روش ‌های استخراج و فرآوری مس

مقدمه

استخراج مس یکی از فرآیندهای مهم در صنعت معدن است که از آن برای تأمین نیازهای جهانی به این فلز ارزشمند استفاده می‌شود. مس به‌عنوان یکی از فلزات پایه، در صنایع مختلفی از جمله تولید الکتریسیته، ساختمان‌سازی، و خودروسازی کاربرد دارد. استخراج مس از سنگ معدن معمولاً از طریق روش‌های مختلفی مانند استخراج روباز، استخراج زیرزمینی و فرآوری با استفاده از تکنیک‌های هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی انجام می‌شود. انتخاب روش استخراج مس به ویژگی‌های کانی‌شناسی و موقعیت جغرافیایی کانسار بستگی دارد، که می‌تواند تأثیر زیادی بر هزینه‌ها و بهره‌وری فرآیند داشته باشد.

در فرآیند استخراج مس، ابتدا سنگ معدن مس با استفاده از روش‌های فیزیکی و شیمیایی به پرعیارسازی می‌رسد، سپس در مراحل بعدی از روش‌های مختلف مانند ذوب، تصفیه حرارتی، و فرآیندهای الکترولیتی برای تولید مس خالص استفاده می‌شود. این مراحل برای تولید مس با کیفیت بالا و با کمترین میزان ناخالصی اهمیت زیادی دارند. در این مقاله به بررسی جزئیات فرآیندهای استخراج و فرآوری مس پرداخته می‌شود تا مخاطبان با نحوه تولید این فلز و اهمیت آن در صنعت آشنا شوند.

استخراج مس

سنگ معدن مس با دو روش اصلی استخراج می‌شود. انتخاب روش به ویژگی ‌ها و موقعیت جغرافیایی کانسار مس بستگی دارد.

استخراج روباز

این رایج ‌ترین روش تولید سنگ معدن مس است و معمولاً برای ذخایر کم‌ عمق مس (کمتر از 100 متر)، کم‌ عیار، با شیب زیاد یا توده ‌ای، مانند ذخایر مس پورفیری، اسکارن مس، SEDEX و بیشتر ذخایر اپی ‌ترمال مناسب است که همگی معمولاً قابلیت استخراج به‌صورت حجمی را دارند. استخراج مس با حفاری یا انفجار انجام می‌شود و سپس سنگ معدن توسط کامیون یا نوار نقاله به محل انبار منتقل می‌شود. معدن مس روباز بینگهام کنین (Bingham Canyon) در ایالت یوتای آمریکا یکی از بزرگ ‌ترین گودال ‌های ساخت بشر در جهان است؛ بیش از 800 متر عمق و 4 کیلومتر عرض دارد و بیش از 100 سال فعال بوده است. کانی اصلی استخراجی مس، کالکوپیریت است و در کنار آن مقدار کمی بورنیت نیز وجود دارد. این معدن تاکنون بیش از 15 میلیون تن مس تولید کرده و رکورددار در جهان است.

استخراج زیرزمینی

پیش از قرن بیستم، استخراج مس عمدتاً از معادن مس زیرزمینی انجام می‌شد. امروزه این روش کمتر رایج است زیرا هزینه و ریسک ایمنی بیشتری دارد. استخراج مس زیرزمینی برای ذخایر پر عیار، کوچک یا عمیق مناسب است. روش ‌های مورد استفاده شامل “فروریختن بلوکی” (برای ذخایر بزرگ و یکنواخت مس)، “اتاق و پایه” (معمولاً برای ذخایر مسطح با شیب کمتر از 30 درجه) و روش‌ های مختلف “استوپینگ” (برای رگه ‌های باریک یا پرشیب) است. معدن مس لوبین (Lubin) در منطقه معدنی لگنیتسا-گلوگو (Legnica-Glogów) در لهستان، از روش اتاق و پایه استفاده می‌کند و دارای شبکه ‌ای از تونل ‌ها به وسعت حدود 20 کیلومتر مربع است.

