Applying geoscience to Australia’s most important challenges

Introduction

Assorted copper fittings. Źródło: Wikimedia Commons

Za każdym razem, gdy włączasz światło, używasz urządzenia w swoim domu lub odkręcasz kran, to właśnie miedź dostarcza do Ciebie prąd lub wodę. Miedź jest więc bardzo ważnym metalem dla ludzi i łączy w sobie więcej użytecznych właściwości niż prawdopodobnie jakikolwiek inny metal.

Przeciętny dom rodzinny zawiera ponad 90 kilogramów miedzi: 40 kg drutu elektrycznego, 30 kg instalacji wodno-kanalizacyjnej, 15 kg sprzętu budowlanego, 9 kg urządzeń elektrycznych i 5 kg wyrobów z mosiądzu. Samolot odrzutowy Boeing 747-200 zawiera około 1,8 tony miedzi. Statua Wolności w Nowym Jorku zawiera ponad 27 ton miedzi.

Właściwości

Chalkopiryt. Źródło: Geoscience Australia

Miedź jest jedynym naturalnie występującym metalem innym niż złoto, który ma charakterystyczny kolor. Podobnie jak złoto i srebro, miedź jest doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Jest również bardzo plastyczna i ciągliwa. Miedź jest również odporna na korozję (nie rdzewieje bardzo łatwo). Miedź jest miękka, ale wytrzymała. Łatwo miesza się z innymi metalami, tworząc stopy, takie jak brąz i mosiądz. Brąz jest stopem cyny i miedzi, a mosiądz jest stopem cynku i miedzi. Miedź i mosiądz łatwo poddają się recyklingowi, być może 70% miedzi będącej obecnie w użyciu zostało przynajmniej raz poddane recyklingowi.

.

.

.

Zastosowanie

Dziś miedź, ponieważ jest tak dobrym przewodnikiem elektryczności, jest używana w generatorach elektrycznych i silnikach, w okablowaniu elektrycznym i artykułach elektronicznych, takich jak radia i telewizory. Miedź dobrze przewodzi również ciepło, więc jest używana w chłodnicach samochodowych, klimatyzatorach i domowych systemach grzewczych.

Jako że miedź nie ulega łatwo korozji, jest również używana do produkcji rur wodnych. Jej ciągliwość oznacza, że rury miedziane mogą być wyginane tak, aby łatwo przechodziły przez rogi, bez pękania.

Siarczan miedzi jest stosowany jako środek grzybobójczy, aby powstrzymać korzenie roślin przed blokowaniem drenów i systemów kanalizacyjnych. Niebiesko-zielony kolor impregnowanego drewna jest wynikiem działania naftanianu miedzi iarsenianu miedziowo-chromowego, które zostały wprowadzone pod ciśnieniem, aby pomóc w ochronie drewna przed borecznikami.

Miedź jest również używana do produkcji monet i instrumentów naukowych, jak również w zastosowaniach dekoracyjnych.

W telefonie komórkowym znajduje się około 15 gramów miedzi, a ostatnio miedź zastępuje aluminium w chipach komputerowych.

Rolka drutu miedzianego. Źródło: Geoscience Australia

Płytki obwodów komputerowych zawierające miedź. Źródło: Geoscience Australia

Historia

Stare miedziane naczynia wystawione w jerozolimskiej restauracji. Źródło: Wikimedia Commons

Miedź była pierwszym metalem używanym przez ludzi. Została odkryta przez człowieka neolitu około 9000 lat temu i użyta zamiast kamienia, ponieważ była o wiele łatwiejsza do kształtowania. Wczesne coppersmiths w Iranie znaleźć, że ogrzewanie miedzi zmiękczone go i młotkiem miedzi uczynił go twardszym. W ten sposób mogli oni kształtować miedź w różne użyteczne przedmioty, takie jak pojemniki i naczynia, co stanowiło duży krok naprzód dla rasy ludzkiej. Jej piękny kolor również uczynił miedź atrakcyjną do wykorzystania w biżuterii i ornamentach.

Istnieją dowody, że miedź była używana od wczesnych czasów, kawałek miedzianej rurki używanej 5000 lat temu został odkopany przez archeologów z Piramidy Cheopsa w Egipcie. Około 4000 r. p.n.e. odkryto brąz (jeszcze twardszy stop) poprzez zmieszanie miedzi z niewielką ilością cyny. Używano go do wyrobu broni, zbroi, narzędzi i ozdób, co zapoczątkowało epokę miedzi i brązu. Chociaż produkcja narzędzi z brązu w dużej mierze popadła w zapomnienie wraz z nadejściem epoki żelaza około 1000 r. p.n.e., miedź nadal była wykorzystywana ze względu na swoje inne właściwości. Jako jeden z dwóch metali kolorowych, jej piękno sprawia, że jest bardzo pożądana do wyrobu ozdób, a jej odporność na korozję sprawia, że jest odpowiednia do stosowania w morzu lub w jego pobliżu.

