Халькопирит
| Халькопирит | |
|---|---|
 | |
| Общий | |
| Категория | Сульфидный минерал |
| Формула (повторяющаяся единица) | CuFeS 2 |
| Имеет символ IMA. | КПК [1] |
| Классификация Штрунца | 2.CB.10a |
| Кристаллическая система | четырехугольный |
| Кристаллический класс | Скаленоэдрический ( 4 2м) Символ HM : ( 4 2 м) |
| Космическая группа | я 4 2д |
| Элементарная ячейка | а = 5,289 Å, с = 10,423 Å; З = 4 |
| Идентификация | |
| Формула массы | 183.54 g/mol |
| Цвет | Латунно-желтый, может иметь переливающийся пурпурный налет. |
| Кристальная привычка | Преимущественно дисфеноидный, напоминающий тетраэдр, обычно массивный, иногда ботриоидный. |
| Твиннинг | Проникновение близнецов |
| Расщепление | Нечетко на {011} |
| Перелом | Неравномерный или неровный |
| упорство | хрупкий |
| шкала Мооса твердость | 3.5–4 |
| Блеск | Металлик |
| Полоса | Зеленовато-черный |
| прозрачность | Непрозрачный |
| Удельный вес | 4.1–4.3 |
| Оптические свойства | Непрозрачный |
| Растворимость | Растворим в HNO 3. |
| Другие характеристики | магнитный при нагреве |
| Ссылки | [2] [3] [4] [5] [6] |
Халькопирит ( / ˌ k æ l k ə ˈ p aɪ ˌ r aɪ t , - k oʊ -/ [7] [8] KAL -kə- PY -ryte, -koh- ) — меди и железа минерал сульфид и наиболее распространенный минерал медной руды . Он имеет химическую формулу CuFeS 2 и кристаллизуется в тетрагональной системе. Он имеет цвет от медного до золотисто-желтого и твердость от 3,5 до 4 по шкале Мооса . Его полоса диагностична как черная с зеленоватым оттенком. [9]
Под воздействием воздуха халькопирит тускнеет, образуя различные оксиды, гидроксиды и сульфаты. К сопутствующим медным минералам относятся сульфиды борнит (Cu 5 FeS 4 ), халькоцит (Cu 2 S), ковеллин (CuS), дигенит (Cu 9 S 5 ); карбонаты, такие как малахит и азурит , и редко оксиды, такие как куприт (Cu 2 O). Редко встречается в сочетании с самородной медью . Халькопирит является проводником электричества. [10]
Медь можно извлечь из халькопиритовой руды различными методами. Двумя преобладающими методами являются пирометаллургия и гидрометаллургия , причем первый является наиболее коммерчески выгодным. [11]
Этимология
[ редактировать ]Название халькопирит происходит от греческих слов «халкос» , что означает медь, и «пирит », что означает «поражающий огонь». [12] Иногда исторически ее называли «желтой медью». [13]
Идентификация
[ редактировать ]Халькопирит часто путают с пиритом и золотом, поскольку все три минерала имеют желтоватый цвет и металлический блеск. Некоторыми важными характеристиками минералов, которые помогают отличить эти минералы, являются твердость и полосатость. Халькопирит намного мягче пирита, и его можно поцарапать ножом, тогда как пирит ножом не поцарапать. [14] Однако халькопирит тверже золота, которое в чистом виде можно поцарапать медью . [15] Халькопирит имеет характерную черную полосу с зелеными крапинками. Пирит имеет черную полосу, а золото — желтую полосу. [16]
Химия
[ редактировать ]
Природный халькопирит не имеет ряда твердых растворов с другими сульфидными минералами. ограничено замещение цинка медью Несмотря на то, что халькопирит имеет ту же кристаллическую структуру, что и сфалерит, .
