Kupari

Taustaa

Kupari on yksi kemiallisista peruselementeistä. Lähes puhtaana kupari on punertavan oranssi metalli, joka tunnetaan hyvästä lämmön- ja sähkönjohtavuudestaan. Sitä käytetään yleisesti monenlaisten tuotteiden valmistukseen, kuten sähköjohtojen, keittoastioiden, putkien, autojen jäähdyttimien ja monien muiden tuotteiden valmistukseen. Kuparia käytetään myös paperin, maalin, tekstiilien ja puun väriaineena ja säilöntäaineena. Sitä yhdistetään sinkin kanssa messingin valmistukseen ja tinan kanssa pronssin valmistukseen.

Kuparia käytettiin ensimmäisen kerran jo 10 000 vuotta sitten. Nykyisen Pohjois-Irakin alueelta löydettiin kupaririipus noin vuodelta 8700 eaa. On todisteita siitä, että noin 6400 eaa. mennessä kuparia sulatettiin ja valettiin esineiksi nykyisin Turkiksi kutsutulla alueella. Vuoteen 4500 eaa. mennessä tätä tekniikkaa harjoitettiin myös Egyptissä. Suurin osa ennen vuotta 4000 eaa. käytetystä kuparista oli peräisin satunnaisesti löydetyistä kuparipaljastumista tai maahan törmänneistä meteoriiteista. Ensimmäinen maininta kuparimalmin järjestelmällisestä louhinnasta on peräisin noin vuodelta 3800 eaa., jolloin egyptiläinen viite kuvaa kaivostoimintaa Siinain niemimaalla.

Noin vuonna 3000 eaa. löydettiin Välimerellä sijaitsevalta Kyproksen saarelta suuria kuparimalmiesiintymiä. Kun roomalaiset valloittivat Kyproksen, he antoivat metallille latinankielisen nimen aes cyprium, joka usein lyhennettiin muotoon cyprium. Myöhemmin tämä lyhennettiin muotoon cuprum, josta englannin kielen sana copper ja kemiallinen symboli Cu ovat peräisin.

Etelä-Amerikassa kupariesineitä valmistettiin Perun pohjoisrannikolla jo vuonna 500 eaa. ja kuparimetallurgian kehitys oli jo pitkällä siihen mennessä, kun inkavaltakunta kaatui valloittaville espanjalaisille sotilaille 1500-luvulla.

Yhdysvalloissa ensimmäinen kuparikaivos avattiin Branbyssä, Connecticutissa, vuonna 1705, ja sen jälkeen yksi Lancasterissa, Pennsylvaniassa, vuonna 1732. Tästä varhaisesta tuotannosta huolimatta suurin osa Yhdysvalloissa käytetystä kuparista tuotiin Chilestä vuoteen 1844 asti, jolloin Superior-järven ympärillä alettiin louhia suuria korkealaatuisen kuparimalmin esiintymiä. Tehokkaampien käsittelytekniikoiden kehittäminen 1800-luvun lopulla mahdollisti heikompilaatuisten kuparimalmien louhinnan valtavista avolouhoksista Yhdysvaltojen länsiosissa.

Nykyään Yhdysvallat ja Chile ovat maailman kaksi suurinta kuparin tuottajamaata, ja seuraavina tulevat Venäjä, Kanada ja Kiina.

Raaka-aineet

Puhdasta kuparia esiintyy harvoin luonnossa, vaan se on yleensä yhdistetty muihin kemikaaleihin kuparimalmeiksi. Kaupallisesti louhitaan noin 15 kuparimalmia 40 maassa ympäri maailmaa. Yleisimmät tunnetaan sulfidimalmeina, joissa kupari on kemiallisesti sitoutunut rikkiin. Muita malmeja kutsutaan oksidimalmeiksi, karbonaattimalmeiksi tai sekamalmeiksi riippuen niissä esiintyvistä kemikaaleista. Monet kuparimalmit sisältävät myös merkittäviä määriä kultaa, hopeaa, nikkeliä ja muita arvokkaita metalleja sekä suuria määriä kaupallisesti hyödytöntä materiaalia. Suurin osa Yhdysvalloissa louhituista kuparimalmeista sisältää vain noin 1,2-1,6 painoprosenttia kuparia.

Yleisin sulfidimalmi on kalkopyriitti, CuFeS 2 , joka tunnetaan myös nimellä kuparipyriitti tai keltainen kuparimalmi. Kalsiitti, Cu 2 S, on toinen sulfidimalmi.

Kupriitti eli punainen kuparimalmi, Cu 2 O, on oksidimalmi. Malakiitti eli vihreä kuparimalmi, Cu(OH) 2 -CuCO 3 , on tärkeä karbonaattimalmi, samoin kuin atsuriitti eli sininen kuparikarbonaatti, Cu(OH) 2 -2CuCO 3 .

Muita malmeja ovat tennantiitti, boroniitti, krysokolla ja atakomiitti.

Itse malmien lisäksi kuparin käsittelyyn ja puhdistamiseen käytetään usein useita muita kemikaaleja. Näitä ovat rikkihappo, happi, rauta, piidioksidi ja erilaiset orgaaniset yhdisteet riippuen käytetystä prosessista.

Valmistusprosessi

Prosessi, jossa kupari uutetaan kuparimalmista, vaihtelee malmin tyypin ja lopputuotteen halutun puhtauden mukaan. Jokainen prosessi koostuu useista vaiheista, joissa ei-toivotut aineet poistetaan fysikaalisesti tai kemiallisesti ja kuparin pitoisuutta nostetaan asteittain. Jotkin näistä vaiheista suoritetaan itse kaivosalueella, kun taas toiset vaiheet voidaan suorittaa erillisissä laitoksissa.

Seuraavassa esitetään vaiheet, joita käytetään Yhdysvaltojen länsiosissa yleisesti esiintyvien sulfidimalmien käsittelyssä.

Kaivostoiminta

• 1 Useimmat sulfidimalmit otetaan valtavista avolouhoksista poraamalla ja räjäyttämällä räjähteillä. Tämäntyyppisessä kaivostoiminnassa poistetaan ensin malmin yläpuolella oleva materiaali, jota kutsutaan peitteeksi, jotta haudattu malmiesiintymä paljastuu. Näin syntyy avolouhos, joka voi kasvaa kilometrin tai enemmänkin halkaisijaltaan. Kuopan sisäpuolisia rinteitä pitkin kulkee tie, jota pitkin kalusto pääsee kulkemaan.
• 2 Paljastettu malmi kauhotaan ylös suurilla lapioilla, jotka pystyvät lastaamaan 15-25 kuutiometriä (500-900 kuutiometriä) kerralla. Malmi lastataan jättimäisiin dumppereihin, joita kutsutaan vetoautoiksi, ja kuljetetaan ylös ja ulos kaivoksesta.

Rikastaminen

Kuparimalmi sisältää yleensä runsaasti likaa, savea ja erilaisia muita kuin kuparia sisältäviä mineraaleja. Ensimmäinen vaihe on poistaa osa tästä jätemateriaalista. Tätä prosessia kutsutaan rikastamiseksi ja se tehdään yleensä flotaatiomenetelmällä.

• 3 Malmi murskataan sarjassa kartiomurskaimia. Kartiomurskain koostuu sisäpuolisesta murskauskartiosta, joka pyörii eksentrisellä pystyakselilla kiinteän ulkokartion sisällä. Kun malmi syötetään murskaimen yläosaan, se puristuu kahden kartion väliin ja murskautuu pienemmiksi kappaleiksi.
• 4 Tämän jälkeen murskattu malmi jauhetaan vielä pienemmäksi myllyjen sarjassa. Ensin se sekoitetaan veteen ja laitetaan sauvamyllyyn, joka koostuu suuresta lieriömäisestä säiliöstä, joka on täytetty lukuisilla lyhyillä terästangonpätkillä. Kun sylinteri pyörii vaaka-akselinsa ympäri, terästangot pyörivät ja murskaavat malmin halkaisijaltaan noin 3 mm:n (0,13 tuuman) palasiksi. Malmin ja veden seos hajotetaan edelleen kahdessa kuulamyllyssä, jotka ovat sauvamyllyn kaltaisia, mutta sauvojen sijasta käytetään teräspalloja. Viimeisestä kuulamyllystä tuleva hienoksi jauhetun malmin liete sisältää halkaisijaltaan noin 0,25 mm:n (0,01 tuuman) kokoisia hiukkasia.
• 5 Lietteeseen sekoitetaan erilaisia kemiallisia reagensseja, jotka päällystävät kuparihiukkaset. Myös vaahdottimeksi kutsuttua nestettä lisätään. Vaahdottajina käytetään usein mäntyöljyä tai pitkäketjuista alkoholia. Seos pumpataan suorakaiteen muotoisiin säiliöihin, joita kutsutaan flotaatiokennoiksi, joissa lietteeseen syötetään ilmaa säiliöiden pohjan kautta. Kemialliset reagenssit saavat kuparihiukkaset tarttumaan kupliin niiden noustessa pintaan. Vaahdotin muodostaa paksun kuplakerroksen, joka valuu säiliöiden yli ja kerätään kaukaloihin. Kuplien annetaan tiivistyä ja vesi valutetaan pois. Tuloksena syntyvä seos, jota kutsutaan kuparirikasteeksi, sisältää noin 25-35 % kuparia sekä erilaisia kupari- ja rautasulfideja sekä pienempiä pitoisuuksia kultaa, hopeaa ja muita aineita. Säiliöön jääviä aineita kutsutaan rikasteeksi tai rikastusjätteeksi. Ne pumpataan laskeutusaltaisiin ja niiden annetaan kuivua.

Kuparin talteenottoprosessi kuparimalmista vaihtelee malmin tyypin ja lopputuotteen halutun puhtauden mukaan. Jokainen prosessi koostuu useista vaiheista, joissa ei-toivotut aineet poistetaan fysikaalisesti tai kemiallisesti ja kuparin pitoisuutta nostetaan asteittain.

Sulatus

Kun jätemateriaalit on poistettu malmista fyysisesti, jäljelle jäävän kuparirikasteen on käytävä läpi useita kemiallisia reaktioita raudan ja rikin poistamiseksi. Tätä prosessia kutsutaan sulatukseksi, ja siihen kuuluu perinteisesti kaksi uunia, jotka kuvataan jäljempänä. Joissakin nykyaikaisissa laitoksissa käytetään yhtä uunia, jossa yhdistyvät molemmat toiminnot.

• 6 Kuparirikaste syötetään uuniin yhdessä piidioksidiaineksen, niin sanotun vuon kanssa. Useimmissa kuparisulattamoissa käytetään happirikastettuja leimahdusuunia, joissa esilämmitetty, happirikastettu ilma pakotetaan uuniin palamaan polttoöljyn kanssa. Kuparirikaste ja flux sulavat ja kerääntyvät uunin pohjalle. Suuri osa konsentraatin sisältämästä raudasta yhdistyy kemiallisesti fluksin kanssa muodostaen kuonaa, joka kuoritaan pois sulan materiaalin pinnalta. Suuri osa rikasteen rikistä yhdistyy hapen kanssa rikkidioksidiksi, joka poistuu uunista kaasuna ja käsitellään edelleen happotehtaassa rikkihapon tuottamiseksi. Uunin pohjalle jäävää sulaa ainetta kutsutaan mataksi. Se on kupari- ja rautasulfidien seos ja sisältää noin 60 painoprosenttia kuparia.
• 7 Sula mate vedetään uunista ja kaadetaan toiseen uuniin, jota kutsutaan konvertteriksi. Siihen lisätään lisää piidioksidia ja sulan materiaalin läpi puhalletaan happea. Konvertterissa tapahtuvat kemialliset reaktiot ovat samanlaisia kuin leimahdusuunissa. Piidioksidi reagoi jäljelle jääneen raudan kanssa muodostaen kuonaa, ja happi reagoi jäljelle jääneen rikin kanssa muodostaen rikkidioksidia. Kuona voidaan syöttää takaisin leimahdusuuniin toimimaan vuona, ja rikkidioksidi käsitellään happolaitoksessa. Kun kuona on poistettu, viimeinen happi-injektio poistaa kaiken rikin jälkiä lukuun ottamatta. Tuloksena syntyvää sulaa materiaalia kutsutaan rakkulaksi, ja se sisältää noin 99 painoprosenttia kuparia.

Jalostus

Vaikka kuparirakkula on 99-prosenttisesti puhdasta kuparia, se sisältää silti niin paljon rikkiä, happea ja muita epäpuhtauksia, että se haittaa jatkojalostusta. Näiden aineiden pitoisuuksien poistamiseksi tai säätämiseksi kuparilieriö puhdistetaan ensin tulessa, ennen kuin se lähetetään lopulliseen sähköjalostusprosessiin.

• 8 Kuparin läpipainopakkaus kuumennetaan jalostusuunissa, joka on samanlainen kuin edellä kuvattu konvertteri. Sulaan rakkulaan puhalletaan ilmaa joidenkin epäpuhtauksien hapettamiseksi. Natriumkarbonaattivalua voidaan lisätä arseenin ja antimonin jäämien poistamiseksi. Sulasta materiaalista otetaan näyte, ja kokenut käyttäjä määrittää, milloin epäpuhtaudet ovat saavuttaneet hyväksyttävän tason. Sula kupari, joka on noin 99,5-prosenttisesti puhdasta, kaadetaan sitten muotteihin, joista muodostuu suuria sähköisiä anodeja, jotka toimivat sähköjalostusprosessin positiivisina päätteinä.
• 9 Jokainen kuparianodi sijoitetaan yksittäiseen säiliöön eli kennoon, joka on valmistettu polymeeribetonista. Säiliöitä voi olla kerrallaan käytössä jopa 1250 kappaletta. Kuparilevy asetetaan säiliön vastakkaiseen päähän toimimaan katodina eli negatiivisena päätelaitteena. Säiliöt täytetään happamalla kuparisulfaattiliuoksella, joka toimii sähköjohtimena anodin ja katodin välillä. Kun kunkin säiliön läpi johdetaan sähkövirta, kupari irtoaa anodista ja laskeutuu katodille. Suurin osa jäljelle jäävistä epäpuhtauksista putoaa kuparisulfaattiliuoksesta ja muodostaa liman säiliön pohjalle. Noin 9-15 päivän kuluttua virta katkaistaan ja katodit poistetaan. Katodit painavat nyt noin 136 kg (300 lb) ja ovat 99,95-99,99 % puhdasta kuparia.
• 10 Säiliön pohjalle kerääntyvä lima sisältää kultaa, hopeaa, seleeniä ja telluuria. Se kerätään ja käsitellään näiden jalometallien talteenottamiseksi.

Valaminen

• 11 Puhdistuksen jälkeen kuparikatodit sulatetaan ja valetaan harkoiksi, kakuiksi, aihioiksi tai tangoiksi lopullisen käyttötarkoituksen mukaan. Harkot ovat suorakaiteen tai puolisuunnikkaan muotoisia tiiliä, jotka sulatetaan uudelleen yhdessä muiden metallien kanssa messinki- ja pronssituotteiksi. Kakut ovat suorakaiteen muotoisia, noin 20 cm (8 tuumaa) paksuja ja jopa 8,5 m (28 jalkaa) pitkiä laattoja. Niistä valssataan kuparilevyjä, -nauhoja, -levyjä ja -kalvoja. Aihiot ovat sylinterimäisiä tukkeja, joiden halkaisija on noin 20 cm (8 tuumaa) ja pituus useita jalkoja (metrejä). Niistä suulakepuristetaan tai vedetään kupariputkia ja -putkia. Tangot ovat poikkileikkaukseltaan pyöreitä, halkaisijaltaan noin 1,3 cm (0,5 tuumaa). Ne valetaan yleensä hyvin pitkiksi pätkiksi, jotka kelataan. Kierretty materiaali vedetään edelleen kuparilangaksi.

Laadunvalvonta

Koska sähkötekniset sovellukset vaativat hyvin vähän epäpuhtauksia, kupari on yksi harvoista yleisistä metalleista, jotka puhdistetaan lähes 100 %:n puhtauteen. Edellä kuvatun prosessin on osoitettu tuottavan erittäin erittäin puhdasta kuparia. Tämän puhtauden varmistamiseksi näytteet analysoidaan eri vaiheissa sen määrittämiseksi, tarvitaanko prosessiin muutoksia.

Sivutuotteet/jäte

Rikkihapon talteenotto kuparin sulatusprosessista ei ole ainoastaan kannattava sivutuote, vaan se myös vähentää merkittävästi uunin pakokaasujen aiheuttamaa ilmansaastetta. Kulta, hopea ja muut jalometallit ovat myös tärkeitä sivutuotteita.

Jätetuotteisiin kuuluvat kaivostoiminnassa syntyvä sivukivi, rikastuksessa syntyvä rikastushiekka ja sulatuksessa syntyvä kuona. Nämä jätteet voivat sisältää merkittäviä pitoisuuksia arseenia, lyijyä ja muita kemikaaleja, jotka aiheuttavat mahdollisen terveysriskin ympäröivälle alueelle. Yhdysvalloissa ympäristönsuojeluvirasto (Environmental Protection Agency, EPA) sääntelee tällaisten jätteiden varastointia ja alueen kunnostamista sen jälkeen, kun kaivos- ja jalostustoiminta on lopetettu. Kyseessä olevan materiaalin valtava määrä – joissakin tapauksissa miljardeja tonneja jätettä – tekee tästä vaikean tehtävän, mutta se tarjoaa myös joitakin potentiaalisesti kannattavia mahdollisuuksia hyödyntää jätteen sisältämiä käyttökelpoisia materiaaleja.

Tulevaisuus

Kuparin kysynnän odotetaan pysyvän korkeana erityisesti sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa. Kuparinjalostuksen nykysuuntaus on kohti menetelmiä ja laitteita, jotka käyttävät vähemmän energiaa ja tuottavat vähemmän ilmansaasteita ja kiinteää jätettä. Yhdysvalloissa tämä on vaikea tehtävä, koska ympäristövalvonta on tiukkaa ja koska saatavilla on hyvin vähän kuparia sisältäviä malmeja. Joissakin tapauksissa tuotantokustannukset voivat nousta merkittävästi.

Yksi rohkaiseva suuntaus on kierrätetyn kuparin käytön lisääntyminen. Tällä hetkellä yli puolet Yhdysvalloissa tuotetusta kuparista on peräisin kierrätyskuparista. Viisikymmentäviisi prosenttia kierrätetystä kuparista on peräisin kuparin työstötoiminnoista, kuten ruuvimuovauksesta, ja 45 prosenttia on peräisin käytettyjen kuparituotteiden, kuten sähköjohtojen ja autojen jäähdyttimien, talteenotosta. Kierrätetyn kuparin osuuden odotetaan kasvavan, kun uuden kuparin käsittelyn kustannukset nousevat.