 

فرآوری سنگ معدن مس (Processing)

عیار سنگ معدن مس و ترکیب کانی ‌شناسی آن بسته به نوع کانسار متفاوت است، اما به‌طور کلی، سنگ ‌های مس استخراج ‌شده معمولاً دارای ۰٫۵ تا ۳ درصد مس هستند.

مرحله افزایش عیار یا پرعیارسازی مس (Concentration)

در اولین مرحله از فرآوری، عیار مس با روش ‌های فیزیکی و/یا شیمیایی تا حدود ۲۵٪ تا ۳۵٪ افزایش پیدا می‌کند. این عملیات معمولاً در محل معدن مس انجام می‌شود و شامل مراحل زیر است:

خردایش و آسیاب (Crushing & Grinding)

جداسازی فیزیکی و/یا شیمیایی برای تغلیظ مس، تبدیل به مس خالص. پس از تغلیظ، کنسانتره مس به دو روش اصلی به فلز مس خالص تبدیل می‌شود:

روش ‌های پیرومتالورژیکی (Pyrometallurgy)

شامل ذوب مس (Smelting) و تصفیه الکترولیتی مس (Electrolytic Refining)، در این روش گاز دی ‌اکسید گوگرد تولید می‌شود که می‌توان آن را به اسید سولفوریک تبدیل کرد.

روش ‌های هیدرومتالورژیکی (Hydrometallurgy)

شامل لیچینگ (Leaching)، استخراج با حلال (Solvent Extraction) و الکترواستحصال (Electrowinning) یا SX-EW. این روش بیشتر برای کانسنگ ‌های مس اکسیدی استفاده می‌شود. اما تحقیقات برای توسعه روش ‌هایی برای فرآوری سولفید های اولیه به‌صورت تجاری و رقابت ‌پذیر با ذوب، ادامه دارد.

مزایای هیدرومتالورژی نسبت به پیرومتالورژی

قابلیت فرآوری کانسنگ ‌های مس کم ‌عیار، بهره ‌وری انرژی بالاتر (دمای پایین تر موردنیاز، هرچند الکترواستحصال برق زیادی مصرف می‌کند)، تأثیر زیست‌ محیطی کمتر (پسماند ها مایع هستند و راحت‌تر کنترل و خنثی می‌شوند)، سرمایه ‌گذاری و هزینه عملیاتی پایین‌تر، مناسب برای پروژه‌های کوچک‌تر مس.

انتخاب روش مناسب فرآوری (Ore beneficiation)

روش ‌های مورد استفاده بسته به ویژگی‌ های کانی ‌شناسی و موقعیت جغرافیایی کانسار مس انتخاب یا اصلاح می‌شوند. عواملی مانند: نوع و بافت کانسنگ مس و کانی ‌های باطله مس، دسترسی به نیروی کار، آب و برق همگی در انتخاب روش فرآوری نقش دارند.

تغلیظ یا پرعیارسازی مس (Concentration)

هدف از مرحله تغلیظ یا پرعیارسازی مس، افزایش عیار مس در سنگ معدن پیش از ورود به مراحل نهایی استخراج فلز مس است. این مرحله معمولاً شامل خردایش و آسیاب مس، فلوتاسیون مس و گاهی لیچینگ است.

خردایش و آسیاب مس (Crushing and Grinding)

سنگ معدن مس ابتدا وارد سنگ ‌شکن اولیه (Primary Crusher) می‌شود. سپس از طریق سنگ‌ شکن ‌های ثانویه (Secondary Crushers) و غربال ‌های ارتعاشی (Vibrating Screens)، به اندازه مناسب برای فرآوری مس رسانده می‌شود. پس از خردایش، سنگ به همراه آب به شکل دوغاب (Slurry) در می‌آید و وارد آسیاب ‌های مختلف می‌شود تا به پودر با اندازه دانه‌ بندی مطلوب تبدیل گردد.

