कॉपर (Cu) का धातु कर्म और औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख अयस्क

कॉपर (Cu) प्राकृतिक (मुक्त) और संयुक्त दोनों अवस्थाओं में पाया जाता है। इसका प्राथमिक व्यावसायिक निष्कर्षण सल्फाइड अयस्कों से होता है।

प्रमुख कॉपर अयस्क:

1. सल्फाइड अयस्क: ये सबसे सामान्य और आर्थिक रूप से महत्वपूर्ण हैं।

   • चैल्कोपाइराइट (कॉपर पाइराइट): CuFeS₂ (सबसे महत्वपूर्ण अयस्क)
   • चैल्कोसाइट (कॉपर ग्लान्स): Cu₂S
   • बॉर्नाइट (पीकॉक अयस्क): Cu₅FeS₄

2. ऑक्साइड अयस्क:

   • क्यूप्राइट (लाल कॉपर अयस्क): Cu₂O

3. कार्बोनेट अयस्क:

   • मैलेकाइट: CuCO₃·Cu(OH)₂
   • एज़्यूराइट: 2CuCO₃·Cu(OH)₂

अयस्क का सांद्रण

सल्फाइड अयस्कों के लिए सबसे महत्वपूर्ण चरण सांद्रण है, जो वांछित धातु के प्रतिशत को बढ़ाता है।

फेन प्लवन विधि

यह विधि मुख्य रूप से चैल्कोपाइराइट जैसे सल्फाइड अयस्कों के सांद्रण के लिए उपयोग की जाती है।

• सिद्धांत: अयस्क और गैंग के कणों के विभेदक गीलेपन के गुणों पर आधारित है। सल्फाइड अयस्क के कण तेल (हाइड्रोफोबिक) द्वारा अधिमान्य रूप से गीले होते हैं और फेन के साथ तैरते हैं, जबकि गैंग के कण पानी (हाइड्रोफिलिक) द्वारा गीले होते हैं और नीचे बैठ जाते हैं।
• प्रक्रिया:
  1. बारीक पिसे हुए अयस्क को पानी के साथ मिलाकर घोल (स्लरी) बनाया जाता है।
  2. संग्राहक (जैसे पाइन तेल, नीलगिरी तेल, जैंथेट्स) सल्फाइड अयस्क के कणों की गैर-गीलेपन को बढ़ाने के लिए मिलाए जाते हैं।
  3. फेन को स्थिर करने के लिए फेनकारी एजेंट (जैसे क्रेसोल, एनिलिन) मिलाए जाते हैं।
  4. यदि अशुद्धियों के रूप में अन्य सल्फाइड अयस्क (जैसे जिंक सल्फाइड) मौजूद हों, तो उन्हें फेन बनाने से रोकने के लिए अवनमक (जैसे NaCN या ZnS के लिए Na₂S) का उपयोग किया जा सकता है।
  5. मिश्रण में तेजी से हवा प्रवाहित की जाती है।
  6. तेल से लिपटे अयस्क के कण हवा के बुलबुलों से चिपक जाते हैं, सतह पर उठते हैं और एक फेन बनाते हैं, जिसे ऊपर से हटा दिया जाता है।
  7. गैंग के कण, भारी होने और पानी से गीले होने के कारण, नीचे बैठ जाते हैं।

कच्चे धातु में अपचयन

सांद्रित कॉपर अयस्क (मुख्यतः चैल्कोपाइराइट, CuFeS₂) कच्चे कॉपर को प्राप्त करने के लिए पाइरोमेटलर्जिकल चरणों की एक श्रृंखला से गुजरता है।

