चाल्कोपाइराइट

चाल्कोपाइराइट कॉपर आयरन सल्फाइड खनिज और सबसे प्रचुर मात्रा में तांबा अयस्क खनिज है। यह चतुर्भुज पद्धति में क्रिस्टलीकृत होता है और इसका रासायनिक सूत्र CuFeS2 है। इसमें पीतल जैसा सुनहरा पीला रंग और मोह पैमाने पर 3.5 से 4 की कठोरता है। इसकी वर्णरेखा हरित छायांकित काले रंग के रूप में निदानात्मक है।

वायु के संपर्क में आने पर, चाल्कोपाइराइट विभिन्न प्रकार के ऑक्साइड, हाइड्रॉक्साइड और सल्फेट में परिवर्तित हो जाता है। संबद्ध तांबे के खनिजों में सल्फाइड बोर्नाइट (Cu5FeS4), चाल्कोसाइट (Cu2S), कोवेलाइट (CuS), डाइजेनाइट (Cu9S5) सम्मिलित हैं; मैलाकाइट और अज़ूराइट जैसे कार्बोनेट, और कदाचित ही कभी क्यूप्राइट (Cu2O) जैसे ऑक्साइड प्राप्त होते है। यह प्राकृत ताँबे के साथ बहुत कम पाया जाता है। चाल्कोपाइराइट विद्युत का सुचालक है।

विभिन्न विधियों का उपयोग करके चाल्कोपाइराइट अयस्क से तांबा प्राप्त किया जा सकता है। दो प्रमुख विधियाँ पायरोधातुकर्म और जलधातुकर्म हैं, पहला व्यावसायिक रूप से सबसे अधिक व्यवहार्य है।

व्युत्पत्ति
चाल्कोपाइराइट नाम ग्रीक शब्द चॉकोस से आया है, जिसका अर्थ है तांबा, और पाइराइट्स, जिसका अर्थ है आग लगाना होता है। इसे कभी-कभी ऐतिहासिक रूप से "पीला तांबा" भी कहा जाता था।

पहचान
चाल्कोपाइराइट को प्रायः पाइराइट और सोने के साथ भ्रमित किया जाता है क्योंकि इन तीनों खनिजों का रंग पीला और धातु जैसी चमक होती है। कुछ महत्वपूर्ण खनिज विशेषताएँ, कठोरता व धारियाँ, इन खनिजों में अंतर बताने सहायता करती है। चाल्कोपाइराइट, पाइराइट की तुलना में बहुत नरम होता है और इसे चाकू से खरोंचा जा सकता है, जबकि पाइराइट को चाकू से नहीं खरोंचा जा सकता है। हालाँकि, चाल्कोपाइराइट सोने की तुलना में अधिक कठोर होता है, जो शुद्ध होने पर तांबे से खरोंचा जा सकता है। चाल्कोपाइराइट में हरे धब्बों के साथ एक विशिष्ट काली धारियाँ होती हैं। पाइराइट में एक काली धारियाँ होती हैं और सोने में एक पीली धारियाँ होती हैं।

रसायन विज्ञान
प्राकृतिक चाल्कोपाइराइट में किसी भी अन्य सल्फाइड खनिज के साथ कोई ठोस समाधान श्रृंखला नहीं है। चाल्कोपाइराइट में स्फालराइट के समान क्रिस्टल संरचना होने के बावजूद तांबे के साथ जस्ता का प्रतिस्थापन सीमित है।

चांदी, सोना, कैडमियम, कोबाल्ट, निकल, सीसा, टिन और जस्ता जैसे तत्वों की लघु मात्रा को मापा जा सकता है (प्रति मिलियन भागों के स्तर पर), संभवतः तांबे और लोहे के प्रतिस्थापन के रूप में। सेलेनियम, बिस्मथ, टेल्यूरियम और आर्सेनिक थोड़ी मात्रा में सल्फर का स्थान ले सकते हैं। चाल्कोपाइराइट को मैलाकाइट, अज़ूराइट और क्यूप्राइट बनाने के लिए ऑक्सीकृत किया जा सकता है।

संरचना
चाल्कोपाइराइट टेट्रागोनल क्रिस्टल प्रणाली का एक सदस्य है। क्रिस्टलोग्राफ़िक रूप से चाल्कोपाइराइट की संरचना जिंक मिश्रण ZnS (स्फालेराइट) से निकटता से संबंधित है। इकाई कोशिका दोगुनी बड़ी है, जो आसन्न कोशिकाओं में Zn2+ आयनों की जगह Cu+ और Fe3+ आयनों के विकल्प को दर्शाती है। पाइराइट संरचना के विपरीत चाल्कोपाइराइट में डाइसल्फ़ाइड जोड़े के बजाय एकल S2− सल्फाइड आयन होते हैं। एक अन्य अंतर यह है कि लौह धनायन पाइराइट की तरह प्रतिचुम्बकीय कम स्पिन Fe(II) नहीं है।

