Att tillämpa geovetenskap på Australiens viktigaste utmaningar

Introduktion

Assorterade kopparfästen. Källa: Wikimedia Commons

Varje gång du tänder en lampa, använder en apparat i hemmet eller vrider på en kran är det koppar som levererar el eller vatten till dig. Koppar är därför en mycket viktig metall för människan och kombinerar fler användbara egenskaper än förmodligen någon annan metall.

Ett genomsnittligt familjehem innehåller mer än 90 kg koppar: 40 kg elektriska ledningar, 30 kg rörledningar, 15 kg byggnadsvaror, 9 kg elektriska apparater och 5 kg mässingsvaror. Ett jetplan av typen Boeing 747-200 innehåller cirka 1,8 ton koppar. Frihetsgudinnan i New York innehåller mer än 27 ton koppar.

Egenskaper

Kalkopyrit. Källa: Geoscience Australia

Koppar är den enda naturligt förekommande metallen förutom guld som har en distinkt färg. Liksom guld och silver är koppar en utmärkt ledare för värme och elektricitet. Den är också mycket formbar och duktil. Koppar är också motståndskraftig mot korrosion (den rostar inte särskilt lätt). Koppar är mjukt men segt. Det är lätt att blanda med andra metaller för att bilda legeringar som brons och mässing. Brons är en legering av tenn och koppar och mässing är en legering av zink och koppar. Koppar och mässing återvinns lätt¿ kanske 70 % av den koppar som nu används har återvunnits minst en gång.

Användningar

I dag koppar, Eftersom koppar är en så bra ledare av elektricitet används det i elektriska generatorer och motorer, i elektriska ledningar och i elektroniska produkter, t.ex. radioapparater och TV-apparater. Koppar leder också värme bra, så det används i motorfordonsradiatorer, luftkonditioneringar och uppvärmningssystem i hemmet.

Då koppar inte korroderar så lätt används det också till vattenledningar. Tack vare dess formbarhet kan kopparrör lätt böjas runt hörn utan att gå sönder.

Kopparsulfat används som svampmedel för att förhindra att växtrötter blockerar avlopp och avloppssystem. Den blågröna färgen på behandlat virke är resultatet av kopparnaftanat och kopparkromarsenat som har tillförts under tryck för att hjälpa till att skydda träet från borrar.

Koppar används också för att tillverka mynt och vetenskapliga instrument samt i dekorativa tillämpningar.

Det finns cirka 15 gram koppar i en mobiltelefon och på senare tid har koppar ersatt aluminium i datachips.

Rulle med koppartråd. Källa: Geoscience Australia

Datorkort som innehåller koppar. Källa: Geoscience Australia

Historia

Gamla kopparredskap som visas upp på en restaurang i Jerusalem. Källa: Wikimedia Commons

Koppar var den första metall som användes av människor. Den upptäcktes av neolitiska människor för cirka 9 000 år sedan och användes i stället för sten, eftersom den var mycket lättare att forma. Tidiga kopparsmeder i Iran upptäckte att upphettning av koppar mjuknade den och att hamring av koppar gjorde den hårdare. På så sätt kunde de forma koppar till olika användbara föremål, t.ex. behållare och redskap – ett stort steg framåt för mänskligheten. Den vackra färgen gjorde också koppar attraktivt för användning i smycken och prydnadsföremål.

Det finns bevis för att koppar användes från tidig tid, en bit kopparslang som användes för 5 000 år sedan grävdes upp av arkeologer från Cheopspyramiden i Egypten. Omkring 4000 f.Kr. upptäcktes brons (en ännu hårdare legering) genom att man blandade koppar med en liten mängd tenn. Den användes för att tillverka vapen, rustningar, verktyg och dekorationsverktyg¿därmed inleddes koppar-bronsåldern. Även om tillverkningen av bronsverktyg i stort sett föll i glömska i och med järnålderns början omkring 1000 f.Kr. fortsatte koppar att användas för sina andra egenskaper. Som en av endast två färgade metaller gör dess skönhet den mycket eftertraktad för tillverkning av prydnadsföremål och dess korrosionsbeständighet gör den lämplig för användning i eller nära havet.

