آموزش روش تولید مس
روش های تولید مس از سنگ معدن در صنعت، شامل دو روش عمده پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی می باشد. روش پیرومتالورژی شامل مراحل استخراج کانسنگ، پرعیارکردن، ذوب و ریخته گری آند و در نهایت پالایش الکترولیزی و دستیابی به مس خالص می باشد. روش هیدرومتالورژی شامل می شود.
- هیدرومتالورژی و ضرورت آن
امروزه جهت گیری و رویکرد صنعت تولید مس به سوی روش های هیدرومتالورژی می باشد. این امر با توجه هزینه های سنگین مواد اولیه، سرمایه گذاری بالا ، نیروی انسانی و وجود مشکلاتی نظیر آلودگیهای زیست محیطی، مصرف بالای انرژی و عدم امکان استفاده مجدد از مواد مصرفی، روز به روز از اهمیت بیشتری برخوردار می گردد.
تحولات و پیشرفت این رشته در صنعت متالورژی استخراجی، ناشی از سازگاری بیشتر این روش با محیط زیست و مصرف کمتر انرژی می باشد که گسترش آن مرهون کشف و ساخت حلال ها و رزینهای آلی انتخابی و کاربرد میکروارگانیسم ها بوده است. آمار و اطلاعات گزارش شده نشان میدهد که با پیشرفت و توسعه فرآیندهای هیدرومتالورژی در سال های اخیر، روند افزایش تولید مس و سایر فلزات پایه از این روش افزایش چشمگیری داشته است. به طوری که سهم تولید مس به کمک روش هیدرومتالورژی، از ۱۵ درصد در سال ۱۹۹۸ به ۲۰ درصد در سال ۲۰۰۳ افزایش یافته است و بررسی ها و پیش بینی های انجام شده توسط سازمان های معتبر بین المللی حاکی از استمرار روند صعودی تولید هیدرومتالورژی و کاهش تولید به روش پیرومتالورژی در سالهای آینده میباشد.
- روش هیدرومتالورژی
در روش هیدرومتالورژی، کانسنگ های معدنی پس از استخراج از معدن تحت عملیات خردایش و آگلومراسیون قرار گرفته و با انجام عملیات انحلال (لیچینگ ) بر روی آن، محلول حاوی عنصر معدنی حاصل میشود. در ادامه فلز مس از این محلول به کمک فرآیند های پالایش (جدایش با حلالیا تبادل یونی و الکترووینینگ) استحصال می گردد. روش های انحلال عموماً به دو دسته اصلی انحلال بدون کمک میکروارگانیسم و انحلال به کمک میکروارگانیسم ها قابل تفکیک میباشد.
در طی فرآیند لیچینگ، کانسنگ حاوی کانی های عناصر (مانند مس) قابل حل توسط یک عامل شیمیایی (مانند اسید سولفوریک)، با قرار گرفتن در مجاورت محلول آبی حاوی این عامل در شرایط شیمیایی و فیزیکی مناسب، دچار انحلال شده و عناصر مورد نظر در اثر این انحلال به صورت یون درآمده و از آن جدا می شوند. روش لیچینگ خود به انواع مختلف شامل لیچینگ توده ای، لیچینگ درجا، لیچینگ با همزن، لیچینگ حوضچه ای و لیچینگ تحت فشار تقسیم می گردد. در روش لیچینگ توده ای یا هیپ لیچینگ،کانسنگ به صورت توده ای در محلی انباشته شده و محلول حاوی عامل شیمیایی از بالا بر روی آن ریخته میشود تا در اثر جریان ثقل از میان خلل و فرج موجود در توده کانسنگ عبور کرده و کانی مورد نظر را حل کند. در مورد کانسنگ مس، کانیهای اصلی مسدار شامل کانی های اکسیدی (مانند مالاکیت یا کربنات مس و…..) و کانی های سولفیدی (مانند کالکوپیریت یا سولفید مس و آهن و….) هستند.
در روش هیپ لیچینگ با پاشش محلول اسید سولفوریک تحت شرایط شیمیایی و فیزیکی مناسب، کانی های اکسیدی مس به راحتی حل میشوند. لیکن در مورد کانی های سولفیدی این فرآیند قدری پیچیده تر می شود و اسید به تنهایی امکان انحلال سریع این کانی ها را ندارد. بنابراین از گذشته تاکنون کوشش های در این راستا صورت گرفته است تا بتوان کانی های سولفیدی مس را به روش لیچینگ حل نمود که این تلاش ها منجر به ابداع روش های مختلفی از جمله بیولیچینگ گردید.
۳-۱- بیولیچینگ
بخش زیادی از ذخایر معدن مس جهان، متشکل ازانواع کانسنگ های سولفیدی می باشد، حال آنکه حداکثر ۱۰ درصد از ذخایر مس جهان از نوع کانسنگ های اکسیدی است که امکان انحلال آنها به کمک اسیدسولفوریک وجود دارد. بنابراین یافتن راه حلی جهت به کارگیری حجم عظیم کانسنگهای سولفیدی با روش لیچینگ، همواره در سرلوحه امور پژوهشی و تحقیقاتی کشورهای صاحب این صنعت قرار داشته است.
