کلیاتی در مورد مس

۱- کلیات روش های تولید مس

روش های تولید مس از سنگ معدن در صنعت، شامل دو روش عمده پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی  می باشد. روش پیرومتالورژی شامل مراحل استخراج کانسنگ، پرعیارکردن، ذوب و ریخته گری آند و در نهایت پالایش الکترولیزی و دستیابی به مس خالص می باشد. روش هیدرومتالورژی شامل مراحل استخراج کانسنگ، خردابش/آگلومراسیون انحلال و پالایش است.

۲- هیدرومتالورژی و ضرورت آن

امروزه جهت گیری و رویکرد صنعت تولید مس به سوی روش های هیدرومتالورژی می باشد. این امر با توجه هزینه های سنگین مواد اولیه، سرمایه گذاری بالا ، نیروی انسانی و وجود مشکلاتی نظیر آلودگی‫های زیست محیطی، مصرف بالای انرژی و عدم امکان استفاده مجدد از مواد مصرفی، روز به روز از اهمیت بیشتری برخوردار می گردد.

تحولات و پیشرفت این رشته در صنعت متالورژی استخراجی، ناشی از سازگاری بیشتر این روش با محیط زیست و مصرف کمتر انرژی می باشد که گسترش آن مرهون کشف و ساخت حلال ها و رزین‫های آلی انتخابی و کاربرد میکروارگانیسم ها بوده است. آمار و اطلاعات گزارش شده نشان می‫دهد که با پیشرفت و توسعه فرآیندهای هیدرومتالورژی در سال های اخیر، روند افزایش تولید مس و سایر فلزات پایه از این روش افزایش چشمگیری داشته است. به طوری که سهم تولید مس به کمک روش هیدرومتالورژی، از ۱۵ درصد در سال ۱۹۹۸ به ۲۰ درصد در سال ۲۰۰۳ افزایش یافته است و بررسی ها و پیش بینی های انجام شده توسط سازمان های معتبر بین المللی حاکی از استمرار روند صعودی تولید هیدرومتالورژی و کاهش تولید به روش پیرومتالورژی در سال‫های آینده می‫باشد.

۳- روش هیدرومتالورژی

در روش هیدرومتالورژی، کانسنگ های معدنی پس از استخراج از معدن تحت عملیات خردایش و آگلومراسیون قرار گرفته و با انجام عملیات انحلال (لیچینگ ) بر روی آن، محلول حاوی عنصر معدنی حاصل می‫شود. در ادامه فلز مس از این محلول به کمک فرآیند های پالایش (جدایش با حلال یا تبادل یونی و الکترووینینگ) استحصال می گردد. روش های انحلال عموماً به دو دسته اصلی انحلال بدون کمک میکروارگانیسم و انحلال به کمک میکروارگانیسم ها قابل تفکیک می‫باشد.

در طی فرآیند لیچینگ، کانسنگ حاوی کانی های عناصر (مانند مس) قابل حل توسط یک عامل شیمیایی (مانند اسید سولفوریک)، با قرار گرفتن در مجاورت محلول آبی حاوی این عامل در شرایط شیمیایی و فیزیکی مناسب، دچار انحلال شده و عناصر مورد نظر در اثر این انحلال به صورت یون درآمده و از آن جدا می شوند. روش لیچینگ خود به انواع مختلف شامل لیچینگ توده ای، لیچینگ درجا لیچینگ با همزن، لیچینگ حوضچه ای و لیچینگ تحت فشار تقسیم می گردد. در روش لیچینگ توده ای یا هیپ لیچینگ،کانسنگ به صورت توده ای در محلی انباشته شده و محلول حاوی عامل شیمیایی از بالا بر روی آن ریخته می‫شود تا در اثر جریان ثقل از میان خلل و فرج موجود در توده کانسنگ عبور کرده و کانی مورد نظر را حل کند. در مورد کانسنگ مس، کانی‫های اصلی مس‫دار شامل کانی های اکسیدی (مانند مالاکیت یا کربنات مس و…..) و کانی های سولفیدی (مانند کالکوپیریت یا سولفید مس و آهن و….) هستند.

