Tembaga: Sejarah, Produksi, dan Masa Depan Berkelanjutan

Latar Belakang

Tembaga (Cu) adalah logam alami merah-oranye yang dihargai karena konduktivitas termal dan listrik yang luar biasa. Ia membentuk tulang punggung dari banyak item sehari-hari—dari kabel listrik dan alat dapur hingga radiator otomotif dan lapisan pelindung. Secara historis, serbaguna tembaga meluas ke pigmen, pelindung kertas, dan pewarna tekstil. Legur tembaga dengan seng menghasilkan kuningan, sementara timah menghasilkan perunggu.

Bukti arkeologis menunjukkan penggunaan tembaga berasal sekitar 10.000 tahun. Antrian tembaga berusia 8700 SM ditemukan di Irak utara, dan pada tahun 6400 SM, wilayah Anatolia meleleh dan mencetak tembaga. Praktik Mesir mengikuti pada tahun 4500 SM, dan penambangan sistematis didokumentasikan di Semenanjung Sinai sekitar 3800 SM. Pada tahun 3000 SM, Kypros mengungkapkan endapan tembaga yang kaya; Romawi menyebut logam ini aes cyprium, istilah yang berkembang menjadi “cuprum” dan simbol modern Cu.

Di Amerika, komunitas pesisir Peru menghasilkan artefak tembaga pada tahun 500 SM, dan metalurgi Inca berkembang hingga penaklukan Spanyol pada abad ke-16.

Di Amerika Serikat, tambang komersial pertama dibuka di Branby, Connecticut (1705), diikuti oleh Lancaster, Pennsylvania (1732). Meskipun penambangan awal, tembaga AS sebagian besar berasal dari Chile hingga tahun 1844, ketika Distrik Tembaga Superior dekat Danau Superior memulai produksi domestik. Kemajuan akhir abad ke-19 memungkinkan ekstraksi dari bijih grade rendah melalui operasi terbuka luas di seluruh Barat.

Saat ini, Amerika Serikat dan Chile mendominasi output global, diikuti oleh Rusia, Kanada, dan Tiongkok.

Bahan Baku

Tembaga murni jarang ditemukan di alam; ia diekstrak dari berbagai bijih. Sekitar 40 negara menambang sekitar 15 bijih tembaga komersial, sebagian besar adalah mineral sulfida terikat dengan sulfur. Bijih oksida, karbonat, dan campuran juga terjadi, dan banyak mengandung hasil samping berharga seperti emas, perak, dan nikel. Bijih tembaga AS typis mengandung 1,2–1,6 persen tembaga menurut berat.

Bijih sulfida utama adalah chalcopyrite (CuFeS₂), dikenal sebagai pyrite tembaga atau bijih tembaga kuning. Chalcocite (Cu₂S) adalah sulfida lainnya yang umum. Bijih oksida termasuk cuprite (Cu₂O, tembaga merah) dan bijih karbonat seperti malachite (Cu(OH)₂·CuCO₃) dan azurite (Cu(OH)₂·2CuCO₃). Mineral lain—tennantite, boronite, chrysocolla, dan atacamite—juga menyediakan tembaga.

Pengolahan dan pemurnian biasanya menggunakan asam sulfat, oksigen, besi, silika, dan reagen organik, tergantung pada metode yang dipilih.

Proses Manufaktur

Ekstraksi tembaga bervariasi menurut jenis bijih dan kemurnian yang diinginkan. Proses secara sistematis menghapus bahan non-tembaga dan mengonsentrasi tembaga melalui langkah fisik dan kimia, yang dilakukan baik di lokasi maupun di fasilitas khusus.

Pertambangan

• Tambang terbuka besar menggunakan pemboran dan peledakan. Penghapusan lapis atas mengekspos endapan bijih, menciptakan lubang yang dapat melebihi satu mil di seluruhnya. Jalan yang dipotong di lubang memungkinkan akses untuk mesin berat.
• Sapu tenaga, masing-masing mampu 500–900 kaki kubik (15–25 m³) per scoop, memuat bijih ke truk angkut yang mengangkutnya keluar dari lubang.