یکی از راهکارهای پیشنهاد شده در این زمینه کمک گرفتن از عملکرد انواع عوامل بیولوژیکی به ویژه باکتری های مختلف است. اندیشه این راهکار از آنجا به وجود آمد که در بسیاری از معادن مس جهان مشاهده می شد توده های کانسنگ سولفیدی در اثر نفوذ آب تا حدی دچار انحلال می گردند و محلول های سبزرنگ (حاوی یون آهن) و آبی رنگ (حاوی یون مس) از آنها تراوش می کند. با بررسی و مطالعه عوامل این پدیده، پژوهشگران به عملکرد بعضی از باکتری های موجود در این آب ها مشکوک شدند و در تحقیقات بعدی ثابت شد که این عوامل بیولوژیکی، هنگامی که محیط مناسبی برای حیات داشته باشند، انرژی موردنیاز و غذای خود را از اکسیداسیون گوگرد و آهن موجود در کانی های سولفیدی این کانسنگ ها به دست می آورند. در تحقیقات بعدی انواع این باکتری ها شناسایی شد که هرکدام در شرایط شیمیایی و فیزیکی خاصی (اعم از دما و pH) می توانستند به حیات و عملکرد خود ادامه دهند.
به تدریج بشر به این فکر افتاد که از این فرآیند به نحوی اقتصادی بهره برداری کند و این باکتری ها را جهت دستیابی به منافع اقتصادی خود به کار گیرد. در این ارتباط از حدود ۵۰ سال قبل فعالیت هایی آغاز شده و با گسترش تکنولوژی لیچینگ جهت استحصال مس از کانسنگ های اکسیدی، تلاش بر این شد که با پاشش محلول اسید و باکتری برروی توده های کانسنگ سولفیدی، بتوان محلول حاوی یون مس به دست آورد. با انجام این فعالیت ها مشخص گردیدکه تکنولوژی جدید لیچینگ با عوامل بیولوژیکی یا به اختصار بیولیچینگ، به ویژه در مورد کانسنگ های سولفیدی کمعیار اقتصادی ترمی باشد.
بیولیچینگ به مفهوم استفاده از قابلیت میکروارگانیسم ها در عملیات انحلال سولفیدهای فلزی به منظور بازیابی و تولید فلزات میباشد. سابقه استفاده از این تکنولوژی به سال های ۱۹۵۰ برمیگردد. توسعه این روش در دنیا به حدی بوده است که امروزه در امریکا بیش از ۲۰ درصد از استحصال مس به روش میکروبی می باشد. در بسیاری از کشورهای دیگر از جمله شیلی، استرالیا، آفریقای جنوبی، کانادا، چین، پرو و دیگر مناطق از این تکنیک برای بازیابی فلزات اصلی و گرانبها استفاده می شود.
- مکانیزم فرآیند بیولیچینگ
میکروارگانیسم های مورد استفاده در فرآیند بیولیچینگ انرژی مورد نیاز خود را ازاکسیداسیون آهنFe2+ به Fe3+ (31kg/mol Fe2+) به دست می آورند. بسیاری از باکتری هایی که آهن را اکسید می کنند، قادر به اکسیداسیون گوگرد نیز می باشند. این باکتری ها تنها در محیط های اسیدی میتوانند به حیات خود ادامه دهند.
کانی سولفید آهن (FeS) تقریباً در هر سنگ معدنی سولفیدی وجود دارد و اکسیداسیون آن توسط باکتری منجر به تشکیل یون فریک می گردد. این یون نیز عامل اکسید کننده مناسبی برای کانی های سولفیدی است. واکنش سولفید مس با یون فریک، باعث انحلال مس و تشکیل Fe2+ می شود.
CuS +Fe3+ + HO ––––> Fe2+ + Cu2+ + SO2-
از طرفی باکتری با اکسید کردن Fe2+ (طرف دوم واکنش) به Fe3+ (مورد نیاز در طرف اول واکنش) موجب افزایش سرعت واکنش می گردد. به این ترتیب باکتری نقش کاتالیزور را ایفا می کند.
۳-۱-۲- باکتری های مورد استفاده در فرآیند بیولیچینگ
باکتری ها یکی از ساده ترین انواع موجودات زنده هستند که مهمترین پارامترهای تقسیم بندی آنها شامل شکل باکتری، مقاومت حرارتی باکتری و خودکفایی غذایی باکتری می باشند. به طور کلی باکتری ها از نظر شکل به سه دسته کلی باسیلی (میله ای)، کوکسی (کروی)، اسپریل (مارپیچی) تقسیم بندی می شوند. ضمناً از نظر مقاومت در مقابل حرارت، این موجودات را می توان به چهار دسته ساکروفیل ، مزوفیل، ترموفیل معتدل، ترموفیل مطلق دسته بندی نمود. ساکروفیل ها که به باکتری های سرما دوست معروف هستند، در دمای زیر ۱۵ درجه سانتیگراد قادر به فعالیت می باشند. مزوفیل ها در دمای بین ۲۵ الی ۴۵ درجه سانتیگراد زندگی می کنند که مهمترین آنها تیوباسیلوس فرواکسیدانس و تیوباسیلوس تیواکسیدانس و لپتوسپیریلیوم فرواکسیدانس می باشد. این باکتری ها اسیددوست بوده و pH مناسب برای فعالیت آنها ۵/۱ الی ۵/۳ است. ترموفیلهای معتدل در دمای ۴۵ الی ۶۰ درجه سانتیگراد زندگی می کنند که مهمترین آنها سولفوباسیلوسها می باشند. باکتری های ترموفیل مطلق به باکتری های گرمادوست معروف هستند که در دمای بالاتر از ۶۰ درجه سانتیگراد زندگی می کنند و مهمترین گونه آنها سولفولوبوس ها هستند.
باکتری ها از نظر خودکفایی غذایی به دو دسته اتوتروف و هتروتروف طبقه بندی می شوند. اتوتروف ها که قادر به تامین مواد موردنیاز خود می باشند، اکسیژن، کربن و نیتروژن موردنیازشان را از CO ونیتروژن موجود در هوا به دست می آورند. هتروتروف ها قادر به تامین مواد مورد نیازشان نیستند و مواد لازم باید در اختیارشان قرار گیرد. آنها کربن موردنیازشان را از مواد آلی به دست میآورند.