Applying geoscience to Australia’s most important challenges

Introduction

Assorted copper fittings. Bron: Wikimedia Commons

Iedere keer dat u een licht aansteekt, een apparaat in uw huis gebruikt of een kraan opendraait, is het koper dat de elektriciteit of het water bij u aflevert. Koper is dus een zeer belangrijk metaal voor de mens en combineert meer nuttige eigenschappen dan waarschijnlijk enig ander metaal.

Een doorsnee gezinswoning bevat meer dan 90 kilo koper: 40 kg elektriciteitsdraad, 30 kg loodgieterswerk, 15 kg ijzerwaren voor de bouw, 9 kg binnenin elektrische apparaten en 5 kg koperwaren. Een Boeing 747-200 straalvliegtuig bevat ongeveer 1,8 ton koper. Het Vrijheidsbeeld in New York bevat meer dan 27 ton koper.

Eigenschappen

Chalcopyriet. Bron: Geoscience Australia

Koper is het enige in de natuur voorkomende metaal, behalve goud, dat een kenmerkende kleur heeft. Net als goud en zilver is koper een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit. Het is ook zeer kneedbaar en buigzaam. Koper is ook bestand tegen corrosie (het roest niet zo gemakkelijk). Koper is zacht maar taai. Het wordt gemakkelijk gemengd met andere metalen om legeringen te vormen zoals brons en messing. Brons is een legering van tin en koper en messing is een legering van zink en koper. Koper en messing kunnen gemakkelijk worden gerecycleerd¿ misschien wel 70% van het koper dat nu in gebruik is, is ten minste eenmaal gerecycleerd.

Toepassingen

Heden ten dage koper, omdat het zo’n goede geleider van elektriciteit is, wordt het gebruikt in elektrische generatoren en motoren voor elektrische bedrading en in elektronische goederen, zoals radio’s en TV’s. Koper geleidt ook goed warmte, dus wordt het gebruikt in autoradiatoren, airconditioners en huisverwarmingssystemen.

Omdat koper niet gemakkelijk corrodeert, wordt het ook gebruikt voor waterleidingen. Door zijn buigzaamheid kunnen koperen leidingen gemakkelijk om hoeken worden gebogen, zonder te breken.

Kopersulfaat wordt gebruikt als schimmelwerend middel om te voorkomen dat plantenwortels afvoerkanalen en rioleringen verstoppen. De blauwgroene kleur van behandeld hout is het resultaat van kopernaftanaat en koper-chroom-arsenaat die onder druk zijn toegevoegd om het hout te helpen beschermen tegen boorders.

Koper wordt ook gebruikt voor het maken van munten en wetenschappelijke instrumenten en in decoratieve toepassingen.

Er zit ongeveer 15 gram koper in een mobiele telefoon en sinds kort vervangt koper aluminium in computerchips.

Rol koperdraad. Bron: Geoscience Australia

Computer circuit boards die koper bevatten. Bron: Geoscience Australia

Geschiedenis

Old koperen keukengerei uitgestald in een restaurant in Jeruzalem. Bron: Wikimedia Commons

Koper was het eerste metaal dat door mensen werd gebruikt. Het werd ongeveer 9000 jaar geleden ontdekt door de neolithische mens en gebruikt in plaats van steen, omdat het veel gemakkelijker te vormen was. De eerste koperslagers in Iran ontdekten dat het verhitten van koper het zachter maakte en het hameren van koper het harder. Op die manier konden zij koper in allerlei nuttige voorwerpen zoals houders en gebruiksvoorwerpen vormen¿ een grote sprong voorwaarts voor de mensheid. De mooie kleur maakte koper ook aantrekkelijk voor gebruik in sieraden en ornamenten.

Er zijn bewijzen dat koper al vroeg werd gebruikt, een stuk koperen buis dat 5000 jaar geleden werd gebruikt werd door archeologen opgegraven in de Piramide van Cheops in Egypte. Rond 4000 v. Chr. werd brons (een nog hardere legering) ontdekt door koper te mengen met een kleine hoeveelheid tin. Het werd gebruikt voor de vervaardiging van wapens, wapenrustingen, werktuigen en versieringsvoorwerpen¿daarmee begon de koper-brons tijdperk. Hoewel de vervaardiging van bronzen werktuigen grotendeels in onbruik raakte bij het begin van de IJzertijd rond 1000 v.C., bleef koper gebruikt worden voor zijn andere eigenschappen. Als een van slechts twee gekleurde metalen, maakt zijn schoonheid het zeer gewild voor het maken van ornamenten en zijn weerstand tegen corrosie maakt het geschikt voor gebruik in, of bij de zee.