क्रिस्टल संरचना में, प्रत्येक धातु आयन चतुष्फलकीय रूप से 4 सल्फर आयनों के साथ समन्वित होता है। प्रत्येक सल्फर आयन दो तांबे के परमाणुओं और दो लोहे के परमाणुओं से बंधा होता है।

पैराजेनेसिस
विभिन्न प्रकार की अयस्क उत्पत्ति की प्रक्रियाओं के माध्यम से चाल्कोपाइराइट कई अयस्क-असर वाले वातावरण में विद्यमान है।

चाल्कोपाइराइट ज्वालामुखीय विशाल सल्फाइड अयस्क भंडार और तलछटी निःश्वास निक्षेप (सेडीमेंटरी एक्सहैलटीव डिपोसिट्स) में विद्यमान है, जो हाइड्रोथर्मल परिसंचरण के दौरान तांबे के भंडार से बनता है। चाल्कोपाइराइट इस वातावरण में द्रव परिवहन के माध्यम से केंद्रित है। मैग्मा के आरोहण और क्रिस्टलीकरण के दौरान ग्रेनाइटिक भंडार के भीतर तांबे की सांद्रता से पोर्फिरी तांबे के अयस्क भंडार का निर्माण होता है। इस वातावरण में चाल्कोपाइराइट एक मैग्मैटिक प्रणाली के भीतर एकाग्रता द्वारा उत्पादित होता है।

चाल्कोपाइराइट कम्बलदा प्रकार के कोमाटिटिक निकल अयस्क भंडार में एक सहायक खनिज है, जो सल्फाइड-संतृप्त अल्ट्रामैफिक लावा में अमिश्रणीय सल्फाइड तरल से बनता है। इस वातावरण में अमिश्रणीय सिलिकेट तरल से तांबे को अलग करने वाले सल्फाइड तरल द्वारा चाल्कोपाइराइट का निर्माण होता है।

कांस्य युग के बाद से चाल्कोपाइराइट तांबे का सबसे महत्वपूर्ण अयस्क रहा है।

घटना
यद्यपि चाल्कोपाइराइट में अन्य खनिजों की तुलना में इसकी संरचना में सबसे अधिक तांबा नहीं होता है, यह सबसे महत्वपूर्ण तांबा अयस्क है क्योंकि यह कई स्थानों में पाया जा सकता है। चाल्कोपाइराइट अयस्क विभिन्न प्रकार के अयस्कों में पाया जाता है, जैसे कि महाकयों द्रव्यमान के रूप में टिमिंस, ओंटारियो से लेकर, अनियमित शिराओं और छिद्रक प्रक्षिप्तियों के साथ और ग्रेनाइटिक से डायोरिटिक अंतःप्रवेशों के साथ सयुंक्त प्रसार, जैसे कि ब्रोकन हिल, अमेरिकी कॉर्डिलेरा और एंडीज के पॉर्फीरी कॉपर भंडार में होते है। कनाडा में अब तक खोजा गया लगभग शुद्ध चाल्कोपाइराइट का सबसे बड़ा भंडार टेमागामी ग्रीनस्टोन बेल्ट के दक्षिणी छोर पर था जहां कॉपरफील्ड्स खदान ने उच्च श्रेणी का तांबा प्राप्त किया गया था।

चाल्कोपाइराइट दक्षिण ऑस्ट्रेलिया में सुपरविशाल ओलंपिक बांध क्यू-एयू-यू जमा में विद्यमान है।

चाल्कोपाइराइट पाइराइट नोड्यूल्स से जुड़े कोयले की परतों में और कार्बोनेट तलछटी चट्टानों में प्रसार के रूप में भी पाया जा सकता है।

तांबे का निष्कर्षण
तांबे की धातु को मुख्य रूप से दो तरीकों का उपयोग करके चाल्कोपाइराइट अयस्क से निकाला जाता है: पायरोधातुकर्म और हाइड्रोधातुकर्म। सबसे आम और व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य विधि, पायरोधातुकर्म में "क्रशिंग, पीस, प्लवन, गलाने, शोधन और इलेक्ट्रो-रिफाइनिंग" तकनीक सम्मिलित हैं। क्रशिंग, लीचिंग, सॉल्वेंट एक्सट्रैक्शन और इलेक्ट्रोविनिंग ऐसी तकनीकें हैं जिनका उपयोग हाइड्रोधातुकर्म में किया जाता है। विशेष रूप से चाल्कोपाइराइट के स्थिति में, दाब ऑक्सीकरण लीचिंग का अभ्यास किया जाता है।

