Халкопирит

Халкопирит —минерал од бакарно железо сулфид и најзастапен минерал од бакарна руда. Има хемиска формула CuFeS<sub>2</sub> и кристализира во четириагоналниот систем. Има месингова до златно-жолта боја и тврдост од 3,5 до 4 на Мосовата скала. Неговиот огреб е дијагностичка како зелено-црна.
При изложеност на воздух, халкопиритот потемнува во различни оксиди, хидроксиди и сулфати. Поврзаните минерали на бакар вклучуваат сулфиди борнит (Cu<sub>5</sub>FeS<sub>4</sub>), халкоцит (Cu<sub>2</sub>S), ковелит (CuS), дигенит (Cu<sub>9</sub>S<sub>5</sub>); карбонати како малахит и азурит, а ретко оксиди како куприт (Cu<sub>2</sub>O). Ретко се среќава во комбинација со природен бакар. Халкопиритот е спроводник на електрична енергија.
Бакарот може да се извлече од халкопиритската руда со употреба на различни методи. Двата доминантни методи се пирометалургија и хидрометалургија, при што првата е најкомерцијално одржлива.
1 Етимологија
Името халкопирит доаѓа од грчките зборови ''chalkos'', што значи бакар, и ''pyrites'', што значи оган. Понекогаш историски се нарекувал „жолт бакар“.
2 Разликување
Халкопиритот често се меша со пирит и злато бидејќи сите три минерали имаат жолтеникава боја и метален сјај. Некои важни карактеристики на минералите што помагаат да се разликуваат овие минерали се тврдоста и линиите. Халкопиритот е многу помек од пиритот и може да се изгребе со нож, додека пиритот не може да се изгребе со нож. Сепак, халкопиритот е потврд од златото, кое, доколку е чисто, може да се изгребе со бакар. Дополнително, златото е ковливо, додека халкопиритот е кршлив.Халкопиритот има карактеристична црна линија со зелени дамки во неа. Пиритот има црна линија, а златото има жолта линија.
3 Хемија
Природниот халкопирит нема низа од цврсти раствори со други сулфидни минерали. Постои ограничена замена на цинк со бакар и покрај тоа што халкопиритот има иста кристална структура како сфалеритот.
Мали количини на елементи како што се сребро, злато, кадмиум, кобалт, никел, олово, калај и цинк може да се измерат (на ниво од делови на милион), веројатно заменувајќи ги бакарот и железото. Селенот, бизмутот, телуриумот и арсенот може да го заменат сулфурот во мали количини. Халкопиритот може да се оксидира за да формира малахит, азурит и куприт.
4 Структура
Халкопиритот е член на четириаголниот кристален систем. Кристалографски, структурата на халкопиритот е тесно поврзана со онаа на мешавината од цинк ZnS (сфалерит). Единицата на ќелијата е двојно поголема, што одразува наизменично менување на јони Cu<sup>+</sup> и Fe3<sup>+</sup> кои ги заменуваат јоните Zn2<sup>+</sup> во соседните ќелии. За разлика од пиритната структура, халкопиритот има единечни S<sup>2−</sup> сулфидни анјони, наместо дисулфидни парови. Друга разлика е што железниот катјон не е дијамагнетен Fe(II) со низок спин како кај пиритот.
Во кристалната структура, секој метален јон е четириаголно координиран со 4 сулфурни анјони. Секој сулфурен анјон е врзан за два атоми на бакар и два атоми на железо.
5 Парагенеза
Халкопиритот е присутен во многу средини кои содржат руда преку различни процеси на формирање на руда.
Халкопиритот е присутен во вулканогени масивни наслаги на сулфидна руда и седиментни ексхалативни наслаги, формирани со таложење на бакар за време на хидротоплинска циркулација. Халкопиритот се концентрира во оваа средина преку пренос на флуиди. Наслагите на порфирска бакарна руда се формираат со концентрација на бакар во гранитна материја за време на искачувањето и кристализацијата на магмата. Халкопиритот во оваа средина се произведува со концентрација во рамките на магматски систем.
