Халькопирит ( / ˌ k æ l k ə ˈ p aɪ ˌ r aɪ t , - k oʊ -/ [7] [8] KAL -kə- PY -ryte, -koh- ) — минерал из группы сульфидов меди и железа , наиболее распространённый минерал медной руды . Он имеет химическую формулу CuFeS 2 и кристаллизуется в тетрагональной системе. Он имеет цвет от латунного до золотисто-жёлтого и твёрдость от 3,5 до 4 по шкале Мооса . Его черта является диагностической как зелёно-чёрная. [9]
При контакте с воздухом халькопирит тускнеет, образуя различные оксиды, гидроксиды и сульфаты. Ассоциированные минералы меди включают сульфиды борнит (Cu 5 FeS 4 ), халькозин (Cu 2 S), ковеллин (CuS), дигенит (Cu 9 S 5 ); карбонаты, такие как малахит и азурит , и редко оксиды, такие как куприт (Cu 2 O). Он редко встречается в сочетании с самородной медью . Халькопирит является проводником электричества. [10]
Медь можно извлечь из руды халькопирита различными методами. Два основных метода — пирометаллургия и гидрометаллургия , причем первый из них наиболее коммерчески выгоден. [11]
Название халькопирит происходит от греческих слов «chalkos» , что означает медь, и «pyrites », что означает высекающий огонь. [12] Иногда исторически его называли «желтой медью». [13]
Халькопирит часто путают с пиритом и золотом , поскольку все три этих минерала имеют желтоватый цвет и металлический блеск. Некоторые важные характеристики минералов, которые помогают различать эти минералы, — это твердость и полоса. Халькопирит намного мягче пирита и его можно поцарапать ножом, тогда как пирит поцарапать ножом невозможно. [14] Однако халькопирит тверже золота, которое, если оно чистое, можно поцарапать медью . [15] Халькопирит имеет характерную черную полосу с зелеными пятнами. Пирит имеет черную полосу, а золото — желтую полосу. [16]
Природный халькопирит не имеет серии твердых растворов с другими сульфидными минералами. Существует ограниченное замещение цинка медью, несмотря на то, что халькопирит имеет ту же кристаллическую структуру, что и сфалерит .
Незначительные количества таких элементов, как серебро, золото, кадмий, кобальт, никель, свинец, олово и цинк, могут быть измерены (на уровне частей на миллион), вероятно, заменяя медь и железо. Селен, висмут, теллур и мышьяк могут заменять серу в незначительных количествах. [17] Халькопирит может быть окислен с образованием малахита , азурита и куприта . [18]
Халькопирит является членом тетрагональной кристаллической системы. Кристаллографически структура халькопирита тесно связана со структурой цинковой обманки ZnS ( сфалерита ). [19] Элементарная ячейка в два раза больше, что отражает чередование ионов Cu + и Fe 3+ , заменяющих ионы Zn 2+ в соседних ячейках. В отличие от структуры пирита халькопирит имеет одиночные анионы сульфида S 2− , а не пары дисульфидов. Другое отличие заключается в том, что катион железа не является диамагнитным низкоспиновым Fe(II), как в пирите.
В кристаллической структуре каждый ион металла тетраэдрически координирован с 4 анионами серы. Каждый анион серы связан с двумя атомами меди и двумя атомами железа. [19]
Халькопирит присутствует во многих рудоносных средах и присутствует в различных процессах рудообразования .
Халькопирит присутствует в вулканогенных массивных сульфидных рудных месторождениях и осадочных эксгалятивных месторождениях , образованных отложением меди во время гидротермальной циркуляции . Халькопирит концентрируется в этой среде посредством транспортировки флюидов. Порфировые медно- рудные месторождения образуются путем концентрации меди в гранитном штоке во время подъема и кристаллизации магмы. Халькопирит в этой среде образуется путем концентрации в магматической системе.
Халькопирит является акцессорным минералом в месторождениях коматиитовых никелевых руд типа Камбалда , образованным из несмешивающейся сульфидной жидкости в насыщенных сульфидами ультраосновных лавах. В этой среде халькопирит образуется из сульфидной жидкости, которая вымывает медь из несмешивающейся силикатной жидкости.
Халькопирит был важнейшей рудой меди со времен бронзового века. [20]
_2_(47820008922).jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Несмотря на то, что халькопирит не содержит в своей структуре больше всего меди по сравнению с другими минералами, он является самой важной медной рудой , поскольку его можно найти во многих местах. Халькопиритовая руда встречается в различных типах руды , от огромных масс, как в Тимминсе, Онтарио , до нерегулярных жил и вкраплений , связанных с гранитными и диоритовыми интрузивными породами , как в медно-порфировых месторождениях Брокен-Хилл , Американских Кордильерах и Андах . Самое крупное месторождение почти чистого халькопирита, когда-либо обнаруженное в Канаде, находилось в южной части пояса зеленокаменных пород Темагами , где на руднике Копперфилдс добывали высококачественную медь. [21]
Халькопирит присутствует в гигантском месторождении Cu-Au-U Олимпик-Дэм в Южной Австралии .
