तांब्याचे (Cu) धातुकर्म आणि औद्योगिक निष्कर्षण

नैसर्गिक उपलब्धता आणि प्रमुख खनिजे

तांबे (Cu) नैसर्गिक (मुक्त) तसेच संयुक्त दोन्ही अवस्थांमध्ये आढळते. त्याचे मुख्य व्यावसायिक निष्कर्षण सल्फाईड खनिजांमधून होते.

तांब्याची प्रमुख खनिजे:

1. सल्फाईड खनिजे: ही सर्वात सामान्य आणि आर्थिकदृष्ट्या महत्त्वाची आहेत.

   • चालकोपायराईट (कॉपर पायराईट्स): CuFeS₂ (सर्वात महत्त्वाचे खनिज)
   • चालकोसाईट (कॉपर ग्लान्स): Cu₂S
   • बोर्नाईट (पीकॉक ओर): Cu₅FeS₄

2. ऑक्साईड खनिजे:

   • क्युप्राईट (रेड कॉपर ओर): Cu₂O

3. कार्बोनेट खनिजे:

   • मॅलाकाईट: CuCO₃·Cu(OH)₂
   • अझुराईट: 2CuCO₃·Cu(OH)₂

खनिजाचे सांद्रण

सल्फाईड खनिजांसाठी सर्वात महत्त्वाची पायरी म्हणजे सांद्रण, ज्यामुळे इच्छित धातूची टक्केवारी वाढते.

फेस प्लवन प्रक्रिया

ही पद्धत चालकोपायराईटसारख्या सल्फाईड खनिजांच्या सांद्रणासाठी प्रामुख्याने वापरली जाते.

• तत्त्व: हे खनिज आणि गँग (अशुद्धी) कणांच्या भिन्न ओलेपणाच्या गुणधर्मांवर आधारित आहे. सल्फाईड खनिजाचे कण तेलाने (जलविरोधी) प्राधान्याने ओले होतात आणि फेसामध्ये तरंगतात, तर गँगचे कण पाण्याने (जलस्नेही) ओले होतात आणि खाली बसतात.
• कार्यपद्धती:
  1. बारीक केलेले खनिज पाण्यासोबत मिसळून लगदा (स्लरी) बनवला जातो.
  2. सल्फाईड खनिजांच्या कणांची न-ओलेपणाची क्षमता वाढवण्यासाठी संग्राहक (उदा. पाइन तेल, निलगिरी तेल, झँथेट्स) मिसळले जातात.
  3. फेसाला स्थिरता देण्यासाठी फेसकारक घटक (उदा. क्रेझोल्स, ॲनिलिन्स) मिसळले जातात.
  4. जर अशुद्धी म्हणून इतर सल्फाईड खनिजे (उदा. झिंक सल्फाईड) असतील, तर त्यांना फेस तयार करण्यापासून रोखण्यासाठी अवसादक (उदा. NaCN किंवा Na₂S for ZnS) वापरले जाऊ शकतात.
  5. मिश्रणामधून जोरदारपणे हवा फुंकली जाते.
  6. तेल-आवरण असलेले खनिजाचे कण हवेच्या बुडबुड्यांना चिकटतात, पृष्ठभागावर येतात आणि फेस तयार करतात, जो काढून टाकला जातो.
  7. गँगचे कण, जे अधिक जड आणि पाण्याने ओले झालेले असतात, तळाशी जमा होतात.

कच्चे धातूमध्ये रूपांतरण

सांद्रित केलेले तांब्याचे खनिज (मुख्यतः चालकोपायराईट, CuFeS₂) कच्चे तांबे मिळवण्यासाठी पायरोमेटालर्जिकल प्रक्रियेच्या अनेक टप्प्यांमधून जाते.

