કોપર (Cu) નું ધાતુશાસ્ત્ર અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી પ્રાપ્તિ અને મુખ્ય ખનીજો

કોપર (Cu) મૂળ (મુક્ત) અને સંયુક્ત બંને અવસ્થામાં જોવા મળે છે. તેનું પ્રાથમિક વ્યાપારી નિષ્કર્ષણ સલ્ફાઇડ ખનીજોમાંથી થાય છે.

મુખ્ય કોપર ખનીજો:

1. સલ્ફાઇડ ખનીજો: આ સૌથી સામાન્ય અને આર્થિક રીતે મહત્વપૂર્ણ છે.

   • ચાલ્કોપાયરાઈટ (કોપર પાયરાઈટસ): CuFeS₂ (સૌથી મહત્વપૂર્ણ ખનીજ)
   • ચાલ્કોસાઈટ (કોપર ગ્લાન્સ): Cu₂S
   • બોર્નાઈટ (પીકોક ઓર): Cu₅FeS₄

2. ઓક્સાઇડ ખનીજો:

   • ક્યુપ્રાઈટ (લાલ કોપર ખનીજ): Cu₂O

3. કાર્બોનેટ ખનીજો:

   • મેલાકાઇટ: CuCO₃·Cu(OH)₂
   • એઝ્યુરાઇટ: 2CuCO₃·Cu(OH)₂

ખનીજનું સાંદ્રણ

સલ્ફાઇડ ખનીજો માટે સૌથી મહત્વપૂર્ણ પગલું સાંદ્રણ છે, જે ઇચ્છિત ધાતુની ટકાવારીમાં વધારો કરે છે.

ફ્રોથ ફ્લોટેશન પ્રક્રિયા

આ પદ્ધતિ મુખ્યત્વે ચાલ્કોપાયરાઈટ જેવા સલ્ફાઇડ ખનીજોના સાંદ્રણ માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

• સિદ્ધાંત: ખનીજ અને ગેંગ કણોના ભિન્ન ભીંજાવાના ગુણધર્મો પર આધારિત છે. સલ્ફાઇડ ખનીજના કણો તેલ દ્વારા પ્રાધાન્યપણે ભીંજાય છે (જળવિરાગી) અને ફીણ સાથે તરે છે, જ્યારે ગેંગ કણો પાણી દ્વારા ભીંજાય છે (જળરાગી) અને નીચે બેસી જાય છે.
• પ્રક્રિયા:
  1. ઝીણા પાવડર કરેલા ખનીજને પાણી સાથે ભેળવીને સ્લરી બનાવવામાં આવે છે.
  2. સંગ્રાહકો (દા.ત., પાઈન તેલ, નીલગિરી તેલ, ઝેન્થેટ્સ) ઉમેરવામાં આવે છે જેથી સલ્ફાઇડ ખનીજના કણોની બિન-ભીંજાવાની ક્ષમતા વધે.
  3. ફીણ ઉત્પન્ન કરતા પદાર્થો (દા.ત., ક્રેસોલ, એનિલાઇન) ફીણને સ્થિર કરવા માટે ઉમેરવામાં આવે છે.
  4. અવરોધકો (દા.ત., ZnS માટે NaCN અથવા Na₂S) નો ઉપયોગ અન્ય સલ્ફાઇડ ખનીજો (જેમ કે ઝિંક સલ્ફાઇડ) ને ફીણ બનાવવાથી પસંદગીપૂર્વક રોકવા માટે કરી શકાય છે જો તેઓ અશુદ્ધિઓ તરીકે હાજર હોય.
  5. મિશ્રણમાંથી હવા જોરશોરથી પસાર કરવામાં આવે છે.
  6. તેલથી ઢંકાયેલા ખનીજના કણો હવાના પરપોટા સાથે ચોંટી જાય છે, સપાટી પર આવે છે અને ફીણ બનાવે છે, જેને અલગ કરવામાં આવે છે.
  7. ગેંગ કણો, ભારે હોવાથી અને પાણી દ્વારા ભીંજાયેલા હોવાથી, તળિયે બેસી જાય છે.

કાચી ધાતુમાં ઘટાડો

સાંદ્રિત કોપર ખનીજ (મુખ્યત્વે ચાલ્કોપાયરાઈટ, CuFeS₂) કાચું કોપર મેળવવા માટે પાયરોમેટલર્જિકલ પ્રક્રિયાઓની શ્રેણીમાંથી પસાર થાય છે.