در روش هیپ لیچینگ با پاشش محلول اسید سولفوریک تحت شرایط شیمیایی و فیزیکی مناسب، کانی های اکسیدی مس به راحتی حل می‫شوند. لیکن در مورد کانی های سولفیدی این فرآیند قدری پیچیده تر می شود و اسید به تنهایی امکان انحلال سریع این کانی ها را ندارد. بنابراین از گذشته تاکنون کوشش های در این راستا صورت گرفته است تا بتوان کانی های سولفیدی مس را به روش لیچینگ حل نمود که این تلاش ها منجر به ابداع روش های مختلفی از جمله بیولیچینگ گردید.

۳-۱- بیولیچینگ

بخش زیادی از ذخایر معدن مس جهان، متشکل ازانواع کانسنگ های سولفیدی می باشد، حال آنکه حداکثر ۱۰ درصد از ذخایر مس جهان از نوع کانسنگ های اکسیدی است که امکان انحلال آنها به کمک اسیدسولفوریک وجود دارد. بنابراین یافتن راه حلی جهت به کارگیری حجم عظیم کانسنگ‫های سولفیدی با روش لیچینگ، همواره در سرلوحه امور پژوهشی و تحقیقاتی کشورهای صاحب این صنعت قرار داشته است.

یکی از راهکارهای پیشنهاد شده در این زمینه کمک گرفتن از عملکرد انواع عوامل بیولوژیکی به ویژه باکتری های مختلف است. اندیشه این راهکار از آنجا به وجود آمد که در بسیاری از معادن مس جهان مشاهده می شد توده های کانسنگ سولفیدی در اثر نفوذ آب تا حدی دچار انحلال می گردند و محلول های سبزرنگ (حاوی یون آهن) و آبی رنگ (حاوی یون مس) از آنها تراوش می کند. با بررسی و مطالعه عوامل این پدیده، پژوهشگران به عملکرد بعضی از باکتری های موجود در این آب ها مشکوک شدند و در تحقیقات بعدی ثابت شد که این عوامل بیولوژیکی، هنگامی که محیط مناسبی برای حیات داشته باشند، انرژی موردنیاز و غذای خود را از اکسیداسیون گوگرد و آهن موجود در کانی های سولفیدی این کانسنگ ها به دست می آورند. در تحقیقات بعدی انواع این باکتری ها شناسایی شد که هرکدام در شرایط شیمیایی و فیزیکی خاصی (اعم از دما و pH) می توانستند به حیات و عملکرد خود ادامه دهند.

به تدریج بشر به این فکر افتاد که از این فرآیند به نحوی اقتصادی بهره برداری کند و این باکتری ها را جهت دستیابی به منافع اقتصادی خود به کار گیرد. در این ارتباط از حدود ۵۰ سال قبل فعالیت هایی آغاز شده و با گسترش تکنولوژی لیچینگ جهت استحصال مس از کانسنگ های اکسیدی، تلاش بر این شد که با پاشش محلول اسید و باکتری برروی توده های کانسنگ سولفیدی، بتوان محلول حاوی یون مس به دست آورد. با انجام این فعالیت ها مشخص گردیدکه تکنولوژی جدید لیچینگ با عوامل بیولوژیکی یا به اختصار بیولیچینگ، به ویژه در مورد کانسنگ های سولفیدی کم‫عیار اقتصادی ترمی باشد.

بیولیچینگ به مفهوم استفاده از قابلیت میکروارگانیسم ها در عملیات انحلال سولفیدهای فلزی به منظور بازیابی و تولید فلزات می‫باشد. سابقه استفاده از این تکنولوژی به سال های ۱۹۵۰ برمی‫گردد. توسعه این روش در دنیا به حدی بوده است که امروزه در امریکا بیش از ۲۰ درصد از استحصال مس به روش میکروبی می باشد. در بسیاری از کشورهای دیگر از جمله شیلی، استرالیا، آفریقای جنوبی، کانادا، چین، پرو و دیگر مناطق از این تکنیک برای بازیابی فلزات اصلی و گرانبها استفاده می شود.

