Bakır Nedir?
Bakır, eski çağlardan beri bilinen ve kullanılan bir metal olup günümüze kadar insanlığın ilerlemesinde büyük katkı sağlamıştır. Bununla birlikte eski çağlardan beri bakırın pirinç ve bronz gibi birçok değişik alaşımı kullanıldığı bilinmektedir. 19. yy.’ın ikinci yarısından itibaren kullanılmaya başlanan elektrik üretimi ve iletimi için gerekli en önemli malzeme olması bakıra olan önem ve ihtiyacı daha da artırmıştır.
Günümüzde bakır, elektrik, sanayi, konstrüksiyon, mühimmat, ulaşım ve genel mühendilik alanlarında kullanılmaktadır. Bu değişik alanlarda dünya rafine bakır kullanımı aşağıdaki Tablo 1’de verilmiştir.
Günümüzde bakırın yerine diğer ikame maddeler de kullanılmaktadır. Örnek olarak; haberleşmede bakır telin yerini fiber optik malzeme,otomobil radyatörlerinde bakır yerine alüminyum, inşaat sektöründe bakır borular yerine plastik borular kullanılmaya geçilmektedir. Elektronik endüstrisinde bakır devreler yerine silikon malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Fakat elektrik enerjisi iletkeni olarak bakır, önemini daha uzun süre koruyacağı düşünülmektedir. Bu alanda daha uygun süper iletkenler geliştirilinceye kadar, bakır elektrik enerjisi iletkeni olarak kullanılmaya devam edecektir.
Bakır bileşikleri ve alaşımları halinde de önemli kullanım alanına sahiptir. Son zamanlarda Cu (In, Ga) yapısına sahip kalkopirit tipi bileşikler üretilerek p-tipi ve n-tipi yarı iletken malzemeler üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır. Fotovoltaik amacıyla kullanılan bu tip bileşikler güneş pili yapımında kullanılmaktadır. Bu da gelecek zamanda önemli bir bakır kullanımını gündeme getirecektir.
Bakırın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Bakır, atom numarası 29, atom ağırlığı 63,57 g/mol olan periyodik tabloda 1B grubunda yer alan elementtir. Bakırın 63Cu ve 65Cu olmak üzere iki izotopu bulunmaktadır. Bu kararlı izotoplar takribi %69 63Cu ve %31 65Cu oranlarında bulunmaktadır. Grafik 1’de bakırın ergime noktası, yoğunluğu, sertlik derecesi ve kaynama noktası gibi değerleri verilmiştir. Bakırın ısıl iletkenliği diğer metaller ile karşılaştırma yapıldığında gümüşten sonra gelen en iyi ısıl iletken metal olduğu gözlemlenmektedir. (Ag: 1,006; Cu: 0,934; Au: 0,705; Al: 0,480; Fe: 0,161
).
YMK sistemde kristalleşen bakır, gümüşten sonra gelen en iyi ısı ve elektrik iletkeni olup bilhassa bu ikinci iletkenlik, saflığı bozan maddelerin az miktarda bile olsa varlığı önemli derecede azalır. Bakır oksijen ile kolay ve hızlı bir şekilde tepkimeye girer ve Cu2O şeklinde oksitlenir. Sıcaklık arttıkça ilk olarak Cu2O oluşur ve ardından CuO oksidi oluşur. Bunlardan ilki kırmızı, ikincisi ise siyah renk vermektedir.
Saf bakırın ergime derecesi 1083°C’tır. Bu sıcaklıkta, metalik forma gelirken geçirdiği katılaşma süresince bünyesinde barındırdığı gaz fazlarını da eritir. Bünyesinde bulunan bu gazlar uzaklaşırken ardında bıraktığı metalin gözenekli yapıya sahip olmasına neden olmaktadır. Diğer yandan, kolaylıkla sıcakta oksitlenmesi ve oluşan oksidin bakırın içinde ergimesi nedeniyle, ergime sıcaklığı çoğu zaman 1083°C’nin altında olmaktadır. Cu-Cu2O ötektiği 1065°C’ta ergir. Yukarıda bulunan Grafik 1’de ötektik nokta gösterilmiştir. Grafikteki bu ötektik karışım %4,5 Cu2O’ya denk gelmektedir. Herhangi bir M alaşımının katılaşmasında önce bakır kristalleri ve bunların etrafında, 1065°C’de, Cu-Cu2O ötektiği çökelecektir. Bu ötektik karakteristik bir pembe renge sahiptir.
Bakırın, özellikle oksijene karşı olmak üzere kimyasal olarak çok reaktif bir metal olması, onun başka bir ticari metale göre en saf şekilde üretilip satılmasını zorunlu tutmaktadır. Katodik bakır, %99,9 saflığa sahip olup yaklaşık olarak %0,05 oranında bakır oksidi metalin içinde dağılmış olarak bulunur. Kaynak esnasında bakır oksidin tane sınırlarına yürümesi çok sünek malzemenin süneklik kaybına yol açar. 700°C’nin üstünde CO ve hidrojen absorbsiyonu, bakır oksit ile reaksiyon sonucu CO2 ve su buharı oluşturup, gevrekleşme ve iç çatlamalar meydana getirerek bakırın kaynağını zorlaştırır. Bakırın oksijene olan eğilimi, kaynağı zorlaştıran birkaç karakteristiğinden sadece bir tanesidir.