1. ભુંજન (Roasting)

• પ્રક્રિયા: સાંદ્રિત ખનીજને પરાવર્તક ભઠ્ઠીમાં હવાના નિયંત્રિત પુરવઠામાં તીવ્રપણે ગરમ કરવામાં આવે છે.
• હેતુ:
  • ભેજ અને બાષ્પશીલ અશુદ્ધિઓ જેવી કે આર્સેનિક (As), એન્ટિમની (Sb), અને સલ્ફર (S) ને તેમના બાષ્પશીલ ઓક્સાઇડ (દા.ત., SO₂, As₂O₃) તરીકે દૂર કરે છે.
  • સલ્ફાઇડ ખનીજો (CuFeS₂) ને આંશિક રીતે ઓક્સાઇડ અને સલ્ફેટમાં રૂપાંતરિત કરે છે.
  • આયર્ન સલ્ફાઇડ (FeS) ને આયર્ન ઓક્સાઇડ (FeO) માં રૂપાંતરિત કરે છે, જે દૂર કરવું સરળ છે.
• મુખ્ય પ્રતિક્રિયાઓ:
  • 2CuFeS₂(s) + O₂(g) \rightarrow Cu₂S(s) + 2FeS(s) + SO₂(g) (આંશિક ઓક્સિડેશન)
  • 2FeS(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2FeO(s) + 2SO₂(g)
  • S(s) + O₂(g) \rightarrow SO₂(g)
  • 4As(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2As₂O₃(g) (બાષ્પશીલ)

2. ગાળણ (Smelting)

• પ્રક્રિયા: ભુંજેલા ખનીજને સિલિકા (રેતી, SiO₂) સાથે ભેળવીને પરાવર્તક ભઠ્ઠીમાં આશરે 1400-1500°C તાપમાને તીવ્રપણે ગરમ કરવામાં આવે છે.
• હેતુ:
  • લોખંડની અશુદ્ધિઓને ગલનીય ધાતુમળ (slag) તરીકે દૂર કરવી.
  • કોપર મેટ (copper matte) બનાવવું.
• પ્રતિક્રિયાઓ:
  • ભુંજન દરમિયાન બનેલો આયર્ન ઓક્સાઇડ (FeO), કોઈપણ બાકી રહેલા FeS સાથે, ઉમેરેલી સિલિકા સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને પીગળેલ આયર્ન સિલિકેટ (ધાતુમળ) બનાવે છે, જે હલકું હોય છે અને સપાટી પર તરે છે.
  • FeO(s) + SiO₂(s) \rightarrow FeSiO₃(l) (ધાતુમળ)
  • બાકી રહેલું Cu₂S અને કોઈપણ બિન-ઓક્સિડાઇઝ્ડ FeS પીગળીને ભારે, ઘેરા પ્રવાહી બનાવે છે જેને કોપર મેટ તરીકે ઓળખાય છે.
• ઉત્પાદન: કોપર મેટ (મુખ્યત્વે Cu₂S અને થોડી માત્રામાં FeS) અને ધાતુમળ (FeSiO₃) નું એક અલગ સ્તર.

3. બેસેમેરાઇઝેશન (રૂપાંતરણ)

• પ્રક્રિયા: પીગળેલા કોપર મેટને મોટા પિઅર આકારના બેસેમર કન્વર્ટરમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે, જે રીફ્રેક્ટરીઝ (સિલિકા અને મેગ્નેશિયા) થી લાઇન કરેલું હોય છે. પીગળેલા મેટમાંથી ગરમ હવા (કેટલીકવાર ઓક્સિજનથી સમૃદ્ધ) અને સિલિકા પસાર કરવામાં આવે છે.
• હેતુ:
  • બાકી રહેલા FeS ને FeO માં ઓક્સિડાઇઝ કરવું અને તેને ધાતુમળ તરીકે દૂર કરવું.
  • Cu₂S ને Cu₂O માં ઓક્સિડાઇઝ કરવું, જે પછી બિન-પ્રતિક્રિયા પામેલા Cu₂S સાથે સ્વ-ઘટાડો કરીને કાચું કોપર ઉત્પન્ન કરે છે.
• પ્રતિક્રિયાઓ:
  • પ્રથમ, અવશેષ FeS ઓક્સિડાઇઝ થાય છે અને ધાતુમળ તરીકે દૂર થાય છે:
    • 2FeS(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2FeO(s) + 2SO₂(g)
    • FeO(s) + SiO₂(s) \rightarrow FeSiO₃(l) (ધાતુમળ)
  • એકવાર બધું FeS દૂર થઈ જાય, પછી Cu₂S ઓક્સિડાઇઝ થાય છે, અને પછી સ્વ-ઘટાડો થાય છે:
    • 2Cu₂S(l) + 3O₂(g) \rightarrow 2Cu₂O(s) + 2SO₂(g)
    • 2Cu₂O(s) + Cu₂S(l) \rightarrow 6Cu(l) + SO₂(g) (સ્વ-ઘટાડો)
• ઉત્પાદન: બ્લિસ્ટર કોપર (આશરે 98% શુદ્ધ). ઘનતાકરણ દરમિયાન SO₂ વાયુના બહાર નીકળવાને કારણે તેની સપાટી પર ખરબચડી, ફોલ્લાવાળી દેખાવને કારણે તેનું નામ આપવામાં આવ્યું છે.

