сползания тектонической плиты Наска под континентальную южноамериканскую плиту. Нажмите, чтобы увеличить изображение. (С любезного разрешения Смитсоновского института / Google Earth) ..

Эти процессы сформировали горный массив Анд, который виден на заднем плане фотографии Эль-Теньенте (ниже). Миллионы лет вулканической активности привели к образованию горных пород с высокой концентрацией меди и других ценных металлов. Эта деятельность также является причиной землетрясений, которые представляют постоянную угрозу для шахт.

Этапы переработки руды

Стадия 1: Дробление и измельчение
Руда из этого рудника содержит примерно 2% меди. Первым этапом получения меди из руды является дробление и измельчение руды в больших цилиндрических шаровых мельницах.

Воздушные потоки, вводимые в ванну, вызывают сбор гидрофобных частиц медного минерала пузырьками воздуха. Они всплывают на поверхность, образуя пену. Нежелательная окалина оседает на дно и выбрасывается.

Пена соскребается с поверхности, а обогащенная руда (в основном медный минерал) отправляется на обжиг. Смесь воды, пенообразователя и парафина перерабатывается.

На этой стадии обогащенная руда уже содержит около 25% по массе меди. Это называется медный концентрат, который можно отправить на другие заводы или в страны для переработки. Например, Китай, Германия и Япония являются основными производителями меди, импортирующими концентрат.

Стадия 3: Обжарка
На этой стадии процесса начинаются химические реакции. Они превращают медные минералы в металлическую медь.

Проиллюстрировать типы процессов можно на примере халькопирита CuFeS 2 . Химическая формула показывает, что для получения меди необходимо удалить железо и серу.

Процесс обжарки:

  • часть CuFeS 2 превращается в оксид меди
  • часть серы удаляется в виде диоксида серы

Этот процесс включает обжиг рудного концентрата от пенной флотации. Концентрат нагревают на воздухе до температуры от 500⁰C до 700⁰C. Продукт, полученный из обжиговой печи, представляет собой обожженную руду. Это твердая смесь оксидов, сульфидов и сульфатов. Одна из реакций, протекающих в этом процессе:

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

Поскольку SO 2   является опасным веществом, его необходимо удалять из газов, выбрасываемых в окружающую среду. Одним из решений является преобразование диоксида серы в серную кислоту, которая либо продается для промышленного использования, либо используется для извлечения окисленных руд путем выщелачивания.

Стадия 4: плавка в присутствии флюсов
Кальцинат нагревают до температуры выше 1200⁰C с флюсами, такими как кремнезем и известняк. Кальцинат плавится и вступает в реакцию с флюсами. Некоторые загрязняющие вещества образуют шлак (например, FeO.SiO 2 ), который плавает (как масло на поверхности воды) и может быть легко удален.

Шахтная печь для выплавки меди из сульфидных руд также производит сернистый газ. Он улавливается из отходящих газов в скруббере. Десульфуризация дымовых газов также защищает окружающую среду.

Например:
FeO(т) + SiO 2 (т) → FeO.SiO 2  (шлак)

Этот процесс очень похож на удаление загрязнений в шахтной печи. Остальной жидкий материал представляет собой смесь сульфидов меди и сульфидов железа. Это называется медный камень.

Стадия 5: Преобразование штейна в черновую медь
Жидкий штейн окисляется воздухом в конвертере, в результате получается черновая медь.

Происходят следующие реакции:

а) Удаление сульфида железа путем окисления до оксида железа с образованием шлака:

2FeS (ж) + 3O 2  + SiO2 (ж) → 2FeO.SiO 2  + 2SO 2  (ж)
          поток воздуха шлаковый газ

б) Получение черновой меди восстановлением сульфида меди

Cu 2 S (ж) + O 2 (г) → 2Cu (ж) + SO 2
               воздушный нарывной газ

Стадия 6: Литье анодов
Черновая медь, полученная в результате этого процесса, имеет чистоту 99%. Название медного «блистера» происходит от пузырьков диоксида серы, образующихся при этом на поверхности меди. Черновая медь используется для литья анодов, готовых к электролитическому рафинированию.

Эта огромная карусель используется для отливки анодов. В форму заливают расплавленную медь, вращающаяся карусель движется к следующей форме. Тем временем расплавленная медь остывает и затвердевает в виде анодов высотой более метра. Литой анод имеет короткие подъемные и подвесные плечи.

Стадия 7: Электролитическое рафинирование
Черновая медь практически чистая (содержание меди более 99%). Однако для сегодняшнего рынка такой чистоты недостаточно! Таким образом, медь дополнительно очищается электролизом. Этот процесс известен как электролитическая очистка.

Из черновой меди отливают большие пластины, которые служат анодами в электролизере. В процессе электрорафинирования производится высококачественная медь высокой чистоты, необходимая для промышленности.

Даже лучшими химическими методами невозможно удалить все примеси из меди, но при электрорафинировании получается медь с чистотой 99,99%.

Между анодами подвешены медные катоды. Узнаете ли вы форму проушин для подвешивания анода на иллюстрации отливки анода? Атомы меди на аноде теряют электроны и превращаются в ионы Cu 2+ в электролите. На катоде ионы меди восстанавливают два электрона и снова становятся атомами меди. Казалось бы, мы ничего не выигрываем от всего процесса: Cu → Cu 2 + → Cu.

Очистка происходит потому, что другие металлы, присутствующие в аноде (примеси), не переходят в раствор электролита. Они падают на дно бака. Катоды содержат медь чистотой 99,99%.

Блистерные медные аноды погружаются в электролит, содержащий медный купорос и серную кислоту. Катоды из чистой меди помещают между анодами из блистерной меди и через раствор пропускают ток силой более 200 А. Напряжение питания составляет примерно 1,3 В, поэтому процесс безопасен.

Какие реакции происходят при электролизе?

В этих условиях атомы меди переходят с загрязненного анода в электролит с образованием ионов меди. Они мигрируют к катоду, где осаждаются в виде атомов чистой меди.

N анодное: Cu (т) → Cu 2 + (водн.) + 2e-
Na катодное: Cu 2 + (водн.) + 2e- → Cu (т)

Это та же самая реакция, которую вы, возможно, пытались выполнить в школьной лаборатории.

Электролиз в лаборатории. В процессе рафинирования меди используют несколько попеременно подвешенных анодов и катодов. Все катоды подключены к отрицательной клемме, а все аноды подключены к положительной клемме.

Атомы меди на поверхности анода теряют два электрона и превращаются в ионы Cu 2 , которые переходят в раствор. Ионы Cu 2+ имеют положительный заряд. Они расположены в электрическом поле между электродами. Будучи положительными, они движутся к отрицательному катоду, где принимают два электрона и возвращаются в форму атомов металла без заряда.

В электрической цепи электроны движутся от отрицательного полюса к положительному, поэтому процесс электролиза переносит электроны с катода на анод.

Анод постепенно разрушается по мере добавления материала к катоду. Нерастворимые примеси с анода оседают на дно в виде шлама.

Что происходит с загрязнением?
Золото, серебро, платина и олово в этом электролите не растворяются и поэтому не осаждаются на катоде. Они образуют ценный «шлам», который собирается под анодами.

Растворимые загрязняющие вещества, такие как железо и никель, растворяются в электролите, который необходимо постоянно очищать, чтобы предотвратить чрезмерное накопление на катодах, которое может снизить чистоту меди.

В настоящее время медные катоды заменены катодами из нержавеющей стали; химические реакции, происходящие в этом растворе, идентичны. Катоды периодически снимают и удаляют с них чистую медь.

Оцените статью
Все об электрике