Koperwinning uit kopererts

Scheikundig symbool koper Cu is afgeleid van het latijn cuprum dat verwijst naar het eiland Cyprus. In de volksmond onderscheiden we roodkoper (het zuivere koper) en geelkoper (messing een legering van koper en zink). Het koper tijdperk ligt tussen 5500 en 3300 v. Chr. In 2009 bedraagt de consumptie van koper 19 miljoen ton. De mijnproductie is 16 miljoen ton en de recycling 3 miljoen ton. De koperwinning is een energie verslinder en een grond verontreiniger dus een zware belasting van het milieu.

Algemeen, element koper, symbool Cu

Isotopen van koper

Naast twee stabiele isotopen 63Cu en 65Cu is er een aantal radioactieve isotopen, waarvan de langstlevende 67Cu is met een halveringstijd van 60 uur, de rest heeft halveringstijden van enkele minuten of minder.

De koperprijs

De vraag naar koper is groter dan de productie dus de mondiale voorraad daalt. In februari 2011 bereikte de koperprijs een historisch maximum van $10.000 per ton. Men verwacht dat de vraag het aanbod blijft overtreffen, grote prijsdalingen zitten er dus niet in.

Voorkomen van koper

Kopererts wordt o.a. gewonnen in Chili, Peru, VS, Indonesië. De grootste koperproducent is Peru. De Chuquicamata (foto) in Chili is de grootste dagbouwmijn ter wereld, lengte 4 km, breedte 3 km, diepte van 1 km.

Bekende koperertsen:

80% van de ertsen zijn zwavelhoudende ertsen. De meest voorkomende zijn:

• Chalcopyriet (CuFeS2),
• Borniet (Cu5FeS4),
• Chalcociet (Cu2S),
• Covelliet(CuS).

Bovenstaande mineralen komen vaak gemengd voor. De geoxideerde mineralen zijn carbonaten die in water en lucht geoxideerd zijn, we onderscheiden oa. de volgende complexe verbindingen:

• Azuriet (Cu3(CO3)2(OH)2)
• Malachiet(Cu2CO3(OH)2).

De winning van kopererts

Koper komt voor in zouten die 30 tot 90% koper bevatten maar ze zijn vermengd met andere mineralen en gesteenten. Vanaf circa 2% zuiver koper beschouwt men de erts als rijk. Er zijn twee verschillende soorten winplaatsen:

• Openluchtmijnen waar het erts dicht aan het oppervlak ligt en door graafwerk economisch gedolven kan worden.
• Ondergrondse mijnen.

Aan het aardoppervlak komen de kopermineralen meestal in twee vormen voor:

• Zwavelhoudende mineralen
• Geoxideerde mineralen.

Zwavelhoudend of geoxideerd bepaalt welke metallurgie men toepast om zuiver koper te produceren:

• Pyrometallurgie voor de zwavelhoudende mineralen
• Hydrometallurgie voor de geoxideerde mineralen.

De koperconcentratie in ertsen is gemiddeld 0,6%, meest verwerkte ertsen zijn sulfiden. Deze mineralen worden fijngemalen tot percentage van 10 tot 15% koper door schuimflotatie of uitlogen. In het proces wordt ijzersulfide omgezet in zijn oxiden, die op hun beurt reageren met het silica tot silicaat slak, die drijft op de massa en afgeschept wordt. De resulterende kopersulfide Cu2S wordt geroosterd (verhit met lucht) volgens:
2 Cu2S + 3 O2 ---> 2 Cu2O + 2 SO2

Bij verhitting wordt koperoxide omgezet door reductie in koper volgens:
2 Cu2O ---> 4 Cu + O2

Er wordt aardgas ingeblazen om via CO de resterende zuurstof te verwijderen.

De productie van concentraat

Kopermijnen leveren een mengsel van mineralen met een laag kopergehalte, dit mengsel wordt geconcentreerd. De productie van concentraat via de flotatiemethode voor zwavelhoudende ertsen. (De geoxideerde mineralen ondergaan een bijzondere chemische behandeling., het uitlogingsproces). De eerste fase in de behandeling van de zwavelhoudende mineralen omvat: zeven, vergruizen, vermalen en sorteren. Op die manier veranderen de mineralen in grof poeder waaraan men water toevoegt. De behandeling, bestaande uit flotatie in water gevolgd door het laten bezinken, moet ervoor zorgen dat het rijkste gedeelte van het mineraal opnieuw aan de oppervlakte komt, waarna het gescheiden wordt van de verontreinigde neerslag die op de bodem van het bad achterblijft. De concentraat bevat tenslotte 25 tot 40% koper.

De metallurgische verwerking

Men gaat uit van ertsconcentraat. Bij hoge temperatuur scheidt men, in de vloeibare vorm en via de inwerking van zwaartekracht en roosten de lichtste mineraalloze gesteenten van de zwaardere koperhoudende zouten. Hierdoor ontstaat z.g.n. 'ruwsteen' met hoog zwavelgehalte en 40 tot 60% koper. Daarop volgt een proces in een draaioven (Bessemer oven) bij circa 1.300° waarbij het koper gescheiden wordt van andere bestanddelen. Het koper wordt uitgegoten in platen, met een zuiverheid van 99,5% koper, niet zuiver genoeg voor alle toepassingen. Zwavel maakt het bereiden van koper moeilijk. De erts wordt eerst geroost (verhit met lucht) tot oxyde. Het erts wordt gebroken en geplet en gemalen tot poeder. Aan het poeder wordt lucht, water en minerale olie toegevoegd. Bijna 50% van de verontreinigingen worden gescheiden van het koper (flotatiemethode). Overgebleven kopererts gaat in een oven waar de aanwezige zwavel bovenop het vloeibare koper komt te drijven en wordt afgevoerd. Het gesmolten koper wordt vervolgens in een bessemerpeer gegoten, (een ronddraaiende houder waar lucht door het koperbad geperst wordt) waardoor de meeste onzuiverheden verbranden en in de slak worden opgenomen .