فلوتاسیون مس (Froth Flotation)

فلوتاسیون مس یک فرآیند برای جداسازی کانی ‌هاست و شامل این مراحل است: به پودر سنگ مس آسیاب ‌شده، آب بیشتری اضافه می‌شود تا به شکل سوسپانسیون درآید، هوای فشرده از پایین مخازن دمیده می‌شود، مواد شیمیایی افزوده می‌شوند تا برخی از کانی ‌ها آب ‌گریز شده و حباب ‌های هوا به آن‌ها بچسبند، این کانی ‌ها به سطح آمده و به شکل کف جمع ‌آوری و جدا می‌شوند، نتیجه، کنسانتره ‌ای با ترکیب تقریبی 25 تا 35 درصد مس و مقادیری از ناخالصی های دیگر است، این کنسانتره مس سپس در تغلیظ‌ کننده‌ها و فیلترها آب ‌گیری می‌شود.

لیچینگ مس (Leaching)

روش لیچینگ مس گاهی قبل یا بعد از خردایش مس استفاده می‌شود، به ‌ویژه برای کانسنگ ‌های مس اکسیدی. جزئیات بیشتر این روش در بخش هیدرومتالورژی توضیح داده شده است.

فرایند های پیرومتالورژیکی (Pyrometallurgical Processes)

در این فرایند ها، هدف اصلی ذوب کنسانتره مس به‌ منظور جداسازی فلز مس از ناخالصی ‌هاست. این روش عمدتاً برای کانسنگ‌ های مس سولفیدی به کار می‌رود و شامل چهار مرحله اصلی: تشویه (Roasting)، ذوب (Smelting)، تبدیل (Converting)، و تصفیه حرارتی (Fire Refining) است. در ادامه، مس تا خلوص بسیار بالا توسط تصفیه الکترولیتی (Electrolytic Refining) به دست می‌آید.

تشویه مس (Roasting)

در این مرحله، کنسانتره مس در حضور اکسیژن در دمای حدود ۶۵۰ درجه سانتی‌ گراد حرارت داده می‌شود.
گوگرد به صورت گاز دی ‌اکسید گوگرد (SO₂) خارج می‌شود و می‌توان آن را به اسید سولفوریک (H₂SO₄) تبدیل کرد. ناخالصی ‌هایی مانند آنتیموان، آرسنیک و سرب نیز حذف می‌شوند. یک فلاکس سیلیسی به کنسانتره مس افزوده می‌شود.

ذوب مس (Smelting)

مواد تشویه ‌شده خشک به همراه فلاکس سیلیسی در دمای ۱۰۰۰–۱۵۰۰ درجه سانتی‌ گراد ذوب می‌شوند.
ناخالصی‌ ها اکسید شده و به صورت سرباره (Slag) جدا می‌گردند. در زیر سرباره، مات مس (Matte) تشکیل می‌شود؛ مخلوطی از سولفید های مس و آهن با عیار ۳۵٪ تا ۶۸٪ مس.

تبدیل مس (Converting)

هوا از درون مات مس مذاب عبور داده می‌شود تا سولفید های آهن و مس اکسید شوند. گوگرد بیشتری به شکل گاز SO₂ آزاد می‌شود. با افزودن فلاکس سیلیس و آهک، آهن به سرباره تبدیل شده و جدا می‌شود و مس بلیستر (Blister Copper) با عیار ۹۷–۹۹٪ حاصل می‌شود.

تصفیه حرارتی مس (Fire Refining)

مس بلیستر به همراه فلاکس وارد کوره تصفیه آندی می‌شود (دمای حدود ۱۱۰۰ درجه سانتی‌ گراد). با دمیدن هوا، ناخالصی ‌ها به سرباره تبدیل می‌شوند. در مرحله پایانی، در محیطی احیایی، اکسید مس به فلز مس خالص ‌تر (۹۹.۵٪) تبدیل و به صورت آند ریخته‌ گری می‌شود.