Förmågan att slå koppar till plåtar och dess motståndskraft mot rost gjorde den till ett populärt takmaterial på viktiga byggnader.

Minneapolis stadshus med koppartak. Källa: Wikimedia Commons

Kopparindustrins tillväxt har varit nära kopplad till den ökande användningen av elektricitet. Elektriska tillämpningar fortsätter att vara metallens främsta användningsområde, vilket kan tillskrivas två fysiska egenskaper. Den är en utmärkt elektrisk (och värmeledare) och är tillräckligt duktil för att kunna dras till tråd och slås till plåt utan att brista. Koppar används i stor utsträckning i VVS-komponenter och är en viktig komponent i legeringar, av vilka många är hårdare, starkare och tåligare än sina enskilda beståndsdelar. År 1837 patenterade Charles Wheatstone och William Cooke den första elektriska telegrafen med koppartråd. År 1876 var Alexander Graham Bell den förste som använde koppartråd för telefoni. År 1878 uppfann Thomas Edison den första elektriska lampan och använde koppar för att transportera strömmen till den. Inom några år orsakade massanvändningen av dessa två uppfinningar en otrolig ökning av brytning och produktion av koppar.

Formation

Malachit och azurit. R29797 Källa: Geoscience Australia

Då koppar reagerar lätt med andra ämnen kan det bildas på en mängd olika sätt i jordskorpan. Det finns ofta i fyndigheter tillsammans med andra metaller som bly, zink, guld och silver.

De överlägset största mängderna koppar finns i jordskorpan i kroppar som kallas porfyriska kopparfyndigheter. Dessa fyndigheter var en gång stora massor av smält berg som svalnade och stelnade i jordskorpan. När de svalnade växte några stora kristaller som sedan omgavs av mindre kristaller när nedkylningen blev snabbare – geologer kallar dessa bergarter för porfyrer. Till en början var kopparn spridd över hela den stora massan av smält berg i låga koncentrationer. När magman svalnade och kristaller började bildas blev mängden smälta mindre. Kopparn stannade kvar i smältan och blev mer och mer koncentrerad. När berget var nästan helt fast drog det ihop sig och fick sprickor och den återstående kopparrika vätskan pressades in i sprickorna, där även den slutligen stelnade. Under många miljoner år eroderade de bergarter som täckte dessa avlagringar bort och avlagringarna dök så småningom upp på ytan. Exempel på porfyriska fyndigheter är Cadia Hill (NSW) och Cerro Colorado (Panama).

En blandning av koppar, järn och svavel kallas kalcopyrit (CuFeS2) eller ”dårens guld”, och lurade många gamla tiders prospektörer! Chalkopyrit i Australien finns i bergarter som är mer än 250 miljoner år gamla. Bornit (Cu5FeS4), covellit (CuS) och chalcocit (Cu2S) är viktiga kopparkällor i världen och många malmkroppar innehåller även malakit (CuCO3.Cu(OH)2), azurit (Cu3(CO3)2.Cu(OH)2), cuprit (Cu2O), tenorit (CuO) och nativ koppar. Sulfiderna, som ger merparten av den koppar som produceras i hela världen, finns i allmänhet i de djupare delarna av de loder som inte har utsatts för vittring. Nära ytan förändras de genom oxidation och andra kemiska åtgärder för att producera oxider och karbonater. Dessa sekundära kopparmineraler kan utgöra riklig malm i de övre delarna av många fyndigheter, och på grund av deras karakteristiska gröna eller blå färg är även små mängder lätt att se i de bergarter där de förekommer. Kopparhaltiga mineraler finns ofta i samband med mineraler som kan innehålla guld, bly, zink och silver.

