كليات روش هاي توليد مس

1. هيدرومتالورژي و ضرورت آن

امروزه جهت گيري و رويكرد صنعت توليد مس به سوي روش هاي هيدرومتالورژي مي باشد. اين امر با توجه هزينه هاي سنگين مواد اوليه، سرمايه گذاري بالا ، نيروي انساني و وجود مشكلاتي نظير آلودگي‫هاي زيست محيطي، مصرف بالاي انرژي و عدم امكان استفاده مجدد از مواد مصرفي، روز به روز از اهميت بيشتري برخوردار مي گردد.

تحولات و پيشرفت اين رشته در صنعت متالورژي استخراجي، ناشي از سازگاري بيشتر اين روش با محيط زيست و مصرف كمتر انرژي مي باشد كه گسترش آن مرهون كشف و ساخت حلال ها و رزين‫هاي آلي انتخابي و كاربرد ميكروارگانيسم ها بوده است. آمار و اطلاعات گزارش شده نشان مي‫دهد كه با پيشرفت و توسعه فرآيندهاي هيدرومتالورژي در سال هاي اخير، روند افزايش توليد مس و ساير فلزات پايه از اين روش افزايش چشمگيري داشته است. به طوري كه سهم توليد مس به كمك روش هيدرومتالورژي، از 15 درصد در سال 1998 به 20 درصد در سال 2003 افزايش يافته است و بررسي ها و پيش بيني هاي انجام شده توسط سازمان هاي معتبر بين المللي حاكي از استمرار روند صعودي توليد هيدرومتالورژي و كاهش توليد به روش پيرومتالورژي در سال‫هاي آينده مي‫باشد.

1. روش هيدرومتالورژي

در روش هيدرومتالورژي، كانسنگ هاي معدني پس از استخراج از معدن تحت عمليات خردايش و آگلومراسيون قرار گرفته و با انجام عمليات  انحلال (ليچينگ  ) بر روي آن، محلول حاوي عنصر معدني حاصل مي‫شود. در ادامه فلز مس از اين  محلول به كمك فرآيند هاي پالايش (جدايش با حلاليا تبادل يوني و الكترووينينگ) استحصال مي گردد. روش هاي انحلال عموماً به دو دسته اصلي انحلال بدون كمك ميكروارگانيسم و انحلال به كمك ميكروارگانيسم ها  قابل تفكيك مي‫باشد.

در طي فرآيند  ليچينگ، كانسنگ حاوي كاني هاي عناصر (مانند مس) قابل حل توسط يك عامل شيميايي (مانند اسيد سولفوريك)، با  قرار گرفتن در مجاورت محلول آبي حاوي اين عامل در شرايط شيميايي و فيزيكي مناسب، دچار انحلال شده و عناصر مورد نظر در اثر اين انحلال به صورت يون درآمده و از آن جدا مي شوند. روش ليچينگ خود به انواع مختلف شامل ليچينگ توده اي، ليچينگ درجا، ليچينگ با همزن، ليچينگ حوضچه اي و ليچينگ تحت فشار تقسيم مي گردد. در روش ليچينگ توده اي يا هيپ ليچينگ،كانسنگ به صورت توده اي در محلي انباشته شده و محلول حاوي عامل شيميايي از بالا بر روي آن ريخته مي‫شود تا در اثر جريان ثقل از ميان خلل و فرج موجود در توده كانسنگ عبور كرده و كاني مورد نظر را حل كند. در مورد كانسنگ مس، كاني‫هاي اصلي مس‫دار شامل كاني هاي اكسيدي (مانند مالاكيت يا كربنات مس و.....) و كاني هاي سولفيدي (مانند كالكوپيريت يا سولفيد مس و آهن و....) هستند.

