گزارش جامع فرآوری مس: از سنگ معدن تا کاتد خالص ۹۹.۹۹٪

گزارش جامع فرآوری مس: از سنگ معدن تا کاتد خالص ۹۹.۹۹٪

۱. مقدمه: مس و اهمیت استراتژیک آن

مس (Cu) یکی از کلیدی‌ترین فلزات صنعتی است که به دلیل خواص منحصربه‌فردش، از جمله رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالا، در حوزه‌های حیاتی مانند تولید انرژی، شبکه‌های انتقال برق، الکترونیک و تکنولوژی‌های نوظهور (مانند خودروهای الکتریکی) نقشی غیرقابل جایگزین دارد.

فرآوری مس فرآیندی پیچیده است که هدف آن تغلیظ و خالص‌سازی مس از سنگ معدن کم‌عیار (با عیار مس اغلب زیر ۱٪) و تولید محصول نهایی با خلوص بالا (مس کاتد با خلوص ۹۹.۹۹٪) است. مسیر فرآوری عمدتاً توسط نوع کانی مس موجود در سنگ معدن تعیین می‌شود:

1. کانی‌های سولفیدی (مانند کالکوپیریت Cu₂FeS): رایج‌ترین منبع مس جهانی که از طریق پیرومتالورژی فرآوری می‌شوند.
2. کانی‌های اکسیدی (مانند مالاکیت): معمولاً در نزدیکی سطح زمین یافت شده و با روش هیدرومتالورژی فرآوری می‌گردند.

۲. مراحل آماده‌سازی اولیه: خردایش و آسیا کنی

مراحل اولیه برای هر دو مسیر فرآوری مس مشترک و حیاتی هستند. هدف در این مرحله، آزادسازی کامل ذرات کانی مس از ماتریس سنگی باطله است.

۲.۱. استخراج، خردایش و حمل

سنگ معدن از طریق معادن روباز یا زیرزمینی استخراج می‌شود. پس از استخراج، در چندین مرحله توسط تجهیزاتی مانند سنگ‌شکن‌های فکی، مخروطی یا ژیراتوری خرد شده تا ابعاد آن از متر به سانتی‌متر و میلی‌متر کاهش یابد.

۲.۲. آسیا و نرمایش (Grinding)

سنگ خردشده وارد آسیا‌های بزرگ (مانند آسیا‌های میله‌ای یا گلوله‌ای) شده و همراه با آب به صورت دوغاب (Slurry) درمی‌آید. این مرحله، که بیشترین مصرف انرژی را در کل فرآیند دارد، باید آنقدر ادامه یابد تا اندازه ذرات به ابعاد میکرونی برسد و جداسازی مؤثر در مراحل بعدی امکان‌پذیر باشد.

۳. مسیر فرآوری سنگ‌های سولفیدی: پیرومتالورژی

سنگ‌های سولفیدی پس از نرمایش، وارد مسیر تغلیظ و تصفیه حرارتی می‌شوند.

۳.۱. تغلیظ با فلوتاسیون

فلوتاسیون قلب فرآوری سنگ‌های سولفیدی است و بر اساس اختلاف در خاصیت آب‌گریزی (Hydrophobicity) کانی‌ها کار می‌کند.

• مکانیسم فرآیند: دوغاب آسیا شده وارد سلول‌های فلوتاسیون می‌شود و با افزودن مواد شیمیایی خاص، ذرات مس سولفیدی به صورت انتخابی آب‌گریز می‌شوند.
• معرف‌های شیمیایی کلیدی:
  • کلکتورها (Collectors): مولکول‌های آلی که به سطح کانی مس چسبیده و آن را آب‌گریز می‌کنند (مانند گزانتات‌ها).
  • کف‌سازها (Frothers): برای تولید حباب‌های هوای پایدار و ریز که وظیفه حمل ذرات مس به سطح را دارند.
  • تنظیم‌کننده‌ها (Modifiers): شامل آهک برای تنظیم pH و بازدارنده‌ها برای جلوگیری از شناورسازی ناخالصی‌های ناخواسته (مانند پیریت).
• جدایش: با دمش هوا به داخل سلول‌ها، ذرات مس آب‌گریز به حباب‌ها چسبیده، به صورت کف (Froth) به سطح می‌آیند و جمع‌آوری می‌شوند. باطله‌ها آب‌دوست باقی مانده و خارج می‌شوند.
• محصول: کنسانتره مس با عیار معمولاً ۲۵ تا ۳۵ درصد مس.

۳.۲. ذوب و تصفیه حرارتی

کنسانتره مس پس از آبگیری، وارد فرآیندهای حرارتی با دمای بسیار بالا می‌شود:

1. ذوب (Smelting): کنسانتره در کوره‌های عظیم (مانند کوره‌های فلش یا کوره الکتریکی) ذوب می‌شود. در این مرحله، ناخالصی‌هایی مانند آهن و بخشی از گوگرد در سرباره (Slag) جمع شده و جدا می‌شوند. محصول این مرحله مات مس (Copper Matte) با عیار حدود ۵۵ تا ۶۵ درصد مس است.
2. تبدیل (Converting): مات مس به کنورتر منتقل شده و با دمش هوا یا اکسیژن غنی‌شده، آهن و گوگرد باقی‌مانده اکسید شده و حذف می‌شوند. محصول: مس خام (Blister Copper) با خلوص حدود ۹۸ تا ۹۹ درصد مس.

