Applicare la geoscienza alle sfide più importanti dell’Australia

Introduzione

Raccordi di rame assortiti. Fonte: Wikimedia Commons

Ogni volta che accendi una luce, usi un elettrodomestico in casa o apri un rubinetto, è il rame che ti fornisce l’elettricità o l’acqua. Il rame è quindi un metallo molto importante per gli esseri umani e combina più proprietà utili che probabilmente qualsiasi altro metallo.

Una famiglia media contiene più di 90 chilogrammi di rame: 40 kg di filo elettrico, 30 kg di impianti idraulici, 15 kg di ferramenta, 9 kg di elettrodomestici e 5 kg di articoli in ottone. Un aereo a reazione Boeing 747-200 contiene circa 1,8 tonnellate di rame. La Statua della Libertà a New York contiene più di 27 tonnellate di rame.

Proprietà

Calcopirite. Fonte: Geoscience Australia

Il rame è l’unico metallo presente in natura oltre all’oro che ha un colore distintivo. Come l’oro e l’argento, il rame è un eccellente conduttore di calore e di elettricità. È anche molto malleabile e duttile. Il rame è anche resistente alla corrosione (non arrugginisce molto facilmente). Il rame è morbido ma resistente. Si mescola facilmente con altri metalli per formare leghe come il bronzo e l’ottone. Il bronzo è una lega di stagno e rame e l’ottone è una lega di zinco e rame. Il rame e l’ottone sono facilmente riciclabili: forse il 70% del rame attualmente in uso è stato riciclato almeno una volta.

Usi

Oggi il rame, perché è un buon conduttore di elettricità, è usato nei generatori elettrici e nei motori per il cablaggio elettrico e nei prodotti elettronici, come le radio e i televisori. Il rame conduce bene anche il calore, quindi è usato nei radiatori dei veicoli a motore, nei condizionatori d’aria e nei sistemi di riscaldamento domestico.

Poiché il rame non si corrode facilmente, è usato anche per i tubi dell’acqua. La sua malleabilità significa che i tubi di rame possono essere piegati per fare gli angoli facilmente, senza rompersi.

Il solfato di rame è usato come fungicida per impedire alle radici delle piante di bloccare gli scarichi e le fognature. Il colore blu-verde del legno trattato è il risultato del naftanato di rame e del rame-cromo-arsenato che sono stati introdotti sotto pressione per aiutare a proteggere il legno dalle piralidi.

Il rame è anche usato per fare monete e strumenti scientifici e in applicazioni decorative.

Ci sono circa 15 grammi di rame in un telefono cellulare e recentemente il rame ha sostituito l’alluminio nei chip dei computer.

Rotolo di filo di rame. Fonte: Geoscience Australia

Schede per computer contenenti rame. Fonte: Geoscience Australia

Storia

Vecchi utensili di rame esposti in un ristorante di Gerusalemme. Fonte: Wikimedia Commons

Il rame è stato il primo metallo usato dall’uomo. Fu scoperto dall’uomo neolitico circa 9000 anni fa e usato al posto della pietra, perché era molto più facile da modellare. I primi ramai in Iran scoprirono che riscaldare il rame lo ammorbidiva e martellare il rame lo rendeva più duro. In questo modo, potevano modellare il rame in vari oggetti utili come contenitori e utensili, un grande passo avanti per la razza umana. Il suo bel colore rendeva anche il rame attraente per l’uso in gioielli e ornamenti.

Ci sono prove che il rame era usato fin dai primi tempi, un pezzo di tubo di rame usato 5000 anni fa è stato portato alla luce dagli archeologi dalla Piramide di Cheope in Egitto. Intorno al 4000 a.C., il bronzo (una lega ancora più dura) fu scoperto mescolando il rame con una piccola quantità di stagno. Venne usato per fare armi, armature, utensili e strumenti di decorazione: iniziò così l’Età del Rame e del Bronzo. Anche se la fabbricazione di utensili di bronzo cadde in gran parte in disuso con l’inizio dell’Età del Ferro intorno al 1000 a.C., il rame continuò ad essere usato per le sue altre proprietà. Essendo uno dei due soli metalli colorati, la sua bellezza lo rende altamente desiderabile per fare ornamenti e la sua resistenza alla corrosione lo rende adatto per l’uso in, o vicino al mare.

