แร่ชาลโคไพรต์
| แร่ชาลโคไพรต์ | |
|---|---|
 | |
| ทั่วไป | |
| หมวดหมู่ | แร่ซัลไฟด์ |
| สูตร | CuFeS |
| สัญลักษณ์ IMA | ซีซีพี[ 1 ] |
| การจำแนกประเภทของสตรุนซ์ | 2.CB.10a |
| ระบบผลึก | สี่เหลี่ยมจัตุรัส |
| คลาสคริสตัล | ทรงสี่เหลี่ยมด้านไม่เท่า ( 4 2m) สัญลักษณ์ HM : ( 4 2m) |
| กลุ่มอวกาศ | ฉัน4 2d |
| หน่วยเซลล์ | a = 5.289 Å, c = 10.423 Å; ซี = 4 |
| การระบุตัวตน | |
| มวลสูตร | 183.54 กรัม/โมล |
| สี | สีเหลืองทองเหลือง อาจมีคราบสีม่วงเหลือบมุกเกิดขึ้นได้ |
| นิสัยคริสตัล | โดยส่วนใหญ่จะอยู่บริเวณกระดูกดิสฟีนอยด์ และมีลักษณะคล้ายทรงสี่เหลี่ยมพีระมิด มักมีขนาดใหญ่ และบางครั้งก็มีลักษณะเป็นก้อนกลมคล้ายพวงองุ่น |
| การจับคู่ | แฝดสอดใส่ |
| ร่องอก | ไม่ชัดเจนใน {011} |
| กระดูกหัก | ไม่สม่ำเสมอ |
| ความมุ่งมั่น | เปราะ |
| ความแข็งตามมาตราโมห์ส | 3.5–4 |
| ความแวววาว | โลหะ |
| สตรีค | สีเขียวอมดำ |
| ความโปร่งใส | ทึบแสง |
| ความถ่วงจำเพาะ | 4.1–4.3 |
| คุณสมบัติทางแสง | ทึบแสง |
| ความสามารถในการละลาย | ละลายได้ใน |
| ลักษณะอื่นๆ | แม่เหล็กเมื่อได้รับความร้อน |
| เอกสารอ้างอิง | [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] |
แชลโคไพไรต์ ( / ˌ k æ l k ə ˈ p aɪ ˌ r aɪ t , - k oʊ -/ [ 7 ] [ 8 ] KAL -kə- PY -ryte, - koh- ) เป็นแร่ทองแดงเหล็ก ซัลไฟด์และเป็นแร่ ทองแดงที่พบมากที่สุดมีสูตรเคมี CuFeS และตกผลึกใน ระบบ เตตระโกนัลมี สี เหลืองทองแดงถึงสีเหลืองทอง และมีความแข็ง 3.5 ถึง 4 บนมาตราโมห์รอยขีดของมันมีลักษณะเฉพาะคือสีดำอมเขียว[ 9 ]
เมื่อสัมผัสกับอากาศ แชลโคไพไรต์จะหมองกลายเป็นออกไซด์ ไฮดรอกไซด์ และซัลเฟตหลายชนิด แร่ทองแดงที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ซัลไฟด์บอร์ไนต์ (Cu FeS ), แชลโคไซต์ (Cu S), โคเวลไลต์ (CuS), ไดจีไนต์ (Cu S ); คาร์บอเนต เช่นมาลาไคต์และอะซูไรต์และพบได้น้อยคือออกไซด์ เช่นคิวไพรต์ (Cu O) แชลโคไพไรต์พบได้น้อยมากที่จะอยู่ร่วมกับทองแดงธรรมชาติแชลโคไพไรต์เป็นตัวนำไฟฟ้า[ 10 ]
สามารถสกัดทองแดงจากแร่ชาลโคไพไรต์ได้โดยใช้วิธีการต่างๆ วิธีการหลักสองวิธีคือวิธีไพโรเมทัลลurgyและวิธีไฮโดรเมทัลลurgyซึ่งวิธีไพโรเมทัลลurgy เป็นวิธีที่คุ้มค่าในเชิงพาณิชย์มากที่สุด[ 11 ]
นิรุกติศาสตร์
ชื่อ chalcopyrite มาจากคำภาษากรีกchalkosซึ่งหมายถึงทองแดง และpyritesซึ่งหมายถึงไฟที่ลุกไหม้[ 12 ]ในบางครั้งในอดีตเรียกกันว่า "ทองแดงสีเหลือง" [ 13 ]
การระบุตัวตน