Resurser

I Australien började sökandet efter koppar strax efter den europeiska bosättningen. Den första större upptäckten av koppar i Australien gjordes vid Kapunda i södra Australien 1842 när Francis Dutton hittade kopparmalm när han letade efter förlorade får. På 1860-talet var södra Australien känt som ”kopparriket” eftersom det hade några av de största koppargruvorna i världen.

Australien innehar en betydande del av världens koppar och rankades 2016 på andra plats efter Chile, enligt United States Geological Survey (USGS). Vi har flera koppargruvor som är av världsbetydelse, bland annat Mt Isa koppar-bly-zinkfyndigheten i Queensland och Olympic Dam koppar-uran-guldfyndigheten i södra Australien som bryter ut en av de största kopparhaltiga fyndigheterna i världen. Andra exempel på viktiga koppartillgångar finns i Prominent Hill och Carrapateena koppar-guldfyndigheter i södra Australien, Northparkes koppar-guld, CSA koppar-bly-zink och Girilambone kopparfyndigheter i New South Wales, Ernest Henry-, Osborne- och Mammoth-kopparfyndigheterna och koppar-guldfyndigheter i Selwyn i Queensland samt koppar-zinkfyndigheter i Golden Grove och Nifty-kopparfyndigheten i västra Australien.

Australiens större kopparfyndigheter och gruvor (2016). Källa: Geoscience Australia

För ytterligare information om resurser och produktion.

Brytning

Och även om stora kopparfyndigheter bryts med dagbrottsmetoder i många av de stora producentländerna, kommer den största delen av den kopparmalm som produceras i Australien från underjordiska gruvor. Den traditionella metoden som används i de flesta gruvor innebär att malmen bryts och förs upp till ytan för krossning. Malmen mals sedan fint innan de kopparhaltiga sulfidmineralerna koncentreras genom en flotationsprocess som separerar malmmineralkornen från avfallsmaterialet, eller gangmaterialet. Beroende på typen av kopparhaltiga mineraler i malmen och de behandlingsprocesser som används innehåller koncentratet vanligtvis mellan 25 och 30 % koppar, men kan vara så högt som ca 60 % koppar. Koncentratet bearbetas sedan i ett smältverk.

Bearbetning

I vissa australiensiska gruvor lakas kopparen ur malmen för att producera en kopparrik lösning som senare behandlas för att återvinna kopparmetallen. Malmen bryts först och läggs ut på lakningsplattor där den löses upp av en svavelsyralösning för att laka ut kopparn. Den kopparrika lösningen pumpas sedan till lösningsmedelsextraktionsanläggningen för att separera kopparn som ett kopparkomplex. Detta koncentreras och lösningen leds till elektrovinningsanläggningen för att återvinna kopparn. De kopparkatoder som framställs genom elektrovinning innehåller 99,99 % koppar som är lämplig för elektrisk användning. Hela denna process är känd som lösningsmedelsextraktion och elektrowinning (SX-EW).

För att omvandla koncentratet till kopparmetall används olika smältningsmetoder. En metod är att smälta dem med flussmedel i en smältugn för att producera kopparmat, som är en blandning av främst järn och kopparsulfider som vanligtvis innehåller 50-70 % koppar. Den smälta mattan hälls i en konverterare, som innehåller mer flussmedel, och omvandlas till blisterkoppar, som är cirka 98-99 % ren. Blisterkopparn tappas, raffineras ytterligare i en anodugn och raffineras slutligen elektrolytiskt till ren katodkoppar.

I Olympic Dam flashsmälts koncentratet direkt till blisterkoppar. I denna process matas kopparkoncentratet in i smältverket med syreberikad luft. Det fina koncentratet reagerar eller ”blinkar” omedelbart när svavelfraktionen i kopparsulfiderna förbränns och blir till svaveldioxidgas. Smält koppar och slagg faller ner på smältverkets härd. Slaggen bildar ett lager på den smälta blisterkopparns yta. Blisterkopparn avlägsnas med jämna mellanrum för ytterligare rening i en anodugn och för elektrolytisk raffinering.