Zdolność do bicia miedzi w arkusze i jej odporność na rdzewienie sprawiły, że stała się popularnym materiałem na pokrycia dachowe ważnych budynków.

Minneapolis City Hall z miedzianym dachem. Źródło: Wikimedia Commons

Rozwój przemysłu miedziowego był ściśle związany z rosnącym wykorzystaniem energii elektrycznej. Zastosowania elektryczne nadal są głównym zastosowaniem tego metalu, co można przypisać dwóm właściwościom fizycznym. Jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym (i ciepła) i jest wystarczająco plastyczny, aby być rysowane na drut i bite w arkusze bez pęknięć. Miedź jest szeroko stosowana w elementach hydraulicznych i jest głównym składnikiem stopów, z których wiele jest twardszych, mocniejszych i bardziej wytrzymałych niż ich poszczególne elementy składowe. W 1837 r. Charles Wheatstone i William Cooke opatentowali pierwszy telegraf elektryczny, wykorzystujący drut miedziany. W 1876 r. Alexander Graham Bell jako pierwszy użył miedzianego drutu telefonicznego. W 1878 r. Thomas Edison wynalazł pierwszą lampę elektryczną, wykorzystując miedź do doprowadzenia do niej prądu. W ciągu kilku lat, masowe użycie tych dwóch wynalazków spowodowało niewiarygodny wzrost wydobycia i produkcji miedzi.

Formacja

Malachit i azuryt. R29797 Źródło: Geoscience Australia

Ponieważ miedź łatwo reaguje z innymi substancjami, może być formowana na wiele sposobów w skorupie ziemskiej. Często znajduje się w złożach z innymi metalami, takimi jak ołów, cynk, złoto i srebro.

Daleko największe ilości miedzi znajdują się w skorupie ziemskiej w ciałach znanych jako porfirowe złoża miedzi. Złoża te były kiedyś dużymi masami stopionej skały, która ochłodziła się i zestaliła w skorupie ziemskiej. W miarę stygnięcia wyrastały duże kryształy, które następnie były otaczane przez mniejsze kryształy, w miarę jak stygnięcie stawało się coraz szybsze – geolodzy nazywają te skały porfiriami. Początkowo miedź była rozproszona w dużej masie roztopionej skały w niewielkich stężeniach. W miarę stygnięcia magmy i tworzenia się kryształów, ilość stopionej skały stawała się coraz mniejsza. Miedź pozostała w stopionej skale, stając się coraz bardziej skoncentrowana. Kiedy skała była już prawie całkowicie stała, skurczyła się i popękała, a pozostały bogaty w miedź płyn został wciśnięty w szczeliny, gdzie również ostatecznie zastygł. Przez wiele milionów lat skały pokrywające te złoża ulegały erozji i w końcu złoża pojawiły się na powierzchni. Przykładami złóż porfirowych są Cadia Hill (NSW) i Cerro Colorado (Panama).

Mieszanina miedzi, żelaza i siarki nazywana jest chalkopirytem (CuFeS2) lub „złotem głupców”, które oszukało niejednego poszukiwacza z dawnych czasów! Chalkopiryt w Australii występuje w skałach, które mają ponad 250 milionów lat. Bornit (Cu5FeS4), kowelit (CuS) i chalkocyt (Cu2S) są ważnymi źródłami miedzi na świecie, a wiele rud zawiera również malachit (CuCO3.Cu(OH)2), azuryt (Cu3(CO3)2.Cu(OH)2), miedzioryt (Cu2O), tenoryt (CuO) i miedź rodzimą. Siarczki, z których uzyskuje się większość miedzi produkowanej na całym świecie, zajmują zazwyczaj głębsze partie złóż, które nie były narażone na wietrzenie. W pobliżu powierzchni są one zmieniane przez utlenianie i inne działania chemiczne w celu wytworzenia tlenków i węglanów. Te wtórne minerały miedzi mogą tworzyć bogate rudy w górnych częściach wielu złóż, a dzięki ich charakterystycznej zielonej lub niebieskiej barwie, nawet niewielkie ilości są łatwo widoczne w skałach, w których występują. Minerały zawierające miedź są powszechnie spotykane w połączeniu z minerałami, które mogą zawierać złoto, ołów, cynk i srebro.