แชลโคไพไรต์มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นไพไรต์และทองคำเนื่องจากแร่ทั้งสามชนิดนี้มีสีเหลืองและมีความมันวาวเหมือนโลหะ คุณลักษณะของแร่ที่สำคัญบางประการที่ช่วยแยกแยะแร่เหล่านี้ได้คือความแข็งและรอยขีดข่วน แชลโคไพไรต์อ่อนกว่าไพไรต์มากและสามารถขูดได้ด้วยมีด ในขณะที่ไพไรต์ไม่สามารถขูดได้ด้วยมีด[ 14 ]อย่างไรก็ตาม แชลโคไพไรต์แข็งกว่าทองคำ ซึ่งหากบริสุทธิ์แล้วสามารถขูดได้ด้วยทองแดง[ 15 ]นอกจากนี้ ทองคำยังอ่อนตัวได้ในขณะที่แชลโคไพไรต์เปราะ[ 12 ] แชลโคไพไรต์มีรอยขีดข่วนสีดำที่โดดเด่นโดยมีจุดสีเขียวอยู่ ไพไรต์มีรอยขีดข่วนสีดำ และทองคำมีรอยขีดข่วนสีเหลือง[ 16 ]
เคมี
แร่แชลโคไพไรต์ธรรมชาติไม่มีชุดสารละลายของแข็งกับแร่ซัลไฟด์อื่นใด มีการแทนที่สังกะสีด้วยทองแดงในปริมาณจำกัดแม้ว่าแชลโคไพไรต์จะมีโครงสร้างผลึกเหมือนกับสฟาเลอไรต์ก็ตาม
สามารถวัดปริมาณธาตุเล็กน้อย เช่น เงิน ทอง แคดเมียม โคบอลต์ นิกเกล ตะกั่ว ดีบุก และสังกะสี (ในระดับส่วนต่อล้าน) ซึ่งอาจใช้แทนทองแดงและเหล็กได้ ซีลีเนียม บิสมัท เทลลูเรียม และสารหนูอาจใช้แทนกำมะถันในปริมาณเล็กน้อย[ 17 ] แชลโคไพไรต์สามารถถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างมาลาไคต์อะซูไรต์และคิวไพรต์ได้[ 12 ]
โครงสร้าง
แชลโคไพไรต์เป็นสมาชิกของระบบผลึกแบบเตตระโกนัล ในทางผลึกศาสตร์ โครงสร้างของแชลโคไพไรต์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างของซิงค์เบลนด์ ZnS ( สฟาเลอไรต์ ) [ 18 ]หน่วยเซลล์มีขนาดใหญ่เป็นสองเท่า ซึ่งสะท้อนถึงการสลับกันของไอออน Cu +และ Fe 3+ที่เข้ามาแทนที่ไอออน Zn 2+ในเซลล์ที่อยู่ติดกัน ในทางตรงกันข้ามกับ โครงสร้าง ของไพไรต์ แชลโคไพไรต์มีแอนไอออนซัลไฟด์ S 2−เดี่ยวแทนที่จะเป็นคู่ไดซัลไฟด์ ความแตกต่างอีกประการหนึ่งคือแคตไอออนของเหล็กไม่ใช่ไดอะแมกเนติกสปินต่ำ Fe(II) เหมือนในไพไรต์
ในโครงสร้างผลึก ไอออนโลหะแต่ละตัวจะถูกประสานงานแบบเตตระเฮดรัลกับแอนไอออนซัลเฟอร์ 4 ตัว แอนไอออนซัลเฟอร์แต่ละตัวจะเชื่อมต่อกับอะตอมทองแดง 2 อะตอมและอะตอมเหล็ก 2 อะตอม[ 18 ]
พาราเจเนซิส
แร่ชาลโคไพไรต์พบได้ในแหล่งแร่หลายแห่ง โดยผ่านกระบวนการก่อตัวของแร่ ที่หลากหลาย
แร่ชาลโคไพไรต์พบได้ในแหล่งแร่ซัลไฟด์ขนาดใหญ่ที่เกิดจากภูเขาไฟและแหล่งแร่ที่เกิดจากการระเหยของตะกอน ซึ่งเกิดจากการสะสมของทองแดงในระหว่างการไหลเวียนของน้ำร้อนใต้ดินแร่ชาลโคไพไรต์จะมีความเข้มข้นในสภาพแวดล้อมนี้ผ่านการขนส่งของของเหลว แหล่งแร่ ทองแดงแบบพอฟิรีเกิดจากการสะสมของทองแดงภายใน มวลหิน แกรนิตในระหว่างการเคลื่อนตัวขึ้นและการตกผลึกของแมกมา แร่ชาลโคไพไรต์ในสภาพแวดล้อมนี้เกิดขึ้นจากการสะสมภายในระบบแมกมา