Незначительные количества таких элементов, как серебро, золото, кадмий, кобальт, никель, свинец, олово и цинк, могут быть измерены (на уровне частей на миллион), вероятно, заменяя медь и железо. Селен, висмут, теллур и мышьяк могут заменять серу в небольших количествах. [17] Халькопирит может окисляться с образованием малахита , азурита и куприта . [18]
Структура
[ редактировать ]Халькопирит относится к тетрагональной кристаллической системе. Кристаллографическая структура халькопирита близка структуре цинковой обманки ZnS ( сфалерита ). [19] Элементарная ячейка в два раза больше, что отражает чередование Cu + и Fe 3+ ионы, заменяющие Zn 2+ ионы в соседних клетках. В отличие от структуры пирита халькопирит имеет единичные S 2− сульфид-анионы, а не дисульфидные пары. Другое отличие состоит в том, что катион железа не является диамагнитным низкоспиновым Fe(II), как в пирите.
В кристаллической структуре каждый ион металла тетраэдрически координирован с 4 анионами серы. Каждый анион серы связан с двумя атомами меди и двумя атомами железа. [19]
Парагенезис
[ редактировать ]
Халькопирит присутствует во многих рудоносных средах в результате различных процессов рудообразования .
Халькопирит присутствует в вулканогенных колчеданных рудных месторождениях и осадочных эксгаляционных месторождениях , образовавшихся за счет отложения меди в процессе гидротермальной циркуляции . Халькопирит концентрируется в этой среде посредством флюидного транспорта. Месторождения медно-порфировых руд образуются в результате концентрации меди в гранитном штоке во время подъема и кристаллизации магмы. Халькопирит в этой среде образуется в результате концентрации внутри магматической системы.
Халькопирит — акцессорный минерал в коматиитовых никелевых рудных месторождениях Камбалдинского типа , образовавшийся из несмешивающейся сульфидной жидкости , насыщенных сульфидами в ультраосновных лавах . В этой среде халькопирит образуется в результате отделения сульфидной жидкости меди от несмешивающейся силикатной жидкости.
Халькопирит был самой важной рудой меди со времен бронзового века. [20]
возникновение
[ редактировать ]
Хотя халькопирит не содержит в своей структуре больше всего меди по сравнению с другими минералами, он является наиболее важной медной рудой, поскольку его можно найти во многих местах. Халькопиритовая руда встречается в различных типах руд : от огромных масс, как в Тимминсе, Онтарио , до неправильных жил и вкраплений, связанных с гранитными и диоритовыми интрузивами , как в медно-порфировых месторождениях Брокен-Хилл , Американских Кордильер и Анд . Самое крупное месторождение почти чистого халькопирита, когда-либо обнаруженное в Канаде, находилось на южной оконечности Зеленокаменного пояса Темагами , где на руднике Копперфилдс добывалась высококачественная медь. [21]
Халькопирит присутствует в гигантском месторождении Cu-Au-U Олимпик-Дэм в Южной Австралии .
Халькопирит также может быть обнаружен в угольных пластах, связанных с пиритовыми конкрециями, и в виде вкраплений в карбонатных осадочных породах. [22]
Добыча меди
[ редактировать ]
Металлическую медь преимущественно добывают из халькопиритовой руды двумя методами: пирометаллургией и гидрометаллургией . Самый распространенный и коммерчески выгодный. [11] Метод пирометаллургии включает в себя методы «дробления, измельчения, флотации, плавки, рафинирования и электрорафинирования». Дробление, выщелачивание, экстракция растворителем и электролиз - методы, используемые в гидрометаллургии. [ нужна ссылка ] В частности, в случае халькопирита окислительное выщелачивание под давлением. практикуется [23]
Пирометаллургические процессы
[ редактировать ]Важнейшим методом извлечения меди из халькопирита является пирометаллургия. Пирометаллургия обычно используется для крупномасштабных операций с высоким содержанием меди и высококачественных руд. [24] Это связано с тем, что руды Cu-Fe-S, такие как халькопирит, трудно растворяются в водных растворах. [25] Процесс экстракции этим методом проходит четыре этапа:
- Выделение нужных элементов из руды с помощью пенной флотации для создания концентрации
- Создание штейна с высоким содержанием сульфида меди путем плавления концентрата
- Окисление/преобразование сульфидного штейна, приводящее к образованию нечистой расплавленной меди.