4. ફાયર રિફાઇનિંગ (પોલિંગ)

• પ્રક્રિયા: બ્લિસ્ટર કોપરને પરાવર્તક ભઠ્ઠીમાં પીગાળવામાં આવે છે અને લીલા લાકડા અથવા વાંસના દાંડા વડે હલાવવામાં આવે છે.
• હેતુ: બ્લિસ્ટર કોપરમાં રહેલા કોઈપણ બાકીના કોપર ઓક્સાઇડ (Cu₂O) ને ફરીથી ધાતુ કોપરમાં ઘટાડવા. લીલા લાકડામાંથી નીકળતા હાઇડ્રોકાર્બન રિડ્યુસિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે.
• પ્રતિક્રિયા:
  • 2Cu₂O(s) + C(s) \rightarrow 4Cu(l) + CO₂(g)
• ઉત્પાદન: આશરે 99.5% શુદ્ધ કોપર મળે છે, જે હજુ પણ વિદ્યુત એપ્લિકેશનો માટે અપૂરતું છે.

શુદ્ધિકરણ અને વિશોધન

ઉચ્ચ-શુદ્ધતાની એપ્લિકેશનો માટે, ખાસ કરીને વિદ્યુત વાયરિંગ માટે, કોપરને વધુ શુદ્ધિકરણની જરૂર પડે છે.

વિદ્યુત વિભાજન શુદ્ધિકરણ

ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળું કોપર (99.9% થી 99.99%) મેળવવા માટે આ સૌથી મહત્વપૂર્ણ અને વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિ છે.

• ગોઠવણી:
  • એનોડ: અશુદ્ધ (બ્લિસ્ટર) કોપરના જાડા બ્લોક્સ.
  • કેથોડ: શુદ્ધ કોપરની પાતળી શીટ્સ.
  • વિદ્યુત વિભાજ્ય: કોપર સલ્ફેટ (CuSO₄) નું જલીય દ્રાવણ, જે મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડ (H₂SO₄) વડે એસિડિફાઇડ કરવામાં આવે છે.
• પ્રક્રિયા:
  1. જ્યારે વિદ્યુત વિભાજન કોષમાંથી વિદ્યુત પ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે છે, ત્યારે અશુદ્ધ કોપર એનોડનું ઓક્સિડેશન થાય છે.
  2. એનોડમાંથી કોપર Cu²⁺ આયનો તરીકે વિદ્યુત વિભાજ્યમાં ઓગળી જાય છે.
     • એનોડ પ્રતિક્રિયા (ઓક્સિડેશન):
       • Cu (અશુદ્ધ એનોડ) \rightarrow Cu²⁺(aq) + 2e⁻
  3. અશુદ્ધ એનોડમાં હાજર વધુ વિદ્યુત ધન અશુદ્ધિઓ (દા.ત., Fe, Zn, Ni) પણ તેમના સંબંધિત આયનો (Fe²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺) તરીકે વિદ્યુત વિભાજ્યમાં ઓગળી જાય છે.
  4. ઓછી વિદ્યુત ધન અશુદ્ધિઓ (દા.ત., Ag, Au, Pt) ઓગળતી નથી અને કોષના તળિયે એનોડ મડ અથવા એનોડ સ્લજ તરીકે જમા થાય છે, જે આ કિંમતી ધાતુઓ માટે એક મૂલ્યવાન સ્ત્રોત છે.
  5. કેથોડ પર, વિદ્યુત વિભાજ્યમાંથી Cu²⁺ આયનો સ્થળાંતર કરે છે અને શુદ્ધ કોપર ધાતુમાં રિડ્યુસ થાય છે, જે શુદ્ધ કોપર શીટ્સ પર જમા થાય છે.
     • કેથોડ પ્રતિક્રિયા (ઘટાડો):
       • Cu²⁺(aq) + 2e⁻ \rightarrow Cu(s) (શુદ્ધ કોપર જમાવટ)
  6. વિદ્યુત વિભાજ્યમાં Cu²⁺ આયનોની સાંદ્રતા પ્રમાણમાં સ્થિર રહે છે કારણ કે કોપર એનોડમાંથી જે દરે ઓગળે છે તે જ દરે કેથોડ પર જમા થાય છે.
• પરિણામ: ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળું કોપર (ઘણીવાર 99.99% શુદ્ધ), તેની ઉત્તમ વાહકતાને કારણે વિદ્યુત વાહક માટે આવશ્યક છે.