Халкопирит е помошен минерал во наслагите од коматична никелова руда од типот Камбалда, формиран од немешлива сулфидна течност во ултрамафични лави заситени со сулфид. Во оваа средина, халкопирит се создава со сулфидна течност која го одвојува бакарот од немешлива силикатна течност.
Халкопиритот претставува најважната руда на бакар уште од бронзеното време.
6 Појава
Иако халкопирит не содржи најмногу бакар според својата структура во однос на другите минерали, тој претставува најважната бакарна руда бидејќи може да се најде на многу места. Халкопиритската руда се јавува во различни видови руди, од огромни маси како во Тиминс, Онтарио, до неправилни вени и дисеминации поврзани со гранитни до диоритни интрузиви како во порфирните бакарни наоѓалишта на Брокен Хил, Американската Кордилера и Андите. Најголемото наоѓалиште на речиси чист халкопирит некогаш откриено во Канада било на јужниот крај од зелениот каменен појас Темагами, каде што рудникот Коперфилдс го ископал висококвалитетниот бакар.
Халкопирит исто така е присутен во суперџиновското наоѓалиште Cu-Au-U на Олимписката брана во Јужна Австралија.
Халкопирит може да биде пронајден и во јагленови слоеви поврзани со пиритни нодули и како дисеминации во карбонатни седиментни карпи.
7 Извлекување на бакар
Металниот бакар претежно се извлекува од халкопиритската руда со помош на два методи: пирометалургија и хидрометалургија . Најчестиот и комерцијално одржлив метод, пирометалургијата, вклучува техники на „дробење, мелење, флотација, топење, рафинирање и електро-рафинирање“. Дробење, лужење, извлекување со растворувач и електро-добивање се техники што се користат во хидрометалургијата. Поточно во случајот со халкопирит, се практикува истекување со оксидација под притисок.
7.1 Пирометалуршки процеси
Најважниот метод за извлекување на бакар од халкопирит е пирометалургијата. Пирометалургијата најчесто се употребува за операции богати со бакар во големи размери со руди со висок квалитет. Ова е затоа што рудите Cu-Fe-S, како што е халкопирит, тешко се раствораат во водени раствори. Процесот на извлекување со користење на овој метод поминува низ четири фази:
# Изолирање на посакуваните елементи од рудата со помош на флотација за да се создаде концентрација
# Создавање мат со висока содржина на Cu сулфид со топење на концентрацијата
# Оксидирање/конвертирање на сулфидната материја, што резултира со нечист стопен бакар
# Рафинирање со оган и техники на електродобивање за зголемување на чистотата на добиениот бакар
Халкопиритската руда не се топи директно. Ова е бидејќи рудата е првенствено составена од неекономски вреден материјал или отпадна карпа, со ниски концентрации на бакар. Изобилството на отпаден материјал резултира со потреба од многу јаглеводородно гориво за загревање и топење на рудата. Алтернативно, бакарот најпрвин се изолира од рудата користејќи техника наречена флотација. Во суштина, реагенсите се употребуваат за да се направи бакарот водоотпорен, така што Cu е во состојба да се концентрира во флотациска ќелија со лебдење на воздушни меурчиња. За разлика од 0,5–2% бакар во халкопиритската руда, флотацијата резултира со концентрат што содржи околу 30% бакар.