مکانیزم فرآیند بیولیچینگ

میکروارگانیسم های مورد استفاده در فرآیند بیولیچینگ انرژی مورد نیاز خود را ازاکسیداسیون آهنFe۲+ به Fe۳+ (۳۱kg/mol Fe۲+) به دست می آورند. بسیاری از باکتری هایی که آهن را اکسید می کنند، قادر به اکسیداسیون گوگرد نیز می باشند. این باکتری ها تنها در محیط های اسیدی می‫توانند به حیات خود ادامه دهند.

کانی سولفید آهن (FeS۲) تقریباً در هر سنگ معدنی سولفیدی وجود دارد و اکسیداسیون آن توسط باکتری منجر به تشکیل یون فریک می گردد. این یون نیز عامل اکسید کننده مناسبی برای کانی های سولفیدی است. واکنش سولفید مس با یون فریک، باعث انحلال مس و تشکیل Fe۲+ می شود.

CuS +Fe۳+ + H۲O ­­­­­––––­­> Fe۲+ + Cu۲+ + SO۴۲-

از طرفی باکتری با اکسید کردن Fe۲+ (طرف دوم واکنش) به Fe۳+ (مورد نیاز در طرف اول واکنش) موجب افزایش سرعت واکنش می گردد. به این ترتیب باکتری نقش کاتالیزور را ایفا می کند.

۳-۱-۲- باکتری های مورد استفاده در فرآیند بیولیچینگ

باکتری ها یکی از ساده ترین انواع موجودات زنده هستند که مهمترین پارامترهای تقسیم بندی آنها شامل شکل باکتری، مقاومت حرارتی باکتری و خودکفایی غذایی باکتری می باشند. به طور کلی باکتری ها از نظر شکل به سه دسته کلی باسیلی (میله ای)، کوکسی (کروی)، اسپریل (مارپیچی) تقسیم بندی می شوند. ضمناً از نظر مقاومت در مقابل حرارت، این موجودات را می توان به چهار دسته ساکروفیل ، مزوفیل، ترموفیل معتدل، ترموفیل مطلق دسته بندی نمود. ساکروفیل ها که به باکتری های سرما دوست معروف هستند، در دمای زیر ۱۵ درجه سانتیگراد قادر به فعالیت می باشند. مزوفیل ها در دمای بین ۲۵ الی ۴۵ درجه سانتیگراد زندگی می کنند که مهمترین آنها تیوباسیلوس‫ فرواکسیدانس و تیوباسیلوس تیواکسیدانس و لپتوسپیریلیوم فرواکسیدانس می باشد. این باکتری ها اسیددوست بوده و pH مناسب برای فعالیت آنها ۵/۱ الی ۵/۳ است. ترموفیل‫های معتدل در دمای ۴۵ الی ۶۰ درجه سانتیگراد زندگی می کنند که مهمترین آنها سولفوباسیلوس‫ها می باشند. باکتری های ترموفیل مطلق به باکتری های گرمادوست معروف هستند که در دمای بالاتر از ۶۰ درجه سانتیگراد زندگی می کنند و مهمترین گونه آنها سولفولوبوس ها هستند.

باکتری ها از نظر خودکفایی غذایی به دو دسته اتوتروف و هتروتروف  طبقه بندی می شوند. اتوتروف ها که قادر به تامین مواد موردنیاز خود می باشند، اکسیژن، کربن و نیتروژن موردنیازشان را از CO۲ ونیتروژن موجود در هوا به دست می آورند. هتروتروف ها قادر به تامین مواد مورد نیازشان نیستند و مواد لازم باید در اختیارشان قرار گیرد. آنها کربن موردنیازشان را از مواد آلی به دست می‫آورند.