- Огневое и электролитическое рафинирование для повышения чистоты получаемой меди. [25]
Халькопиритовая руда непосредственно не плавится. Это связано с тем, что руда в основном состоит из экономически неценного материала или пустой породы с низким содержанием меди. Обилие отходов приводит к тому, что для нагрева и плавления руды требуется много углеводородного топлива. Альтернативно, медь сначала выделяют из руды с помощью метода пенной флотации . По сути, реагенты используются для придания меди водоотталкивающих свойств, поэтому медь может концентрироваться во флотационной камере, плавая на пузырьках воздуха. В отличие от 0,5–2% меди в халькопиритовой руде, пенная флотация дает концентрат, содержащий около 30% меди. [25]
Затем концентрат подвергается процессу, называемому плавкой штейна . Штейновая плавка окисляет серу и железо. [26] путем плавления флотационного концентрата в печи при температуре 1250 °C с получением нового концентрата (штейна) с содержанием меди примерно 45–75%. [25] Этот процесс обычно выполняется в флэш-печах. Для уменьшения количества меди в шлаковом материале шлак выдерживают в расплавленном состоянии с добавкой SiO 2 . флюса [26] для обеспечения несмешиваемости концентрата и шлака. Что касается побочных продуктов, при плавке медного штейна может образовываться газ SO 2 , вредный для окружающей среды, поэтому он улавливается в виде серной кислоты . Примеры реакций следующие: [25]
- 2CuFeS 2(т) +3,25O 2(г) → Cu 2 S-0,5FeS (ж) + 1,5FeO (т) + 2,5SO 2(г)
- 2FeO (т) + SiO 2(т) → Fe 2 SiO 4(л) [25]
Конвертация включает повторное окисление штейна для дальнейшего удаления серы и железа; однако продукт на 99% состоит из расплавленной меди. [25] Конвертирование происходит в два этапа: этап шлакообразования и этап образования меди. На стадии шлакообразования железо и сера восстанавливаются до концентраций менее 1% и 0,02% соответственно. Концентрат от плавки штейна заливают в конвертер, который затем вращают, снабжая шлак кислородом через фурмы . Реакция следующая:
2FeS (ж) +3O 2(г) +SiO 2(т) -> Fe 2 SiO 4(ж) + 2SO 2(г) + тепло
На этапе формования меди штейн, полученный на этапе шлака, подвергается загрузке (подача штейна в конвертер), продувке (удаление большего количества кислорода) и обезжириванию (извлечение нечистой расплавленной меди, известной как черновая медь). [25] Реакция следующая:
Cu 2 S (ж) + O 2(г) -> 2Cu (ж) + SO 2(г) + тепло [25]
Наконец, черновая медь подвергается очистке огнем, электрорафинированием или обоими способами. На этом этапе медь очищается до катода высокой чистоты . [25]
Гидрометаллургические процессы
[ редактировать ]Халькопирит является исключением из большинства медьсодержащих минералов. В отличие от большинства медных минералов, которые можно выщелачивать в атмосферных условиях, например, посредством кучного выщелачивания , халькопирит является тугоплавким минералом, которому требуются повышенные температуры, а также окислительные условия для выделения меди в раствор. [27] Это связано с трудностями при добыче, которые возникают из-за присутствия железа и меди в соотношении 1:1. [28] что приводит к медленной кинетике выщелачивания. [27] Повышенные температуры и давления создают избыток кислорода в растворе, что способствует более высокой скорости реакции с точки зрения разрушения кристаллической решетки халькопирита. [27] Гидрометаллургический процесс, который повышает температуру с созданием окислительных условий, необходимых для халькопирита, известен как окислительное выщелачивание под давлением . Типичная серия реакций халькопирита в окислительных высокотемпературных условиях выглядит следующим образом:
и) 2CuFeS 2 + 4Fe 2 (SO 4 ) 3 -> 2Cu 2+ + 2SO 4 2- + 10FeSO 4 +4S
ii) 4FeSO 4 + O 2 + 2H 2 SO 4 -> 2Fe 2 (SO 4 ) 3 +2H 2 O
iii) 2S + 3O 2 +2H 2 O -> 2H 2 SO 4
(всего) 4CuFeS 2 + 17O 2 + 4H 2 O -> 4Cu 2+ + 2Fe 2 O 3 + 4H 2 SO 4 [27]
Окислительное выщелачивание под давлением особенно полезно для низкосортного халькопирита. Это потому, что он может «перерабатывать концентрат продукта флотации ». [27] вместо того, чтобы перерабатывать целую руду. Кроме того, его можно использовать как альтернативу пирометаллургии для руды с переменным содержанием. [27] Другие преимущества гидрометаллургических процессов в отношении извлечения меди перед пирометаллургическими процессами ( плавкой ) включают:
- Сильно переменная стоимость плавки
- В зависимости от локации количество доступных плавок ограничено.