De mogelijkheid om koper in platen te slaan en zijn weerstand tegen roesten maakte het een populair dakbedekkingsmateriaal op belangrijke gebouwen.

Minneapolis City Hall met koperen dak. Bron: Wikimedia Commons

De groei van de koperindustrie is nauw verbonden geweest met het toenemende gebruik van elektriciteit. Elektrische toepassingen zijn nog steeds de belangrijkste toepassing van het metaal, wat kan worden toegeschreven aan twee fysische eigenschappen. Het is een uitstekende elektrische (en warmte) geleider en is buigzaam genoeg om tot draad te worden getrokken en in platen te worden geslagen zonder te breken. Koper wordt op grote schaal gebruikt in loodgietersonderdelen en is een belangrijk bestanddeel van legeringen, waarvan vele harder, sterker en taaier zijn dan hun afzonderlijke samenstellende elementen. In 1837 patenteerden Charles Wheatstone en William Cooke de eerste elektrische telegraaf, met gebruikmaking van koperdraad. In 1876 was Alexander Graham Bell de eerste die koperdraad voor telefonie gebruikte. In 1878 vond Thomas Edison het eerste elektrische licht uit, waarbij hij koper gebruikte om de stroom te geleiden. Binnen enkele jaren veroorzaakte het massale gebruik van deze twee uitvindingen een ongelooflijke toename van de winning en productie van koper.

Vorming

Malachiet en azuriet. R29797 Bron: Geoscience Australia

Omdat koper gemakkelijk met andere stoffen reageert, kan het op verschillende manieren in de aardkorst worden gevormd. Het wordt vaak gevonden in afzettingen met andere metalen zoals lood, zink, goud en zilver.

Verreweg de grootste hoeveelheden koper worden in de korst gevonden in lichamen die bekend staan als porfier-koperafzettingen. Deze afzettingen waren ooit grote massa’s gesmolten gesteente die zijn afgekoeld en gestold in de aardkorst. Tijdens het afkoelen groeiden enkele grote kristallen, die vervolgens werden omringd door kleinere kristallen naarmate de afkoeling sneller verliep – geologen noemen deze gesteenten porfierrotsen. In het begin was het koper in lage concentraties over de grote massa gesmolten gesteente verspreid. Naarmate het magma afkoelde en zich kristallen begonnen te vormen, werd de hoeveelheid smelt kleiner. Het koper bleef in de smelt en werd meer en meer geconcentreerd. Toen het gesteente bijna volledig vast was, kromp het ineen en barstte en de overblijvende koperrijke vloeistof werd in de barsten geperst, waar ook deze uiteindelijk stolde. In de loop van vele miljoenen jaren erodeerden de rotsen die deze afzettingen bedekten en kwamen de afzettingen uiteindelijk aan de oppervlakte. Voorbeelden van porfierafzettingen zijn Cadia Hill (NSW) en Cerro Colorado (Panama).

Een mengsel van koper, ijzer en zwavel wordt chalcopyriet (CuFeS2) of ‘goud voor dwazen’ genoemd, en heeft menig oud goudzoeker voor de gek gehouden! Chalcopyriet wordt in Australië gevonden in gesteenten die meer dan 250 miljoen jaar oud zijn. Borniet (Cu5FeS4), covelliet (CuS) en chalcociet (Cu2S) zijn belangrijke bronnen van koper in de wereld en veel ertslichamen bevatten ook wat malachiet (CuCO3.Cu(OH)2), azuriet (Cu3(CO3)2.Cu(OH)2), cupriet (Cu2O), tenoriet (CuO) en natief koper. De sulfiden, die het grootste deel van het wereldwijd geproduceerde koper opleveren, komen over het algemeen voor in de diepere delen van lodes die niet aan verwering zijn blootgesteld. Aan de oppervlakte worden zij door oxidatie en andere chemische processen veranderd in oxiden en carbonaten. Deze secundaire kopermineralen kunnen rijke ertsen vormen in de bovenste delen van veel afzettingen, en door hun karakteristieke groene of blauwe kleur zijn zelfs kleine hoeveelheden gemakkelijk te zien in de gesteenten waarin zij voorkomen. Koperhoudende mineralen worden vaak gevonden in combinatie met mineralen die goud, lood, zink en zilver kunnen bevatten.

