Geotieteen soveltaminen Australian tärkeimpiin haasteisiin

Esittely

Valikoima kupariliittimiä. Lähde: Wikimedia Commons

Joka kerta, kun sytytät valon, käytät kodin laitetta tai käännät hanan päälle, kupari toimittaa sinulle sähköä tai vettä. Kupari on siis ihmiselle hyvin tärkeä metalli, ja siinä yhdistyy enemmän hyödyllisiä ominaisuuksia kuin luultavasti missään muussa metallissa.

Keskimääräisessä perhekodissa on yli 90 kiloa kuparia: 40 kiloa sähköjohtoja, 30 kiloa putkistoja, 15 kiloa rakennustarvikkeita, 9 kiloa sähkölaitteiden sisällä ja 5 kiloa messinkitavaroita. Boeing 747-200 -suihkukoneessa on noin 1,8 tonnia kuparia. New Yorkissa sijaitseva Vapaudenpatsas sisältää yli 27 tonnia kuparia.

Ominaisuudet

Kalkopyriitti. Lähde: Geoscience Australia

Kupari on kullan lisäksi ainoa luonnossa esiintyvä metalli, jolla on erottuva väri. Kullan ja hopean tavoin kupari johtaa erinomaisesti lämpöä ja sähköä. Se on myös hyvin muokattavaa ja sitkeää. Kupari kestää myös korroosiota (se ei ruostu kovin helposti). Kupari on pehmeää mutta sitkeää. Sitä on helppo sekoittaa muiden metallien kanssa seoksiksi, kuten pronssiksi ja messingiksi. Pronssi on tinan ja kuparin seos ja messinki on sinkin ja kuparin seos. Kupari ja messinki ovat helposti kierrätettävissä¿ ehkä 70 % nykyisin käytössä olevasta kuparista on kierrätetty ainakin kerran.

.

.

Käyttökohteet

Nykyisin kupari, koska se johtaa hyvin sähköä, käytetään sähkögeneraattoreissa ja -moottoreissa sähköjohdoissa ja elektroniikkatuotteissa, kuten radioissa ja televisioissa. Kupari johtaa myös hyvin lämpöä, joten sitä käytetään moottoriajoneuvojen jäähdyttimissä, ilmastointilaitteissa ja kotien lämmitysjärjestelmissä.

Koska kupari ei syövy helposti, sitä käytetään myös vesiputkissa. Muovattavuutensa ansiosta kupariputket voidaan taivuttaa kulmien ympäri helposti rikkoutumatta.

Kuparisulfaattia käytetään sienitautien torjunta-aineena, joka estää kasvien juuria tukkimasta viemäreitä ja viemäriverkostoja. Käsitellyn puutavaran sinivihreä väri johtuu kuparinaftanaatista ja kupari-kromi-arsenaatista, joita on lisätty paineella suojaamaan puuta poraajilta.

Kuparia käytetään myös kolikoiden ja tieteellisten instrumenttien valmistukseen sekä koristeisiin.

Matkapuhelimessa on noin 15 grammaa kuparia, ja viime aikoina kupari on korvannut alumiinin tietokonesiruissa.

Rulla kuparilankaa. Lähteenä: KUVA 1. Kuparikupari, joka on valmistettu kuparista: Geoscience Australia

Kuparia sisältävät tietokoneen piirilevyt. Lähde: Geoscience Australia

Historia

Vanhat kupariset astiat esillä jerusalemilaisessa ravintolassa. Lähde: Kunnianhimoinen ja hyvä hallinto..: Wikimedia Commons

Kupari oli ensimmäinen ihmisten käyttämä metalli. Neoliittinen ihminen löysi sen noin 9000 vuotta sitten ja käytti sitä kiven sijasta, koska sitä oli paljon helpompi muotoilla. Iranin varhaiset kuparisepät havaitsivat, että kuparin kuumentaminen pehmensi sitä ja vasarointi kovetti sitä. Näin he pystyivät muotoilemaan kuparista erilaisia käyttökelpoisia esineitä, kuten astioita ja ruokailuvälineitä, mikä oli suuri edistysaskel ihmiskunnalle. Sen kaunis väri teki kuparista myös houkuttelevan korujen ja koristeiden valmistukseen.

Kuparin käytöstä on todisteita jo varhaisilta ajoilta, sillä arkeologit löysivät Egyptissä sijaitsevasta Kheopsin pyramidista 5000 vuotta sitten käytetyn kupariputken kappaleen. Noin 4000 eKr. löydettiin pronssi (vielä kovempi seos) sekoittamalla kuparia pieneen määrään tinaa. Sitä käytettiin aseiden, haarniskojen, työkalujen ja koriste-esineiden valmistukseen, ja näin alkoi kupari-pronssikausi. Vaikka pronssityökalujen valmistus jäi suurelta osin pois käytöstä rautakauden alkaessa noin vuonna 1000 eaa., kuparia käytettiin edelleen sen muiden ominaisuuksien vuoksi. Koska kupari on yksi kahdesta värillisestä metallista, sen kauneus tekee siitä erittäin halutun koristeiden valmistukseen, ja sen korroosionkestävyys tekee siitä sopivan käytettäväksi meressä tai meren lähellä.

