Calcopirita

Calcopirita (KAL-kə-PY-ryte, -⁠koh-) es un mineral de sulfuro de cobre y hierro y el mineral de cobre más abundante. Tiene la fórmula química CuFeS₂ y cristaliza en el sistema tetragonal. Tiene un color cobrizo a amarillo dorado y una dureza de 3,5 a 4 en la escala de Mohs. Su raya es diagnóstica como negro teñido de verde.

Al exponerse al aire, la calcopirita se deslustra a una variedad de óxidos, hidróxidos y sulfatos. Los minerales de cobre asociados incluyen los sulfuros bornita (Cu₅FeS₄), calcocita (Cu₂S), covellita (CuS), digenita (Cu ₉S₅); carbonatos como la malaquita y la azurita, y raramente óxidos como la cuprita (Cu₂O). Rara vez se encuentra en asociación con cobre nativo. La calcopirita es un conductor de electricidad.

El cobre se puede extraer del mineral de calcopirita mediante varios métodos. Los dos métodos predominantes son la pirometalurgia y la hidrometalurgia, siendo la primera la más viable comercialmente.

Etimología

El nombre calcopirita proviene de las palabras griegas chalkos, que significa cobre, y piritas', que significa encender fuego. A veces históricamente se lo denominaba "cobre amarillo".

Identificación

La calcopirita a menudo se confunde 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 suave que la pirita y se puede rayar con un cuchillo, mientras que la pirita no se puede rayar con un cuchillo. Sin embargo, la calcopirita es más dura que el oro, que, si es puro, puede rayarse con el cobre. La calcopirita tiene una veta negra distintiva con motas verdes. La pirita tiene una raya negra y el oro tiene una raya amarilla.

Química

La célula unitaria de chalcopyrite. El cobre se muestra en rosa, hierro en azul y azufre en amarillo.

Imagen microscópica de chalcopyrite

La calcopirita natural no tiene una serie de soluciones sólidas con ningún otro mineral de sulfuro. Hay una sustitución limitada de zinc con cobre a pesar de que la calcopirita tiene la misma estructura cristalina que la esfalerita.

Se pueden medir cantidades menores de elementos como plata, oro, cadmio, cobalto, níquel, plomo, estaño y zinc (a niveles de partes por millón), probablemente en sustitución del cobre y el hierro. El selenio, el bismuto, el telurio y el arsénico pueden sustituir al azufre en cantidades menores. La calcopirita se puede oxidar para formar malaquita, azurita y cuprita.

Estructura

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 (esfalerita). La celda unitaria es el doble de grande y refleja una alternancia de iones Cu⁺ y Fe³⁺ que reemplazan a los iones Zn²⁺ en las celdas adyacentes. En contraste con la estructura de pirita, la calcopirita tiene aniones de sulfuro S²⁻ únicos en lugar de pares de disulfuro. Otra diferencia es que el catión de hierro no es Fe(II) de espín bajo diamagnético como en la pirita.

En la estructura cristalina, cada ion metálico está tetraédricamente coordinado con 4 aniones de azufre. Cada anión de azufre está unido a dos átomos de cobre y dos átomos de hierro.

Paragénesis

Cristales de chalcopyrite amarillo de latón debajo de grandes cubos de pirita estriada

La calcopirita está presente en muchos entornos con minerales a través de una variedad de procesos de formación de minerales.

La calcopirita está presente en depósitos de mineral de sulfuro masivo volcánico y depósitos exhalativos sedimentarios, formados por la deposición de cobre durante la circulación hidrotermal. La calcopirita se concentra en este entorno a través del transporte de fluidos. Los depósitos de mineral de pórfido de cobre se forman por la concentración de cobre dentro de un stock granítico durante el ascenso y la cristalización de un magma. La calcopirita en este ambiente se produce por concentración dentro de un sistema magmático.

La calcopirita es un mineral accesorio en depósitos de mineral de níquel komatiítico de tipo Kambalda, formado a partir de un líquido de sulfuro inmiscible en lavas ultramáficas saturadas de sulfuro. En este entorno, la calcopirita está formada por un líquido de sulfuro que separa el cobre de un líquido de silicato inmiscible.

La calcopirita ha sido el mineral de cobre más importante desde la Edad del Bronce.

Ocurrencia

Copper-zinc ore sample from a VMS deposit at Potter Mine in Timmins, Ontario, Canada. El mineral de color amarillo latón es la chalcopyrite- el mineral de mineral primario en esta mina.

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 encuentra en una variedad de tipos de minerales, desde grandes 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 se encontraba en el extremo sur del cinturón de piedra verde de Temagami, donde la mina Copperfields extrajo el cobre de alta ley.

La calcopirita está presente en el depósito supergigante de Cu-Au-U de 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.

Extracción de cobre

Proceso de fundición flash de cobre, método pirometallúrgico de extracción de cobre de chalcopyrite.

El cobre metálico se extrae predominantemente del mineral de calcopirita mediante dos métodos: pirometalurgia e hidrometalurgia. El método más común y comercialmente viable, la pirometalurgia, implica "trituración, molienda, flotación, fundición, refinación y electrorrefinación" tecnicas La trituración, la lixiviación, la extracción por solventes y la electroobtención son técnicas utilizadas en hidrometalurgia. Concretamente en el caso de la calcopirita se practica la lixiviación por oxidación a presión.