แร่ชาลโคไพไรต์เป็นแร่ประกอบในแหล่งแร่นิกเกลแบบโคมาไทต์ชนิดคัมบัลดาเกิดจากของเหลวซัลไฟด์ที่ไม่สามารถผสมกันได้ในลาวาอัลตรามาฟิกที่อิ่มตัวด้วยซัลไฟด์ ในสภาพแวดล้อมนี้ ชาลโคไพไรต์เกิดขึ้นจากการที่ของเหลวซัลไฟด์แยกตัวออกจากทองแดงในของเหลวซิลิเกตที่ไม่สามารถผสมกันได้
แร่ชาลโคไพไรต์ถือเป็นแร่ทองแดงที่สำคัญที่สุดนับตั้งแต่ยุคสำริด[ 12 ]
การเกิดขึ้น
แม้ว่าแร่ชาลโคไพไรต์จะไม่ได้มีทองแดงมากที่สุดในโครงสร้างเมื่อเทียบกับแร่ชนิดอื่น แต่ก็เป็นแร่ ทองแดงที่สำคัญที่สุด เนื่องจากสามารถพบได้ในหลายพื้นที่ แร่ชาลโคไพไรต์มีหลายประเภท ตั้งแต่ก้อน ขนาดใหญ่เช่นที่ ทิมมินส์ รัฐออนแทรีโอไปจนถึงเส้นแร่และการกระจาย ตัวที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งเกี่ยวข้องกับ หิน แกรนิตถึง หินได โอ ไร ต์แทรกซึมเช่นใน แหล่งแร่ ทองแดงพอ ฟิรี ของโบรเคนฮิลล์เทือกเขาคอร์ดีลเลราของอเมริกาและเทือกเขาแอนดีสแหล่งแร่ชาลโคไพไรต์บริสุทธิ์ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยค้นพบในแคนาดาอยู่ที่ปลายด้านใต้ของเข็มขัดหินสีเขียวเทมากามิซึ่งเหมืองคอปเปอร์ฟิลด์ได้สกัดทองแดงคุณภาพสูง[ 19 ]
แร่ชาลโคไพไรต์มีอยู่ในแหล่งแร่ทองแดง-ทองคำ-ยูเรเนียม ขนาดใหญ่พิเศษ โอลิมปิกแดม ในรัฐเซา ท์ออสเตรเลีย
นอกจากนี้ ยังอาจพบแชลโคไพไรต์ในชั้นถ่านหินที่เกี่ยวข้องกับก้อนไพไรต์ และกระจายตัวอยู่ในหินตะกอนคาร์บอเนต[ 20 ]
การสกัดทองแดง
โลหะทองแดงส่วนใหญ่สกัดจากแร่ ชาลโคไพไรต์ โดยใช้วิธีการสองวิธี ได้แก่ไพโรเมทัลลurgyและไฮโดรเมทัลลurgy วิธี ที่พบได้บ่อยที่สุดและมีความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์[ 11 ]คือ ไพโรเมทัลลurgy ซึ่งเกี่ยวข้องกับเทคนิค "การบด การโม่ การลอยตัว การถลุง การกลั่น และการกลั่นด้วยไฟฟ้า" ส่วน ไฮโดร เมทัลลurgy ใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การบด การชะล้าง การสกัดด้วยตัวทำละลาย และ การสกัดด้วยไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของชาลโคไพไรต์จะมีการใช้การชะล้าง ออกซิเดชันภายใต้ความดัน [ 21 ]
กระบวนการทางโลหะวิทยาความร้อนสูง
วิธีการที่สำคัญที่สุดในการสกัดทองแดงจากแร่ชาลโคไพไรต์คือกระบวนการไพโรเมทัลลurgy กระบวนการไพโรเมทัลลurgy มักใช้สำหรับการดำเนินงานขนาดใหญ่ที่มีทองแดงสูงและแร่คุณภาพสูง[ 22 ]ทั้งนี้เนื่องจากแร่ Cu-Fe-S เช่น ชาลโคไพไรต์ ละลายได้ยากในสารละลายในน้ำ[ 21 ]กระบวนการสกัดโดยใช้วิธีนี้มีสี่ขั้นตอน:
- การแยกธาตุที่ต้องการออกจากแร่โดยใช้กระบวนการลอยตัวด้วยฟองอากาศเพื่อสร้างความเข้มข้น
- การสร้างแมทซัลไฟด์ที่มีทองแดงสูงโดยการหลอมความเข้มข้น