1. भाजणे (Roasting)

• प्रक्रिया: सांद्रित केलेले खनिज नियंत्रित हवेच्या पुरवठ्यात रिव्हर्बरेटरी भट्टीमध्ये तीव्रतेने गरम केले जाते.
• उद्देश:
  • आर्द्रता आणि आर्सेनिक (As), अँटिमनी (Sb), आणि सल्फर (S) सारख्या बाष्पनशील अशुद्धी त्यांच्या बाष्पनशील ऑक्साईडच्या (उदा. SO₂, As₂O₃) स्वरूपात काढून टाकणे.
  • सल्फाईड खनिजांचे (CuFeS₂) अंशतः ऑक्साईड आणि सल्फेटमध्ये रूपांतर करणे.
  • आयर्न सल्फाईड (FeS) चे आयर्न ऑक्साईड (FeO) मध्ये रूपांतर करणे, जे काढणे सोपे आहे.
• प्रमुख अभिक्रिया:
  • 2CuFeS₂(s) + O₂(g) → Cu₂S(s) + 2FeS(s) + SO₂(g) (आंशिक ऑक्सिडीकरण)
  • 2FeS(s) + 3O₂(g) → 2FeO(s) + 2SO₂(g)
  • S(s) + O₂(g) → SO₂(g)
  • 4As(s) + 3O₂(g) → 2As₂O₃(g) (बाष्पनशील)

2. प्रगलन (Smelting)

• प्रक्रिया: भाजलेले खनिज सिलिका (वाळू, SiO₂) सोबत मिसळून रिव्हर्बरेटरी भट्टीमध्ये सुमारे 1400-1500°C तापमानावर तीव्रतेने गरम केले जाते.
• उद्देश:
  • लोह अशुद्धी वितळलेल्या धातुमल (slag) म्हणून काढून टाकणे.
  • कॉपर मॅट तयार करणे.
• अभिक्रिया:
  • भाजण्याच्या वेळी तयार झालेले आयर्न ऑक्साईड (FeO) आणि उर्वरित FeS, मिसळलेल्या सिलिकाशी अभिक्रिया करून वितळलेले आयर्न सिलिकेट (धातुमल) तयार करते, जे हलके असते आणि पृष्ठभागावर तरंगते.
  • FeO(s) + SiO₂(s) → FeSiO₃(l) (धातुमल)
  • उर्वरित Cu₂S आणि ऑक्सीडेशन न झालेले FeS वितळून जड, गडद द्रव तयार करतात ज्याला कॉपर मॅट म्हणतात.
• उत्पादन: कॉपर मॅट (मुख्यतः Cu₂S, कमी प्रमाणात FeS सह) आणि धातुमलचा (FeSiO₃) एक वेगळा थर.

3. बेसेमरायझेशन (रूपांतरण)

• प्रक्रिया: वितळलेले कॉपर मॅट अग्निरोधक (सिलिका आणि मॅग्नेशिया) असलेले मोठ्या नाशपातीच्या आकाराच्या बेसेमर कन्व्हर्टरमध्ये स्थानांतरित केले जाते. गरम हवा (कधीकधी ऑक्सिजनयुक्त) आणि सिलिका वितळलेल्या मॅटमधून फुंकली जाते.
• उद्देश:
  • उर्वरित FeS चे FeO मध्ये ऑक्सिडीकरण करून ते धातुमल म्हणून काढून टाकणे.
  • Cu₂S चे Cu₂O मध्ये ऑक्सिडीकरण करणे, जे नंतर न-अभिक्रिया केलेल्या Cu₂S सोबत स्व-क्षपण होऊन कच्चे तांबे तयार करते.
• अभिक्रिया:
  • प्रथम, उर्वरित FeS चे ऑक्सिडीकरण होते आणि ते धातुमल म्हणून काढून टाकले जाते:
    • 2FeS(s) + 3O₂(g) → 2FeO(s) + 2SO₂(g)
    • FeO(s) + SiO₂(s) → FeSiO₃(l) (धातुमल)
  • एकदा सर्व FeS काढून टाकल्यावर, Cu₂S चे ऑक्सिडीकरण होते आणि नंतर स्व-क्षपण होते:
    • 2Cu₂S(l) + 3O₂(g) → 2Cu₂O(s) + 2SO₂(g)
    • 2Cu₂O(s) + Cu₂S(l) → 6Cu(l) + SO₂(g) (स्व-क्षपण)
• उत्पादन: ब्लिस्टर कॉपर (सुमारे 98% शुद्ध). याला ब्लिस्टर कॉपर म्हणतात कारण घनीभवनादरम्यान SO₂ वायू बाहेर पडल्यामुळे त्याच्या पृष्ठभागावर खडबडीत, फोड आल्यासारखे दिसते.

