Productie- en verwerkingsproces van kopererts
Koper (Cu) is een van de belangrijkste metalen in het moderne leven. De elektrische en thermische geleidbaarheid, corrosiebestendigheid en relatieve vervormbaarheid maken koper tot een sleutelmateriaal voor elektrische kabels, elektronische componenten, leidingen en zelfs industriële materialen voor hernieuwbare energie, zoals zonnepanelen en windturbines. Voordat koper echter een eindproduct wordt, moet het een lange reeks processen doorlopen, van mijnbouw en ertsverwerking tot raffinage en het vormen tot kathodes of andere commerciële vormen. Dit artikel bespreekt het algemene proces van koperertswinning en -verwerking, samen met de doelstellingen en werkingsprincipes in elke fase.
1. Exploratie en winning van kopererts
De eerste fase begint met exploratie om economisch winbare koperreserves te vinden. Exploratieactiviteiten omvatten geologische kartering, geofysische en geochemische onderzoeken en kernboringen om de kwaliteit, de verspreiding van de mineralen en het reservevolume te bepalen. Zodra een haalbaarheidsstudie en de benodigde vergunningen zijn verkregen, wordt de mijnbouw uitgevoerd met behulp van twee hoofdmethoden:
1. Dagbouw: gebruikt voor koperertsafzettingen die relatief dicht bij de oppervlakte liggen, zoals porfierkoper. Deze methode domineert de wereldwijde koperproductie omdat de reserves groot zijn, ook al is de ertsgehalte doorgaans laag.
2. Ondergrondse mijnbouw: toegepast wanneer de afzettingen dieper liggen of wanneer de geografische omstandigheden dagbouw niet toelaten.
Gedolven erts bevat over het algemeen koperhoudende mineralen zoals chalcopyriet (CuFeS₂), borniet (Cu₅FeS₄), chalcociet (Cu₂S) en oxidehoudende mineralen zoals malachiet (Cu₂CO₃(OH)₂) en azuriet. Naast koper bevat erts vaak onzuiverheden of bijbehorende mineralen zoals ijzer, zwavel, siliciumdioxide, goud, zilver en molybdeen.
2. Breken en vermalen
Het gewonnen erts is grof en moet daarom worden vermalen om de kopermineralen van het ganggesteente te scheiden. Dit proces bestaat uit twee fasen:
– Breken: het gebruik van een kaakbreker, kegelbreker of gyratorbreker om de grootte van het erts te verkleinen tot enkele centimeters.
– Malen: het gebruik van een kogelmolen of SAG-molen om fijnere deeltjes te produceren, meestal tot wel tientallen tot honderden micrometers groot.
Het hoofddoel van deze fase is het vrijmaken van kopermineralen uit de gesteentematrix. De mate van vrijmaking is cruciaal voor het succes van de daaropvolgende scheidingsprocessen.
3. Ertsconcentratie: Flotatie (voor sulfide-ertsen)
Voor sulfide-koperertsen is schuimflotatie de meest gebruikelijke methode. Bij dit proces wordt een fijne ertsbrij gemengd met water en bepaalde chemische reagentia:
– Collector: maakt het oppervlak van het kopermineraal hydrofoob, zodat het gemakkelijk aan luchtbellen blijft kleven.
– Schuimvormer: vormt stabiel schuim.
– Modifiers (activatoren, depressiva, pH-regulatoren): verhogen de scheidingsselectiviteit.
Er wordt lucht in de flotatiecel geblazen, waardoor de kopermineralen zich aan de bellen hechten en als schuim naar de oppervlakte stijgen, waar ze als koperconcentraat worden opgevangen. Het resterende niet-koperhoudende materiaal wordt als residu afgevoerd.
Het resulterende concentraat bevat doorgaans zo'n 20-35% koper, veel meer dan het oorspronkelijke erts, dat in sommige porfiermijnen slechts 0,4-1% koper kan bevatten.
4. Hydrometallurgische verwerking (voor oxide-ertsen)
Koperoxide-ertsen kunnen over het algemeen niet effectief worden verwerkt door middel van sulfideflotatie. Daarom worden hydrometallurgische methoden zoals:
1. Uitloging: erts of gemalen materiaal wordt opgestapeld (hoopuitloging) en overgoten met een zwavelzuuroplossing (H₂SO₄). Koper lost op in Cu²⁺-ionen in de uitlogingsoplossing.
2. Oplosmiddelextractie (SX): het scheiden en zuiveren van Cu²⁺ uit de uitloogoplossing met behulp van organische oplosmiddelen.
3. Elektrowinning (EW): het afzetten van zuiver koper op de kathode door middel van een elektrische stroom, waardoor een zeer zuivere koperen kathode ontstaat.