- Высокая стоимость установки плавильной инфраструктуры
- Возможность переработки высокопримесных концентратов
- Увеличение нефтеотдачи за счет возможности переработки низкосортных отложений на месте.
- Снижение транспортных расходов (доставка концентрата не требуется)
- Общая более низкая себестоимость производства меди [27]
Хотя гидрометаллургия имеет свои преимущества, она продолжает сталкиваться с проблемами в коммерческих условиях. [28] [27] В свою очередь, плавка продолжает оставаться наиболее коммерчески выгодным методом извлечения меди. [28]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Уорр, Л.Н. (2021). «Утвержденные IMA–CNMNC символы минералов» . Минералогический журнал . 85 (3): 291–320. Бибкод : 2021MinM...85..291W . дои : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 .
- ^ Кляйн, Корнелис и Корнелиус С. Херлбат-младший, Руководство по минералогии, Wiley, 20-е изд., 1985, стр. 277–278. ISBN 0-471-80580-7
- ^ Палаш , К., Х. Берман и К. Фрондель (1944) Система минералогии Даны, (7-е издание), т. I, 219–224
- ^ «Халькопирит» . Mindat.org.
- ^ Данные о халькопирите на Webmineral.com.
- ^ Халькопирит в Справочнике по минералогии.
- ^ «халькопирит» . Lexico Британский словарь английского языка . Издательство Оксфордского университета . Архивировано из оригинала 22 марта 2020 г.
- ^ «халькопирит» . Словарь Merriam-Webster.com . Проверено 21 января 2016 г.
- ^ Халдар, СК (01 января 2020 г.), Халдар, СК (редактор), «Глава 1 - Минералы и горные породы» , Введение в минералогию и петрологию (второе издание) , Оксфорд: Elsevier, стр. 1–51, doi : 10.1016/b978-0-12-820585-3.00001-6 , ISBN 978-0-12-820585-3 , S2CID 226592959 , получено 10 февраля 2023 г.
- ^ Гавлик, Томаш (01 января 2008 г.), Гавлик, Томаш (редактор), «Глава 10 - Влияние электронной структуры на выщелачивание сульфидных полупроводников» , Гидрометаллургия , Серия публикаций Woodhead по металлам и технологии поверхности, Woodhead Publishing, стр. . 294–308, номер домена : 10.1533/9781845694616.294 , ISBN. 978-1-84569-407-4 , получено 10 февраля 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Даэн, Катрин Э.; Стинн, Каспар; Раш, Лукас; Бендеры-Кремень, Итан; Вагнер, Мэри Элизабет; Бери, Чарльз; Хмеловец, Брайан; Гутьеррес, Каролина; Алланор, Антуан (29 августа 2022 г.). «Производство жидкой меди и железа из халькопирита в отсутствие кислорода» . Металлы . 12 (9): 1440. дои : 10.3390/met12091440 . hdl : 1721.1/145313 . ISSN 2075-4701 .
- ^ «Халькопирит» . www.esci.umn.edu . Минералы. Университет Миннесоты . Проверено 20 декабря 2019 г.
- ^ Национальный музей США (1885 г.). Бюллетень . Типография правительства США.
- ^ «Твердость по Моосу» . www.oakton.edu . Архивировано из оригинала 23 марта 2022 г. Проверено 20 декабря 2019 г.
