طی چند دهه گذشته، استفاده از تکنولوژی هیدرومتالورژی به جای تکنولوژی پیرومتالورژی، یکی از چالش‌های مهم صنایع معدنی در دنیا بوده است.
فرآیند هیدرومتالورژی برای استحصال فلزاتی چون روی، نیکل، طلا با موفقیت بالایی روبرو بود، اما در مورد مس تاکنون نتایج چشمگیری را در بر نداشته است. زیرا اغلب کانی‌های مس جهان سولفیدی هستند و در حال حاضر حلالی که بتواند این کانی‌ها را با راندمان بالا و صرفه اقتصادی کافی در خود حل کند، وجود ندارد. در ایران نیز، با توجه به این‌که اغلب کانی‌های مورد بهره‌برداری، سولفیدی هستند، بخش عمده تولید مس تاکنون به روش‌های پیرومتالورژی صورت گرفته است. با این حال و با وجود تمام مشکلات فنی که در این حوزه وجود دارد، سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی در حوزه هیدرومتالورژی مس در کشور در شرف اجرا است. برای نمونه در ایران و برای اولین بار یک واحد 50 هزار تنی به‌روش بایولیچینگ احداث شده است. همچنین احتمال دارد واحد دیگری نیز با یکی از تکنولوژی‌های هیدرومتالورژیکی در منطقه سونگون به مرحله اجرا برسد. این گزارش به جایگاه و وضعیت تکنولوژی هیدرومتالورژی و دورنمای آن در ایران و جهان می‌پردازد.
مس یکی از فلزات پرکاربرد به‌شمار می‌رود که اغلب به‌شکل کانی‌های سولفیدی همراه با آهن همچون کالکوپیریت (CuFeS2) و یا کانی‌های سولفیدی تنها مثل کالکوسیت (CuS2) در طبیعت یافت می‌شود. علاوه بر این، مس به‌صورت اکسید شده (کربناتی، اکسیدی، هیدروکسی‌سیلیکاتی، سولفاتی) نیز در طبیعت وجود دارد. عیار این فلز در کانی‌های استخراج شده از معدن بسیار پایین است. این عیار در معادن روباز کمتر از یک درصد و از معادن زیرزمینی بین یک تا دو درصد گزارش شده است.
تولید صنعتی مس ابتدا با روش‌های پیرومتالورژی در نیمه دوم قرن 19 میلادی آغاز شد. همزمان با رشد صنعتی و استفاده از انرژی الکتریکی، استخراج این فلز و کاربردهای آن رونق یافتند. در اواسط قرن بیستم روش جدید هیدرومتالورژی برای تولید مس ابداع شد. روش پیرومتالورژی بر اساس استفاده از گرمای سوختن گوگرد در فرآیند ذوب و روش‌های هیدرومتالورژی نیز بر پایه انحلال بنا شده‌اند.
لازم به ذکر است که روش‌های پیرو سهم قابل توجهی از تولید مس دنیا را به خود اختصاص داده‌اند. بنا بر آمارهای جهانی حدود 80 درصد مس جهان از کانی‌های سولفیدی به‌دست می‌آید و این کانی‌ها ساختار پایدار و انحلال پایینی در اسید دارند. از این رو برای استحصال این کانی‌ها، روش‌های پیرومتالورژی مرجح هستند. فرآیند پیرومتالورژی شامل مراحل تغلیظ کانی‌های سولفیدی، افزایش عیار مس، ذوب کنسانتره سولفیدی مس و تهیه مات مس، تبدیل مات مس ذوب شده به مس مذاب (ناخالص) و در نهایت تصفیه و پالایش مس ناخالص با کوره (تولید آند) و در مرحله آخر، الکترولیز به کاتد مس با خلوص بالا می‌شود.
اغلب کانی‌های اکسیدی همچون اکسید مس، کربنات‌های مس، هیدروکسی‌سیلیکات‌های مس و همچنین بخشی از کانی‌های سولفیدی که مقاومت کمی نسبت به انحلال دارند را با روش هیدرومتالورژی می‌توان بازیابی کرد. در این روش، کانی‌ها پس از استخراج از معدن خرد شده و برای فراوری آماده می‌شوند. نکته مهم و مورد بحث در مورد تکنولوژی‌های هیدرو، امکان فرآوری مس از کنسانتره به عنوان ماده اولیه ورودی است. همانطور که ذکر شد، پیشرفت‌های موجود در این زمینه، به اندازه‌ای نبوده که تکنولوژی‌های هیدرو بتوانند جای تکنولوژی‌های پیرو را در صنعت مس از آن خود کنند. البته پیشرفت‌هایی نیز در این زمینه وجود داشته است که در ادامه بیشتر به آنها اشاره خواهد شد. به طور کلی، روش هیدرومتالورژی برای فراوری مس شامل سه مرحله کلی لیچینگ، استخراج حلالی و الکترووینینگ است.