Bakır, çelikten daha düşük bir sıcaklıkta ergise de bir bakır kesitinin arkla ergitilmesi, aynı çelik kesitine göre daha uzun sürmektedir. Çünkü bakırın ısıl iletkenliği çeliğin beş katıdır. Ek olarak bakır, yüksek genleşme katsayısına sahiptir. Isıtıldığında çok genişler, soğutulması halinde de çok çeker. Gerçekleşen bu durum büzülme ve kaynak çatlağı sorununu artırır. Ayrıca bu sorun bakırın 280°C’nin üstünde çekme mukavemetini hızla kaybetmesiyle de önem kazanır.
Bakır Madeni Nerelerden Çıkarılır?
Dünya Bakır Rezervleri
Dünyada en yoğun olduğu en büyük cevher kuşağı ABD’nin batısı boyunca Şili’den geçerek Peru, Meksika’dan sonra ABD’de Arizona, Nevada, Mexico, Kanada ve Utah’ı içine alan jeolojik bir zondur. Bu kuşak üzerinde bulunan rezervler Batı dünyası bakır üretiminin %50’sini kapsamaktadır.
Porfiri tipi bakır rezervleri aynı zamanda Pasifik halkasının güney batısı boyunca uzanan kuşak içerisinde bulunur. Bu kuşaktan geçen ülkeler Endonezya, Filipinler ve Papua Yeni Gine’dir. Aynı tip cevherler içeren diğer bir kuşak ise Avrupa’nın güney doğusundan Pakistan ve İran’a kadar uzanır. Afrika’daki en önemli rezervler sedimanter bakır kuşağı olarak kıtanın ortasında bulunmaktadır.
Türkiye’deki Bakır Rezervleri
Ülkemizdeki bakır rezervleri ile ilgili yapılan çalışmalar Maden Tetkik Arama Genel Müdürlüğü, Karadeniz Bakır İşletmeleri, Etibank ve özel sektör tarafından yürütülmektedir. Türkiye, bakır rezervleri açısından Doğu karadeniz ve Güneydoğu Anadolu Bölgeleri olmak üzere iki önemli bölgeye sahiptir. Aşağıdaki resimde Türkiye’de bulunan tüm bakır rezervleri ve rezerv miktarları verilmiştir. Türkiye’deki görünür bakır rezervi Cu içeriği olarak 1700 ton olarak belirlenmiştir.
Bakırın Doğada Bulunuşu
Bakır, insanoğlunun ilk tanıdığı elementlerden biri olmasına rağmen yerkabuğunda bulunan en nadir elementlerden biridir. Yerkabuğundaki 60 ppm’lik derişimiyle bakır, doğada nadir olarak bilinen seryum, stronsiyum, nikel, zirkonyum, vanadyum ve itriyum gibi elementlerden daha nadirdir. Buna karşılık olarak bakırın doğada maden yatağı oluşturma kabiliyeti, kendisinden daha fazla yaygın olan elementlerden bile daha yüksektir. Bakır yatakları alt kısımlardan yer kabuğuna enjekte edilen hidrotermal çözeltiler veya yüzeye çıkmaya zorlanan erimiş lav kütlelerinden meydana gelmişlerdir.
Bakır cevherlerini cevher parajenezine (bir maden yatağında, bir arada gözlenen minerallerin oluşturdukları topluluk) ve parajenezlerin teknolojik özelliklerine bağlı olarak iki grupta toplamak mümkündür. Bunlar sülfürlü bakır mineralleri ve bakır sülfatları, silikatları ve karbonatlarından oluşan oksitli bakır cevherleridir.
Doğada en çok bulunan bakır mineralleri pirotin, sfalerit, pirit, galenit, bornit, kalkopirit, kalkosin tali olarak arsenopirit ile manyetit olup parajeneze tetrahedrit ve tennantit mineralleri eşlik edebilir. Başlıca gang minerali olarak kuvars bulunmaktadır. Zaman zaman karbonat oluşabilir. Bu yataklarda pirit önemli miktarlarda bakır eşliğinde olmadan oluşabilir fakat bakır kendi başına asla bulunmamaktadır. Kurşunun bulunduğu yataklarda bakır ve çinko parajenezde yer alır.