1. भर्जन

• प्रक्रिया: सांद्रित अयस्क को एक परावर्तनी भट्टी में नियंत्रित वायु आपूर्ति में तेजी से गर्म किया जाता है।
• उद्देश्य:
  • आर्द्रता और आर्सेनिक (As), एंटीमनी (Sb), और सल्फर (S) जैसी वाष्पशील अशुद्धियों को उनके वाष्पशील ऑक्साइड (जैसे SO₂, As₂O₃) के रूप में हटाता है।
  • सल्फाइड अयस्कों (CuFeS₂) को आंशिक रूप से ऑक्साइड और सल्फेट में परिवर्तित करता है।
  • आयरन सल्फाइड (FeS) को आयरन ऑक्साइड (FeO) में परिवर्तित करता है, जिसे हटाना आसान होता है।
• प्रमुख अभिक्रियाएँ:
  • 2CuFeS₂(s) + O₂(g) \rightarrow Cu₂S(s) + 2FeS(s) + SO₂(g) (आंशिक ऑक्सीकरण)
  • 2FeS(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2FeO(s) + 2SO₂(g)
  • S(s) + O₂(g) \rightarrow SO₂(g)
  • 4As(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2As₂O₃(g) (वाष्पशील)

2. प्रगलन

• प्रक्रिया: भर्जित अयस्क को सिलिका (रेत, SiO₂) के साथ मिलाया जाता है और एक परावर्तनी भट्टी में लगभग 1400-1500°C के तापमान पर तेजी से गर्म किया जाता है।
• उद्देश्य:
  • आयरन की अशुद्धियों को गलनीय धातुमल के रूप में हटाना।
  • कॉपर मैट बनाना।
• अभिक्रियाएँ:
  • भर्जन के दौरान बना आयरन ऑक्साइड (FeO), साथ ही कोई भी शेष FeS, मिलाई गई सिलिका के साथ अभिक्रिया करके पिघला हुआ आयरन सिलिकेट (धातुमल) बनाता है, जो हल्का होता है और सतह पर तैरता है।
  • FeO(s) + SiO₂(s) \rightarrow FeSiO₃(l) (धातुमल)
  • शेष Cu₂S और कोई भी अनऑक्सीकृत FeS पिघलकर एक भारी, गहरा तरल बनाते हैं जिसे कॉपर मैट कहते हैं।
• उत्पाद: कॉपर मैट (मुख्यतः Cu₂S जिसमें FeS की थोड़ी मात्रा होती है) और धातुमल (FeSiO₃) की एक अलग परत।

3. बेसेमरीकरण (परिवर्तन)

• प्रक्रिया: पिघले हुए कॉपर मैट को एक बड़े नाशपाती के आकार के बेसेमर कनवर्टर में स्थानांतरित किया जाता है, जो दुर्दम्य पदार्थों (सिलिका और मैग्नेशिया) से पंक्तिबद्ध होता है। पिघले हुए मैट के माध्यम से गर्म हवा (कभी-कभी ऑक्सीजन से समृद्ध) और सिलिका प्रवाहित की जाती है।
• उद्देश्य:
  • शेष FeS को FeO में ऑक्सीकृत करना और इसे धातुमल के रूप में हटाना।
  • Cu₂S को Cu₂O में ऑक्सीकृत करना, जो तब अनअभिकृत Cu₂S के साथ स्वतः-अपचयन से कच्चे कॉपर का उत्पादन करता है।
• अभिक्रियाएँ:
  • सबसे पहले, अवशिष्ट FeS को ऑक्सीकृत किया जाता है और धातुमल के रूप में हटा दिया जाता है:
    • 2FeS(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2FeO(s) + 2SO₂(g)
    • FeO(s) + SiO₂(s) \rightarrow FeSiO₃(l) (धातुमल)
  • एक बार जब सभी FeS हटा दिए जाते हैं, तो Cu₂S ऑक्सीकृत हो जाता है, और फिर स्वतः-अपचयन होता है:
    • 2Cu₂S(l) + 3O₂(g) \rightarrow 2Cu₂O(s) + 2SO₂(g)
    • 2Cu₂O(s) + Cu₂S(l) \rightarrow 6Cu(l) + SO₂(g) (स्वतः-अपचयन)
• उत्पाद: ब्लिस्टर कॉपर (लगभग 98% शुद्ध)। इसका नाम इसकी सतह की खुरदुरी, फफोलेदार उपस्थिति के कारण पड़ा है, जो जमने के दौरान SO₂ गैस के निकलने के कारण होती है।