Bronnen

In Australië begon men al snel na de Europese vestiging met het zoeken naar koper. De eerste grote ontdekking van koper in Australië was in Kapunda in Zuid-Australië in 1842, toen Francis Dutton kopererts vond tijdens het zoeken naar verloren schapen. Tegen de jaren 1860 stond Zuid-Australië bekend als het ‘Koperkoninkrijk’ omdat het enkele van de grootste kopermijnen ter wereld had.

Australië bezit een aanzienlijk deel van het koper in de wereld en stond in 2016 op de 2e plaats achter Chili, volgens de United States Geological Survey (USGS). We hebben verschillende kopermijnen die van wereldbelang zijn, waaronder de Mt Isa koper-lood-zinkafzetting in Queensland en de Olympic Dam koper-uranium-goudafzetting in Zuid-Australië, waar een van de grootste koperhoudende afzettingen ter wereld wordt ontgonnen. Andere voorbeelden van belangrijke koperbronnen zijn de koper-goudafzettingen Prominent Hill en Carrapateena in Zuid-Australië, de koper-goudafzetting Northparkes, de koper-lood-zinkafzetting CSA en de koperafzetting Girilambone in New South Wales, de koperafzettingen Ernest Henry, Osborne en Mammoth en de koper-goudafzetting Selwyn in Queensland en de koper-zinkafzettingen Golden Grove en de koperafzetting Nifty in West-Australië.

De belangrijkste koperafzettingen en mijnen van Australië (2016). Bron: Geoscience Australia

Verder informatie over hulpbronnen en productie.

Mijnbouw

Hoewel grote koperafzettingen in veel van de grote producerende landen worden gedolven met open winningsmethoden, komt het grootste deel van het in Australië geproduceerde kopererts uit ondergrondse mijnen. De traditionele methode die bij de meeste mijnen wordt gebruikt, houdt in dat het erts wordt gebroken en naar de oppervlakte wordt gebracht om te worden gebroken. Het erts wordt vervolgens fijngemalen voordat de koperhoudende sulfidenmineralen worden geconcentreerd door middel van een flotatieproces waarbij de ertskorrels worden gescheiden van het afvalmateriaal, of ganggesteente. Afhankelijk van de aard van de koperhoudende mineralen in het erts en de gebruikte verwerkingsprocédés, bevat het concentraat doorgaans tussen 25 en 30% koper, maar het kan ook oplopen tot ongeveer 60% koper. Het concentraat wordt vervolgens verwerkt in een smelterij.

Verwerking

In sommige Australische mijnen wordt het koper uit het erts geloogd om een koperrijke oplossing te produceren die later wordt behandeld om het kopermetaal terug te winnen. Het erts wordt eerst gebroken en uitgezet op uitloogplatforms waar het wordt opgelost door een zwavelzuuroplossing om het koper uit te logen. De koperrijke oplossing wordt vervolgens naar de solventextractiefabriek gepompt om het koper af te scheiden in de vorm van een kopercomplex. Dit wordt geconcentreerd en de oplossing wordt naar de electrowinninginstallatie geleid om het koper terug te winnen. De koperkathodes die door electrowinning worden geproduceerd, bevatten 99,99% koper dat geschikt is voor elektrisch gebruik. Dit hele proces staat bekend als solventextractie-elektrowinning (SX-EW).

Verschillende smeltmethoden worden gebruikt om de concentraten om te zetten in kopermetaal. Eén methode is het smelten van de concentraten met vloeimiddelen in een smeltoven om kopermat te produceren, een mengsel van hoofdzakelijk ijzer en kopersulfiden die gewoonlijk 50 tot 70% koper bevatten. Het gesmolten mat wordt in een convertor gegoten, die meer vloeimiddelen bevat en wordt omgezet in blisterkoper, dat ongeveer 98 tot 99% zuiver is. Het blisterkoper wordt afgetapt, verder geraffineerd in een anodeoven en tenslotte elektrolytisch geraffineerd tot zuiver kathodekoper.

Op Olympic Dam wordt het concentraat direct flashgesmolten tot blisterkoper. Bij dit proces wordt het koperconcentraat in de smelter gevoerd met zuurstofverrijkte lucht. Het fijne concentraat reageert of “flitst” onmiddellijk wanneer de zwavelfractie van de kopersulfiden wordt verbrand en zwaveldioxidegas wordt. Gesmolten koper en slakken vallen op de vuurhaard van de smelter. De slak vormt een laag op het oppervlak van het gesmolten blisterkoper. Het blisterkoper wordt periodiek verwijderd voor verdere zuivering in een anodeoven en elektrolytisch geraffineerd.