4. अग्निशुद्धीकरण (पोलिंग)

• प्रक्रिया: ब्लिस्टर कॉपर रिव्हर्बरेटरी भट्टीमध्ये वितळवले जाते आणि हिरव्या लाकडी किंवा बांबूच्या दांड्यांनी ढवळले जाते.
• उद्देश: ब्लिस्टर कॉपरमध्ये असलेले कोणतेही उर्वरित कॉपर ऑक्साईड (Cu₂O) परत धातूच्या तांब्यामध्ये क्षपण करणे. हिरव्या लाकडातील हायड्रोकार्बन क्षपणकारक म्हणून कार्य करतात.
• अभिक्रिया:
  • 2Cu₂O(s) + C(s) → 4Cu(l) + CO₂(g)
• उत्पादन: यातून सुमारे 99.5% शुद्ध तांबे मिळते, जे अजूनही विद्युत अनुप्रयोगांसाठी पुरेसे नसते.

शुद्धीकरण आणि परिष्करण

उच्च-शुद्धतेच्या अनुप्रयोगांसाठी, विशेषतः विद्युत तारांसाठी, तांब्याला पुढील शुद्धीकरणाची आवश्यकता असते.

विद्युत अपघटनी शुद्धीकरण

उच्च-शुद्धता तांबे (99.9% ते 99.99%) मिळवण्यासाठी ही सर्वात महत्त्वाची आणि मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाणारी पद्धत आहे.

• मांडणी:
  • ॲनोड: अशुद्ध (ब्लिस्टर) तांब्याचे जाड ठोकळे.
  • कॅथोड: शुद्ध तांब्याच्या पातळ पत्र्या.
  • विद्युत अपघटनी द्रावण: कॉपर सल्फेटचे (CuSO₄) सौम्य सल्फ्यूरिक ऍसिडने (H₂SO₄) आम्लीकृत केलेले जलीय द्रावण.
• प्रक्रिया:
  1. जेव्हा विद्युत अपघटनी घटामधून विद्युत प्रवाह जातो, तेव्हा अशुद्ध तांब्याच्या ॲनोडचे ऑक्सिडीकरण होते.
  2. ॲनोडमधील तांबे Cu²⁺ आयन म्हणून विद्युत अपघटनी द्रावणात विरघळते.
     • ॲनोड अभिक्रिया (ऑक्सिडीकरण):
       • Cu (अशुद्ध ॲनोड) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻
  3. अशुद्ध ॲनोडमध्ये उपस्थित अधिक विद्युतधर्मीय अशुद्धी (उदा. Fe, Zn, Ni) देखील त्यांच्या संबंधित आयन म्हणून (Fe²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺) विद्युत अपघटनी द्रावणात विरघळतात.
  4. कमी विद्युतधर्मीय अशुद्धी (उदा. Ag, Au, Pt) विरघळत नाहीत आणि ॲनोड चिखल किंवा ॲनोड गाळ म्हणून घटाच्या तळाशी जमा होतात, जो या मौल्यवान धातूंसाठी एक मौल्यवान स्रोत आहे.
  5. कॅथोडवर, विद्युत अपघटनी द्रावणातील Cu²⁺ आयन स्थलांतर करतात आणि त्यांचे शुद्ध तांब्याच्या धातूमध्ये क्षपण होते, जे शुद्ध तांब्याच्या पत्र्यांवर जमा होते.
     • कॅथोड अभिक्रिया (क्षपण):
       • Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (शुद्ध तांब्याचे जमाव)
  6. विद्युत अपघटनी द्रावणातील Cu²⁺ आयनची सांद्रता तुलनेने स्थिर राहते, कारण ॲनोडमधून तांबे ज्या दराने विरघळते त्याच दराने ते कॅथोडवर जमा होते.
• परिणाम: उच्च-शुद्धतेचे तांबे (अनेकदा 99.99% शुद्ध), जे त्याच्या उत्कृष्ट विद्युत चालकतेमुळे विद्युत वाहकांसाठी आवश्यक आहे.