در روش هيپ ليچينگ با پاشش محلول اسيد سولفوريك تحت شرايط شيميايي و فيزيكي مناسب، كاني هاي اكسيدي مس به راحتي حل مي‫شوند. ليكن در مورد كاني هاي سولفيدي اين فرآيند قدري پيچيده تر مي شود و اسيد به تنهايي امكان انحلال سريع اين كاني ها را ندارد. بنابراين از گذشته تاكنون كوشش هاي در اين راستا صورت گرفته است تا بتوان كاني هاي سولفيدي مس را به روش ليچينگ حل نمود كه اين تلاش ها منجر به ابداع روش هاي مختلفي از جمله بيوليچينگ گرديد.

3-1- بيوليچينگ

بخش زيادي از ذخاير معدن مس جهان، متشكل ازانواع كانسنگ هاي سولفيدي مي باشد، حال آنكه حداكثر 10 درصد از ذخاير مس جهان از نوع كانسنگ هاي اكسيدي است كه امكان انحلال آنها به كمك اسيدسولفوريك وجود دارد. بنابراين يافتن راه حلي جهت به كارگيري حجم عظيم كانسنگ‫هاي سولفيدي با روش ليچينگ، همواره در سرلوحه امور پژوهشي و تحقيقاتي كشورهاي صاحب اين صنعت قرار داشته است.

يكي از راهكارهاي پيشنهاد شده در اين زمينه كمك گرفتن از عملكرد انواع عوامل بيولوژيكي به ويژه باكتري هاي مختلف است. انديشه اين راهكار از آنجا به وجود آمد كه در بسياري از معادن مس جهان مشاهده مي شد توده هاي كانسنگ سولفيدي در اثر نفوذ آب تا حدي دچار انحلال مي گردند و محلول هاي سبزرنگ (حاوي يون آهن) و آبي رنگ (حاوي يون مس) از آنها تراوش مي كند. با بررسي و مطالعه عوامل اين پديده، پژوهشگران به عملكرد بعضي از باكتري هاي موجود در اين آب ها مشكوك شدند و در تحقيقات بعدي ثابت شد كه اين عوامل بيولوژيكي، هنگامي كه محيط مناسبي براي حيات داشته باشند، انرژي موردنياز و غذاي خود را از اكسيداسيون گوگرد و آهن موجود در كاني هاي سولفيدي اين كانسنگ ها به دست مي آورند. در تحقيقات بعدي انواع اين باكتري ها شناسايي شد كه هركدام در شرايط شيميايي و فيزيكي خاصي (اعم از دما و pH) مي توانستند به حيات و عملكرد خود ادامه دهند.

به تدريج بشر به اين فكر افتاد كه از اين فرآيند به نحوي اقتصادي بهره برداري كند و اين باكتري ها را جهت دستيابي به منافع اقتصادي خود به كار گيرد. در اين ارتباط از حدود 50 سال قبل فعاليت هايي آغاز شده و با گسترش تكنولوژي ليچينگ جهت استحصال مس از كانسنگ هاي اكسيدي، تلاش بر اين شد كه با پاشش محلول اسيد و باكتري برروي توده هاي كانسنگ سولفيدي، بتوان محلول حاوي يون مس به دست آورد.  با انجام اين فعاليت ها مشخص گرديدكه تكنولوژي جديد ليچينگ با عوامل بيولوژيكي يا به اختصار بيوليچينگ، به ويژه در مورد كانسنگ هاي سولفيدي كم‫عيار اقتصادي ترمي باشد. 

بيوليچينگ به مفهوم استفاده از قابليت ميكروارگانيسم ها در عمليات انحلال سولفيدهاي فلزي به منظور بازيابي و توليد فلزات مي‫باشد. سابقه استفاده از اين تكنولوژي به سال هاي 1950 برمي‫گردد. توسعه اين روش در دنيا به حدي بوده است كه  امروزه در امريكا بيش از 20 درصد از استحصال مس به روش ميكروبي مي باشد. در بسياري از كشورهاي ديگر از جمله شيلي، استراليا، آفريقاي جنوبي، كانادا، چين، پرو و ديگر مناطق از اين تكنيك براي بازيابي فلزات اصلي و گرانبها استفاده مي شود.