Procesos pirometalúrgicos

El método más importante para la extracción de cobre a partir de calcopirita es la pirometalurgia. La pirometalurgia se usa comúnmente para operaciones ricas en cobre a gran escala con minerales de alta ley. Esto se debe a que los minerales de Cu-Fe-S, como la calcopirita, son difíciles de disolver en soluciones acuosas. El proceso de extracción por este método pasa por cuatro etapas:

(1) Aislar los elementos deseados del mineral usando flotación por espuma para crear una concentración

(2) Crear una mata con alto contenido de sulfuro de Cu al fundir la concentración

(3) Oxidación/conversión de la mata de sulfuro, lo que da como resultado un cobre fundido impuro.

(4) Técnicas de refinado por fuego y electroobtención para aumentar la pureza del cobre resultante

El mineral de calcopirita no se funde directamente. Esto se debe a que el mineral se compone principalmente de material sin valor económico, o roca estéril, con bajas concentraciones de cobre. La abundancia de material de desecho da como resultado que se requiera una gran cantidad de combustible de hidrocarburo para calentar y derretir el mineral. Alternativamente, el cobre se aísla primero del mineral usando una técnica llamada flotación por espuma. Esencialmente, los reactivos se utilizan para hacer que el cobre sea hidrófugo, por lo que el Cu puede concentrarse en una celda de flotación al flotar en burbujas de aire. En contraste con el 0,5-2% de cobre en el mineral de calcopirita, la flotación por espuma da como resultado un concentrado que contiene alrededor del 30% de cobre.

El concentrado luego se somete a un proceso llamado fundición de mate. La fundición de mate oxida el azufre y el hierro al fundir el concentrado de flotación en un horno a 1250 °C para crear un nuevo concentrado (mata) con aproximadamente un 45-75 % de cobre. Este proceso generalmente se realiza en hornos flash. Para reducir la cantidad de cobre en el material de escoria, la escoria se mantiene fundida con la adición de fundente de SiO₂ para promover la inmiscibilidad entre la concentración y la escoria. En cuanto a los subproductos, la fundición de la mata de cobre puede producir gas SO₂ que es nocivo para el medio ambiente, por lo que se captura en forma de ácido sulfúrico. Las reacciones de ejemplo son las siguientes:

(1) 2CuFeS_{2 (s)} +3.25O_2(g) -> Cu₂S-0,5FeS_(l) + 1,5FeO_(s) + 2,5SO_2(g)

(2) 2FeO_(s) + SiO_2(s) -> Fe₂SiO_4(l)

La conversión consiste en oxidar la mata una vez más para eliminar aún más el azufre y el hierro; sin embargo, el 99 % del producto es cobre fundido. 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 inferiores al 1 % y al 0,02 %, respectivamente. El concentrado de la fundición de la mata se vierte en un convertidor que luego se gira, suministrando oxígeno a la escoria a través de toberas. La reacción es la siguiente:

2FeS_(l)+3O_2(g)+SiO_2(s) -> Fe₂SiO_4(l) + 2SO_2(g) + calor

En la etapa de formación de cobre, la mata producida a partir de la etapa de escoria se carga (introduciendo la mata en el convertidor), soplando (expulsando más oxígeno) y desnatando (recuperando cobre fundido impuro conocido como cobre blister). La reacción es la siguiente:

Cu₂S_(l) + O_2(g) -> 2Cu_(l) + SO_2(g) + calor

Finalmente, el cobre blister se somete a un refinado por fuego y/o electrorrefinado. En esta etapa, el cobre se refina a un cátodo de alta pureza.

Procesos hidrometalúrgicos

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 la lixiviación en pilas, la calcopirita es un mineral refractario que requiere temperaturas elevadas y condiciones oxidantes para liberar su cobre en solución. Esto se debe a los desafíos de extracción que surgen de la presencia 1:1 de hierro y cobre, lo que da como resultado una cinética de lixiviación lenta. Las temperaturas y presiones elevadas crean una gran cantidad de oxígeno en la solución, lo que facilita velocidades de reacción más rápidas en términos de descomposición de la red cristalina de calcopirita. 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 a alta temperatura es la siguiente:

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

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

iii) 2S + 3O₂ +2H₂O -> 2H₂SO₄

(total) 4CuFeS₂+ 17O₂ + 4H₂O -> 4Cu²⁺+ 2Fe₂O₃ + 4H₂SO₄

La lixiviación por oxidación a presión es particularmente útil para la calcopirita de bajo grado. Esto se debe a que puede "procesar productos concentrados de flotación" en lugar de tener que procesar todo el mineral. Además, se puede utilizar como método alternativo a la pirometalurgia para mineral variable. Otras ventajas que tienen los procesos hidrometalúrgicos con respecto a la extracción de cobre sobre los procesos pirometalúrgicos (fundición) incluyen:

• El coste muy variable de fundición
• Dependiendo de la ubicación, la cantidad de la disponibilidad de fundición es limitada
• Alto costo de instalación de infraestructura de fundición
• Capacidad para tratar concentrados de alta pureza
• Aumento de la recuperación debido a la capacidad de tratar depósitos de menor calidad en el sitio
• Menores costos de transporte (concentración no necesaria)
• Costo total menor de la producción de cobre

Aunque la hidrometalurgia tiene sus ventajas, continúa enfrentando desafíos en el entorno comercial. A su vez, la fundición sigue siendo el método de extracción de cobre más viable comercialmente.