Халькопирит также может быть обнаружен в угольных пластах, связанных с пиритовыми конкрециями, и в виде вкраплений в карбонатных осадочных породах. [22]
.svg/1280px-Copper_Flash_Smelting_Process_(EN).svg.png)
Медный металл в основном извлекается из руды халькопирита двумя способами: пирометаллургией и гидрометаллургией . Наиболее распространенный и коммерчески выгодный [11] метод, пирометаллургия, включает в себя методы «дробления, измельчения, флотации, плавки, рафинирования и электрорафинирования». Дробление, выщелачивание, экстракция растворителем и электролиз — это методы, используемые в гидрометаллургии. [ необходима цитата ] В частности, в случае халькопирита практикуется выщелачивание окислительным выщелачиванием под давлением. [23]
Самым важным методом извлечения меди из халькопирита является пирометаллургия. Пирометаллургия обычно используется для крупномасштабных операций с богатой медью и рудами высокого качества. [24] Это связано с тем, что руды Cu-Fe-S, такие как халькопирит, трудно растворяются в водных растворах. [25] Процесс извлечения с использованием этого метода проходит четыре этапа:
Халькопиритовая руда не плавится напрямую. Это связано с тем, что руда в основном состоит из экономически не ценного материала или пустой породы с низким содержанием меди. Обилие отходов приводит к тому, что для нагрева и плавления руды требуется много углеводородного топлива. В качестве альтернативы медь сначала изолируется от руды с помощью технологии, называемой пенной флотацией . По сути, реагенты используются для придания меди водоотталкивающих свойств, поэтому Cu может концентрироваться во флотационной камере, всплывая на пузырьках воздуха. В отличие от 0,5–2% меди в халькопиритовой руде, пенная флотация приводит к получению концентрата, содержащего около 30% меди. [25]
Затем концентрат подвергается процессу, называемому плавкой штейна . Плавка штейна окисляет серу и железо [26] путем плавки флотационного концентрата в печи при температуре 1250 °C для создания нового концентрата (штейна) с содержанием меди около 45–75%. [25] Этот процесс обычно выполняется в печах флэш-выдержки. Чтобы уменьшить количество меди в шлаковом материале, шлак поддерживают в расплавленном состоянии с добавлением флюса SiO 2 [26], чтобы способствовать несмешиваемости между концентрацией и шлаком. Что касается побочных продуктов, плавка меди в штейне может производить газ SO 2 , который вреден для окружающей среды, поэтому он улавливается в виде серной кислоты . Примеры реакций следующие: [25]
Конвертация включает повторное окисление штейна для дальнейшего удаления серы и железа; однако продукт на 99% состоит из расплавленной меди. [25] Конвертация происходит в два этапа: этап образования шлака и этап образования меди. На этапе образования шлака железо и сера восстанавливаются до концентраций менее 1% и 0,02% соответственно. Концентрат от плавки штейна заливается в конвертер, который затем вращается, подавая шлак с кислородом через фурмы . Реакция выглядит следующим образом:
2FeS (ж) +3O2 (г) +SiO2 (т) -> Fe2SiO4 (ж) + 2SO2 (г) + тепло
На этапе формирования меди штейн, полученный на этапе шлака, подвергается загрузке (подача штейна в конвертер), продувке (вдувание большего количества кислорода) и шлакоудалению (извлечение неочищенной расплавленной меди, известной как черновая медь). [25] Реакция выглядит следующим образом:
Cu 2 S (ж) + O 2(г) -> 2Cu (ж) + SO 2(г) + тепло [25]
Наконец, черновая медь подвергается очистке огнем, электроочисткой или обоими способами. На этом этапе медь очищается до катода высокой чистоты . [25]
Халькопирит является исключением из большинства медных минералов. В отличие от большинства медных минералов, которые можно выщелачивать в атмосферных условиях, например, путем кучного выщелачивания , халькопирит является тугоплавким минералом, которому требуются повышенные температуры, а также окислительные условия для высвобождения меди в раствор. [27] Это связано с трудностями извлечения, которые возникают из-за присутствия железа к меди в соотношении 1:1, [28] что приводит к медленной кинетике выщелачивания. [27] Повышенные температуры и давления создают обилие кислорода в растворе, что способствует более высокой скорости реакции с точки зрения разрушения кристаллической решетки халькопирита. [27] Гидрометаллургический процесс, который повышает температуру с окислительными условиями, необходимыми для халькопирита, известен как выщелачивание окислительным выщелачиванием под давлением . Типичная серия реакций халькопирита в окислительных, высокотемпературных условиях выглядит следующим образом:
и ) 2CuFeS2 + 4Fe2 ( SO4 ) 3 - > 2Cu2 + + 2SO42- + 10FeSO4 + 4S
ii) 4FeSO 4 + O 2 + 2H 2 SO 4 -> 2Fe 2 (SO 4 ) 3 +2H 2 O
iii) 2S + 3O 2 +2H 2 O -> 2H 2 SO 4
(в целом) 4CuFeS2 + 17O2 + 4H2O - > 4Cu2 + + 2Fe2O3 + 4H2SO4 [ 27 ]
Выщелачивание окислением под давлением особенно полезно для низкосортного халькопирита. Это связано с тем, что оно может «обрабатывать концентрированный продукт флотации » [27] вместо того, чтобы обрабатывать цельную руду. Кроме того, его можно использовать в качестве альтернативного метода пирометаллургии для руды переменного состава. [27] Другие преимущества гидрометаллургических процессов в отношении извлечения меди по сравнению с пирометаллургическими процессами ( плавка ) включают:
Хотя гидрометаллургия имеет свои преимущества, она продолжает сталкиваться с трудностями в коммерческих условиях. [28] [27] В свою очередь, плавка продолжает оставаться наиболее коммерчески выгодным методом извлечения меди. [28]
