La calcopirita ( / ˌ k æ l k ə ˈ p aɪ ˌ r aɪ t , - k oʊ -/ [7] [8] KAL -kə- PY -ryte, -koh- ) es un mineral de sulfuro de hierro y cobre y el mineral de cobre más abundante . Tiene la fórmula química CuFeS 2 y cristaliza en el sistema tetragonal . Tiene un color amarillo cobrizo a dorado y una dureza de 3,5 a 4 en la escala de Mohs . Su veta es diagnóstica como negra teñida de verde. [9]
Al exponerse al aire, la calcopirita se empaña y forma una variedad de óxidos, hidróxidos y sulfatos. Los minerales de cobre asociados incluyen los sulfuros bornita (Cu 5 FeS 4 ), calcocita (Cu 2 S), covelita (CuS), digenita (Cu 9 S 5 ); carbonatos como la malaquita y la azurita , y raramente óxidos como la cuprita (Cu 2 O). Rara vez se encuentra asociada con el cobre nativo . La calcopirita es un conductor de electricidad. [10]
El cobre se puede extraer del mineral de calcopirita mediante diversos métodos. Los dos métodos predominantes son la pirometalurgia y la hidrometalurgia , siendo el primero el más viable comercialmente. [11]
El nombre calcopirita proviene de las palabras griegas chalkos , que significa cobre, y pyrites ', que significa encender fuego. [12] A veces se lo conocía históricamente como "cobre amarillo". [13]
La calcopirita se confunde a menudo con la pirita y el oro , ya que estos tres minerales tienen un color amarillento y un brillo metálico. Algunas características minerales importantes que ayudan a distinguir estos minerales son la dureza y la veta. La calcopirita es mucho más blanda que la pirita y se puede rayar con un cuchillo, mientras que la pirita no se puede rayar con un cuchillo. [14] Sin embargo, la calcopirita es más dura que el oro, que, si es puro, se puede rayar con cobre . [15] La calcopirita tiene una veta negra distintiva con motas verdes. La pirita tiene una veta negra y el oro tiene una veta amarilla. [16]
La calcopirita natural no tiene series de solución sólida con ningún otro mineral de sulfuro. Existe una sustitución limitada de zinc por cobre a pesar de que la calcopirita tiene la misma estructura cristalina que la esfalrita .
Se pueden medir cantidades menores de elementos como plata, oro, cadmio, cobalto, níquel, plomo, estaño y zinc (en niveles de partes por millón), probablemente sustituyendo al cobre y al hierro. El selenio, el bismuto, el telurio y el arsénico pueden sustituir al azufre en cantidades menores. [17] La calcopirita se puede oxidar para formar malaquita , azurita y cuprita . [18]
La calcopirita es un miembro del sistema cristalino tetragonal. Cristalográficamente, la estructura de la calcopirita está estrechamente relacionada con la de la blenda de zinc ZnS ( esfalrita ). [19] La celda unitaria es dos veces más grande, lo que refleja una alternancia de iones Cu + y Fe3 + que reemplazan a los iones Zn2 + en celdas adyacentes. En contraste con la estructura de la pirita, la calcopirita tiene aniones de sulfuro S2− individuales en lugar de pares disulfuro. Otra diferencia es que el catión hierro no es Fe(II) diamagnético de espín bajo como en la pirita.
En la estructura cristalina, cada ion metálico está coordinado tetraédricamente con cuatro aniones de azufre. Cada anión de azufre está unido a dos átomos de cobre y dos átomos de hierro. [19]
La calcopirita está presente en muchos entornos que contienen minerales a través de una variedad de procesos de formación de minerales .
La calcopirita está presente en depósitos minerales de sulfuro masivo volcanogénico y depósitos sedimentarios exhalativos , formados por deposición de cobre durante la circulación hidrotermal . La calcopirita se concentra en este entorno a través del transporte de fluidos. Los depósitos minerales de pórfido de cobre se forman por concentración de cobre dentro de un stock granítico durante el ascenso y la cristalización de un magma. La calcopirita en este entorno se produce por concentración dentro de un sistema magmático .
La calcopirita es un mineral accesorio en los depósitos de níquel komatíticos de tipo Kambalda , formado a partir de un líquido de sulfuro inmiscible en lavas ultramáficas saturadas de sulfuro . En este entorno, la calcopirita se forma cuando un líquido de sulfuro extrae cobre de un líquido de silicato inmiscible.
La calcopirita ha sido el mineral de cobre más importante desde la Edad del Bronce. [20]
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Aunque la calcopirita no contiene la mayor cantidad de cobre en su estructura en relación con otros minerales, es el mineral de cobre más importante ya que se puede encontrar en muchas localidades. El mineral de calcopirita se presenta en una variedad de tipos de mineral , desde enormes masas como en Timmins, Ontario , hasta vetas irregulares y diseminaciones asociadas con intrusivos graníticos a dioríticos como en los depósitos de pórfido de cobre de Broken Hill , la cordillera americana y los Andes . El depósito más grande de calcopirita casi pura jamás descubierto en Canadá estaba en el extremo sur del Cinturón de Piedras Verdes de Temagami, donde la mina Copperfields extrajo el cobre de alto grado. [21]
La calcopirita está presente en el depósito supergigante de Cu-Au-U Olympic Dam en el sur de Australia .