۴- ضرورت انتخاب روش بیولیچینگ در ایران

با توجه به حجم عظیم ذخایر کانسنگ های سولفیدی در کشور، در راستای دستیابی به تکنولوژی بیولیچینگ جهت فرآوری انواع مختلف کانسنگ های مس، کنسانتره ها و حتی سرباره های فرآیندهای ذوب مس، تلاش های شایان توجهی توسط کارشناسان مجتمع مس سرچشمه صورت گرفته است. این پژوهش ها و مطالعات که از اوایل سال ۱۳۷۳ (۱۹۹۴ میلادی) آغاز شده، تاکنون نتایج پرباری در پی داشته است که در ادامه به آن پرداخته شده است.

در این ارتباط پژوهش ها و مطالعات یاد شده با هدایت مدیریت بخش های زیر در مجتمع به انجام رسیده است و هم اکنون نیز ادامه دارد:

طرح هیدرومتالورژی مجتمع مس سرچشمه

امور تحقیقات و توسعه مجتمع مس سرچشمه

۴-۱- فعالیت های انجام شده

در این راستا انواع آزمایش ها و مطالعات بیولیچینگ بر روی نمونه های مختلف شامل کانسنگ، کنسانتره و سرباره مس صورت گرفته است که از دیدگاه های مختلف دارای تنوع می باشد:

۴-۱-۱- نوع ماده معدنی:

انواع مختلف کانسنگ مربوط به معادن مختلف مس ایران (مس سرچشمه، مس دره زار، مس میدوک، مس سونگون اهر، مس دره زرشک یزد،……)، کنسانتره مس محصول کارخانه تغلیظ سرچشمه، سرباره های کوره ذوب

۴-۱-۲- مطالعات و تست های آزمایشگاهی:

انواع تست های آزمایشگاهی به شرح زیر به انجام رسیده است:

  • تست های Roll Bottle و Shake Flask جهت بررسی امکان پاسخ دهی کانسنگ به فرآیند بیولیچینگ

  • تست های شناسایی، جداسازی، کشت و پرورش باکتری ها

  • تست های مرتبط با شناسایی و انتخاب محیط کشت بهینه برای باکتری ها

  • تست های سم شناسی و امکان حیات باکتری در شرایط فیزیکی و شیمیایی مختلف

  • تست های سینتکی و مطالعات ژنتیکی

۴-۱-۳- تست های ستونی:

تست های ستونی به تعداد زیاد با تغییر پارامتر های مختلف به شرح زیر انجام شده است:

  • تغییر نوع و دانه بندی کانسنگ

  • تغییر قطر وارتفاع ستون

  • تغییر شرایط شیمیایی (مصرف اسید، دبی پاشش، pH،……)

  • تغییر میکروارگانیسم ها (تیوباسیلوس تیواکسیدانس، تیوباسیلوس فرواکسیدانس، لپتوسپریلیوم فرواکسیدانس،……)

۴-۱-۴- طراحی بیوهیپ در مقیاس نیمه صنعتی:

  • مطالعات فنی و اقتصادی جهت افزایش مقیاس آزمایش ها و استفاده از نتایج آنها در مقیاس پایلوت

  • احداث دو بیوهیپ در محوطه ای درغرب معدن مس سرچشمه همراه با کارخانه کوچک SX/EW (SX/EW Mini Plant) (سال ۱۳۷۵، ۱۹۹۶) و نیز واحد سمانتاسیون جهت:

    • بررسی صحت و سقم نتایج پیشین حاصل از مطالعات آزمایشگاهی

    • افزایش حجم نمونه ها جهت بررسی میزان نماینده بودن آنها

    • دسترسی به اطلاعات عملیاتی و معیار های طراحی بیوهیپ صنعتی

۴-۱-۵- اجرای عملیات نیمه صنعتی (۱۳۸۰-۱۳۷۵)

– استفاده از کانسنگ مس کم عیار معادن مس سرچشمه و دره زار

– احداث دو بیوهیپ با تناژ کانسنگ ۱۸۰۰ تن در m۲۴۶۰ به ارتفاع ۵ متر با بازیابی حدود ۶۰ درصد

