کاتد مس و روش‌های تولید آن

امروزه کاتد مس محصول اصلی از تولید مس است که طی یک فرایند پالایش الکترولیتی مس خالص از مس شکل نیافته جدا می‌شود. کاتد مس یک مربع 50 تا 80 کیلوگرمی است که گاهی وزن آن در تولید پالایشی فراتر از 100 کیلوگرم هم می‌شود. کاتد مس تقریبا 3/4 مس مصرفی در سال است؛ زیرا کاتد های مس، به عنوان مواد خام برای تولید محصولاتی همچون اشکال مختلف شمش، میله‌های مسی، مفتول، صنایع کابل‌سازی و غیره می‌باشد.
شرکت کودلکو که یکی از بزرگترین شرکت‌های تولید کننده این محصول می‌باشد اعلام نموده که به زودی کاتد مس سبز که سازگار با محیط زیست است و کربن کمتری دارد به بازار عرضه خواهد کرد.
روش های تولید کاتد مس:
پیرو متالورژی و هیدرو متالورژی
۱) روش پیرو متالورژی:
با توجه به اینکه بیشتر کانی‌های مس در جهان سولفیدی می‌باشند و در حال حاضر حلالی که بتواند این کانی ها را با راندمان بالا و صرفه اقتصادی کافی در خود حل کند وجود ندارد بخش عمده‌ای از تولیدات مس به روش پیرو متالورژی یا آتشی صورت می‌گیرد. در این روش بعد از عملیات استخراج (حفاری، انفجار،بارگیری، باربری) سنگ معدن در دو مرحله توسط سنگ شکن‌های اولیه و ثانویه خرد می‌شود و به ابعادی حدود 12 تا 15 میلی متر می‌رسد بعد وارد آسیاب گلوله‌ای شده با مواد شیمیایی و شیر آهک ترکیب شده و به شکل دوغاب در می‌آید. اندازه دانه‌ها در این مرحله حدودا زیر 80 میکرون می‌شود؛ سپس دوغاب وارد مرحله فلو تاسیون (پر عیار کردن) می‌گردد و کنسانتره مس و مولیبدن به دست می‌آید پس از آن کنسانتره مس وارد قسمت فیلتر شده و به شکل خمیر در می‌آید و در مرحله بعد وارد خشک کن می‌شود بعد از آن کنسانتره وارد کوره های شعله ای ذوب می‌شود که حاصل آن ترکیبی از گوگرد و مس و آهن و طلاست از این ترکیب تقریباً 45٪ مس می باشد و به آن مات مس می‌گویند. مات مس در کوره‌های مبدل یا کنورتر فرستاده شده و با عبور هوا، ناخالصی ها به صورت آهن و گوگرد را اکسیده شده و به سرباره انتقال می‌یابد. مس حاصله در این مرحله نیز ناخالص است و به دلیل وجود عناصر و تخلخل بیش از اندازه، مس بلیستر یا جوشدار و یا مس خام نامیده می شود. خلوص مس در این مرحله 99/3 می باشد که آن را توسط پاتیل هایی وارد کوره های آند کرده و درآنجا با تزریق گاز پروپان ناخالصی‌های موجود مجددا سوخته و خارج می‌شود تا جایی که درجه خلوص مس به 99/7 می‌رسد؛ سپس خروجی کوره آند به چرخ ریخته‌گری وارد شده و مذاب مس خام در صفحاتی بزرگ ریخته، آن‌ها را به عنوان آند در الکترولیز مس به کار می‌برند. این آند را به همراه صفحات مسی بسیار خالصی (کاتد) وارد محلول الکترولیت اسید سولفوریک و سولفات مس می‌کنند و پس از عبور جریان معین وحساب شده، مس به صورت یک یون دو ظرفیتی از آند جدا شده و بر روی کاتد می‌نشیند کاتدها در مرحله اول الکترولیز حدود 99/9 درصد مس دارند. پس از این‌ که آند در عملیات الکترولیز تصفیه، پالایش و به کاتد اضافه شد؛ کاتد به عنوان مس خالص آماده ورود به بازار می‌باشد. وزن هر کاتد پس از پالایش حدود 100 کیلوگرم یا بیشتر می‌باشد و با چنین وزنی حمل و نقل کاتدها در حین عملیات ذوب و برش به سهولت انجام می‌شود.
۲)روش هیدرو متالورژی:
اغلب کانی‌های اکسیدی هم چون اکسید مس، کربنات مس و هیدروکسی سیلیکات‌های مس و همچنین بخشی از کانی‌های سولفیدی که مقاومت کمتری نسبت به انحلال دارند را با روش هیدرومتالورژی می‌توان بازیابی کرد به دلیل مشکلاتی که قبلا ذکر گردید هیدرو نتوانسته جای پیرو را در تولید کاتد مس بگیرد. در این روش از نظر مقدار، محدودیتی درتولید وجود نخواهد داشت و حتی در کارگاه‌های کوچک هم می توان از آن بهره گرفت. (این روش با انحلال مس در محلول‌های آبی استحصال انجام می‌گیرد به همین دلیل به آن روش تر می‌گویند.) در این روش سرمایه کمتری نیاز هست. حمل و نقل آن‌ها هم به سبب محلول بودن راحت تر و میزان آلایندگی محیط زیست و مصرف انرژی نیز به نسبت روش پیرو متالورژی کمتراست. نکته مهم در این فرآیند امکان فرآوری مس از کنسانتره به عنوان ماده اولیه ورودی است؛ به طور کلی این روش شامل سه مرحله کلی لیچینگ، استخراج حلالی و الکترو وینینگ است.
درمرحله لیچینگ ماده حلال (اسید سولفوریک) با کانی مس در تماس قرار می‌گیرد. روش‌های متفاوتی همچون انحلال در محل، انحلال توده‌ای، انحلال در حوضچه و انحلال متلاطم با توجه به عیار کانی، ابعاد ذرات کانی، توپو گرافی معدن، شرایط آب و هوایی و شرایط اقتصادی انتخاب می‌شوند. در مرحله دوم محلول به دست آمده از فرآیند لیچینگ که غلظت بسیار پایین و ناخالصی‌های فراوانی دارد، خالص می گردد. در این مرحله علاوه بر بالا بردن غلظت یون مس، محلول از دیگر عناصر مزاحم و نامطلوب که موجب اختلال در فرآیند الکترو وینینگ می‌شود عاری می‌گردد و به عبارتی خلوص پیدا می کند.
مرحله سوم یعنی الکترووینینگ شبیه فرآیند الکترولیز در روش پیرومتالورژی می‌باشد؛ با این تفاوت که به جای آندهای مسی در این روش از آندهای سربی استفاده می‌شود. در این فرایند، محلول با غلظت بالای مس به عنوان محلول الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گیرد و در نهایت نیز فلز مس با خلوص بالا بر روی آند سربی رسوب می‌کند‌. بعد از مدتی مس رسوب داده شده بر روی آند سربی را با کاردک جدا می‌کنند. حالا مس با درجه خلوص بالا آماده است مس آندی از مرحله قبل به صورت قطعاتی (معمولا 40 عدد) به عنوان آند و همان تعداد به عنوان کاتد در یک وان الکترو لیز قرار گرفته است. کاتد مورد استفاده از جنس مس خالص می‌باشد. آندها به یک قطب و کاتدها به قطب دیگر متصل شده بعد از اعمال ولتاژ آندها به تدریج خورده شده به صورت یون در می‌آیند، یون‌ها وارد الکترولیت شده و برروی کاتدها احیاء می‌شوند.