Kyky hakkaa kuparia levyiksi ja sen ruostumattomuus tekivät siitä suositun katemateriaalin tärkeissä rakennuksissa.

Minneapoliksen kaupungintalo, jossa on kuparikatto. Lähde: Wikimedia Commons

Kupariteollisuuden kasvu on liittynyt läheisesti sähkön käytön lisääntymiseen. Sähköiset sovellukset ovat edelleen metallin pääasiallinen käyttökohde, mikä johtuu kahdesta fysikaalisesta ominaisuudesta. Se on erinomainen sähköä (ja lämpöä) johtava aine, ja se on riittävän sitkeää, jotta se voidaan vetää langaksi ja hakata levyiksi murtumatta. Kuparia käytetään laajalti LVI-komponenteissa, ja se on tärkeä osa metalliseoksia, joista monet ovat kovempia, vahvempia ja sitkeämpiä kuin niiden yksittäiset osatekijät. Vuonna 1837 Charles Wheatstone ja William Cooke patentoivat ensimmäisen sähkölennättimen, jossa käytettiin kuparilankaa. Vuonna 1876 Alexander Graham Bell käytti ensimmäisenä kuparista puhelinjohtoa. Vuonna 1878 Thomas Edison keksi ensimmäisen sähkövalon, joka käytti kuparia virran johtamiseen. Näiden kahden keksinnön massakäyttö aiheutti muutamassa vuodessa kuparin louhinnan ja tuotannon uskomattoman kasvun.

muodostuminen

Malakiitti ja atsuriitti. R29797 Lähde: Geoscience Australia

Koska kupari reagoi helposti muiden aineiden kanssa, se voi muodostua maankuoressa monin eri tavoin. Sitä esiintyy usein esiintymissä muiden metallien, kuten lyijyn, sinkin, kullan ja hopean kanssa.

Ylivoimaisesti suurimmat määrät kuparia esiintyy maankuoressa porfyyrikupariesiintyminä tunnetuissa kappaleissa. Nämä esiintymät olivat aikoinaan suuria sulan kiven massoja, jotka jäähtyivät ja jähmettyivät maankuoreen. Jäähtyessään muodostui joitakin suuria kiteitä, joita ympäröivät pienemmät kiteet, kun jäähtyminen nopeutui – geologit kutsuvat näitä kiviä porfyyreiksi. Aluksi kupari oli levinnyt pieninä pitoisuuksina koko suureen sulan kiven massaan. Kun magma jäähtyi ja kiteet alkoivat muodostua, sulan määrä pieneni. Kupari pysyi sulassa ja konsentroitui yhä enemmän. Kun kivi oli lähes täysin kiinteä, se supistui ja halkeili, ja jäljelle jäänyt kuparipitoinen neste puristui halkeamiin, joissa sekin lopulta jähmettyi. Monien miljoonien vuosien aikana näitä esiintymiä peittävät kivet rapautuivat pois, ja lopulta esiintymät tulivat pintaan. Esimerkkejä porfyyriesiintymistä ovat Cadia Hill (NSW) ja Cerro Colorado (Panama).

Kuparin, raudan ja rikin seosta kutsutaan kalkopyriitiksi (CuFeS2) eli ”hölmön kullaksi”, ja se huijasi monia vanhan ajan malminetsijöitä! Kalkopyriittiä esiintyy Australiassa kivissä, jotka ovat yli 250 miljoonaa vuotta vanhoja. Borniitti (Cu5FeS4), kovelliitti (CuS) ja kalsiitti (Cu2S) ovat tärkeitä kuparin lähteitä maailmassa, ja monet malmikappaleet sisältävät myös jonkin verran malakiittia (CuCO3.Cu(OH)2), atsuriittia (Cu3(CO3)2.Cu(OH)2), kupriittia (Cu2O), tenoriittia (CuO) ja natiivikuparia. Sulfidit, jotka tuottavat suurimman osan koko maailmassa tuotetusta kuparista, ovat yleensä syvemmällä loodeissa, jotka eivät ole altistuneet sään vaikutuksille. Lähellä pintaa ne muuttuvat hapettumisen ja muiden kemiallisten toimien vaikutuksesta oksideiksi ja karbonaateiksi. Nämä sekundaariset kuparimineraalit voivat muodostaa runsaan malmin monien esiintymien yläosissa, ja niille ominaisen vihreän tai sinisen värinsä ansiosta pienetkin määrät näkyvät helposti kivissä, joissa niitä esiintyy. Kuparipitoisia mineraaleja esiintyy yleisesti yhdessä sellaisten mineraalien kanssa, jotka voivat sisältää kultaa, lyijyä, sinkkiä ja hopeaa.