- ^ «Твердость». Минералы Земли . LearnBPS: смешанные пространства государственной школы Бисмарка . Проверено 20 декабря 2019 г.
- ^ «Золото дураков и настоящее золото – как отличить» . geology.com . Проверено 20 декабря 2019 г.
- ^ Дэйр, Сара А.С.; Барнс, Сара-Джейн; Причард, Хейзел М.; Фишер, Питер К. (2011). «Концентрация халькофилов и элементов платиновой группы (ЭПГ) в сульфидных минералах месторождения Маккриди Ист, Садбери, Канада, и происхождение ЭПГ в пирите». Месторождение минералов . 46 (4): 381–407. Бибкод : 2011MinDe..46..381D . дои : 10.1007/s00126-011-0336-9 . S2CID 129382712 .
- ^ «Халькопирит» . www.esci.umn.edu . Минералы. Университет Миннесоты . Проверено 20 декабря 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Ли, Ю.; Кавасима, Н.; Ли, Дж.; Чандра, AP; Герсон, Арканзас (1 сентября 2013 г.). «Обзор структуры, фундаментальных механизмов и кинетики выщелачивания халькопирита» . Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки . 197–198: 1–32. дои : 10.1016/j.cis.2013.03.004 . ISSN 0001-8686 . ПМИД 23791420 .
- ^ «Халькопирит» . Кафедра геологии . Университет Миннесоты . Проверено 18 февраля 2021 г.
- ^ Барнс, Майкл (2008). Больше, чем бесплатное золото . Ренфрю, Онтарио : Издательство General Store. п. 31. ISBN 978-1-897113-90-5 . Проверено 2 августа 2015 г.
- ^ Халдар, СК (2014). Йосип Тисляр (ред.). Введение в минералогию и петрологию . Уолтем, Массачусетс: Эльзевир. ISBN 978-0-12-416710-0 . ОСЛК 881097158 .
- ^ Шлезингер, Марк Э. (2011). Добывающая металлургия меди . Амстердам: Эльзевир. стр. 281–317. ISBN 978-0-08-096789-9 . OCLC 742299078 .
- ^ Нассаралла, CL (01 января 2001 г.), «Пирометаллургия» , в Бушове, К. Х. Юрген; Кан, Роберт В.; Флемингс, Мертон К.; Ильшнер, Бернхард (ред.), Энциклопедия материалов: наука и технология , Оксфорд: Elsevier, стр. 7938–7941, Бибкод : 2001emst.book.7938N , номер документа : 10.1016/b0-08-043152-6/01429-7 , ISBN 978-0-08-043152-9 , получено 23 марта 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Шлезингер, Марк Э. (2011). Добывающая металлургия меди . Амстердам: Эльзевир. стр. 281–317. ISBN 978-0-08-096789-9 . OCLC 742299078 .
- ^ Jump up to: а б Чамвеха, Пимпорн; Чайчана, Каттияпон; Чуачуенсук, Анон; Аутаянун, Сутида; Арпорнвичаноп, Аморчай (9 октября 2008 г.). «Анализ производительности плавильного реактора для процесса производства меди» . Исследования в области промышленной и инженерной химии . 48 (3): 1120–1125. дои : 10.1021/ie800618a . ISSN 0888-5885 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Шлезингер, Марк Э. (2011). Добывающая металлургия меди . Амстердам: Эльзевир. стр. 281–317. ISBN 978-0-08-096789-9 . OCLC 742299078 .
- ^ Jump up to: а б с Даэн, Катрин Э.; Стинн, Каспар; Раш, Лукас; Бендеры-Кремень, Итан; Вагнер, Мэри Элизабет; Бери, Чарльз; Хмеловец, Брайан; Гутьеррес, Каролина; Алланор, Антуан (29 августа 2022 г.). «Производство жидкой меди и железа из халькопирита в отсутствие кислорода» . Металлы . 12 (9): 1440. дои : 10.3390/met12091440 . hdl : 1721.1/145313 . ISSN 2075-4701 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