La capacità di battere il rame in lastre e la sua resistenza alla ruggine lo rese un materiale di copertura popolare su edifici importanti.

Minneapolis City Hall con tetto in rame. Fonte: Wikimedia Commons

La crescita dell’industria del rame è stata strettamente legata al crescente uso dell’elettricità. Le applicazioni elettriche continuano ad essere l’uso principale del metallo, che può essere attribuito a due proprietà fisiche. È un eccellente conduttore elettrico (e di calore) ed è abbastanza duttile da essere trafilato e battuto in fogli senza fratturarsi. Il rame è ampiamente utilizzato nei componenti idraulici ed è un componente principale delle leghe, molte delle quali sono più dure, più forti e più resistenti dei loro singoli elementi costitutivi. Nel 1837 Charles Wheatstone e William Cooke brevettarono il primo telegrafo elettrico, utilizzando il filo di rame. Nel 1876 Alexander Graham Bell fu il primo ad usare il filo di rame per il telefono. Nel 1878 Thomas Edison inventò la prima luce elettrica, basandosi sul rame per trasportarvi la corrente. In pochi anni, l’uso di massa di queste due invenzioni causò un incredibile aumento dell’estrazione e della produzione di rame.

Formazione

Malachite e azzurrite. R29797 Fonte: Geoscience Australia

Perché il rame reagisce facilmente con altre sostanze, può essere formato in una varietà di modi nella crosta terrestre. Si trova spesso in depositi con altri metalli come piombo, zinco, oro e argento.

Di gran lunga le maggiori quantità di rame si trovano nella crosta in corpi noti come depositi di rame porfirico. Questi depositi erano una volta grandi masse di roccia fusa che si sono raffreddate e solidificate nella crosta terrestre. Mentre si raffreddavano, crescevano alcuni grandi cristalli, che venivano poi circondati da cristalli più piccoli man mano che il raffreddamento diventava più rapido – i geologi chiamano queste rocce porfidi. All’inizio, il rame era sparso in tutta la grande massa di roccia fusa in basse concentrazioni. Man mano che il magma si raffreddava e i cristalli cominciavano a formarsi, la quantità di fusione diventava più piccola. Il rame rimase nella massa fusa, diventando sempre più concentrato. Quando la roccia era quasi completamente solida, si contrasse e si incrinò e il fluido ricco di rame rimanente fu spremuto nelle fessure, dove alla fine anch’esso si solidificò. Nel corso di molti milioni di anni le rocce che coprivano questi depositi si sono erose e i depositi sono infine apparsi in superficie. Esempi di depositi porfirici sono Cadia Hill (NSW) e Cerro Colorado (Panama).

Una miscela di rame, ferro e zolfo è chiamata calcopirite (CuFeS2) o “oro degli sciocchi”, e ha ingannato molti cercatori d’antan! La calcopirite in Australia si trova in rocce che hanno più di 250 milioni di anni. La bornite (Cu5FeS4), la covellite (CuS) e la calcocite (Cu2S) sono importanti fonti di rame nel mondo e molti corpi minerali contengono anche malachite (CuCO3.Cu(OH)2), azzurrite (Cu3(CO3)2.Cu(OH)2), cuprite (Cu2O), tenorite (CuO) e rame nativo. I solfuri, che producono la maggior parte del rame prodotto nel mondo, occupano generalmente le parti più profonde delle logge che non sono state esposte agli agenti atmosferici. Vicino alla superficie sono alterati dall’ossidazione e da altre azioni chimiche per produrre ossidi e carbonati. Questi minerali secondari di rame possono formare ricchi minerali nelle parti superiori di molti depositi, e a causa del loro caratteristico colore verde o blu, anche piccole quantità sono facilmente visibili nelle rocce in cui si trovano. I minerali contenenti rame si trovano comunemente in associazione con minerali che possono contenere oro, piombo, zinco e argento.

