النحاس هو أحد عناصر الكيمياء الأساسية، النحاس في حالته النقية هو من المعادن البرتقالية المحمرة معروف بتوصيله الحراري والكهربائي، يتم استخدامه بشكل شائع لإنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات، بما في ذلك الأسلاك الكهربائية وأواني الطبخ والأنابيب ومشعات السيارات وغيرها، يستخدم النحاس كصبغة ومواد حافظة للورق والطلاء والمنسوجات والخشب.
تاريخ تصنيع النحاس:
تمّ استخدام النحاس لأول مرة منذ 10000 عام، تم العثور على قلادة نحاسية من حوالي 8700 قبل الميلاد في ما هو الآن شمال العراق، هناك أدلة على أنه بحلول عام 6400 قبل الميلاد كان النحاس يذوب ويلقي في أشياء في المنطقة المعروفة الآن باسم تركيا، بحلول عام 4500 قبل الميلاد كانت هذه التكنولوجيا تمارس في مصر أيضاً.
جاء معظم النحاس المستخدم قبل 4000 قبل الميلاد من الاكتشاف العشوائي للنقاط البارزة المعزولة للنحاس الأصلي أو من النيازك التي أثرت على الأرض، يأتي أول ذكر للاستخراج المنهجي لخام النحاس من حوالي 3800 قبل الميلاد عندما يصف مرجع مصري عمليات التعدين في شبه جزيرة سيناء.
في حوالي 3000 قبل الميلاد تم العثور على رواسب كبيرة من خام النحاس في جزيرة قبرص في البحر الأبيض المتوسط، عندما غزا الرومان قبرص سمّو (aes cyprium) باللاتينية، الذي غالبًا ما كان يُختصر إلى (cyprium)، في وقت لاحق تم إتلاف هذا إلى (cuprum)، الذي اشتق منه الكلمة الإنجليزية النحاس والرمز الكيميائي (Cu).
في أمريكا الجنوبية تم إنتاج الأجسام النحاسية على طول الساحل الشمالي لبيرو في وقت مبكر من عام 500 قبل الميلاد، كان تطوير المعادن النحاسية متقدم بشكل جيد بحلول الوقت الذي سقطت فيه إمبراطورية الإنكا على أيدي الجنود الإسبان الغزاة في القرن السادس عشر.
في الولايات المتحدة فُتح أول المناجم بالخاصة بالنحاس في برانبي في عام 1705، تلاه منجم في لانكستر بنسلفانيا في عام 1732، على الرغم من هذا الإنتاج المبكر تم استيراد أغلب النحاس الذي يستخدم في الولايات المتحدة من تشيلي حتى عام 1844، عندما بدأ تعدين رواسب كبيرة من خام النحاس عالي الجودة حول بحيرة سوبيريور.
سمح تطوير تقنيات المعالجة الأكثر كفاءة في أواخر القرن التاسع عشر باستخراج خامات النحاس منخفضة الجودة من مناجم ضخمة مفتوحة في غرب الولايات المتحدة، اليوم تعد الولايات المتحدة وتشيلي أكبر دولتين تصنعا النحاس في العالم، تليهما روسيا وكندا والصين.
كيفية تصنيع النحاس:
نادراً ما يوجد النحاس النقي في الطبيعة ولكنه عادةً ما يتم دمجه مع مواد كيميائية أخرى في شكل خامات النحاس، هناك حوالي 15 خامات نحاسية يتم استخراجها في 40 دولة حول العالم، يُعرف أكثرها شيوعاً بخامات الكبريتيت، حيث يرتبط النحاس كيميائياً بالكبريت، يُعرف البعض الآخر باسم خامات الأكسيد أو خامات الكربونات أو الخامات المختلطة اعتماداً على المواد الكيميائية الموجودة.
تختلف عملية استخلاص النحاس من خام النحاس حسب نوع الخام والنقاء المطلوب للمنتج النهائي، تتكون كل عملية من عدة خطوات يتم فيها إزالة المواد غير المرغوب فيها مادياً أو كيميائياً، يزداد تركيز النحاس تدريجياً، يتم تنفيذ بعض هذه الخطوات في موقع المنجم نفسه، بينما قد يتم تنفيذ البعض الآخر في منشآت منفصلة، فيما يلي الخطوات المستخدمة لمعالجة خامات الكبريتيد الشائعة:
التعدين:
يتم أخذ معظم خامات الكبريتيد من مناجم مفتوحة ضخمة عن طريق الحفر والتفجير بالمتفجرات، في هذا النوع من التعدين يتم أولاً إزالة المادة الموجودة فوق الخام والتي تسمى الطبقة السطحية؛ لكشف رواسب الخام المدفونة، ينتج عن هذا حفرة مفتوحة قد تنمو لتصل إلى ميل أو أكثر، طريق للسماح بالوصول الحلزوني للمعدات أسفل المنحدرات الداخلية للحفرة.
يتم تجريف المواد الخام المكشوفة بواسطة مجارف طاقة كبيرة قادرة على تحميل 500-900 قدم مكعب في قضمة واحدة، يتم تحميل الخام في شاحنات قلابة عملاقة وتسمى شاحنات النقل ويتم نقله إلى أعلى وإلى خارج الحفرة، يحتوي خام النحاس عادةً على كمية كبيرة من الأوساخ والطين ومجموعة متنوعة من المعادن غير الحاملة للنحاس.
الخطوة الأولى هي إزالة بعض هذه النفايات، تسمى هذه العملية بالتركيز وعادة ما تتم بطريقة التعويم، يتم سحق الخام في سلسلة من الكسارات المخروطية، تتكون هذه الكسارة من مخروط طحن داخلي يدور على محور عمودي داخل مخروط خارجي ثابت، عندما يتم تغذية الخام في الجزء العلوي من الكسارة، يتم ضغطه بين المخروطين وتقسيمه إلى قطع أصغر.