Bakır Mineralleri
Doğada yaklaşık olarak 200 mineralin bakır içerdiği, bunlarda 40’a yakını doğada daha fazla bulunduğu bilinmektedir. Bakır cevherleri doğada az miktarda metalik, genellikle oksitli mineraller, kompleks mineraller ve sülfürlü mineraller halinde bulunmaktadır. En önemli sülfür cevherleri kalkopirit, bornit, enarjit, kalkosit ve kovvelittir. Oksitli bakır cevherleri silikatlar, sülfatlar ve karbonatlar halinde bulunurlar. Başlıca oksitli bakır mineralleri malahit, azurit, kuprit, tenorit ve brokantit olarak sıralanabilir.
Bazı bakır mineralleri görselleri
Bakır Nasıl Üretilir?
Bakır üretimi yapılan birçok ülkede, bakır yatakları için minimum işletilebilir tenör %0,25 olup, bazen daha düşük değerlerdeki bakır yatakları yan ürünler de değerlendirilerek işletilmektedir. Fakat cevherlerin doğrudan saflaştırılması yaklaşık %99 gibi büyük bir oranı kapsayan hereksiz gang minerallerinin de aynı saflaştırma işleminden geçmesini gerektireceği için ekonomik açıdan mümkün değildir. Bundan dolayı, elde edilen maden filizleri, maliyeti oldukça düşük olan ön arıtma işlemine alınarak tenör değerleri minimum %20 civarına çıkartılır. Son arıtmaya geçmeden önce yapılan bu işlemler “cevher hazırlama (zenginleştirme)” olarak bilinir.
Düşük tenöre sahip işletilebilir bakır yatakları büyük rezervli ve çok ince mineral taneli cevherlerdir. İşletilebilmesi mümkün olan bakır cevherleri saflaştırılabilme yönünden karbonatlı, sülfürlü, oksitli-sülfürlü karışık cevherler ve bakır silikatlar olarak dört gruba ayrılabilir. Bunlardan en kolay zenginleştirilebilir olanı sülfürlü cevherlerdir. Oksitli-sülfürlü karışık cevherler ve karbonatlı cevherler zor, bakır silikatların ekonomik olarak zenginleştirilebilirlikleri ise imkansızdır. Bakır mineralleri birlikte bulundukları minerallerden sadece fizikokimyasal özelliklerinin ve özgül ağırlıklarının farklılığı prensiplerinden faydalanılarak zenginleştirilebilirler. Bu zenginleştirme yöntemleri gravite ve flotasyon yöntemleri olarak bilinir.
Kimyasal ve fizikokimyasal yöntemlerin yüksek maliyetli oluşu sebebiyle, bakır cevherleri bazen nihai zenginleştirme öncesinde fiziksel yöntemlerle ön zenginleştirme işlemi uygulanmaktadır. Ön zenginleştirme sonucunda kaba boyutta bir artık atılmakta ve elde edilen kaba konsantre, flotasyon için gerekli serbestleşme boyutuna öğütülerek nihai olarak zenginleştirilmektedir. Ön zenginleştirme amacıyla manyetik duyarlılık ve özgül ağırlık farkına göre de ayırma yapılmaktadır.
Özgül ağırlık farkından yararlanılarak yapılan zenginleştirilmenin ön şartı gang yoğunluğu ile cevherli tanelerin özgül ağırlıkları arasında 0,7 ile 1 g/cm3 civarında farkın bulunmasıdır. Ayrıca iri tanede serbestleşen, küçük rezervli dolayısıyla küçük kapasiteli, zor yüzdürülebilen veya hiç yüzdürülemeyen oksit cevherleri gravite yöntemleriyle zenginleştirilirler. Cevher içindeki sülfürlü bakır veya oksitli bakır minerallerinin serbestleşmesi yeterince kaba boyutlarda sağlanabiliyorsa ağır ortam, sarsıntılı masa, jig gibi graviteyle zenginleştirme yöntemlerinin uygulanması mümkündür.
Flotasyon, cevher hazırlama aşamaları içinde minerallerin yüzey/arayüzey özelliklerinden yararlanarak, değerli mineralleri gang minerallerden ayırmak amacıyla yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biridir. Sülfürlü minerallerin birbirlerinden ayrılmasında en etkin yöntem flotasyondur. Mineraller flotasyon işlemlerindeki davranışlarına göre, polar olmayan mineraller (elmas, grafit vs.) ağır metallerin sülfürleri (sfalerit, galen vs.), oksitler, tuzlar ve silikatlar olarak sınıflandırılmaktadırlar.
Kaynakça
Gül, A., “Küre Dissemine Bakır Cevherinin Ön Zenginleştirme OlanaklarınınAraştırılması”, Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 33-34 (2001).
Oğuz B., “Demir dışı metallerin kaynağı”, OERLIKON Yayını (1990).
Scott Swiden H., Jenner G.A., Kean B.F., Evans D.T.W, “Volcanic rock geochemistry as a guide for massive sulphide exploration in central newfoundland”, Geological Survey of Newfoundland Department of Mines. Report 89-1: 201-219, Newfoundland Department of Mines (1989).
nternet: Index Mundi, Copper, “World Production by Country Source”, http://www.indexmundi.com/en/commodities/minerals/copper/coppert20.html, (2013)
Yorumlar