۴. مسیر فرآوری سنگ‌های اکسیدی و کم‌عیار: هیدرومتالورژی

این مسیر برای فرآوری سنگ‌های اکسیدی و سولفیدی کم‌عیار که فرآوری آن‌ها با پیرومتالورژی اقتصادی نیست، به کار می‌رود.

۴.۱. لیچینگ (انحلال شیمیایی)

در لیچینگ، مس از سنگ معدن، توسط یک حلال آبی حل شده و به فاز مایع منتقل می‌شود.

• عامل انحلال: معمولاً محلول اسید سولفوریک که مس اکسیدی را طبق واکنش‌های زیر حل می‌کند:

• روش اجرایی: متداول‌ترین روش، هیپ لیچینگ (Heap Leaching) است که در آن سنگ معدن خردشده در توده‌های بزرگ انباشته شده و محلول اسیدی بر روی آن پاشیده می‌شود. محلول مس‌دار جمع‌آوری‌شده، محلول باردار مس (PLS) نام دارد.

۴.۲. سمنتاسیون مس (Copper Cementation)

سمنتاسیون یکی از روش‌های قدیمی و ساده برای استحصال مس از محلول‌های آبی، به‌ویژه محلول‌های رقیق‌تر، است.

• اصل فرآیند: این فرآیند یک جابه‌جایی الکتروشیمیایی است که در آن یون‌های مس محلول در PLS با استفاده از یک فلز فعال‌تر (معمولاً آهن قراضه) احیا شده و به صورت فلزی (جامد) رسوب می‌کنند.
• واکنش: یون‌های مس در محلول با آهن واکنش می‌دهند:

• محصول: مس رسوب‌کرده، که مس سمنته (Cement Copper) نام دارد، دارای خلوص پایین‌تری (حدود ۶۰ تا ۹۵٪) نسبت به مس کاتد است و معمولاً برای تصفیه بیشتر به ذوب یا الکتروپالایش فرستاده می‌شود. این روش در تأسیسات مدرن معمولاً با روش SX-EW جایگزین شده است.

۴.۳. استخراج حلالی و الکترووینینگ (SX-EW)

در تأسیسات مدرن، پس از لیچینگ، از این دو مرحله برای تولید مستقیم مس کاتد خالص استفاده می‌شود:

1. استخراج حلالی (SX – Solvent Extraction): یون‌های مس از محلول توسط یک حلال آلی استخراج شده، از سایر ناخالصی‌ها جدا می‌شوند و غلظت آن‌ها افزایش می‌یابد.
2. الکترووینینگ (EW – Electrowinning): محلول مس غلیظ شده (الکترولیت) وارد سلول‌های الکترولیز شده و با اعمال جریان مستقیم، مس خالص به صورت مس کاتد (خلوص ۹۹.۹۹٪) روی کاتدها رسوب می‌کند.

۵. پالایش نهایی: الکترولیز و محصولات جانبی

هدف نهایی فرآیند فرآوری، دستیابی به بالاترین درجه خلوص (۹۹.۹۹٪) برای مصارف الکتریکی است.

۵.۱. الکتروپالایش (Electrorefining)

مس خام (آند مس با خلوص ۹۹٪) در وان‌های الکترولیز به عنوان آند قرار می‌گیرد. با عبور جریان برق، مس به صورت یون وارد الکترولیت شده و به صورت انتخابی روی کاتد رسوب می‌کند. فلزات باارزش‌تر مانند طلا، نقره و پلاتین در زیر آند ته‌نشین شده و به عنوان لجن آندی جمع‌آوری و استحصال می‌شوند. این فرآیند ارزش اقتصادی کل فرآوری را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

۵.۲. محصولات جانبی

علاوه بر مس کاتد، استحصال محصولات جانبی اهمیت زیادی دارد:

• اسید سولفوریک: در فرآیند پیرومتالورژی، گاز  ساطع شده از کوره‌های ذوب، مهار شده و به اسید سولفوریک (به عنوان یک محصول جانبی قابل فروش و همچنین مصرف مجدد در لیچینگ) تبدیل می‌شود.
• مولیبدن، طلا و نقره: این عناصر از کنسانتره اصلی مس یا از لجن آندی استخراج می‌شوند.

۶. ملاحظات زیست‌محیطی و پایداری

صنعت فرآوری مس به دلیل حجم عملیات و استفاده از مواد شیمیایی، با چالش‌های زیست‌محیطی مهمی مواجه است که مدیریت آن‌ها برای پایداری ضروری است.

• مدیریت پسماند: حجم عظیم باطله‌ها (Tailings) و سرباره‌ها نیازمند انبارداری و مدیریت ایمن و اصولی در سدهای باطله است تا از آلودگی آب و خاک با فلزات سنگین جلوگیری شود.
• مصرف انرژی: فرآیند آسیاب و ذوب (پیرومتالورژی) بسیار انرژی‌بر است. بهینه‌سازی فرآیندها و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، از اولویت‌های صنعت است.
• بازیافت (متالورژی ثانویه): فرآوری قراضه مس با مصرف انرژی کمتر (حدود ۱۵٪ فرآوری اولیه) و حداقل آلودگی، به یک بخش استراتژیک برای تأمین پایدار مس تبدیل شده است.