1. در مرحله لیچینگ، ماده حلال با کانی مس در تماس قرار می‌گیرد. در نتیجه این تماس، مس موجود در کانی در حلال یاد شده حل خواهد شد. در این فرآیند اغلب از اسید سولفوریک به‌عنوان ماده حلال استفاده می‌شود، زیرا این اسید کانی‌های اکسیدی را به سرعت در خود حل می‌کند و استفاده از آن به لحاظ فنی و اقتصادی از صرفه اقتصادی بالایی برخوردار است. فرآیند انحلال لیچینگ به روش‌های متفاوتی انجام می‌شود و از عوامل متفاوتی تاثیر می‌پذیرد. این عوامل عبارت از عیار کانی، ابعاد ذرات کانی، توپوگرافی معدن، محل جغرافیایی معدن، شرایط آب و هوایی و شرایط اقتصادی هستند.
روش‌های متفاوتی چون انحلال در محل، انحلال توده‌ای و انباشته‌ای، انحلال در حوضچه و انحلال متلاطم عمدتا برای کانی‌های اکسیدی و گاهی به همراه کانسنگ‌های کم عیار سولفیدی نیز به‌کار گرفته می‌شود. براساس محل معدن، نوع ذخیره معدنی و عیار آن، یکی از این روش‌ها در عمل انتخاب می‌شوند.
2. محلول به‌دست آمده از فرآیند لیچینگ غلظت بسیار پایینی از مس دارد؛ همچنین ناخالصی‌های فراوانی (به‌خصوص آهن) در آن وجود دارد. الکترولیز مستقیم چنین محلولی از سویی سبب رسوب کردن فلزات دیگر همراه مس و کاهش خلوص مس کاتدی خواهد شد. از سوی دیگر به‌علت افزایش مقاومت الکتریکی، جریان و ولتاژ بالاتر یا به‌تعبیر دیگر، انرژی بیشتری مصرف می‌شود. برای رفع این موارد در مرحله استخراج حلالی، محلول به‌دست آمده از فرآیند لیچینگ خالص می‌شود تا علاوه بر بالا بردن غلظت یون مس، محلول از دیگر عناصر مزاحم و نامطلوبی که می‌تواند فرآیند الکترووینینگ را دچار اختلال کند، عاری شود.
3. الکترووینینگ شبیه فرآیند الکترولیز است و در آن از آندهای سربی استفاده می‌شود. در این فرآیند، محلول اسیدی با غلظت بالای مس به‌عنوان محلول الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گیرد. در نهایت نیز فلز مس با خلوص بالا روی سطح کاتد رسوب می‌کند.
سهم صنایع مس از دو روش هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی
بررسی سهم صنایع تولید مس به دو روش هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی طی ده سال گذشته نشان می‌دهد که در سال 2005، حدود 82 درصد از تولید مس در جهان به روش پیرومتالورژی انجام شده است. عمده تولید به روش هیدرومتالورژیکی، به فراوری کانسنگ های اکسیدی و سولفیدی قابل انحلال در اسید سولفوریک اختصاص دارد و تولید هیدرومتالورژیکی مس از کنسانتره، به دلایلی که قبلا ذکر شد، بسیار پایین است. تولید به‌وسیله این روش در سال 2013 به کمترین میزان خود طی دوره مورد بررسی، یعنی 8/80 درصد رسیده است. اما این روند از سال 2013 روند صعودی به خود گرفته است و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2020، هر ساله حدود 1/2 درصد افزایش یابد. کاهش سهم تولید مس به روش هیدرومتالورژی تا سال 2020، ناشی از کاهش ذخایر سنگ‌های اکسیدی قابل فرآوری است و سهم بسیار کم تولید از کنسانتره به روش‌های هیدرومتالورژی، عملا قادر به جبران افت تولید این بخش نیست.