تصفیه الکترولیتی مس (Electrolytic Refining)

آند های مس حاصل از تصفیه حرارتی در سلول‌ های الکترولیز حاوی اسید سولفوریک غوطه‌ور می‌شوند. یون ‌های مس از آند جدا شده و روی کاتد ها (ورق‌ های استیل یا فویل مسی) رسوب می‌کنند. ناخالصی ‌ها ته‌نشین شده و به لجن آندی مس (Anode Slime) تبدیل می‌شوند که می‌توان از آن‌ها فلزاتی چون طلا، نقره و پلاتین استخراج کرد. در نهایت، کاتد های مس با ۵۰–۱۵۰ کیلوگرم مس خالص روی هر ورق (۹۹.۹۵–۹۹.۹۶ درصد مس) تولید می‌شوند.

فرایند های هیدرومتالورژیکی

فرآوری هیدرومتالورژیکی شامل انحلال شیمیایی یا زیستی مس از سنگ معدن مس با استفاده از اسید سولفوریک رقیق است. محلول ضعیف حاصل با استفاده از تکنیک ‌های استخراج با حلال (SX) تغلیظ می‌شود و مس از طریق الکترووینیگ (EW) رسوب می‌کند. در برخی موارد، مس پیش از مرحله تغلیظ از محلول ضعیف حاصل از لیچینگ با ریختن آن بر روی قراضه آهن رسوب داده می‌شود تا «سمنته مس» تشکیل شود. در این روش، مس بر روی آهن رسوب می‌کند و باید روزانه با خراش یا جمع ‌آوری برداشته شود. این محصول تنها دارای ۷۰ تا ۸۰ درصد خلوص است و باید ذوب و تصفیه شود.

لیچینگ مس

سنگ معدن اکسیدی مس، سنگ معدن سولفیدی کم‌ عیار یا ضایعات معدنی (باطله ‌ها) در توده ‌ها یا حوضچه ‌ها قرار داده می ‌شوند (جدول ۴). اسید سولفوریک رقیق از میان توده ‌ها چکانده می‌شود تا مواد معدنی مس را حل کند. موادی نظیر کلرید فریک می‌توانند برای کمک به افزایش انحلال سولفید های مس افزوده شوند. گونه ‌های خاصی از باکتری ‌ها نیز می‌توانند به داخل توده تزریق شوند تا فرایند را با تکنیکی به نام بیولیچینگ تسریع کنند. افزایش فشار و دما در لیچینگ حوضچه ‌ای نیز می‌تواند انحلال را تسهیل کند. لیچینگ محلولی با غلظت سی تا هفتاد درصد مس تولید می‌کند که از تونل‌ ها و حوضچه‌ های زهکشی بازیافت می‌شود.

بالاترین و سریع ‌ترین بازده ‌های استخراج مس از سنگ ‌های مس اکسیدی یا آن ‌هایی که آهن ندارند به‌ دست می‌آید. بازده‌ ها ممکن است در تکنیک لیچینگ توده ‌ای به ۵۰ درصد در یک سال و ۹۰ درصد در پنج سال برسد. زمان بازده می‌تواند در لیچینگ حوضچه ‌ای به اندازه چند روز یا ماه باشد.
سنگ‌ های مس سولفیدی معمولاً زمان بسیار بیشتری برای لیچینگ نیاز دارند و بازده بسیار کمتری تولید می‌کنند (در مراحل اولیه، معمولاً ۱۰–۱۵ درصد در سال). تحقیقات در حال انجام است تا روش‌ های سریع‌تری برای استخراج مس از سنگ‌ های سولفیدی با استفاده از لیچینگ پیدا شود.