Zasoby

W Australii, poszukiwania miedzi rozpoczęły się wkrótce po osiedleniu się Europejczyków. Pierwsze większe odkrycie miedzi w Australii miało miejsce w Kapunda w Południowej Australii w 1842 roku, kiedy Francis Dutton znalazł rudę miedzi podczas poszukiwania zagubionych owiec. Do lat 60. XIX wieku Australia Południowa była znana jako „Królestwo Miedzi”, ponieważ miała jedne z największych kopalni miedzi na świecie.

Australia posiada znaczną część światowej miedzi i zajęła 2. miejsce za Chile w 2016 roku, według United States Geological Survey (USGS). Mamy kilka kopalni miedzi, które mają znaczenie dla świata, w tym złoże miedziowo-ołowiowo-cynkowe Mt Isa w Queensland i złoże miedziowo-uranowo-złote Olympic Dam w Australii Południowej, które wydobywa jedno z największych złóż miedzionośnych na świecie. Inne przykłady ważnych zasobów miedzi to złoża miedziowo-złote Prominent Hill i Carrapateena w Australii Południowej, złoża miedziowo-złote Northparkes, miedziowo-ołowiowo-cynkowe CSA i miedziowe Girilambone w Nowej Południowej Walii, złoża miedzi Ernest Henry, Osborne i Mammoth oraz złoża miedziowo-złote Selwyn w Queensland, a także złoża miedziowo-cynkowe Golden Grove i złoże miedzi Nifty w Australii Zachodniej.

Główne złoża i kopalnie miedzi w Australii (2016). Źródło: Geoscience Australia

Dalsze informacje o zasobach i produkcji.

Górnictwo

Aczkolwiek duże złoża miedzi są wydobywane metodami odkrywkowymi w wielu głównych krajach produkujących, większość rudy miedzi produkowanej w Australii pochodzi z kopalń podziemnych. Tradycyjna metoda stosowana w większości kopalń polega na tym, że ruda jest łamana i wydobywana na powierzchnię w celu kruszenia. Następnie ruda jest drobno mielona, zanim miedzionośne minerały siarczkowe zostaną skoncentrowane w procesie flotacji, który oddziela ziarna minerałów rudy od materiału odpadowego, czyli skały płonnej. W zależności od rodzaju minerałów miedzionośnych w rudzie i zastosowanych procesów przeróbki, koncentrat zawiera zwykle od 25 do 30% miedzi, ale może mieć nawet około 60% miedzi. Koncentrat jest następnie przetwarzany w hucie.

Przetwarzanie

W niektórych kopalniach australijskich miedź jest wypłukiwana z rudy w celu uzyskania bogatego w miedź roztworu, który jest następnie przetwarzany w celu odzyskania metalu miedzi. Ruda jest najpierw łamana i umieszczana na podkładkach do ługowania, gdzie jest rozpuszczana w roztworze kwasu siarkowego w celu wypłukania miedzi. Bogaty w miedź roztwór jest następnie pompowany do instalacji ekstrakcji rozpuszczalnikowej w celu oddzielenia miedzi w postaci kompleksu miedziowego. To jest skoncentrowany i roztwór jest przekazywany do elektrowni do odzyskiwania miedzi. Katody miedziane produkowane w procesie elektrolitycznym zawierają 99,99% miedzi, która jest odpowiednia do zastosowań elektrycznych. Cały ten proces jest znany jako elektrolizy ekstrakcji rozpuszczalnika (SX-EW).

Różne metody wytapiania są używane do konwersji koncentratów do metalu miedzi. Jedną z metod jest topienie ich z topnikami w piecu hutniczym w celu wytworzenia kamienia miedziowego, który jest mieszaniną głównie żelaza i siarczków miedzi, zwykle zawierającą od 50 do 70% miedzi. Stopiony kamień wlewa się do konwertora, który zawiera więcej topników i przekształca w miedź blister, która ma około 98 do 99% czystości. Miedź blister jest zwężana, dalej rafinowana w piecu anodowym i wreszcie rafinowana elektrolitycznie do czystej miedzi katodowej.

W Olympic Dam koncentrat jest przetapiany bezpośrednio na miedź blister. W tym procesie koncentrat miedzi jest podawany do huty z powietrzem wzbogaconym tlenem. Drobny koncentrat reaguje lub „błyska” natychmiast, ponieważ frakcja siarki z siarczków miedzi jest spalana i przekształca się w gazowy dwutlenek siarki. Stopiona miedź i żużel opadają na palenisko huty. Żużel tworzy warstwę na powierzchni stopionej miedzi blister. Miedź blister jest okresowo usuwana w celu dalszego oczyszczania w piecu anodowym i rafinowana elektrolitycznie.

.