هرکدام از این روش‌ها مزایا و معایبی دارند و صنعتگران با در نظر گرفتن این شرایط، روش مناسب و اقتصادی تولید را انتخاب می‌کنند. همانطور که اشاره شد، اصلی‌ترین دلیل رغبت به روش‌های پیرومتالورژی تاکنون، ذخیره گسترده کانی‌های سولفیدی در جهان و امکان فراوری ساده آنها با روش‌های کانه آرایی و ذوب بوده است. بازیابی و سرعت بالای تولید از مهم‌ترین مزیت‌های این روش به‌شمار می‌روند. گذشت زمان و افزایش رقابت در بازارهای جهانی، سبب شد ظرفیت‌های تولید در این روش بالا رود که در نتیجه آن هزینه تولید به‌ازای هر تن کاهش یافت.
روش‌های ذوبی، تکنولوژی‌های متفاوتی دارند که از مهم‌ترین آنها می‌توان به کوره‌های فلش اشاره کرد. برای تولید حدود 40 درصد از مس به روش پیرومتالورژی از این کوره‌ها استفاده می‌شود. ظرفیت اقتصادی این کوره‌ها با هدف حفظ مزیت رقابتی به مرور زمان افزایش یافته و به ظرفیت‌های بالا یعنی حدود 200 تا 300 هزار تن رسیده است. به طور کلی فراوری کنسانتره مس در ظرفیت‌های پایین با تکنولوژی‌های پیرو دیگر از توجیه اقتصادی کافی برخوردار نیست. البته اخیرا شرکت‌های چینی تکنولوژی‌هایی را توسعه داده‌اند که ادعا می‌شود برای ظرفیت‌های کمتر از یکصد هزار تن مس نیز توجیه اقتصادی دارد.
به طور کلی با احتساب موارد ذکر شده، تولید مس به‌روش پیرومتالورژی اغلب نیازمند ظرفیت و عیار بالای کانی‌های مورد استفاده است. در این روش باطله بسیاری تولید و انرژی بالایی نیز به مصرف می‌رسد و این موارد هزینه‌های بالایی را به تولیدکنندگان تحمیل می‌کنند.
تعدادی از واحدهای تولیدکننده مس جهان در سال‌های اخیر از روش‌های هیدرومتالورژی برای تولید خود استفاده کرده‌اند. یکی از مزیت‌های روش‌های هیدرومتالورژی کنترل ساده‌تر آلودگی‌های ناشی از فرآوری مس است. امکان استفاده از کانی‌های مختلط و با عیار پایین، دیگر مزیت این روش محسوب می‌شود که می‌تواند زمینه ساز پیشرفت این رشته در صنعت متالورژی استخراجی باشد. همچنین لازم به ذکر است که دمای تولید مس در این روش بسیار پایین‌تر از روش پیرومتالورژی است.
روش هیدرومتالورژی با وجود تمام مزایای گفته شده، محدودیت‌هایی دارد که سبب شده سهم کمتری به نسبت روش پیرومتالورژی از تولید مس دنیا را به خود اختصاص دهد. روند کند انحلال کانه‌های سولفیدی و از طرفی سهم عمده آنها در بین کانی‌های مس، محدودیت جدی پیش روی توسعه فرآیندهای هیدرومتالورژیکی استخراج مس است. فعالیت‌های تحقیقاتی بسیاری برای رفع این محدودیت‌ها در حال انجام است که از جمله آنها می‌توان به استفاده از کاتالیزورهای مختلف، استفاده از دما و فشار بالا و میکروارگانیسم‌ها برای تسریع فرآیند لیچینگ اشاره کرد.
دورنمای هیدرومتالورژی
همانطور که اشاره شد، در دهه جاری انتظار می‌رود به دلیل کاهش ذخایر اکسیدی قابل استحصال مس، از سهم تولید مس به روش هیدرو کاسته شود. از طرفی هیدرومتالورژی کنسانتره مس تاکنون نتوانسته جایگاه قابل رقابتی را با تکنولوژی‌های ذوب به‌خصوص در ظرفیت‌های بالا به‌دست آورد. اما مواردی وجود دارند که با توجه به آنها می‌توان دورنمای روشن‌تری را از وضعیت فعلی برای تولید مس به روش هیدرو از کنسانتره متصور شد. این موارد عبارت‌اند از:
1. با بهره‌برداری هرچه بیشتر از معادن مس، عیار آنها به تدریج کاهش خواهد یافت. این امر موجب می‌شود که در فرآیند کانه آرایی با محدودیت‌هایی مواجه شود. تکنولوژی‌های پیرو و به خصوص تکنولوژی فلش، به عیار بالایی از کنسانتره نیاز دارند و افت عیار سنگ معدن، هزینه فرآیند تغلیظ را به شدت افزایش داده و از طرف دیگر، راندمان بازیابی مس را کاهش می‌دهد. فرآیندهای هیدرو، وابستگی کمتری به عیار کانه ورودی دارند و این امکان وجود دارد که کنسانتره‌های کم عیارتری را فراوری کنند.
