உலோகவியல் மற்றும் தாமிரத்தின் (Cu) தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல்

இயற்கையான இருப்பு மற்றும் முக்கிய தாதுக்கள்

செம்பு (Cu) இயற்கையாக தனித்த நிலையிலும் (native), சேர்ம நிலையிலும் (combined states) காணப்படுகிறது. இதன் முதன்மையான வணிகரீதியான பிரித்தெடுத்தல் சல்பைடு தாதுக்களிலிருந்து நடைபெறுகிறது.

முக்கிய தாமிர தாதுக்கள்:

1. சல்பைடு தாதுக்கள்: இவை மிகவும் பொதுவானவை மற்றும் பொருளாதார ரீதியாக முக்கியமானவை.

   • சால்கோபைரைட் (காப்பர் பைரைட்டுகள்): CuFeS(_2) (மிக முக்கியமான தாது)
   • சால்கோசைட் (காப்பர் கிளான்ஸ்): Cu(_2)S
   • போர்னைட் (பீக்காக் தாது): Cu(_5)FeS(_4)

2. ஆக்சைடு தாதுக்கள்:

   • குப்ரைட் (சிவப்பு காப்பர் தாது): Cu(_2)O

3. கார்பனேட் தாதுக்கள்:

   • மாலக்கைற்று: CuCO(_3)·Cu(OH)(_2)
   • அசுரைற்று: 2CuCO(_3)·Cu(OH)(_2)

தாதுவை அடர்ப்பித்தல்

சல்பைடு தாதுக்களுக்கு மிகவும் முக்கியமான படிநிலை அடர்ப்பித்தல் ஆகும், இது விரும்பப்படும் உலோகத்தின் சதவீதத்தை அதிகரிக்கிறது.

நுரை மிதக்கும் முறை

இந்த முறை சால்கோபைரைட் போன்ற சல்பைடு தாதுக்களை அடர்ப்பிக்க முக்கியமாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

• கொள்கை: தாது மற்றும் கனிமக்கழிவுகளின் (gangue) துகள்களின் வேறுபட்ட ஈரப்பதம் பெறும் பண்புகளின் அடிப்படையில் இது செயல்படுகிறது. சல்பைடு தாதுத் துகள்கள் எண்ணெய் மூலம் முன்னுரிமையுடன் ஈரப்படுத்தப்பட்டு (நீர் விலக்கும் - hydrophobic) நுரையுடன் மிதக்கின்றன, அதே சமயம் கனிமக்கழிவு துகள்கள் நீரால் ஈரப்படுத்தப்பட்டு (நீர் கவர்ச்சி - hydrophilic) மூழ்கி விடுகின்றன.
• செயல்முறை:
  1. நன்கு பொடியாக்கப்பட்ட தாது நீருடன் கலந்து கூழாக்கப்படுகிறது (slurry).
  2. சேகரிப்பாளர்கள் (எ.கா., பைன் எண்ணெய், யூகலிப்டஸ் எண்ணெய், சாந்தேட்டுகள்) சல்பைடு தாதுத் துகள்களின் ஈரப்பதம் பெறாத தன்மையை அதிகரிக்கச் சேர்க்கப்படுகின்றன.
  3. நுரை நிலைப்படுத்திகள் (frothing agents) (எ.கா., கிரசால்ஸ், அனிலின்கள்) நுரையை நிலைப்படுத்த சேர்க்கப்படுகின்றன.
  4. அடக்கிகள் (depressants) (எ.கா., ZnS-க்கு NaCN அல்லது Na(_2)S) அசுத்தங்களாக மற்ற சல்பைடு தாதுக்கள் (துத்தநாக சல்பைடு போன்றவை) இருந்தால், அவை நுரை உருவாக்குவதைத் தேர்ந்தெடுத்துத் தடுக்கப் பயன்படுத்தப்படலாம்.
  5. கலவையின் வழியாக காற்று தீவிரமாக ஊதப்படுகிறது.
  6. எண்ணெய் பூசப்பட்ட தாதுத் துகள்கள் காற்று குமிழ்களுடன் ஒட்டிக்கொண்டு, மேற்பரப்பிற்கு உயர்ந்து, நுரையை உருவாக்குகின்றன, அது நீக்கப்படுகிறது.
  7. கனிமக்கழிவு துகள்கள் கனமானவை மற்றும் நீரால் ஈரப்படுத்தப்படுவதால், அவை அடியில் படிகின்றன.