Koper zuivering door elektroraffinage

We hebben nu ruwkoper dat voor 98 % bestaat uit zuiver koper. De industrie eist een zuiverheid van 99,90%, dit wordt bereikt door elektrolytische zuivering. De te zuiveren gegoten koperplaat wordt als anode in een electroliet (verdund zwavelzuur en kopersulfaat) gehangen. De kathode is een plaat van zeer dun koper. De platen worden onder stroom gezet. Aan de positieve anode lossen positieve koperionen op in het bad en slaan vervolgens neer op de negatieve kathode. Het koper dat op die manier verkregen wordt aan de kathode (koperkathode) is zuiver maar poreus en heeft electroliet insluitsels. Om te beschikken over zuiver koper van 99,90% en een homogene structuur worden de koperkathoden achteraf nogmaals gesmolten.

Twee grote groepen van koper :

• Koper, met zuurstof, dat gekenmerkt wordt door een groot elektrisch geleidingsvermogen, maar niet geschikt is voor het lassen of solderen. Wordt vooral in de elektriciteitssector gebruikt.
• Gedesoxideerd met fosfor (P): Beperkt elektrisch geleidingsvermogen, maar bijzonder geschikt voor vervorming en lassen. (voor koperplaat en koperbuizen)

Koper recycling

Koper is 100% recyclebaar. Koper is het derde, meest gerecyclede metaal na ijzer en aluminium. 80% van het koper dat een paar eeuwen geleden is gewonnen is nog steeds in gebruik. Koperschroot wordt gesmolten in een oven en vervolgens in ingots en knuppels gegoten.

Verwerking van koper

Het koper in verschillende vormen als voormateriaal voor verschillende toepassingen:

• Koperen kathoden direct vervaardigd in het elektrolytische raffinageproces bestemd voor elektriciteitsdraad.
• Koperen blokken van meerdere tonnen voor de plaatwalserij.
• Knuppels van enkele honderden kilo’s bestemd voor buis, profiel en staf.

Gebruikseigenschappen (bewerkbaarheid)

Koper is gemakkelijk vervormbaar. Warmte geleidingsvermogen en elektrische geleidingsvermogen is groot. De koper-tin legering (brons) is uitstekend te gieten. Voor belaste onderdelen is koper (z.g.n roodkoper) te zacht en wordt het gelegeerd met zink (messing het z.g.n. geelkoper) of tin (brons)

Mechanische eigenschappen van koper

• Treksterkte 170 N/mm2
• Strekgrens 100 N/mm2
• Verlenging (taaiheid) circa 40%
• Insnoering circa 75%
• Hardheid circa 40 HB (Brinell)
• Elasticiteitsmodules 12.10(6)

Bij koudvervorming loopt de sterkte op door versteviging tot circa 420 N/mm2 en de hardheid tot circa 110 HB (Brinell). De verspaanbaarheid van zuiver koper is slecht door de taaiheid (stroperigheid) van het metaal.

Toepassingen algemeen

De koperindustrie levert circa 75% aan de bouw en ca 25% aan industriële leidingsystemen .

• Koperdraad.
• Bouw en scheeps(jacht)beslag.
• Elektromagneten.
• Kunstwerken (koper of brons).
• Appendages en naamplaten in brons.
• Vacuümbuizen.
• Magnetronovens.
• Elektrische circuits, Processors, halfgeleidercomponenten.
• Muziekinstrumenten.
• Gevelbekledingen en dakdelen van gebouwen.
• Munten.
• Buizen voor sanitaire leidingen, verwarming en gasleidingen in de bouw
• Buizen voor industriële leidingsystemen

Koper en gezondheid

Koperverbindingen zijn giftig. maar als spoorelement nodig voor onze gezondheid. Oesters, lever en noten bevatten relatief veel koper. Teveel koper in het lichaam lijdt tot de ziekte van Wilson. Langdurige blootstelling kan leiden tot irritatie aan neus, mond en ogen en kan leiden tot hoofdpijn, duizelingen, buikpijn, misselijkheid, diarree en kan lever en nieren aandoen. Koper heeft antibacteriële eigenschappen, in lauw water installaties remt koper bacteriegroei, waardoor de kans op Legionella minder is.

Koper in het milieu

Rivieren zetten slib af vervuild met koper. Koper komt in de atmosfeer door industriële activiteiten. Het dringt in de bodem waar het zich hecht aan organische materiaal. Het verplaatst zich niet over grote afstanden en komt niet in grote hoeveelheid in het grondwater terecht. Op grond dat met koper verontreinigd is, is de diversiteit aan planten kleiner. Koper heeft negatieve invloed op de activiteit van micro-organismen in de grond. De ontbinding van organische materie wordt vertraagd en dus het evenwicht verstoord. Met koper verontreinigde grond schaadt de gezondheid van mens en dier.