La calcopirita también se puede encontrar en vetas de carbón asociadas con nódulos de pirita y como diseminaciones en rocas sedimentarias carbonatadas. [22]
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El cobre metálico se extrae predominantemente del mineral de calcopirita mediante dos métodos: pirometalurgia e hidrometalurgia . El método más común y comercialmente viable [11] , la pirometalurgia, implica técnicas de "trituración, molienda, flotación, fundición, refinación y electrorrefinación". La trituración, la lixiviación, la extracción por solventes y la electroobtención son técnicas utilizadas en la hidrometalurgia. [ cita requerida ] Específicamente en el caso de la calcopirita, se practica la lixiviación por oxidación a presión. [23]
El método más importante para la extracción de cobre de la calcopirita es la pirometalurgia. La pirometalurgia se utiliza comúnmente para operaciones a gran escala, ricas en cobre, con minerales de alta ley. [24] Esto se debe a que los minerales de Cu-Fe-S, como la calcopirita, son difíciles de disolver en soluciones acuosas. [25] El proceso de extracción mediante este método pasa por cuatro etapas:
El mineral de calcopirita no se funde directamente. Esto se debe a que el mineral está compuesto principalmente de material sin valor económico, o roca estéril, con bajas concentraciones de cobre. La abundancia de material de desecho hace que se requiera una gran cantidad de combustible de hidrocarburos para calentar y fundir el mineral. Alternativamente, el cobre se aísla primero del mineral utilizando una técnica llamada flotación por espuma . Básicamente, se utilizan reactivos para hacer que el cobre sea repelente al agua, por lo que el Cu puede concentrarse en una celda de flotación flotando en burbujas de aire. A diferencia del 0,5-2% de cobre en el mineral de calcopirita, la flotación por espuma da como resultado un concentrado que contiene aproximadamente un 30% de cobre. [25]
El concentrado luego se somete a un proceso llamado fundición de mata . La fundición de mata oxida el azufre y el hierro [26] al fundir el concentrado de flotación en un horno a 1250 °C para crear un nuevo concentrado (mata) con aproximadamente 45–75% de cobre. [25] Este proceso se realiza típicamente en hornos flash. Para reducir la cantidad de cobre en el material de escoria , la escoria se mantiene fundida con una adición de fundente de SiO2 [26] para promover la inmiscibilidad entre la concentración y la escoria. En términos de subproductos, la fundición de mata de cobre puede producir gas SO2 que es dañino para el medio ambiente, por lo que se captura en forma de ácido sulfúrico . Las reacciones de ejemplo son las siguientes: [25]
La conversión implica oxidar la mata una vez más para eliminar aún más el azufre y el hierro; sin embargo, el producto es 99% cobre fundido. [25] La conversión ocurre en dos etapas: la etapa de formación de escoria y la etapa de formación de cobre. En la etapa de formación de escoria, el hierro y el azufre se reducen a concentraciones de menos del 1% y 0,02%, respectivamente. El concentrado de la fundición de la mata se vierte en un convertidor que luego se hace girar, suministrando oxígeno a la escoria a través de toberas . La reacción es la siguiente:
2FeS (l) +3O 2(g) +SiO 2(s) -> Fe 2 SiO 4(l) + 2SO 2(g) + calor
En la etapa de formación del cobre, la mata producida a partir de la etapa de escoria se somete a una carga (introducción de la mata en el convertidor), soplado (inyección de más oxígeno) y desnatado (recuperación del cobre fundido impuro, conocido como cobre blíster). [25] La reacción es la siguiente:
Cu 2 S (l) + O 2(g) -> 2Cu (l) + SO 2(g) + calor [25]
Finalmente, el cobre blíster se somete a un proceso de refinamiento mediante fuego, electrorrefinación o ambos. En esta etapa, el cobre se refina hasta obtener un cátodo de alta pureza . [25]
La calcopirita es una excepción a la mayoría de los minerales que contienen cobre. A diferencia de la mayoría de los minerales de cobre que se pueden lixiviar en condiciones atmosféricas, como a través de la lixiviación en pilas , la calcopirita es un mineral refractario que requiere temperaturas elevadas, así como condiciones oxidantes para liberar su cobre en solución. [27] Esto se debe a los desafíos de extracción que surgen de la presencia 1:1 de hierro a cobre, [28] lo que resulta en una cinética de lixiviación lenta. [27] Las temperaturas y presiones elevadas crean una abundancia de oxígeno en solución, lo que facilita velocidades de reacción más rápidas en términos de ruptura de la red cristalina de la calcopirita. [27] Un proceso hidrometalúrgico que eleva la temperatura con las condiciones oxidantes requeridas para la calcopirita se conoce como lixiviación por oxidación a presión . Una serie de reacciones típicas de la calcopirita en condiciones oxidantes de alta temperatura es la siguiente:
i ) 2CuFeS2 + 4Fe2 ( SO4 ) 3 - > 2Cu2 + + 2SO42- + 10FeSO4 + 4S
ii) 4FeSO 4 + O 2 + 2H 2 SO 4 -> 2Fe 2 (SO 4 ) 3 +2H 2 O
iii) 2S + 3O 2 +2H 2 O -> 2H 2 SO 4
(en general) 4CuFeS 2 + 17O 2 + 4H 2 O -> 4Cu 2+ + 2Fe 2 O 3 + 4H 2 SO 4 [27]
La lixiviación por oxidación a presión es particularmente útil para la calcopirita de baja calidad. Esto se debe a que puede "procesar el producto concentrado de la flotación " [27] en lugar de tener que procesar el mineral completo. Además, puede utilizarse como un método alternativo a la pirometalurgia para el mineral variable. [27] Otras ventajas que tienen los procesos hidrometalúrgicos en relación con la extracción de cobre sobre los procesos pirometalúrgicos ( fundición ) incluyen:
Si bien la hidrometalurgia tiene sus ventajas, sigue enfrentando desafíos en el ámbito comercial. [28] [27] A su vez, la fundición sigue siendo el método comercialmente más viable de extracción de cobre. [28]
