Minería y Refinación: Cobre, el Metal que Construyó la Tecnología
Es difícil calcular exactamente en qué momento de la historia los humanos se convirtieron en una especie tecnológica. Parte de eso se debe a que la definición de tecnología es algo subjetiva; Si crees que hacer un palo lo suficientemente afilado como para arrancar raíces de la tierra o perforar suficientes agujeros en un animal para convencerlo de que te deje comerlo es una tecnología, entonces nuestro mundo diseñado se remonta a mucho, mucho tiempo atrás.
Pero algo sobre los palos puntiagudos simplemente no parece lo suficientemente transformador, en el sentido de cambiar fundamentalmente el material natural, para realmente contar como una línea tecnológica en la arena. Para cruzar esa línea, realmente parece que el uso de metales debería ser parte del paquete. Aun así, poseer uno aún está fuera del alcance de la persona promedio. Y el cobre termina siendo uno de los metales que dio comienzo a todo, hace unos 11.000 años, cuando nuestros antepasados descubrieron depósitos naturales del metal blando y rojizo y comenzaron a aprender a darle forma en las herramientas e implementos que nos sacaron del mundo. Roca. Envejecer.
Nuestro mundo literalmente no puede funcionar sin cobre, formando así no solo los músculos del motor eléctrico de la civilización, sino también los alambres y cables que forman las redes de energía y datos que nos unen. Irónicamente, ahora dependemos tanto del cobre como cuando era el único metal para el que podíamos fabricar herramientas, y tal vez más. Veremos lo que está involucrado en la extracción y purificación del cobre, y veremos cómo los métodos que usamos hoy no son completamente diferentes de los desarrollados hace más de siete milenios.
rocas brillantes
Tan útil como fue el cobre para las primeras civilizaciones, y debido a que era tan fácilmente accesible gracias a los depósitos superficiales de cobre autóctono que surgieron en todo el mundo, no fue el primer metal que se descubrió y procesó. Ese honor recae tanto en el oro como, curiosamente, en el hierro meteórico. Pero ninguno de estos metales fue lo suficientemente abundante como para tener un impacto simbólico en la tecnología, y en su mayor parte terminaron enriqueciendo y decorando a reyes y príncipes.
El cobre, sin embargo, se localizó fácilmente y, quizás lo que es más importante, se operó fácilmente sin necesidad de desarrollar mucha infraestructura, al menos inicialmente. Las bolas de cobre podían extraerse de los depósitos de cobre nativo y trabajarse en frío con herramientas de piedra en artefactos útiles, gracias a la suavidad del cobre. No pasó mucho tiempo antes de que el punto de congelación relativamente bajo del cobre condujera al descubrimiento de la fundición, lo que generó más usos para el metal y aumentó la demanda.
Prácticamente se puede ver el cobre en calcopirita. Fuente: Rob Lavinsky, a través de Wikimedia Commons (CC-BY-SA 3.0)
Eventualmente, los suministros de metal nativo de depósitos fácilmente explotables excedieron la demanda, y nuestros antepasados descubrieron la fundición de varios minerales que contienen cobre. El mineral más importante para la producción comercial de cobre se llama calcopirita, un mineral de sulfuro de cobre que contiene hierro con la fórmula química CuFeS2. Los depósitos de calcopirita se encuentran en todo el mundo, con especial abundancia en América del Norte y del Sur, así como en África y Australia. Otros minerales importantes se presentan como óxidos y carbonatos de cobre, como la azurita y el cobre.
Aunque se realiza algo de minería de pozos profundos, la mayoría de las grandes operaciones mineras de cobre son extensas minas a cielo abierto. La mina de cobre más productiva del mundo es actualmente Minera Escondida en el desierto de Atacama en Chile, que produjo $ 10 mil millones en cobre en 2007 y puede producir 1,2 millones de toneladas al año. Si bien una muestra pura de calcopirita contiene aproximadamente un 34 % de cobre en peso, el mineral generalmente se asocia con una especie de roca huésped que reduce el mineral a una fracción de un porcentaje de cobre. Esto significa que se deben procesar grandes cantidades de mineral para que la minería sea una operación comercialmente viable. En algunos depósitos, el oro y la plata se reemplazan con moderación por cobre en el mineral, lo que convierte a estos metales preciosos en un subproducto valioso que, en algunos casos, puede de hecho pagar el costo total de extraer todo el cobre.
La extracción en minas a cielo abierto comienza con los métodos típicos de minería de roca dura, como la voladura. La roca con mineral se carga de 200 a 300 toneladas a la vez con enormes cargadores y palas en camiones de transporte gigantes, para el viaje desde la zanja hasta la planta de procesamiento. Allí, enormes trituradoras reducen las rocas del tamaño de un automóvil en fracciones cada vez más pequeñas, que se pasan a molinos de bolas para una molienda más fina. El objetivo es reducir el contacto físico entre los minerales del mineral y los escombros que lo rodean, lo que se denomina ganga.