2. به تدریج و هرچه عمق معادن بیشتر شود، کنسانتره‌های مس به کنسانتره با ناخالصی بالا و یا به اصطلاح کثیف تبدیل می‌شوند. این ناخالصی‌ها به‌خصوص آرسنیک، در واحدهای ذوب مشکلات جدی همچون تولید باطله و گازهای سمی و خطرناک را به‌وجود می‌آورند. بنابراین استفاده از روش‌های هیدرومتالورژی در چنین مواردی مزیت بزرگی محسوب می‌شود؛ زیرا امکان کنترل چنین آلودگی‌هایی با هزینه‌های بسیار کمتر وجود دارد. لازم به ذکر است که در حال حاضر، در کشور شیلی فرآیندهایی را بر روی غبار حاصل از روش پیرومتالورژی و با هدف آرسنیک‌زدایی انجام می‌دهند.
3. در آینده نزدیک، بخش زیادی از واحدهای هیپ لیچینگ به‌علت کاهش ذخایر سنگ‌های اکسیدی با ظرفیت خالی در تولید مواجه خواهند شد. پس می‌توان از این واحدها که قبلاٌ احداث شده‌اند و ظرفیت خالی دارند، برای تولید مس به روش هیدرو و از کنسانتره استفاده کرد. اجرایی شدن این موضوع تنها به احداث یک واحد لیچینگ نیاز دارد. بدین معنی که سرمایه‌گذاری در فرآیند هیدرومتالورژی به لیچینگ محدود می‌شود و می‌توان از ظرفیت‌های موجود در بخش استخراج حلالی و الکترووینینگ همچنان استفاده کرد. این امر همچنین موجب می‌شود که محدودیت‌های فنی لیچینگ کنسانتره کمرنگ‌تر شوند.
از موارد گفته شده این‌طور برداشت می‌شود که افزایش سهم این روش در دهه‌های آینده بسیار محتمل است. اما میزان این افزایش به پیشرفت تحقیقات در زمینه تکنولوژی‌های لیچینگ کنسانتره و عملکرد واحدهای جدید در دست احداث بستگی دارد.
هیدرومتالورژی کنسانتره
هزینه سرمایه‌گذاری در فرآیند هیدرومتالورژی کنسانتره مس به‌خصوص در ظرفیت‌های پایین، کمتر از تکنولوژی پیرومتالورژی برای ذوب و پالایش برآورد شده است. این موضوع ممکن است بازیابی کمتر مس در این روش و ضعف اقتصادی آن را نسبت به روش‌های پیرومتالورژی پوشش دهد. روش‌های متفاوتی برای لیچینگ کنسانتره‌های سولفیدی وجود دارند که از مهم‌ترین آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. لیچینگ تحت فشار: افزایش دما و فشار، حلالیت اکسیژن در محلول را بالا می‌برد و سینتیک واکنش‌هایی که در شرایط اتمسفر آرام هستند را بیشتر می‌کند؛ بنابراین سبب تسریع فرآیند لیچینگ خواهند شد. لیچینگ تحت فشار در حال حاضر در سه نقطه جهان شامل مورنسی آمریکا، کانسانشی زامبیا و در کشور لائوس استفاده می‌شود.
2. لیچینگ کلریدی: اساس این فرآیند بر انحلال سولفیدها توسط اسید سولفوریک و حضور یون کلرید در نقش کاتالیزور اجرا می‌شود. نقش کاتالیزوری کلرید در فلزاتی با ظرفیت والانس بالا، مانند آهن و مس موثر است. اما از آنجا که محلول‌های کلرید خوردگی بسیار بالایی دارند، تاکنون واحدی از این روش در ابعاد صنعتی استفاده نکرده است.
3. لیچینگ آمونیاکی: این فرآیند بر پایه استفاده از آمونیاک و نمک‌های آمونیومی با هدف انحلال استوار شده است. این فرآیند لیچینگ در ابتدا برای کانه‌های اکسیدی مس و مس طبیعی استفاده می‌شد و سپس برای استخراج فلزات دیگری چون نیکل، کبالت، طلا، نقره، روی، کادمیوم و کانی‌های سولفیدی مس (همراه با عامل اکسیدکننده) نیز به‌کار گرفته شد.
لیچینگ آمونیاکی که ابتدا در اواخر قرن بیستم به‌کار رفت، به سرعت با شکست مواجه شد چراکه آمونیاک ماده فراری به‌شمار می‌رود و بازیابی آن را با دشواری همراه می‌کند.