4. अग्नि शोधन (पूलिंग)

• प्रक्रिया: ब्लिस्टर कॉपर को एक परावर्तनी भट्टी में पिघलाया जाता है और हरे लकड़ी या बांस के डंडों से हिलाया जाता है।
• उद्देश्य: ब्लिस्टर कॉपर में मौजूद किसी भी शेष कॉपर ऑक्साइड (Cu₂O) को वापस धात्विक कॉपर में अपचयित करना। हरी लकड़ी से निकलने वाले हाइड्रोकार्बन अपचायक एजेंट के रूप में कार्य करते हैं।
• अभिक्रिया:
  • 2Cu₂O(s) + C(s) \rightarrow 4Cu(l) + CO₂(g)
• उत्पाद: लगभग 99.5% शुद्ध कॉपर प्राप्त होता है, जो अभी भी विद्युत अनुप्रयोगों के लिए अपर्याप्त है।

शोधन और शुद्धिकरण

उच्च-शुद्धता वाले अनुप्रयोगों, विशेष रूप से विद्युत तारों के लिए, कॉपर को आगे के शोधन की आवश्यकता होती है।

वैद्युत अपघटनी शोधन

यह उच्च-शुद्धता वाले कॉपर (99.9% से 99.99%) प्राप्त करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है।

• सेटअप:
  • एनोड: अशुद्ध (ब्लिस्टर) कॉपर के मोटे ब्लॉक।
  • कैथोड: शुद्ध कॉपर की पतली चादरें।
  • विद्युत अपघट्य: कॉपर सल्फेट (CuSO₄) का एक जलीय घोल जिसे तनु सल्फ्यूरिक अम्ल (H₂SO₄) से अम्लीकृत किया गया है।
• प्रक्रिया:
  1. जब वैद्युत अपघटनी सेल से विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है, तो अशुद्ध कॉपर एनोड का ऑक्सीकरण होता है।
  2. एनोड से कॉपर Cu²⁺ आयनों के रूप में विद्युत अपघट्य में घुल जाता है।
     • एनोड अभिक्रिया (ऑक्सीकरण):
       • Cu (अशुद्ध एनोड) \rightarrow Cu²⁺(aq) + 2e⁻
  3. अशुद्ध एनोड में मौजूद अधिक विद्युतधनात्मक अशुद्धियाँ (जैसे Fe, Zn, Ni) भी अपने संबंधित आयनों (Fe²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺) के रूप में विद्युत अपघट्य में घुल जाती हैं।
  4. कम विद्युतधनात्मक अशुद्धियाँ (जैसे Ag, Au, Pt) नहीं घुलती हैं और सेल के तल में एनोड मड या एनोड स्लज के रूप में गिर जाती हैं, जो इन बहुमूल्य धातुओं का एक मूल्यवान स्रोत है।
  5. कैथोड पर, विद्युत अपघट्य से Cu²⁺ आयन विसरित होते हैं और शुद्ध कॉपर धातु में अपचयित हो जाते हैं, जो शुद्ध कॉपर की चादरों पर जमा हो जाता है।
     • कैथोड अभिक्रिया (अपचयन):
       • Cu²⁺(aq) + 2e⁻ \rightarrow Cu(s) (शुद्ध कॉपर जमाव)
  6. विद्युत अपघट्य में Cu²⁺ आयनों की सांद्रता अपेक्षाकृत स्थिर रहती है क्योंकि कॉपर एनोड से उसी दर से घुलता है जिस दर से यह कैथोड पर जमा होता है।
• परिणाम: उच्च-शुद्धता वाला कॉपर (अक्सर 99.99% शुद्ध), जो अपनी उत्कृष्ट चालकता के कारण विद्युत चालकों के लिए आवश्यक है।