Потоа концентратот поминува низ процес наречен мат-топење. Топењето ги оксидира сулфурот и железото со топење на флотацискиот концентрат во 1250°C печка за да се создаде нов концентрат (мат) со околу 45–75% бакар. Овој процес обично се изведува во печки. За да се намали количината на бакар во материјалот од згура, згурата се одржува стопена со додавање на флукс од SiO<sub>2</sub> за да се промовира немешаливост помеѓу концентрацијата и згурата. Во однос на нуспроизводите, топењето на мат бакар може да произведе гас SO<sub>2</sub> кој е штетен за животната средина, па затоа се заробува во форма на сулфурна киселина. Примери за реакции се следниве: # 2CuFeS2 <sub>(s)</sub> +3.25O2 <sub>(g)</sub> → Cu<sub>2</sub>S -0.5FeS <sub>(l)</sub> + 1.5FeO <sub>(s)</sub> + 2.5SO <sub>2(g)</sub># 2FeO<sub>(s)</sub> + SiO <sub>2(s)</sub> → <sub>Fe2SiO4</sub><sub>(l)</sub>
Конвертирањето вклучува повторно оксидирање на матот за понатамошно отстранување на сулфур и железо; сепак, производот е 99% стопен бакар. Конвертирањето се одвива во две фази: фаза на формирање на згура и фаза на формирање на бакар. Во фазата на формирање на згура, железото и сулфурот се редуцираат до концентрации помали од 1% и 0,02%, соодветно. Концентратот од топењето на матот се истура во конвертор кој потоа се ротира, снабдувајќи ја згурата со кислород преку тујери . Реакцијата е како што следува:
2FeS<sub>(l)</sub>+3O<sub>2(g)</sub>+SiO<sub>2(s)</sub> -> Fe<sub>2</sub>SiO<sub>4(l)</sub> + 2SO<sub>2(g)</sub> + топлина
Во фазата на формирање на бакар, матот произведен од фазата на згура се подложува на полнење (внесување на матот во конверторот), дување (испуштање повеќе кислород) и чистење (вадење на нечист стопен бакар познат како меурчест бакар). Реакцијата е како што следува:
Cu<sub>2</sub>S<sub>(l)</sub> + O<sub>2(g)</sub> -> 2Cu<sub>(l)</sub> + SO<sub>2(g)</sub> + топлина
Конечно, бакарот се пречистува преку оган, електрорафинирање или и двете. Во оваа фаза, бакарот се рафинира до катода со висока чистота.
7.2 Хидрометалуршки процеси
Халкопирит е исклучок од повеќето минерали кои содржат бакар. За разлика од поголемиот дел бакарни минерали кои можат да се излужат во атмосферски услови, халкопирит е огноотпорен минерал кој бара повисоки температури, како и оксидирачки услови за да го ослободи својот бакар во раствор. Ова е поради предизвиците при извлекување што произлегуваат од присуството на железо во однос 1:1, што резултира со бавна кинетика на лужење. Покачените температури и притисоци создаваат изобилство на кислород во растворот, што овозможува побрзи брзини на реакција во однос на разградување на кристалната решетка на халкопирит. Хидрометалуршкиот процес што ја зголемува температурата со оксидирачки услови потребни за халкопирит е познат како лужење со оксидација под притисок. Типична реакциска серија на халкопирит под оксидирачки услови на висока температура е како што следува:
i) 2CuFeS<sub>2</sub> + 4Fe<sub>2</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> -> 2Cu<sup>2+</sup>+ 2SO<sub>4</sub><sup>2-</sup> + 10FeSO<sub>4</sub>+4S
ii) 4FeSO<sub>4</sub> + O<sub>2</sub> + 2H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> -> 2Fe<sub>2</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> +2H<sub>2</sub>O
iii) 2S + 3O<sub>2</sub> +2H<sub>2</sub>O -> 2H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>(генерално) 4CuFeS<sub>2</sub>+ 17O<sub>2</sub> + 4H<sub>2</sub>O -> 4Cu<sup>2+</sup>+ 2Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 4H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
Исцедувањето со оксидација на притисок е особено корисно за халкопирит со низок степен. Ова е поради тоа што може да „обработи концентриран производ од флотација“ наместо да мора да обработува цела руда. Дополнително, може да се упореби како алтернативен метод на пирометалургијата за варијабилна руда. Други предности што ги имаат хидрометалуршките процеси во однос на екстракцијата на бакар во однос на пирометалуршките процеси (топење) вклучуваат:
* Многу варијабилните трошоци за топење
* Во зависност од местоположбата, достапноста на топилница е ограничена.
* Висока цена за инсталирање на инфраструктура за топење
* Способност за третирање на концентрати со висока содржина на нечистотии
* Зголемување на закрепнувањето поради можноста за третирање на наслаги од понизок степен на лице место
* Пониски трошоци за пренос (не е потребен концентрат за испорака)
* Вкупно пониски трошоци за производство на бакар
Иако хидрометалургијата има свои предности, таа продолжува да се соочува со предизвици во комерцијалната средина.За возврат, топењето продолжува да биде комерцијално најисплатлив метод за екстракција на бакар.