• مكانيزم فرآيند بيوليچينگ

ميكروارگانيسم هاي مورد استفاده در فرآيند بيوليچينگ انرژي مورد نياز خود را ازاكسيداسيون آهنFe2+ به Fe3+ (31kg/mol Fe2+) به دست مي آورند. بسياري از باكتري هايي كه آهن را اكسيد مي كنند، قادر به اكسيداسيون گوگرد نيز مي باشند.  اين باكتري ها تنها در محيط هاي اسيدي مي‫توانند به حيات خود ادامه دهند.

كاني سولفيد آهن (FeS) تقريباً در هر سنگ معدني سولفيدي وجود دارد و اكسيداسيون آن توسط باكتري منجر به تشكيل يون فريك مي گردد. اين يون نيز عامل اكسيد كننده مناسبي براي كاني هاي سولفيدي است. واكنش سولفيد مس با يون فريك، باعث انحلال مس و تشكيل Fe2+ مي شود.

CuS +Fe3+ + HO ­­­­­––––­­>  Fe2+ + Cu2+ + SO2-

از طرفي باكتري با اكسيد كردن  Fe2+ (طرف دوم واكنش) به Fe3+ (مورد نياز در طرف اول واكنش) موجب افزايش سرعت واكنش مي گردد. به اين ترتيب باكتري نقش كاتاليزور را ايفا مي كند.

3-1-2- باكتري هاي مورد استفاده در فرآيند بيوليچينگ

باكتري ها يكي از ساده ترين انواع موجودات زنده هستند كه مهمترين پارامترهاي تقسيم بندي آنها شامل شكل باكتري، مقاومت حرارتي باكتري و خودكفايي غذايي باكتري مي باشند. به طور كلي باكتري ها از نظر شكل  به سه دسته كلي باسيلي (ميله اي)، كوكسي (كروي)، اسپريل (مارپيچي) تقسيم بندي مي شوند. ضمناً از نظر مقاومت در مقابل حرارت، اين موجودات را مي توان به چهار دسته ساكروفيل ، مزوفيل، ترموفيل معتدل، ترموفيل مطلق  دسته بندي نمود. ساكروفيل ها كه به باكتري هاي سرما دوست معروف هستند،  در دماي زير 15 درجه سانتيگراد قادر به فعاليت مي باشند. مزوفيل ها در دماي بين 25 الي 45 درجه سانتيگراد زندگي مي كنند كه مهمترين آنها تيوباسيلوس‫ فرواكسيدانس و تيوباسيلوس تيواكسيدانس  و لپتوسپيريليوم فرواكسيدانس  مي باشد. اين باكتري ها اسيددوست بوده و pH مناسب براي فعاليت آنها 5/1 الي 5/3  است. ترموفيل‫هاي معتدل در دماي 45 الي 60 درجه سانتيگراد زندگي مي كنند كه مهمترين آنها سولفوباسيلوس‫ها  مي باشند.  باكتري هاي ترموفيل مطلق به باكتري هاي گرمادوست معروف هستند كه در دماي بالاتر از 60 درجه سانتيگراد زندگي مي كنند و مهمترين گونه آنها سولفولوبوس ها  هستند.

باكتري ها از نظر خودكفايي غذايي به دو دسته اتوتروف  و هتروتروف  طبقه بندي مي شوند. اتوتروف ها  كه قادر به تامين مواد موردنياز خود مي باشند، اكسيژن، كربن و نيتروژن موردنيازشان را از CO ونيتروژن موجود در هوا به دست مي آورند. هتروتروف ها قادر به تامين مواد مورد نيازشان نيستند و مواد لازم بايد در اختيارشان قرار گيرد. آنها كربن موردنيازشان را از مواد آلي به دست مي‫آورند.