पायरोधातुकर्मीय प्रक्रियाएं
चाल्कोपाइराइट से तांबा निष्कर्षण की सबसे महत्वपूर्ण विधि पायरोधातुकर्म है। पायरोधातुकर्म का उपयोग आमतौर पर बड़े पैमाने पर, उच्च श्रेणी के अयस्कों के साथ तांबे से समृद्ध संचालन के लिए किया जाता है। इसका कारण यह है कि Cu-Fe-S अयस्कों, जैसे कि चाल्कोपाइराइट, को जलीय घोल में घोलना मुश्किल होता है। इस विधि का उपयोग करके निष्कर्षण प्रक्रिया चार चरणों से होकर गुजरती है:

(1) सांद्रण उत्पन्न करने के लिए फेन प्लवन का उपयोग करके अयस्क से वांछित तत्वों को अलग करना

(2) सांद्रण को प्रगलित करके मैट उच्च-Cu सल्फाइड बनाना

(3) सल्फाइड मैट को ऑक्सीकरण/परिवर्तित करना, जिसके परिणामस्वरूप अशुद्ध पिघला हुआ तांबा बनता है।

(4) परिणामी तांबे की शुद्धता बढ़ाने के लिए अग्नि और इलेक्ट्रोविनिंग तकनीक द्वारा शोधन

चाल्कोपाइराइट अयस्क को सीधे गलाया नहीं जाता है। इसका कारण यह है कि अयस्क मुख्य रूप से गैर-आर्थिक रूप से मूल्यवान सामग्री, या अपशिष्ट चट्टान से बना होता है, जिसमें तांबे की कम सांद्रता होती है। अपशिष्ट पदार्थों की प्रचुरता के परिणामस्वरूप अयस्क को गर्म करने और पिघलाने के लिए बहुत सारे हाइड्रोकार्बन ईंधन की आवश्यकता होती है। वैकल्पिक रूप से, फ्रॉथ प्लवनशीलता नामक तकनीक का उपयोग करके पहले तांबे को अयस्क से अलग किया जाता है। अनिवार्य रूप से, अभिकर्मकों का उपयोग तांबे को जल-विकर्षक बनाने के लिए किया जाता है, इस प्रकार Cu वायु के बुलबुले पर तैरते हुए एक प्लवनशीलता सेल में ध्यान केंद्रित करने में सक्षम होता है। चाल्कोपाइराइट अयस्क में 0.5-2% तांबे के विपरीत, झाग प्लवन के परिणामस्वरूप लगभग 30% तांबा होता है।

इसके बाद सांद्रण को मैट प्रगलन नामक प्रक्रिया से गुजरना पड़ता है। मैट प्रगलन लगभग 45-75% तांबे के साथ एक नया सांद्र (मैट) बनाने के लिए 1250°C भट्ठी में प्लवन सांद्रण को प्रगलित करके सल्फर और लोहे को ऑक्सीकरण करता है। यह प्रक्रिया आमतौर पर फ्लैश भट्टियों में की जाती है। स्लैग सामग्री में तांबे की मात्रा को कम करने के लिए, सांद्रता और स्लैग के बीच अमिश्रणीयता को बढ़ावा देने के लिए स्लैग को SiO2 फ्लक्स के साथ प्रगलित करके रखा जाता है। उप-उत्पादों के संदर्भ में, मैट गलाने वाला तांबा SO2 गैस का उत्पादन कर सकता है जो पर्यावरण के लिए हानिकारक है, इस प्रकार इसे सल्फ्यूरिक एसिड के रूप में कैद कर लिया जाता है। प्रतिक्रियाओं के उदाहरण इस प्रकार हैं:

(1) 2CuFeS2 (s) +3.25O2(g) -> Cu2S-0.5FeS(l) + 1.5FeO(s) + 2.5SO2(g)

(2) 2FeO(s) + SiO2(s) -> Fe2SiO4(l)

रूपांतरण में सल्फर और आयरन को हटाने के लिए मैट को एक बार फिर ऑक्सीकरण करना सम्मिलित है, हालांकि उत्पाद 99% पिघला हुआ तांबा है। रूपांतरण दो चरणों, स्लैग बनाने का चरण और तांबा बनाने का चरण, में होता है। स्लैग निर्माण चरण में, लोहा और सल्फर क्रमशः 1% और 0.02% से कम की सांद्रता तक कम हो जाते हैं। मैट प्रगलन से प्राप्त सांद्रण को एक कनवर्टर में डाला जाता है जिसे फिर घुमाया जाता है, जिससे स्लैग को ट्यूयर्स के माध्यम से ऑक्सीजन की आपूर्ति होती है। प्रतिक्रिया निम्न प्रकार है:

2FeS(l)+3O2(g)+SiO2(s) -> Fe2SiO4(l) + 2SO2(g) + ऊष्मा

तांबा बनाने के चरण में, स्लैग चरण से उत्पन्न मैट को चार्जिंग (मैट को कनवर्टर में इनपुट करना), ब्लोइंग (अधिक ऑक्सीजन को नष्ट करना), और स्किमिंग (ब्लिस्टर कॉपर के रूप में जाना जाने वाला अशुद्ध पिघला हुआ तांबा प्राप्त करना) से गुजरना पड़ता है। प्रतिक्रिया इस प्रकार है:

Cu2S(l) + O2(g) -> 2Cu(l) + SO2(g) + ऊष्मा

अंत में, ब्लिस्टर तांबे को आग और/या इलेक्ट्रोरिफाइनिंग के माध्यम से परिष्कृत किया जाता है। इस चरण में, तांबे को उच्च शुद्धता वाले कैथोड में परिष्कृत किया जाता है।

हाइड्रोमेटालर्जिकल प्रक्रियाएं
चाल्कोपाइराइट अधिकांश तांबा युक्त खनिजों का अपवाद है। अधिकांश तांबे के खनिजों के विपरीत, जिन्हें वायुमंडलीय परिस्थितियों में, जैसे कि ढेर निक्षालन के माध्यम से, निक्षालित किया जा सकता है, चाल्कोपाइराइट एक दुर्दम्य खनिज है जिसके लिए तांबे को घोल में छोड़ने के लिए ऊंचे तापमान के साथ-साथ ऑक्सीकरण स्थितियों की आवश्यकता होती है। इसका कारण लोहे से तांबे की 1:1 उपस्थिति से उत्पन्न होने वाली निष्कर्षण चुनौतियाँ हैं, जिसके परिणामस्वरूप धीमी गति से लीचिंग गतिकी होती है। ऊंचे तापमान और दाब से घोल में प्रचुर मात्रा में ऑक्सीजन पैदा होती है, जो चाल्कोपाइराइट के क्रिस्टल जाली को तोड़ने के स्थिति में तेज प्रतिक्रिया गति की सुविधा प्रदान करती है। एक हाइड्रोमेटालर्जिकल प्रक्रिया जो चाल्कोपाइराइट के लिए आवश्यक ऑक्सीकरण स्थितियों के साथ तापमान बढ़ाती है, दाब ऑक्सीकरण लीचिंग के रूप में जानी जाती है। ऑक्सीकरण, उच्च तापमान की स्थिति के तहत चाल्कोपाइराइट की एक विशिष्ट प्रतिक्रिया श्रृंखला इस प्रकार है:

i) 2CuFeS2 + 4Fe2(SO4)3 -> 2Cu2++ 2SO42- + 10FeSO4+4S

ii) 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 -> 2Fe2(SO4)3 +2H2O

iii) 2S + 3O2 +2H2O -> 2H2SO4

(संपूर्ण रूप से) 4CuFeS2+ 17O2 + 4H2O -> 4Cu2++ 2Fe2O3 + 4H2SO4

दाब ऑक्सीकरण लीचिंग निम्न ग्रेड चाल्कोपाइराइट के लिए विशेष रूप से उपयोगी है। इसका कारण यह है कि यह पूरे अयस्क को संसाधित करने के बजाय "फ्लोटेशन से केंद्रित उत्पाद को संसाधित कर सकता है"। इसके अतिरिक्त, इसका उपयोग परिवर्तनशील अयस्क के लिए पायरोधातुकर्म की वैकल्पिक विधि के रूप में किया जा सकता है। पाइरोमेटालर्जिकल प्रक्रियाओं (गलाने) की तुलना में तांबे के निष्कर्षण के संबंध में हाइड्रोमेटालर्जिकल प्रक्रियाओं के अन्य लाभों में सम्मिलित हैं:


 * गलाने की अत्यधिक परिवर्तनीय लागत
 * स्थान के आधार पर, प्रगलन की उपलब्धता की मात्रा सीमित है
 * प्रगलन इंफ्रास्ट्रक्चर स्थापित करने की उच्च लागत
 * उच्च-अशुद्धता सांद्रणों का उपचार करने की क्षमता
 * साइट पर निम्न-श्रेणी की जमाराशियों का उपचार करने की क्षमता के कारण पुनर्प्राप्ति में वृद्धि
 * कम परिवहन लागत (शिपिंग पर ध्यान केंद्रित करना आवश्यक नहीं)
 * तांबे के उत्पादन की कुल लागत कम

हालांकि जलधातुकर्म के लाभ हैं, लेकिन व्यावसायिक स्थिति में इसे चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। उसके बदले, गलाना तांबा निष्कर्षण का सबसे व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य तरीका बना हुआ है।

यह भी देखें

 * खनिजों का वर्गीकरण (बहुविकल्पी)
 * खनिजों की सूची
 * केस्टराइट्स