4. بایولیچینگ: این فرآیند را می‌توان لیچینگ به‌کمک میکروارگانیسم‌ها تعریف کرد. فعالیت باکتری‌ها و میکروارگانیسم‌ها، اکسیداسیون کانی‌های سولفیدی را تسهیل می‌کند. این باکتری‌ها و میکروارگانیسم‌ها در انواع روش‌های توده و انباشته‌ای، حوضچه‌ای و حتی متلاطم به فرآیند انحلال کمک می‌کنند. البته در همه موارد، شرایط مناسب برای فعالیت باکتری‌ها با توجه به نوع آنها باید درنظر گرفته شود.
مهم‌ترین ایراد این روش، مشکلات زنده نگه داشتن باکتری‌ها به‌شمار می‌رود. دمای مناسب، وجود مواد مغذی و حیاتی مانند اکسیژن و تلاطم، مواردی هستند که در حیات این باکتری‌ها بسیار اثرگذار هستند؛ بنابراین تلاطم بالا برای آنها مشکلاتی را ایجاد خواهد کرد که متعاقبا می‌تواند سبب افزایش هزینه‌های تولید شود.
بررسی وضعیت تکنولوژی صنعت مس در ایران
همانطور که پیش از این اشاره شد، سهم فرآیند هیدرومتالورژی در تولید جهانی مس اولیه به 18 درصد در سال 2015 رسیده است. اما در ایران تنها حدود هشت درصد تولید مس به روش هیدرو و مابقی آن با کمک روش پیرومتالورژی انجام می‌شود. اصلی‌ترین دلیل این موضوع را می‌توان، محدودیت ذخایر سنگ اکسیدی در ایران به‌خصوص معادن در حال برداشت دانست. همچنین لازم به ذکر است که هشت درصد یاد شده سهم بخش هیدرو، به فراوری کانی‌های اکسیدی تعلق دارد. در حال حاضر، دو واحد تولیدی در مناطق سرچشمه و میدوک با تکنولوژی هیدرومتالورژی مشغول فعالیت هستند؛ هر دو این واحدها با مشکل تامین سنگ‌های اکسیدی مواجه شده‌اند و به‌ناچار از کانسنگ‌های سولفیدی کم‌عیار استفاده می کنند که راندمان بالایی برای انحلال مس ندارند.
علی‌رغم سهم کم ایران در تولید مس به روش هیدرو از کانی‌های اکسیدی، سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی در حوزه هیدرومتالورژی کنسانتره در کشور در شرف اجرایی شدن هستند که اگر به نتایج مثبتی برسند، ایران در بحث تکنولوژی هیدرومتالورژی کنسانتره پیشرو خواهد بود. تا کنون برای تولید مس به روش هیدرومتالورژی کنسانتره، چند پروژه در کشور تعریف شده است:
1. شرکت بابک مس ایرانیان به‌عنوان شرکتی پیشرو در صنعت هیدرومتالورژی مس، اولین شرکتی است که از تکنولوژی تانک بایولیچینگ برای تولید مس کاتدی با ظرفیت 50 هزار تن استفاده می‌کند. گفته می‌شود این واحد بیش از 80 درصد پیشرفت کرده و به زودی آغاز به کار خواهد کرد.
2.شرکت ملی صنایع مس ایران، در نظر دارد در منطقه سونگون اقدام به راه‌اندازی واحدی به منظور تولید مس کاتدی کند. کنسانتره تولیدی این معدن، سالانه برابر با 300 هزار تن (حدود 70 هزار تن مس محتوی) است که خوراک یک واحد ذوب با ظرفیت بالا را فراهم نمی‌کند. از طرفی شرایط جغرافیایی منطقه نیز احداث واحد ذوب مس را با چالش‌هایی همراه می‌کند. با در نظر گرفتن موارد فوق، این شرکت قصد دارد برای تولید مس از تکنولوژیی استفاده کند که علاوه بر کاهش ریسک آلایندگی تولید کاتد مس، بهترین شاخص‌های اقتصادی را نیز تامین کند و احتمال دارد در آینده نزدیک، شاهد اجرای دومین طرح تولید مس از کنسانتره به روش هیدرومتالورژیکی در منطقه آذربایجان، توسط شرکت ملی مس باشیم. با در نظر گرفتن موارد فوق، صنعت مس ایران احتمال دارد در آینده‌ای نزدیک، نقطه عطف مهمی در تکنولوژی‌های تولید مس به ثبت برساند.