۵ اقدامات در حال انجام و برنامه های آینده

۵-۱- عملیات نیمه صنعتی بزرگ مقیاس (پایلوت بیوهیپ لیچینگ سرچشمه)

عملیات احداث پایلوت بیوهیپ لیچینگ سرچشمه با هدف انجام آزمایش های تکمیلی نهایی جهت بررسی امکان استحصال مس از کانسنگ مس سولفیدی کم عیار ( مخلوط کانی های کالکوپیریت[۲۹] و کالکوسیت [۳۰]معدن دره زار) از سال ۱۳۸۲ آغاز و به مدت حدود ۲ سال ادامه خواهد داشت. البته مطالعات آزمایشگاهی و تکمیلی این بخش از سال ۱۳۸۰ آغاز شده و تا اواخر سال ۱۳۸۲ ادامه داشت. این پروژه در قالب طرح هیدرومتالورژی مجتمع مس سرچشمه شامل ۳ بخش معدن مس دره زار، بیوهیپ و کارخانه SX/EW می باشد (افتخار طراحی این کارخانه متعلق به کارشناسان شرکت صنایع مس ایران است).

در طی عملیات اجرایی ۳ بیوهیپ جداگانه هر کدام با تناژ حدود ۲۵۰۰۰ تن متشکل از مخلوط کانسنگ های کم عیار معدن مس دره زار شامل سوپرژن (حدود ۳۰٪) و هیپوژن (حدود ۷۰٪) احداث خواهد شد. جهت بازیابی مس از محلول حاصل از عملیات بیولیچینگ، یک کارخانه پایلوت SX/EW به ظرفیت تولید روزانه ۱ الی ۲ تن مس کاتد احداث می شود (این پروژه تاکنون حدود ۵۰ درصد پیشرفت داشته است).

در این ارتباط جهت بهره گیری از اطلاعات، دانش فنی و تجربیات و نیز همگامی با سایر کشور‫های پیشرو در زمینه تکنولوژی بیولیچینگ، شرکت Mintek آفریقای جنوبی به عنوان مشاور خارجی و شرکت NIPEC به عنوان مشاور داخلی طرح به همکاری دعوت شده اند. ضمناً دو شرکت ملی صنایع مس ایران NICICo. وMintek در مالکیت تکنولوژی حاصل شده سهیم خواهند بود.

۶ اهداف

اهداف کلان راه اندازی این طرح را می توان به صورت زیر برشمرد:

+اثبات قطعی کارآیی تکنولوژی بیولیچینگ جهت استحصال مس از کانسنگ‫های سولفیدی (کم عیار، مخلوط کالکوپیریت و کالکوسیت)

+دستیابی به اطلاعات و دانش فنی جهت انجام مطالعات امکان سنجی فنی و اقتصادی برای راه اندازی واحد صنعتی بیوهیپ لیچینگ (۸۰ میلیون تنی با ظرفیت تولید ۱۵۰۰۰ تن مس کاتد در سال)

+ارسال محلول حاوی یون مس ( PLS) حاصل از عملیات بیوهیپ لیچینگ در مقیاس صنعتی جهت امکان استفاده طولانی مدت از کارخانه SX/EW سرچشمه (با توجه به اتمام ذخایر اکسیدی این معدن تا پایان سال۱۳۸۴ )

+در فاز های بعدی به کمک این تکنولوژی تولید سالانه مس کاتد افزایش خواهد یافت که با به کارگیری بخشی از کانسنگ سولفیدی کم‫عیار معدن مس سرچشمه و نیز با استفاده از ذخایر سولفیدی کم عیار معادن مس میدوک شهر بابک، سونگون اهر و دره زرشک یزد، میزان افزایش تولید مس کاتد با این روش در کشور به مرز ۲۵ هزار تن در سال خواهد رسید.

+ضمناً شرکت های .NICICo و Mintek آماده صدور تکنولوژی به سایر کشور های دنیا و توسعه آن در سطح جهان خواهند بود.

منبع : انجام پایان نامه

Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedin