الكالكوبيريت

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

الكالكوبيريت ( يُلفظ / ˌkælkəˈpaɪˌraɪt / [ 7 ] [ 8 ] ، ويُنطق -koʊ- ) هو معدن كبريتيد الحديد والنحاس ، وهو أكثر معادن خام النحاس وفرةً . صيغته الكيميائية CuFeS₂ ، ويتبلور في النظام الرباعي . يتميز بلونه الأصفر النحاسي إلى الذهبي، وصلابته التي تتراوح بين 3.5 و 4 على مقياس موس . ويُعدّ لون مسحوقه الأسود المائل إلى الأخضر سمةً مميزةً له . [ 9 ]

عند تعرضه للهواء، يتأكسد معدن الكالكوبيريت إلى مجموعة متنوعة من الأكاسيد والهيدروكسيدات والكبريتات. تشمل المعادن النحاسية المصاحبة له الكبريتيدات مثل البورنيت ( Cu₅FeS₄ ) ، والكالكوسيت (Cu₂S ) ، والكوفيلليت (CuS)، والديجينيت (Cu₉S₅ ) ؛ والكربونات مثل الملاكيت والأزوريت ، ونادرًا ما توجد أكاسيد مثل الكوبريت (Cu₂O ) . نادرًا ما يُوجد الكالكوبيريت مصاحبًا للنحاس الحر . وهو موصل للكهرباء. [ 10 ]

يمكن استخلاص النحاس من خام الكالكوبيريت باستخدام طرق مختلفة. الطريقتان الرئيسيتان هما المعالجة الحرارية والمعالجة المائية ، وتُعد الأولى الأكثر جدوى تجارياً. [ 11 ]

أصل الكلمة

يُشتق اسم الكالكوبيريت من الكلمتين اليونانيتين " خالكوس " التي تعني النحاس، و" بيريتس" التي تعني إشعال النار. [ 12 ] وقد كان يُشار إليه تاريخياً أحياناً باسم "النحاس الأصفر". [ 13 ]

تعريف

كثيرًا ما يُخلط بين الكالكوبيريت والبيريت والذهب ، نظرًا لتشابه هذه المعادن الثلاثة في لونها المصفر وبريقها المعدني. ومن أهم خصائصها التي تُساعد على تمييزها: الصلابة والمسحوق. فالكالكوبيريت ألين بكثير من البيريت، ويمكن خدشه بالسكين، بينما لا يمكن خدش البيريت. [ 14 ] مع ذلك، يُعد الكالكوبيريت أصلب من الذهب، الذي يمكن خدشه بالنحاس إذا كان نقيًا . [ 15 ] إضافةً إلى ذلك، يتميز الذهب بقابليته للطرق ، بينما يتميز الكالكوبيريت بهشاشته . [ 12 ] يتميز الكالكوبيريت بمسحوق أسود مميز تتخلله بقع خضراء. أما البيريت، فله مسحوق أسود، بينما يتميز الذهب بمسحوق أصفر. [ 16 ]

كيمياء

الخلية الأولية للكالكوبيريت. يظهر النحاس باللون الوردي، والحديد باللون الأزرق، والكبريت باللون الأصفر.
صورة مجهرية للكالكوبيريت

لا يحتوي الكالكوبيريت الطبيعي على سلسلة محاليل صلبة مع أي معادن كبريتيدية أخرى. ويُلاحظ استبدال محدود للزنك بالنحاس على الرغم من أن الكالكوبيريت له نفس البنية البلورية للسفاليريت .

يمكن قياس كميات ضئيلة من عناصر مثل الفضة والذهب والكادميوم والكوبالت والنيكل والرصاص والقصدير والزنك (بمستويات أجزاء في المليون)، والتي يُحتمل أن تحل محل النحاس والحديد. وقد يحل السيلينيوم والبزموت والتيلوريوم والزرنيخ محل الكبريت بكميات ضئيلة. [ 17 ] يمكن أكسدة الكالكوبيريت لتكوين الملاكيت والأزوريت والكوبريت . [ 12 ]

بناء

الكالكوبيريت معدن ينتمي إلى النظام البلوري الرباعي. من الناحية البلورية، يرتبط تركيب الكالكوبيريت ارتباطًا وثيقًا بتركيب الزنك بليند ( سفاليريت ). [ 18 ] وحدة الخلية أكبر بمرتين، مما يعكس تناوب أيونات النحاس (Cu⁺) والحديد (Fe³⁺) التي تحل محل أيونات الزنك ( Zn²⁺ ) في الخلايا المتجاورة. على عكس تركيب البيريت ، يحتوي الكالكوبيريت على أنيونات كبريتيد مفردة (S²⁻ ) بدلًا من أزواج ثنائي الكبريتيد. ومن الاختلافات الأخرى أن كاتيون الحديد ليس مغناطيسيًا معاكسًا، بل هو Fe(II) منخفض الدوران كما هو الحال في البيريت.

في البنية البلورية، يرتبط كل أيون معدني بأربعة أنيونات كبريتية بروابط رباعية الأوجه. ويرتبط كل أنيون كبريتي بذرتين من النحاس وذرتين من الحديد. [ 18 ]

التخلق المترافق

بلورات الكالكوبيريت ذات اللون الأصفر النحاسي أسفل مكعبات البيريت الكبيرة المخططة

يتواجد معدن الكالكوبيريت في العديد من البيئات الحاملة للخامات من خلال مجموعة متنوعة من عمليات تكوين الخامات .

يوجد معدن الكالكوبيريت في رواسب خامات الكبريتيد الضخمة البركانية المنشأ ، وفي الرواسب الرسوبية الناتجة عن النشاط البركاني ، والتي تتشكل بفعل ترسب النحاس أثناء الدوران الحراري المائي . ويتركز الكالكوبيريت في هذه البيئة عبر نقل السوائل. أما رواسب خام النحاس البورفيري فتتشكل نتيجة تركز النحاس داخل كتلة جرانيتية أثناء صعود الصهارة وتبلورها. وينتج الكالكوبيريت في هذه البيئة عن طريق تركيزه داخل نظام صهاري .

الكالكوبيريت معدن ثانوي في رواسب خام النيكل الكوماتيتي من نوع كامبالدا ، ويتكون من سائل كبريتيد غير قابل للامتزاج في الحمم البركانية فوق المافية المشبعة بالكبريتيد . في هذه البيئة، يتشكل الكالكوبيريت من خلال قيام سائل الكبريتيد بفصل النحاس عن سائل السيليكات غير القابل للامتزاج.

كان الكالكوبيريت أهم خام للنحاس منذ العصر البرونزي . [ 12 ]

حدوث

عينة من خام النحاس والزنك من رواسب الكبريتيدات الضخمة البركانية في منجم بوتر في تيمينز، أونتاريو ، كندا. المعدن ذو اللون الأصفر النحاسي هو الكالكوبيريت - وهو المعدن الخام الرئيسي في هذا المنجم.

على الرغم من أن الكالكوبيريت لا يحتوي على أعلى نسبة من النحاس في تركيبه مقارنةً بالمعادن الأخرى، إلا أنه يُعدّ أهم خامات النحاس نظرًا لتواجده في مواقع عديدة. يتواجد خام الكالكوبيريت في أنواع مختلفة من الخامات ، بدءًا من الكتل الضخمة كما في تيمينز، أونتاريو ، وصولًا إلى العروق غير المنتظمة والترسبات المرتبطة بالصخور النارية الجرانيتية والديوريتية المتداخلة ، كما هو الحال في رواسب النحاس البورفيري في بروكن هيل ، وسلسلة جبال الكورديليرا الأمريكية، وجبال الأنديز . أكبر رواسب الكالكوبيريت شبه النقي التي تم اكتشافها في كندا كانت في الطرف الجنوبي من حزام تيماغامي غرينستون، حيث استخرج منجم كوبرفيلدز النحاس عالي الجودة. [ 19 ]

يوجد الكالكوبيريت في رواسب النحاس والذهب واليورانيوم العملاقة في أولمبيك دام في جنوب أستراليا .

قد يوجد الكالكوبيريت أيضاً في طبقات الفحم المرتبطة بعقيدات البيريت، وعلى شكل انتشارات في الصخور الرسوبية الكربوناتية. [ 20 ]

استخلاص النحاس

عملية صهر النحاس الوميضي ، وهي طريقة تعدين حراري لاستخلاص النحاس من الكالكوبيريت

يُستخلص معدن النحاس بشكل أساسي من خام الكالكوبيريت باستخدام طريقتين: المعالجة الحرارية والمعالجة المائية . تُعدّ المعالجة الحرارية الطريقة الأكثر شيوعًا وجدوى تجارية [ 11 ] ، وتتضمن تقنيات "التكسير، والطحن، والتعويم، والصهر، والتكرير، والتكرير الكهربائي". أما المعالجة المائية فتستخدم تقنيات التكسير، والترشيح، والاستخلاص بالمذيبات، والاستخلاص الكهربائي . وفي حالة الكالكوبيريت تحديدًا، يُستخدم الترشيح بالأكسدة تحت الضغط. [ 21 ]

العمليات الحرارية المعدنية

تُعدّ المعالجة الحرارية أهمّ طريقة لاستخلاص النحاس من الكالكوبيريت. وتُستخدم هذه الطريقة عادةً في عمليات الإنتاج واسعة النطاق للخامات الغنية بالنحاس وعالية الجودة. [ 22 ] ويعود ذلك إلى صعوبة إذابة خامات النحاس والحديد والكبريت، مثل الكالكوبيريت، في المحاليل المائية. [ 21 ] وتمرّ عملية الاستخلاص بهذه الطريقة بأربع مراحل:

  1. عزل العناصر المطلوبة من الخام باستخدام التعويم الرغوي لإنشاء تركيز
  2. إنتاج مادة كبريتيد النحاس عالية التركيز عن طريق صهر المركز
  3. أكسدة/تحويل كبريتيد المعدن، مما ينتج عنه نحاس منصهر غير نقي
  4. التكرير بالنار وتقنيات الاستخلاص الكهربائي لزيادة نقاء النحاس الناتج [ 21 ]

لا يُصهر خام الكالكوبيريت مباشرةً، وذلك لأنه يتكون أساسًا من مواد غير ذات قيمة اقتصادية، أو صخور نفايات، ذات تركيزات منخفضة من النحاس. وتؤدي وفرة هذه النفايات إلى استهلاك كميات كبيرة من الوقود الهيدروكربوني لتسخين الخام وصهره. وبدلاً من ذلك، يُفصل النحاس عن الخام أولًا باستخدام تقنية تُسمى التعويم الرغوي . وتعتمد هذه التقنية على استخدام مواد كيميائية لجعل النحاس طاردًا للماء، مما يسمح بتركيزه في خلية التعويم عن طريق الطفو على فقاعات الهواء. وعلى عكس نسبة النحاس التي تتراوح بين 0.5 و2% في خام الكالكوبيريت، ينتج عن التعويم الرغوي مُركّز يحتوي على حوالي 30% من النحاس. [ 21 ]

يخضع المركز بعد ذلك لعملية تُسمى صهر المات . في هذه العملية، يُؤكسد الكبريت والحديد [ 23 ] عن طريق صهر مركز التعويم في  فرن عند درجة حرارة 1250 درجة مئوية، لإنتاج مركز جديد (مات) يحتوي على ما يقارب 45-75% من النحاس. [ 21 ] تُجرى هذه العملية عادةً في أفران الوميض. ولتقليل كمية النحاس في الخبث ، يُحافظ على الخبث منصهرًا بإضافة مُساعد صهر SiO₂ [ 23 ] لتعزيز عدم امتزاج المركز بالخبث. أما بالنسبة للمنتجات الثانوية، فقد ينتج عن صهر النحاس بالمات غاز SO₂ الضار بالبيئة، ولذلك يُجمع على شكل حمض الكبريتيك . وفيما يلي أمثلة على التفاعلات: [ 21 ]

  1. 2CuFeS 2 (s) +3.25O 2(g) → Cu 2 S-0.5FeS (l) + 1.5FeO (s) + 2.5SO 2(g)
  2. 2FeO (s) + SiO 2(s) → Fe 2 SiO 4(l) [ 21 ]

تتضمن عملية التحويل أكسدة الخام مرة أخرى لإزالة المزيد من الكبريت والحديد؛ ومع ذلك، فإن المنتج عبارة عن نحاس منصهر بنسبة 99%. [ 21 ] تتم عملية التحويل على مرحلتين: مرحلة تكوين الخبث ومرحلة تكوين النحاس. في مرحلة تكوين الخبث، ينخفض ​​تركيز الحديد والكبريت إلى أقل من 1% و0.02% على التوالي. يُصبّ المُركّز الناتج عن صهر الخام في مُحوّل يدور، مما يُزوّد ​​الخبث بالأكسجين عبر فوهات النفخ . التفاعل كما يلي:

2FeS (سائل) + 3O₂ (غاز) + SiO₂ (صلب) → Fe₂SiO₄ ( سائل ) + 2SO₂ (غاز) + حرارة

في مرحلة تكوين النحاس، تخضع المادة الخام الناتجة من مرحلة الخبث لعمليات الشحن (إدخال المادة الخام إلى المحول)، والنفخ (ضخ المزيد من الأكسجين)، والتصفية (استخلاص النحاس المنصهر غير النقي المعروف باسم النحاس الفقاعي). [ 21 ] ويكون التفاعل كما يلي:

Cu 2 S (l) + O 2(g) -> 2Cu (l) + SO 2(g) + حرارة [ 21 ]

وأخيرًا، يخضع النحاس الخام لعملية تكرير عن طريق الحرق أو التكرير الكهربائي أو كليهما. في هذه المرحلة، يُكرر النحاس ليصبح كاثودًا عالي النقاء . [ 21 ]

العمليات الهيدروميتالورجية

يُعدّ الكالكوبيريت استثناءً لمعظم المعادن الحاملة للنحاس. فعلى عكس غالبية معادن النحاس التي يمكن استخلاصها في الظروف الجوية العادية، مثل عملية الاستخلاص بالترشيح الركامي ، يُعتبر الكالكوبيريت معدنًا مقاومًا يتطلب درجات حرارة مرتفعة وظروفًا مؤكسدة لتحرير النحاس في المحلول. [ 21 ] ويعود ذلك إلى صعوبات الاستخلاص الناتجة عن وجود الحديد بنسبة 1:1 إلى النحاس، [ 11 ] مما يؤدي إلى بطء حركية الاستخلاص. [ 21 ] وتُؤدي درجات الحرارة والضغوط المرتفعة إلى وفرة الأكسجين في المحلول، مما يُسرّع من سرعة التفاعل في تكسير الشبكة البلورية للكالكوبيريت. [ 21 ] وتُعرف عملية الاستخلاص المائي التي ترفع درجة الحرارة مع توفير الظروف المؤكسدة اللازمة للكالكوبيريت باسم الاستخلاص بالأكسدة تحت الضغط . وفيما يلي سلسلة تفاعلات نموذجية للكالكوبيريت في ظل ظروف مؤكسدة ودرجات حرارة عالية:

i) 2CuFeS₂ + 4Fe₂ ( SO₄ ) ₃ → 2Cu²⁺ + 2SO₄²⁻ + 10FeSO₄ + 4S

ب) 4FeSO 4 + O 2 + 2H 2 SO 4 -> 2Fe 2 (SO 4 ) 3 +2H 2 O

ج) 2S + 3O 2 +2H 2 O -> 2H 2 SO 4

(بشكل عام) 4CuFeS 2 + 17O 2 + 4H 2 O -> 4Cu 2+ + 2Fe 2 O 3 + 4H 2 SO 4 [ 21 ]

يُعدّ استخلاص النحاس بالأكسدة تحت الضغط مفيدًا بشكل خاص لخام الكالكوبيريت منخفض الجودة. ويعود ذلك إلى قدرته على "معالجة المنتج المركز الناتج عن عملية التعويم " [ 21 ] بدلًا من معالجة الخام بالكامل. إضافةً إلى ذلك، يُمكن استخدامه كبديلٍ للمعالجة الحرارية للخامات ذات الخصائص المتغيرة. [ 21 ] تشمل المزايا الأخرى للعمليات الهيدروميتالورجية فيما يتعلق باستخلاص النحاس مقارنةً بالعمليات الحرارية ( الصهر ) ما يلي:

  • تكلفة الصهر المتغيرة للغاية
  • وتختلف كمية المواد المتاحة للصهر باختلاف الموقع.
  • ارتفاع تكلفة تركيب البنية التحتية للصهر
  • القدرة على معالجة المركزات عالية الشوائب
  • زيادة الاستخلاص نتيجة القدرة على معالجة الرواسب منخفضة الجودة في الموقع
  • انخفاض تكاليف النقل (لا حاجة لشحن المركزات)
  • انخفاض التكلفة الإجمالية لإنتاج النحاس [ 21 ]

على الرغم من مزايا المعالجة المائية للمعادن، إلا أنها لا تزال تواجه تحديات في المجال التجاري. [ 11 ] [ 21 ] في المقابل، لا يزال الصهر الطريقة الأكثر جدوى تجارياً لاستخلاص النحاس. [ 11 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ وار، إل إن (2021). "رموز المعادن المعتمدة من قبل IMA-CNMNC" . مجلة علم المعادن . 85 (3): 291-320 . Bibcode : 2021MinM...85..291W . doi : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 . 
  2. ↑ كلاين، كورنيليس وكورنيليوس س. هورلبوت الابن، دليل علم المعادن، وايلي، الطبعة العشرون، 1985، الصفحات 277-278 ISBN 0-471-80580-7
  3. ↑ بالاش ، سي.، إتش. بيرمان، وسي. فروندل (1944) نظام دانا لعلم المعادن، (الطبعة السابعة)، المجلد الأول، 219-224
  4. ↑ "الكالكوبيريت" . Mindat.org.
  5. ↑ بيانات الكالكوبيريت على موقع Webmineral.com
  6. ↑ الكالكوبيريت في دليل علم المعادن
  7. ↑ "الكالكوبيريت" . قاموس ليكسيكو الإنجليزي البريطاني . مطبعة جامعة أكسفورد . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-03-2020.
  8. ↑ "الكالكوبيريت" . قاموس Merriam-Webster.com . Merriam-Webster. OCLC 1032680871. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يناير 2016 . 
  9. ↑ هالدَر، إس كيه (2020-01-01)، "الفصل 1 - المعادن والصخور" ، في هالدَر، إس كيه (محرر)، مقدمة في علم المعادن وعلم الصخور (الطبعة الثانية) ، أكسفورد: إلسيفير، ص 1-51 ، doi : 10.1016/b978-0-12-820585-3.00001-6 ، ISBN  978-0-12-820585-3، S2CID 226592959 ، تم استرجاعه بتاريخ 10-02-2023 
  10. ↑ هافليك، توماش (2008-01-01)، "الفصل 10 - تأثير البنية الإلكترونية على ترشيح أشباه الموصلات الكبريتية" ، في هافليك، توماش (محرر)، علم المعادن المائي ، سلسلة وود هيد للنشر في هندسة المعادن والأسطح، وود هيد للنشر، الصفحات 294-308 ، doi : 10.1533/9781845694616.294 ، ISBN  978-1-84569-407-4تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 فبراير 2023
  11. 1 2 3 4 5 داين، كاترين إي؛ ستين، كاسبار؛ راش، لوكاس؛ بيندرلي-كريمن، إيثان؛ فاغنر، ماري إليزابيث؛ بوري، تشارلز؛ تشميلوفيتش، برايان؛ غوتيريز، كارولينا؛ ألانور، أنطوان (29-08-2022). "إنتاج النحاس والحديد السائل من الكالكوبيريت، في غياب الأكسجين" . المعادن . 12 (9): 1440. doi : 10.3390/met12091440 . hdl : 1721.1/145313 . ISSN 2075-4701 . 
  12. 1 2 3 4 "الكالكوبيريت" . المعادن الشائعة. جامعة مينيسوتا . تم الاسترجاع في 10 ديسمبر 2024 .
  13. ↑ المتحف الوطني الأمريكي (1885). نشرة . مكتب الطباعة الحكومي الأمريكي.
  14. ↑ "اختبار صلابة موس" . www.oakton.edu . مؤرشف من الأصل بتاريخ 23-03-2022 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20-12-2019 .
  15. ↑ "الصلابة". معادن الأرض . LearnBPS: المساحات المدمجة في مدرسة بسمارك العامة . تم الاسترجاع في 20 ديسمبر 2019 .
  16. ↑ "الذهب الزائف والذهب الحقيقي - كيف تميز بينهما؟" geology.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 ديسمبر 2019 .
  17. ↑ دار، سارة أ.س.؛ بارنز، سارة-جين؛ بريتشارد، هازل م.؛ فيشر، بيتر س. (2011). "تركيزات الكالكوفيلات وعناصر مجموعة البلاتين في معادن الكبريتيد من رواسب مككريدي إيست، سودبري، كندا، وأصل عناصر مجموعة البلاتين في البيريت". Mineralium Deposita . 46 (4): 381–407 . Bibcode : 2011MinDe..46..381D . doi : 10.1007/s00126-011-0336-9 . S2CID 129382712 . 
  18. 1 2 لي، ي.؛ كاواشيما، ن.؛ لي، ج.؛ تشاندرا، أ.ب.؛ جيرسون، أ.ر. (2013-09-01). "مراجعة لبنية وآليات وحركية ترشيح الكالكوبيريت الأساسية" . التقدم في علوم الغرويات والأسطح البينية . 197-198 : 1-32 . doi : 10.1016/j.cis.2013.03.004 . ISSN 0001-8686 . PMID 23791420 .  
  19. ↑ بارنز، مايكل (2008). أكثر من مجرد ذهب مجاني . رينفرو، أونتاريو : دار نشر جنرال ستور. ص 31. ISBN  978-1-897113-90-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 2015-08-02 .
  20. ↑ هالدار، إس كيه (2014). جوزيب تيسليار (محرر). مقدمة في علم المعادن وعلم الصخور . والتهام، ماساتشوستس: إلسيفير. ISBN 978-0-12-416710-0. OCLC 881097158 . 
  21. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 شليزنجر، مارك إي. (2011). استخلاص المعادن من النحاس . أمستردام: إلسيفير. ص 281-317 . ISBN  978-0-08-096789-9. OCLC 742299078 . 
  22. ↑ نصار الله، سي إل (2001-01-01)، "علم المعادن الحراري" ، في بوشو، كيه إتش يورغن؛ كاهن، روبرت دبليو؛ فليمنغز، ميرتون سي؛ إيلشنر، برنارد (محررون)، موسوعة المواد: العلوم والتكنولوجيا ، أكسفورد: إلسيفير، ص 7938-7941 ، رمز Bibcode : 2001emst.book.7938N ، doi : 10.1016/b0-08-043152-6/01429-7 ، ISBN  978-0-08-043152-9تم الاطلاع عليه بتاريخ 23-03-2023
  23. 1 2 تشامفيها، بيمبورن؛ تشيشانا، كاتيابون؛ تشواتشوينسوك، أنون؛ أوثايانون، سوثيدا؛ أربورنويشانوب ، أمورنشاي (2008/10/09). "تحليل أداء مفاعل الصهر لعملية إنتاج النحاس" . أبحاث الكيمياء الصناعية والهندسية . 48 (3): 1120-1125 . دوى : 10.1021/ie800618a . ردمك 0888-5885 .