ثم يتم طحن الخام المسحوق بشكل أصغر بواسطة سلسلة من المطاحن؛ أولاً يتم خلطها بالماء وتوضع في مطحنة قضبان والتي تتكون من وعاء أسطواني كبير مملوء بالعديد من أطوال قصيرة من قضبان الصلب، عندما تدور الأسطوانة على محورها الأفقي، تقلب قضبان الصلب وتفكك الخام إلى قطع يبلغ قطرها حوالي 0.13 بوصة.
يتم تكسير خليط الركاز والماء في مطحنتين كرويتين، التي تشبه طاحونة القضيب باستثناء كرات الصلب المستخدمة بدلاً من القضبان، يحتوي ملاط الخام المطحون ناعماً الذي يخرج من المطحنة الكروية النهائية على جزيئات يبلغ قطرها حوالي 0.01 بوصة، يتم خلط الملاط بمختلف الكواشف الكيميائية التي تغطي جزيئات النحاس، يضاف كذلك سائل يسمى الرغوة.
غالباً ما يستخدم زيت الصنوبر أو الكحول طويل السلسلة كأخوة، يتم ضخ هذا الخليط في خزانات مستطيلة تسمى خلايا التعويم، حيث يتم حقن الهواء في الملاط عبر قاع الخزانات، تجعل الكواشف الكيميائية جزيئات النحاس تتشبث بالفقاعات أثناء صعودها إلى السطح، تشكل الرغوة طبقة سميكة من الفقاعات والتي تفيض في الخزانات وتتجمع في أحواض.
يُسمح للفقاعات بالتكثيف وتصريف المياه، يحتوي الخليط الناتج المسمى بمركز النحاس على حوالي 25-35٪ نحاس مع كبريتيدات مختلفة من النحاس والحديد، بالإضافة إلى تركيزات أصغر من الذهب والفضة ومواد أخرى، تسمى المواد المتبقية في الخزان الشوائب أو المخلفات، يتم ضخها في أحواض الترسيب والسماح لها بالجفاف.
تختلف عملية استخلاص النحاس من خام النحاس حسب نوع الخام والنقاء المطلوب للمنتج النهائي، تتكون كل عملية من عدة خطوات يتم فيها إزالة المواد غير المرغوب فيها ويزداد تركيز النحاس.
صهر النحاس:
بمجرد إزالة مواد النفايات فعلياً من الخام، يجب أن يخضع مركز النحاس المتبقي لعدة تفاعلات كيميائية لإزالة الحديد والكبريت، تسمى هذه العملية بالصهر وتشتمل تقليدياً على فرنين كما هو موضح أدناه، تستخدم بعض المصانع الحديثة فرن واحد يجمع بين العمليتين، يتم تغذية مركز النحاس في الفرن مع مادة سيليكا تسمى التدفق.
تستخدم معظم مصاهر النحاس أفران وميض غنية بالأكسجين، حيث يتم دفع الهواء الغني بالأكسجين المسخن مسبقًا إلى الفرن ليحترق بزيت الوقود، يذوب تركيز النحاس وتدفقه ويتجمع في قاع الفرن، يتحد جزء كبير من الحديد في المركز كيميائياً مع التدفق لتشكيل خبث مقشود من سطح المادة المنصهرة.
يتحد جزء كبير من الكبريت الموجود في المركز مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكبريت، الذي يتم استنفاده من الفرن كغاز ويتم معالجته أيضاً في مصنع حامض لإنتاج حامض الكبريتيك، المادة المنصهرة المتبقية في قاع الفرن تسمى ماتي، يُسحب اللامع المنصهر من الفرن ويصب في فرن ثانٍ يسمى المحول.
يضاف تدفق السيليكا الإضافي وينفخ الأكسجين عبر المادة المنصهرة، التفاعلات الكيميائية في المحول مماثلة لتلك الموجودة في فرن الفلاش، يتفاعل تدفق السيليكا مع الحديد المتبقي لتكوين خبث، كما يتفاعل الأكسجين مع الكبريت المتبقي لتكوين ثاني أكسيد الكبريت، يمكن إعادة الخبث إلى فرن الوميض ليعمل كتدفق وتتم معالجة ثاني أكسيد الكبريت من خلال مصنع الحمض.
تكربر النحاس:
على الرغم من أن نفطة النحاس عبارة عن نحاس نقي بنسبة 99٪، إلا أنها لا تزال تحتوي على مستويات عالية بما يكفي من الكبريت والأكسجين والشوائب الأخرى لإعاقة مزيد من التكرير، لإزالة أو ضبط مستويات هذه المواد، يتم تنقية النحاس المنفّط أولاً بالنار قبل إرساله إلى عملية التنقية الكهربائية النهائية.
يتم تسخين النحاس المنفّط في فرن تكرير مشابه للمحول الموصوف أعلاه. يتم نفخ الهواء في الفقاعة المنصهرة لأكسدة بعض الشوائب، يمكن إضافة تدفق كربونات الصوديوم لإزالة آثار الزرنيخ والأنتيمون، يتم سحب عينة من المادة المنصهرة ويحدد عامل ذو خبرة متى وصلت الشوائب إلى مستوى مقبول.
ثم يُسكب النحاس المصهور الذي يكون نقي بنسبة 99.5٪ في قوالب لتشكيل أنودات كهربائية كبيرة والتي تعمل كمحطات موجبة لعملية التكرير الكهربائي، يتم وضع كل أنود نحاسي في خزان فردي أو خلية مصنوعة من الخرسانة البوليمرية.