Risorse

In Australia, la ricerca del rame è iniziata subito dopo l’insediamento europeo. La prima grande scoperta di rame in Australia fu fatta a Kapunda nell’Australia del Sud nel 1842, quando Francis Dutton trovò del minerale di rame mentre cercava delle pecore perdute. Negli anni 1860, il South Australia era conosciuto come il “Regno del rame” perché aveva alcune delle più grandi miniere di rame del mondo.

L’Australia detiene una parte sostanziale del rame del mondo ed era al secondo posto dietro il Cile nel 2016, secondo lo United States Geological Survey (USGS). Abbiamo diverse miniere di rame che sono di importanza mondiale, tra cui il deposito di rame-piombo-zinco Mt Isa nel Queensland e il deposito di rame-uranio-oro Olympic Dam nell’Australia del Sud, che sta estraendo uno dei più grandi depositi di rame del mondo. Altri esempi di importanti risorse di rame sono i depositi di rame-oro Prominent Hill e Carrapateena nell’Australia del Sud, i depositi di rame-oro Northparkes, rame-piombo-zinco CSA e Girilambone nel Nuovo Galles del Sud, i depositi di rame Ernest Henry, Osborne e Mammoth e i depositi di rame-oro Selwyn nel Queensland e i depositi di rame-zinco Golden Grove e Nifty in Australia occidentale.

I principali depositi e miniere di rame dell’Australia (2016). Fonte: Geoscience Australia

Altre informazioni su risorse e produzione.

Mining

Anche se i grandi depositi di rame sono estratti con metodi a cielo aperto in molti dei principali paesi produttori, la maggior parte del minerale di rame prodotto in Australia proviene da miniere sotterranee. Il metodo tradizionale usato nella maggior parte delle miniere prevede che il minerale venga rotto e portato in superficie per la frantumazione. Il minerale viene poi macinato finemente prima che i minerali di solfuro contenenti rame siano concentrati da un processo di flottazione che separa i grani del minerale dal materiale di scarto, o ganga. A seconda del tipo di minerali contenenti rame nel minerale e dei processi di trattamento utilizzati, il concentrato contiene tipicamente tra il 25 e il 30% di rame, ma può arrivare fino al 60% circa di rame. Il concentrato viene poi lavorato in una fonderia.

Trattamento

In alcune miniere australiane, il rame viene lisciviato dal minerale per produrre una soluzione ricca di rame che viene poi trattata per recuperare il metallo rame. Il minerale viene dapprima frantumato e posto su piazzole di lisciviazione dove viene dissolto da una soluzione di acido solforico per lisciviare il rame. La soluzione ricca di rame viene poi pompata all’impianto di estrazione con solvente per separare il rame come complesso di rame. Questo viene concentrato e la soluzione viene passata all’impianto di elettrofiltrazione per recuperare il rame. I catodi di rame prodotti dall’elettrofilatura contengono il 99,99% di rame che è adatto per usi elettrici. L’intero processo è noto come estrazione con solvente, elettrolisi (SX-EW).

Vari metodi di fusione sono usati per convertire i concentrati in rame metallico. Un metodo è quello di fonderli con fondenti in un forno di fusione per produrre matte di rame, che è una miscela principalmente di ferro e solfuri di rame che contiene solitamente dal 50 al 70% di rame. La matta fusa viene versata in un convertitore, che contiene più fondenti, e convertita in rame in bolla, che è puro dal 98 al 99% circa. Il rame blister è spillato, ulteriormente raffinato in un forno anodico e infine raffinato elettroliticamente in rame catodico puro.

A Olympic Dam il concentrato è fuso direttamente in rame blister. In questo processo il concentrato di rame è alimentato nella fonderia con aria arricchita di ossigeno. Il concentrato fine reagisce o “lampeggia” istantaneamente quando la frazione di zolfo dei solfuri di rame viene bruciata e diventa gas di anidride solforosa. Il rame fuso e le scorie cadono sul focolare della fonderia. Le scorie formano uno strato sulla superficie del rame fuso in bolla. Il rame in bolla viene rimosso periodicamente per essere ulteriormente purificato in un forno anodico e raffinato elettroliticamente.