De SX-EW-route is erg populair omdat hiermee direct kathodes kunnen worden geproduceerd zonder te smelten, met name voor laagwaardige oxide-ertsen.
5. Het smelten van koperconcentraat
Voor sulfideconcentraten is de volgende stap pyrometallurgie. Het concentraat wordt gedroogd en vervolgens gesmolten in een oven (bijvoorbeeld een flash-smelter of een nagalmoven). Tijdens het smeltproces vindt scheiding plaats in twee hoofdfasen:
– Matte: een mengsel van koper- en ijzersulfiden, met een kopergehalte van ongeveer 45-70%.
– Slak: bevat oxiden en silicaten afkomstig van onzuiverheden zoals silica, ijzer en andere mineralen.
Tijdens het smelten ontstaan bij chemische reacties ook gassen die rijk zijn aan SO₂. In moderne installaties wordt SO₂ afgevangen en verwerkt tot zwavelzuur, waardoor de uitstoot wordt verminderd en een waardevol bijproduct ontstaat.
6. Omzetten naar blisterkoper
De matte uit de smelterij wordt vervolgens verwerkt in een converter (bijvoorbeeld een Pierce-Smith-converter). Lucht of zuurstof wordt ingeblazen om het ijzersulfide en de zwavel te oxideren.
– IJzer wordt geoxideerd tot FeO en komt vervolgens in de slak terecht.
Zwavel wordt geoxideerd tot SO₂.
Het eindresultaat is blaasjeskoper met een zuiverheid van ongeveer 98-99% Cu. Het wordt "blaasjeskoper" genoemd omdat het oppervlak vaak poreus lijkt door het vrijkomen van gassen tijdens het proces.
7. Raffinage: Vuurraffinage en elektroraffinage
Hoewel het kopergehalte in de blaasjes hoog is, bevatten ze nog steeds onzuiverheden zoals Fe, S, Ni, As, Sb en waardevolle elementen (Au, Ag, Pt, Pd) die verwijderd moeten worden. De raffinage wordt over het algemeen in twee stappen uitgevoerd:
1. Vuurraffinage: eerste raffinage in een oven om zuurstof en bepaalde onzuiverheden te verwijderen, waardoor een plaatvormige koperen anode ontstaat.
2. Elektroraffinage: de anode wordt elektrolytisch opgelost in een kopersulfaatoplossing. Zuiver koper slaat neer op de kathode als kathodekoper met een zuiverheid van 99,99%.
Edelmetalen zoals goud en zilver zijn onoplosbaar en slaan neer als anodeslib, dat vervolgens verder wordt verwerkt om de edelmetalen terug te winnen. Daarom produceert de koperindustrie vaak ook goud en zilver als bijproducten.
8. Drukwerk en eindproduct
Koperkathodes kunnen direct als internationale standaardproducten (bijv. LME Grade A) worden verkocht of tot andere vormen worden verwerkt:
– Draadstang voor elektrische kabels,
– koperen leidingen voor sanitair en verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC),
– platen/vellen voor de maakindustrie,
– legeringen zoals messing (Cu-Zn) en brons (Cu-Sn).
Deze fabricagefase wordt doorgaans uitgevoerd in een walserij, extrusie- of draadtrekinstallatie, afhankelijk van het gewenste product.
9. Milieu- en afvalbeheer
Bij de verwerking van kopererts ontstaan afvalstoffen, slakken en gasemissies. Daarom zijn milieuaspecten van cruciaal belang:
– Afvalstoffen worden opgeslagen in afvaldammen, waarbij de stabiliteit en waterkwaliteit worden gecontroleerd.
– Proceswater wordt vaak gerecycled om het verbruik van vers water te verminderen.
– Het SO₂ uit de smelterij wordt opgevangen voor de productie van zwavelzuur.
– Landaanwinning vindt plaats nadat de mijnbouw is voltooid.
Moderne milieunormen vereisen een lagere stofuitstoot, efficiënter energiegebruik en een veilige omgang met chemicaliën zoals zwavelzuur.
conclusie
Het proces voor de productie van koper uit erts omvat een complexe technologische reeks: beginnend met mijnbouw, breken en malen, mineraalscheiding door middel van flotatie of uitloging, en vervolgens raffinage door middel van smeltconversie of SX-EW, om hoogwaardige koperkathodes te produceren. De keuze voor dit proces hangt sterk af van het ertstype (sulfide of oxide), het kopergehalte, evenals economische en milieuoverwegingen. Met de toenemende wereldwijde vraag naar elektriciteit, elektrische voertuigen en hernieuwbare energie is efficiënte en duurzame koperproductie essentieel voor de toekomstige ontwikkeling van de industrie.