- การออกซิไดซ์/การเปลี่ยนสภาพของแมทซัลไฟด์ ส่งผลให้ได้ทองแดงหลอมเหลวที่ไม่บริสุทธิ์
- การกลั่นด้วยไฟและเทคนิคการแยกด้วยไฟฟ้าเพื่อเพิ่มความบริสุทธิ์ของทองแดงที่ได้[ 21 ]
แร่ชาลโคไพไรต์ไม่สามารถนำไปถลุงโดยตรงได้ เนื่องจากแร่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยวัสดุที่ไม่มีคุณค่าทางเศรษฐกิจหรือหินเหลือทิ้งที่มีความเข้มข้นของทองแดงต่ำ ปริมาณของวัสดุเหลือทิ้งทำให้ต้องใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนจำนวนมากในการให้ความร้อนและหลอมแร่ ในทางกลับกัน ทองแดงจะถูกแยกออกจากแร่ก่อนโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการลอยตัวด้วยฟองอากาศโดยพื้นฐานแล้ว จะใช้ สารเคมีเพื่อทำให้ทองแดงไม่ดูดซับน้ำ ดังนั้น Cu จึงสามารถรวมตัวกันในเซลล์การลอยตัวโดยการลอยอยู่บนฟองอากาศ เมื่อเปรียบเทียบกับทองแดง 0.5–2% ในแร่ชาลโคไพไรต์ การลอยตัวด้วยฟองอากาศทำให้ได้สารเข้มข้นที่มีทองแดงประมาณ 30% [ 21 ]
จากนั้นสารเข้มข้นจะผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการถลุงแมทท์การถลุงแมทท์จะออกซิไดซ์กำมะถันและเหล็ก[ 23 ]โดยการหลอมสารเข้มข้นจากการลอยตัวใน เตาหลอมที่อุณหภูมิ 1250 °C เพื่อสร้างสารเข้มข้นใหม่ (แมทท์) ที่มีทองแดงประมาณ 45–75% [ 21 ]โดยทั่วไปกระบวนการนี้จะทำในเตาหลอมแฟลช เพื่อลดปริมาณทองแดงใน วัสดุ สแลก สแลกจะถูกทำให้หลอมเหลวโดยเติมฟลักซ์ SiO [ 23 ]เพื่อส่งเสริมการไม่ผสมกันระหว่างสารเข้มข้นและสแลก ในแง่ของผลพลอยได้ การถลุงแมทท์ทองแดงสามารถผลิตก๊าซ SO ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นจึงถูกดักจับในรูปของกรดซัลฟิวริกตัวอย่างปฏิกิริยามีดังนี้: [ 21 ]
- 2CuFeS +3.25O → Cu S-0.5FeS + 1.5FeO + 2.5SO
- 2FeO + SiO → Fe SiO [ 21 ]
การแปลงสภาพเกี่ยวข้องกับการออกซิไดซ์แมทอีกครั้งเพื่อกำจัดกำมะถันและเหล็กออกไปอีก อย่างไรก็ตาม ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือทองแดงหลอมเหลว 99% [ 21 ]การแปลงสภาพเกิดขึ้นในสองขั้นตอน ได้แก่ ขั้นตอนการสร้างตะกรันและขั้นตอนการสร้างทองแดง ในขั้นตอนการสร้างตะกรัน เหล็กและกำมะถันจะลดลงเหลือความเข้มข้นน้อยกว่า 1% และ 0.02% ตามลำดับ สารเข้มข้นจากการถลุงแมทจะถูกเทลงในเครื่องแปลงสภาพ จากนั้นเครื่องแปลงสภาพจะหมุนและจ่ายออกซิเจนให้กับตะกรันผ่านท่อลมปฏิกิริยาเป็นดังนี้:
2FeS +3O +SiO -> Fe SiO + 2SO + ความร้อน
ในขั้นตอนการขึ้นรูปทองแดง แมทที่ผลิตจากขั้นตอนตะกรันจะผ่านกระบวนการชาร์จ (การป้อนแมทเข้าไปในตัวแปลง) การเป่า (การเป่าออกซิเจนเพิ่มเติม) และการตัก (การนำทองแดงหลอมเหลวที่ไม่บริสุทธิ์ที่เรียกว่าทองแดงฟองออก) [ 21 ]ปฏิกิริยาเป็นดังนี้:
Cu S + O -> 2Cu + SO + ความร้อน[ 21 ]
สุดท้าย ทองแดงที่แข็งตัวจะผ่านกระบวนการกลั่นด้วยไฟการกลั่นด้วยไฟฟ้า หรือทั้งสองอย่าง ในขั้นตอนนี้ ทองแดงจะถูกกลั่นให้เป็น แคโทดที่มีความบริสุทธิ์สูง[ 21 ]
กระบวนการไฮโดรเมทัลลurgical
แชลโคไพไรต์เป็นข้อยกเว้นจากแร่ที่มีทองแดงส่วนใหญ่ ตรงกันข้ามกับแร่ทองแดงส่วนใหญ่ที่สามารถชะล้างได้ในสภาวะบรรยากาศ เช่นการชะล้างแบบกองแร่แชลโคไพไรต์เป็น แร่ที่ ทนความร้อนสูง ต้องใช้อุณหภูมิสูงและสภาวะออกซิไดซ์เพื่อปลดปล่อยทองแดงลงในสารละลาย[ 21 ]ทั้งนี้เนื่องจากความท้าทายในการสกัดที่เกิดขึ้นจากการมีเหล็กต่อทองแดงในอัตราส่วน 1:1 [ 11 ]ส่งผลให้จลนศาสตร์การชะล้างช้า[ 21 ]อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้นจะสร้างออกซิเจนจำนวนมากในสารละลาย ซึ่งช่วยให้ปฏิกิริยาเร็วขึ้นในแง่ของการทำลายโครงสร้างผลึกของแชลโคไพไรต์[ 21 ]กระบวนการไฮโดรเมทัลลurgical ที่เพิ่มอุณหภูมิด้วยสภาวะออกซิไดซ์ที่จำเป็นสำหรับแชลโคไพไรต์เรียกว่าการชะล้างออกซิเดชันด้วยความดันชุดปฏิกิริยาทั่วไปของแชลโคไพไรต์ภายใต้สภาวะออกซิไดซ์และอุณหภูมิสูงมีดังนี้:
i) 2CuFeS + 4Fe (SO ) -> 2Cu 2+ + 2SO 2- + 10FeSO +4S
ii) 4FeSO + O + 2H SO -> 2Fe (SO ) +2H O
iii) 2S + 3O +2H O -> 2H SO
(โดยรวม) 4CuFeS + 17O + 4H O -> 4Cu 2+ + 2Fe O + 4H SO [ 21 ]
การชะล้างออกซิเดชันด้วยแรงดันมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับแร่ชาลโคไพไรต์เกรดต่ำ เนื่องจากสามารถ "แปรรูปผลิตภัณฑ์เข้มข้นจากการลอยตัว " [ 21 ]แทนที่จะต้องแปรรูปแร่ทั้งหมด นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นวิธีการทางเลือกแทนกระบวนการถลุงด้วยความร้อนสำหรับแร่ที่แปรผันได้[ 21 ]ข้อดีอื่นๆ ของกระบวนการไฮโดรเมทัลลurgical ในการสกัดทองแดงเมื่อเทียบกับกระบวนการถลุงด้วยความร้อน ( การถลุง ) ได้แก่:
- ต้นทุนการถลุงโลหะที่ผันแปรสูงมาก
- ปริมาณการถลุงโลหะมีจำกัด ขึ้นอยู่กับสถานที่ตั้ง
- ต้นทุนสูงในการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานการถลุงโลหะ
- ความสามารถในการบำบัดสารเข้มข้นที่มีสิ่งเจือปนสูง
- อัตราการฟื้นตัวเพิ่มขึ้นเนื่องจากความสามารถในการบำบัดแหล่งแร่คุณภาพต่ำในพื้นที่
- ต้นทุนการขนส่งต่ำลง (ไม่จำเป็นต้องขนส่งสารเข้มข้น)
- ต้นทุนการผลิตทองแดงโดยรวมลดลง[ 21 ]
แม้ว่าไฮโดรเมทัลลurgyจะมีข้อดี แต่ก็ยังคงเผชิญกับความท้าทายในเชิงพาณิชย์[ 11 ] [ 21 ]ในทางกลับกัน การถลุงยังคงเป็นวิธีการสกัดทองแดงที่คุ้มค่าที่สุดในเชิงพาณิชย์[ 11 ]