Lo que sucede a continuación es la extracción del cobre elemental de los minerales del mineral, pero el método utilizado depende del tipo de mineral presente. Para los óxidos y carbonatos de cobre, el cobre es soluble en soluciones ácidas, por lo que un hidrometalurgia se utiliza el proceso. Los detalles varían, pero en los procesos de lixiviación, normalmente el mineral en polvo se acumula en grandes pozos revestidos con una barrera impenetrable. El ácido sulfúrico diluido se rocía sobre las masas y lixivia sulfato de cobre de los minerales. El cobre se despega de la lejía con un especial extractores, que deja el ácido sulfúrico limpio y listo para ser reciclado para otra ronda de lixiviación y, además, una solución rica en cobre lista para una mayor limpieza.
Esquema de lixiviación en pilas. Las pilas de mineral se rocían con ácido sulfúrico; el lixiviado cargado de cobre se recolecta y concentra. Fuente: Centro de Investigación Superfund de la Universidad de Arizona
Flotando hacia la cima
Los sulfuros de cobre están en desventaja cuando se trata de métodos químicos de extracción, ya que los sulfuros son difícilmente solubles en ácido. Para liberar el cobre de estos minerales, las refinerías deben aumentar el calor en pirometalurgia métodos. Estos comienzan con los mismos pasos de trituración y molienda que antes, lo que da como resultado un polvo fino que se mezcla con agua en tinas grandes. A la suspensión se le agregan químicos conocidos como coleccionistas, cuya tarea es unirse a las partículas minerales de sulfuro. Las moléculas colectoras cubren las partículas de sulfuro y aumentan su hidrofobicidad, o tendencia a repeler el agua, dejando en paz a las partículas de basura. Cuando se burbujea aire a través de la solución, los sulfuros ahora hidrófobos se adhieren a las burbujas de aire y forman espuma en la superficie de la tina, que se retira de la parte superior y se somete a más rondas de este método de flotación de espuma para aumentar la concentración de cobre. .
El resultado de este proceso de flotación de espuma se somete luego a un proceso de espesamiento para eliminar la mayor cantidad de agua posible. Esto se hace por una combinación de evaporación simple en estanques abiertos y por filtración utilizando discos o cilindros de cerámica porosa. El paso de filtrado es fundamental, ya que reduce el contenido de humedad a alrededor del 8 % y da como resultado una concentración de cobre de alrededor del 20-30 % de enriquecimiento que se puede enviar fácilmente a las plantas de fusión.
Sección de un pararrayos. El concentrado de mineral se derrite en la ráfaga de aire sobrecalentado en la cámara de reacción, y el cobre sin brillo se acumula en el fondo para su extracción. Fuente: Jylha et al, MDPI (CC-BY-4.0)
Para extraer el cobre de la concentración, se utiliza un proceso de fusión flash. El concentrado se rocía en una columna de reacción en un alto horno junto con aire calentado y enriquecido con oxígeno. Los compuestos de sulfuro en el concentrado se derriten inmediatamente y caen a una piscina de recolección en el fondo del horno. Allí, los materiales fundidos se desintegran en densidad, con el cobre fundido, llamado cobre mate, hundiéndose hasta el fondo, mientras que la escoria de hierro y silicato flota hacia la parte superior con la ayuda de corrientes adicionales.
El cobre mate, que ahora está limpio en un 60 %, se extrae del fondo del alto horno para una mayor limpieza por conversión, que básicamente sopla aire caliente a través de la capa fundida. El oxígeno reacciona con el azufre restante, dejando atrás ampolla de cobre eso es aproximadamente 98% puro.
Gana con la Electricidad
La etapa final de purificación de los productos finales de la extracción hidrometalúrgica y pirometalúrgica se denomina generación eléctrica. Esto es simplemente electrólisis, aunque a gran escala. Para el cobre hidrometalúrgico, la solución de sulfato de cobre que proviene del pozo de lixiviación se utiliza como electrolito, con nodos de baño de plomo y láminas delgadas de óxido de óxido como cátodos. El flujo pasa a través del electrolito, lo que hace que el cobre de la solución se aplane sobre los cátodos de acero inoxidable. Cuando se han acumulado aproximadamente 100 libras (45 kg) de cobre en los cátodos, se retiran, se lavan y se doblan para reventar las láminas de cobre preparadas con una pureza del 99,99 %.
Para el cobre pirometalúrgico, los lingotes de cobre de vejiga actúan como ánodos para la ganancia eléctrica. Están suspendidos en un tanque lleno de sulfato de cobre diluido mezclado con ácido sulfúrico, entrelazados con cátodos de telas de cobre puro o, nuevamente, de acero inoxidable. El flujo pasa a través del tanque y las placas de cobre hacia los cátodos, logrando nuevamente una pureza del 99,99 % en el proceso de preparación.
El producto de desecho que queda en los tanques de energía se conoce como limo de ánodo, y a pesar de su nombre poco atractivo es un producto valioso. Según los minerales presentes en la materia prima y el voltaje utilizado para la ganancia eléctrica, el lodo del ánodo puede contener oro, plata, selenio, telurio y posiblemente incluso metales del grupo del platino, junto con suficiente cobre que no se ha recuperado en el. primera vuelta El lodo del ánodo generalmente se vende a fundiciones especiales para la recuperación de estos metales preciosos, utilizando combinaciones de procesos hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos que se adaptan a la mezcla de metales en el lodo.
Imagen del encabezado: "Rocas sedimentarias de lecho cruzado reemplazadas por cobre nativo" por James St. Juan, CC BY 2.0
monzón dice:
Lectura fascinante, gracias por hacerla accesible y fácil de seguir.