கச்சா உலோகமாக ஒடுக்குதல்

அடர்ப்பிக்கப்பட்ட செம்புத் தாது (முக்கியமாக சால்கோபைரைட், CuFeS(_2)) தொடர்ச்சியான உயர் வெப்பநிலை உலோகவியல் படிகள் வழியாகச் சென்று தூய செம்பைப் (crude copper) பெறுகிறது.

1. வறுத்தல் (Roasting)

• செயல்முறை: அடர்ப்பிக்கப்பட்ட தாது, எதிரொளி உலைகளில் (reverberatory furnace) கட்டுப்படுத்தப்பட்ட காற்றுச் சூழலில் அதிக வெப்பநிலையில் சூடுபடுத்தப்படுகிறது.
• நோக்கம்:
  • ஈரப்பதம் மற்றும் ஆர்சனிக் (As), ஆண்டிமனி (Sb), கந்தகம் (S) போன்ற எளிதில் ஆவியாகும் அசுத்தங்களை அவற்றின் எளிதில் ஆவியாகும் ஆக்சைடுகளாக (எ.கா., SO(_2), As(_2)O(_3)) நீக்குகிறது.
  • சல்பைடு தாதுக்களை (CuFeS(_2)) ஆக்சைடுகள் மற்றும் சல்பேட்டுகளாக ஓரளவுக்கு மாற்றுகிறது.
  • இரும்பு சல்பைடை (FeS) இரும்பு ஆக்சைடாக (FeO) மாற்றுகிறது, இது நீக்க எளிதானது.
• முக்கிய வினைகள்:
  • 2CuFeS(_2)(s) + O(_2)(g) (\rightarrow) Cu(_2)S(s) + 2FeS(s) + SO(_2)(g) (பகுதி ஆக்சிஜனேற்றம்)
  • 2FeS(s) + 3O(_2)(g) (\rightarrow) 2FeO(s) + 2SO(_2)(g)
  • S(s) + O(_2)(g) (\rightarrow) SO(_2)(g)
  • 4As(s) + 3O(_2)(g) (\rightarrow) 2As(_2)O(_3)(g) (ஆவியாகும்)

2. உருக்குதல் (Smelting)

• செயல்முறை: வறுக்கப்பட்ட தாது சிலிக்காவுடன் (மணல், SiO(_2)) கலந்து, எதிரொளி உலையில் சுமார் 1400-1500°C வெப்பநிலையில் அதிக வெப்பத்தில் சூடுபடுத்தப்படுகிறது.
• நோக்கம்:
  • இரும்பு அசுத்தங்களை உருகக்கூடிய கசடாக (slag) நீக்குதல்.
  • காப்பர் மேட் (copper matte) உருவாக்குதல்.
• வினைகள்:
  • வறுத்தலின் போது உருவான இரும்பு ஆக்சைடு (FeO), மற்றும் எஞ்சிய FeS ஆகியவை சேர்க்கப்பட்ட சிலிக்காவுடன் வினைபுரிந்து உருகிய இரும்பு சிலிக்கேட் (கசடு) உருவாகிறது, இது இலகுவானது மற்றும் மேற்பரப்பில் மிதக்கிறது.
  • FeO(s) + SiO(_2)(s) (\rightarrow) FeSiO(_3)(l) (கசடு)
  • எஞ்சிய Cu(_2)S மற்றும் ஆக்சிஜனேற்றம் அடையாத FeS ஆகியவை உருகி, கனமான, கருப்பு நிற திரவமாகிய காப்பர் மேட் (copper matte) உருவாகிறது.
• தயாரிப்பு: காப்பர் மேட் (முதன்மையாக Cu(_2)S உடன் சிறிதளவு FeS) மற்றும் ஒரு தனி கசடு அடுக்கு (FeSiO(_3)).

3. பெஸ்ஸெமரைசேஷன் (மாற்றுதல்) (Bessemerisation (Converting))

• செயல்முறை: உருகிய காப்பர் மேட் பெரிய, பேரிக்காய் வடிவ பெஸ்ஸெமர் மாற்றிக்கு (Bessemer converter) மாற்றப்படுகிறது, இது தீக்களிமண்ணால் (சிலிக்கா மற்றும் மக்னீசியா) பூசப்பட்டிருக்கும். சூடான காற்று (சில சமயங்களில் ஆக்சிஜன் செறிவூட்டப்பட்டது) மற்றும் சிலிக்கா உருகிய மேட் வழியாக ஊதப்படுகிறது.
• நோக்கம்:
  • எஞ்சிய FeS ஐ FeO ஆக ஆக்சிஜனேற்றம் செய்து கசடாக நீக்குதல்.
  • Cu(_2)S ஐ Cu(_2)O ஆக ஆக்சிஜனேற்றம் செய்து, பின்னர் அது வினைபுரியாத Cu(_2)S உடன் சுய-ஒடுக்கம் அடைந்து தூய செம்பை உற்பத்தி செய்கிறது.
• வினைகள்:
  • முதலில், எஞ்சிய FeS ஆக்சிஜனேற்றம் செய்யப்பட்டு கசடாக நீக்கப்படுகிறது:
    • 2FeS(s) + 3O(_2)(g) (\rightarrow) 2FeO(s) + 2SO(_2)(g)
    • FeO(s) + SiO(_2)(s) (\rightarrow) FeSiO(_3)(l) (கசடு)
  • அனைத்து FeS நீக்கப்பட்ட பிறகு, Cu(_2)S ஆக்சிஜனேற்றம் அடைகிறது, பின்னர் சுய-ஒடுக்கம் நடைபெறுகிறது:
    • 2Cu(_2)S(l) + 3O(_2)(g) (\rightarrow) 2Cu(_2)O(s) + 2SO(_2)(g)
    • 2Cu(_2)O(s) + Cu(_2)S(l) (\rightarrow) 6Cu(l) + SO(_2)(g) (சுய-ஒடுக்கம்)
• தயாரிப்பு: கொப்புள செம்பு (blister copper) (சுமார் 98% தூய்மையானது). இது அதன் மேற்பரப்பின் கரடுமுரடான, கொப்புளங்கள் நிறைந்த தோற்றத்தின் காரணமாகப் பெயரிடப்பட்டது, இது திடப்படுத்தும் போது SO(_2) வாயு வெளியேறுவதால் ஏற்படுகிறது.

4. தீ சுத்திகரிப்பு (கம்பு சுழற்றுதல்) (Fire Refining (Poling))

• செயல்முறை: கொப்புள செம்பு எதிரொளி உலையில் உருகவைக்கப்பட்டு, பச்சை மர அல்லது மூங்கில் கம்புகளைக் கொண்டு கிளறப்படுகிறது.
• நோக்கம்: கொப்புள செம்பில் உள்ள மீதமுள்ள செம்பு ஆக்சைடு (Cu(_2)O) உலோக செம்பாக ஒடுக்கப்படுகிறது. பச்சை மரத்தில் இருந்து வெளிவரும் ஹைட்ரோகார்பன்கள் ஒடுக்கும் காரணிகளாகச் செயல்படுகின்றன.
• வினை:
  • 2Cu(_2)O(s) + C(s) (\rightarrow) 4Cu(l) + CO(_2)(g)
• தயாரிப்பு: சுமார் 99.5% தூய்மையான செம்பை அளிக்கிறது, இது மின் பயன்பாடுகளுக்கு இன்னும் போதுமானதல்ல.

சுத்திகரிப்பு மற்றும் தூய்மையாக்குதல்

அதிக தூய்மை தேவைப்படும் பயன்பாடுகளுக்கு, குறிப்பாக மின் கம்பிகளுக்கு, செம்பிற்கு மேலும் சுத்திகரிப்பு தேவைப்படுகிறது.

மின்பகுளி சுத்திகரிப்பு

இது அதிக தூய்மையான செம்பைப் (99.9% முதல் 99.99%) பெற மிகவும் முக்கியமான மற்றும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் முறையாகும்.

• அமைப்பு:
  • ஆனோடு: அசுத்தமான (கொப்புள) செம்பின் தடிமனான கட்டிகள்.
  • கேத்தோடு: தூய செம்பின் மெல்லிய தகடுகள்.
  • மின்பகுளிக் கரைசல்: நீர்த்த கந்தக அமிலம் (H(_2)SO(_4)) சேர்க்கப்பட்ட தாமிர சல்பேட்டின் (CuSO(_4)) நீர்க் கரைசல்.
• செயல்முறை:
  1. மின்பகுளி கலத்தின் வழியாக மின்சாரம் செலுத்தப்படும் போது, அசுத்தமான செம்பு ஆனோடு ஆக்சிஜனேற்றம் அடைகிறது.
  2. ஆனோட்டில் இருந்து செம்பு Cu(^{2+}) அயனிகளாக மின்பகுளிக் கரைசலில் கரைகிறது.
     • ஆனோடு வினை (ஆக்சிஜனேற்றம்):
       • Cu (அசுத்தமான ஆனோடு) (\rightarrow) Cu(^{2+})(aq) + 2e(^{-})
  3. அசுத்தமான ஆனோட்டில் உள்ள அதிக மின்நேர் தன்மையுடைய அசுத்தங்கள் (எ.கா., Fe, Zn, Ni) அவற்றின் அயனிகளாக (Fe(^{2+}), Zn(^{2+}), Ni(^{2+})) மின்பகுளிக் கரைசலில் கரைகின்றன.
  4. குறைவான மின்நேர் தன்மையுடைய அசுத்தங்கள் (எ.கா., Ag, Au, Pt) கரையாமல், கலத்தின் அடியில் ஆனோடு சேறு (anode mud) அல்லது ஆனோடு கசடு (anode sludge) ஆகப் படிகின்றன, இது இந்த விலைமதிப்பற்ற உலோகங்களுக்கு ஒரு மதிப்புமிக்க ஆதாரமாகும்.
  5. கேத்தோடில், மின்பகுளிக் கரைசலில் இருந்து Cu(^{2+}) அயனிகள் நகர்ந்து, தூய செம்பு உலோகமாக ஒடுக்கப்படுகின்றன, இது தூய செம்புத் தகடுகளின் மீது படிய வைக்கப்படுகிறது.
     • கேத்தோடு வினை (ஒடுக்கம்):
       • Cu(^{2+})(aq) + 2e(^{-}) (\rightarrow) Cu(s) (தூய செம்பு படிதல்)
  6. செம்பு ஆனோடில் இருந்து கரையும் அதே விகிதத்தில் கேத்தோடில் படிவதால், மின்பகுளிக் கரைசலில் உள்ள Cu(^{2+}) அயனிகளின் செறிவு ஒப்பீட்டளவில் நிலையாக இருக்கும்.
• விளைவு: அதிக தூய்மையான செம்பு (பெரும்பாலும் 99.99% தூயது), அதன் சிறந்த கடத்துத்திறன் காரணமாக மின் கடத்திகளுக்கு அத்தியாவசியமானது.