استخراج مس با حلال (SX)

محلول بازیافت ‌شده از لیچینگ با ماده ‌ای به نام استخراج ‌کننده مخلوط می‌شود، که به ‌طور انتخابی مس را از محلول اسیدی اولیه جدا می‌کند و بیشتر ناخالصی ‌ها را باقی می‌گذارد. یک محلول اسیدی تازه برای جدا کردن مس از استخراج ‌کننده استفاده می‌شود. محلول مسی حاصل، که دارای غلظت بالایی است، محلول باردار (PLS) نام دارد که به مرحله نهایی الکترووینیگ منتقل می‌شود.

الکترووینیگ مس (EW)

محلول غنی ‌شده از مس فیلتر و گرم شده، سپس از مجموعه ‌ای از سلول ‌های الکترولیتی عبور داده می‌شود. ولتاژ بسیار بالاتری به این سلول ‌ها اعمال می‌شود (۳ ولت) در مقایسه با تصفیه الکترولیتی (۰.۲ ولت)، زیرا ابتدا باید مس از سولفات مس موجود در محلول به فلز مس کاهش یابد. مس بر روی صفحات استیل رسوب می‌کند تا کاتد مس با خلوص بالا (۹۹.۹۹٪ Cu) تشکیل شود و اسید نیز بازیافت می‌شود.

تولید مس

کاتد مس تولید شده از تصفیه الکترولیتی و الکترووینیگ به کارخانه‌ ها و ریخته‌گری ‌ها ارسال می‌شود، جایی که به میلگرد (برای سیم ‌های مسی)، بیلت (برای ساخت لوله مس، میله مس و مقاطع مسی)، کیک (برای ساخت صفحه مس، ورق و فویل مس) یا شمش مس (برای آلیاژسازی یا ریخته‌گری مس) تبدیل می‌شود. این محصولات مسی و آلیاژی سپس برای تولید نهایی یا توزیع به‌منظور پاسخگویی به نیاز مصرف‌کنندگان ارسال می‌شوند. ضایعات (شامل مواد مازاد دور ریخته شده در طول فرایند تولید و محصولات مس‌ دار ارسال شده برای دفع) می‌توانند به چرخه بازیافت بازگردانده شوند.

نتیجه‌گیری

فرآیند استخراج و بهره‌برداری از فلز مس، یکی از پیچیده‌ترین و حیاتی‌ترین مراحل در زنجیره ارزش این فلز مهم به شمار می‌رود.این مقاله به بررسی تکنیک‌ها و روش‌های مختلف استخراج مس از کانسارهای متنوع می‌پردازد و مراحل خردایش، کنسانتره‌سازی و آماده‌سازی مس برای صنایع مختلف را تشریح می‌کند. با این حال، برای درک کامل‌تر و دید جامع از اهمیت مس، مطالعه مقاله «مس طلای سرخ، نفت جدید» توصیه می‌شود. این مقاله با تمرکز بر کانسارهای مس ایران و جهان، اطلاعات جامعی درباره زمین‌شناسی، ژئوشیمی و ارزش اقتصادی ذخایر مس ارائه می‌دهد. 

در کنار درک فرآیندهای استخراج و بهره‌برداری، اطلاع از قیمت‌های روز فلز مس برای فعالان بازار و تولیدکنندگان اهمیت ویژه‌ای دارد. صفحه قیمت‌گذاری اختصاصی مس در متالاین با ارائه نرخ‌های دقیق و به‌روز انواع محصولات مس، از جمله کلوخه، کنسانتره و سمانته، امکان برنامه‌ریزی و تصمیم‌گیری هوشمندانه را فراهم می‌کند. دسترسی به قیمت‌های معتبر، معامله را شفاف و مطمئن کرده و نوسانات غیرواقعی بازار را کاهش می‌دهد، همچنین امکان مقایسه قیمت‌ها در بازه‌های زمانی مختلف، تحلیل روند بازار و بهینه‌سازی فرآیندهای خرید و فروش را برای کاربران فراهم می‌کند.