Resurssit

Australiassa kuparia alettiin etsiä pian eurooppalaisen siirtolaisuuden jälkeen. Ensimmäinen merkittävä kuparilöytö Australiasta tehtiin Kapundassa Etelä-Australiassa vuonna 1842, kun Francis Dutton löysi kuparimalmia etsiessään kadonneita lampaita. 1860-luvulle tultaessa Etelä-Australia tunnettiin ”kuparikuningaskuntana”, koska siellä oli maailman suurimpia kuparikaivoksia.

Australiassa on huomattava osa maailman kuparista, ja se oli Yhdysvaltain geologisen tutkimuskeskuksen (USGS) mukaan vuonna 2016 Chilen jälkeen toisella sijalla. Meillä on useita kuparikaivoksia, joilla on maailmanlaajuista merkitystä, kuten Mt Isa kupari-lyijy-lyijy-sinkkiesiintymä Queenslandissa ja Olympic Dam kupari-uraani-kultaesiintymä Etelä-Australiassa, jossa louhitaan yhtä maailman suurimmista kuparipitoisista esiintymistä. Muita esimerkkejä merkittävistä kuparivaroista ovat Prominent Hillin ja Carrapateenan kupari-kultaesiintymät Etelä-Australiassa, Northparkesin kupari-kulta-, CSA:n kupari-lyijy-sinkki- ja Girilambonen kupariesiintymät Uudessa Etelä-Walesissa, Ernest Henryn, Osbornen ja Mammothin kupariesiintymät ja Selwynin kupari-kultaesiintymät Queenslandissa sekä Golden Groven kupari-sinkkiesiintymät ja Niftyn kupariesiintymä Länsi-Australiassa.

Australian tärkeimmät kupariesiintymät ja kaivokset (2016). Lähde: Geoscience Australia

Lisätietoa luonnonvaroista ja tuotannosta.

Valmistus

Vaikka suuria kupariesiintymiä louhitaan avolouhintamenetelmin monissa suurissa tuottajamaissa, suurin osa Australiassa tuotetusta kuparimalmista on peräisin maanalaisista kaivoksista. Useimmissa kaivoksissa käytetään perinteistä menetelmää, jossa malmi rikotaan ja tuodaan pintaan murskattavaksi. Tämän jälkeen malmi jauhetaan hienoksi, ennen kuin kuparipitoiset sulfidimineraalit rikastetaan flotaatiomenetelmällä, jossa malmimineraalin rakeet erotetaan jätemateriaalista eli jäännöksestä. Malmin kuparipitoisten mineraalien tyypistä ja käytetyistä käsittelyprosesseista riippuen rikaste sisältää yleensä 25-30 prosenttia kuparia, mutta voi olla jopa noin 60 prosenttia kuparia. Rikaste käsitellään sitten sulattamossa.

Käsittely

Tietyissä australialaisissa kaivoksissa kupari liuotetaan malmista kuparipitoiseksi liuokseksi, joka myöhemmin käsitellään kuparimetallin talteenottamiseksi. Malmi rikotaan ensin ja asetetaan liuotustyynyille, joissa se liuotetaan rikkihappoliuokseen kuparin liuottamiseksi pois. Tämän jälkeen kuparipitoinen liuos pumpataan liuotinuuttolaitokseen, jossa kupari erotetaan kuparikompleksina. Tämä väkevöidään, ja liuos johdetaan elektrolyyttiseen talteenottolaitokseen kuparin talteenottamiseksi. Sähköhuuhtelulla tuotetut kuparikatodit sisältävät 99,99 prosenttia kuparia, joka soveltuu sähkökäyttöön. Koko prosessi tunnetaan nimellä liuotinuuttoelektrolyönti (SX-EW).

Rikasteiden muuttamiseksi kuparimetalliksi käytetään erilaisia sulatusmenetelmiä. Yksi menetelmä on sulattaa ne sulatusuunissa sulatusaineiden kanssa, jolloin saadaan kuparimattoa, joka on pääasiassa raudan ja kuparisulfidien seos, joka sisältää yleensä 50-70 prosenttia kuparia. Sula kuparimatto kaadetaan konvertteriin, jossa on enemmän sulatusaineita, ja se muunnetaan kupariksi, joka on noin 98-99-prosenttisesti puhdasta. Rakkulakupari napautetaan, jalostetaan edelleen anodiuunissa ja lopuksi elektrolyyttisesti puhtaaksi katodikupariksi.

Olympic Damissa rikaste sulatetaan suoraan rakkulakupariksi. Tässä prosessissa kuparirikaste syötetään sulattoon hapella rikastetun ilman kanssa. Hieno rikaste reagoi tai ”leimahtaa” välittömästi, kun kuparisulfidien rikkifraktio palaa ja muuttuu rikkidioksidikaasuksi. Sula kupari ja kuona putoavat sulattamon tulisijaan. Kuona muodostaa kerroksen sulan kuparirakkulan pinnalle. Rakkulakupari poistetaan ajoittain jatkopuhdistusta varten anodiuunissa ja puhdistetaan elektrolyyttisesti.