Pemurnian

Bijih mentah mengandung kotoran, tanah liat, dan mineral non-tembaga. Langkah pertama adalah mengurangi limbah ini melalui flotas.

• Bijih dihancurkan melalui serangkaian cone crusher, yang menekannya antara kerucut dalam dan luar yang berputar.
• Bahan yang dihancurkan lebih digiling di rod mill dan dua ball mill, menghasilkan slurry dengan partikel sekitar 0,01 in (0,25 mm).
• Reagen melapisi partikel tembaga; frother (minyak pine atau alkohol rantai panjang) membuat gelembung. Udara disuntik dari dasar sel flotas, menyebabkan tembaga menempel pada gelembung yang naik ke permukaan. Busa diambil, air diiringkan, dan konsentrat yang dihasilkan mengandung 25–35 persen tembaga, dengan jejak emas, perak, dan logam lainnya. Limbah—gangue—disimpan di kolong endapan.

Peleburan

Setelah pembersihan fisik, konsentrat melalui peleburan untuk menghilangkan besi dan sulfur. Pelebur tradisional menggunakan dua tungku; pabrik modern dapat menggabungkan tahap dalam satu unit.

• Di tungku flash, konsentrat dan silika flux dipanaskan dengan udara yang diperkaya oksigen. Besi bereaksi dengan flux untuk membentuk sisa, yang diambil. Sulfur membentuk sulfur dioksida, diusir dan kemudian diubah menjadi asam sulfat. Matte cair yang tersisa—sekitar 60 persen tembaga—alir ke konverter.
• Konverter menambahkan lebih banyak flux dan meniup oksigen. Reaksi menghilangkan besi dan sulfur yang tersisa, menghasilkan tembaga blister pada kemurnian ~99 persen. Sisa dapat didaur ulang ke tungku flash; sulfur dioksida diproses di pabrik asam.

Pemurnian

Tembaga blister masih mengandung impuritas yang menghambat penggunaan akhir. Pemurnian api pertama mengoksidasi sulfur dan oksigen yang tersisa. Flux natrium karbonat menghilangkan jejak arsen dan antimon. Tembaga cair, kini ~99,5 persen murni, dicetak menjadi anode besar untuk elektrolisis.

• Setiap anode ditempatkan di sel beton polimer dengan katoda tembaga di sisi lawan. Sel menampung larutan sulfat tembaga asam, dan ketika arus melewati, tembaga larut dari anode dan menempel pada katoda.
• Setelah 9–15 hari, katoda—kini 99,95–99,99 persen murni—mengukur sekitar 300 lb (136 kg).
• Slime yang dihasilkan, kaya emas, perak, selenium, dan telurium, dikumpulkan untuk pemulihan logam mulia.

Pencetakan

Tembaga yang telah dipurnikan dilelehkan dan dicetak menjadi ingot, cake, billet, atau rod, yang disesuaikan dengan penggunaan akhir:

• Ingot: blok persegi panjang atau trapezoid yang digunakan untuk legur.
• Cake: slab tebal 8 in (20 cm) hingga panjang 28 kaki (8,5 m), digulung menjadi plat, strip, lembaran, atau foil.
• Billet: silinder diameter 8 in (20 cm), diekstrusi menjadi tabung dan pipa.
• Rod: diameter ~0,5 in (1,3 cm), dicetak panjang dan digulung, kemudian ditarik menjadi kabel.

Kontrol Kualitas

Aplikasi listrik menuntut kadar impuritas yang sangat rendah. Tembaga dipurnikan ke kemurnian hampir absolut, dan pemantauan analitik pada setiap tahap memastikan bahwa penyesuaian proses yang diperlukan dilakukan segera.

Hasil Samping dan Limbah

Peleburan menghasilkan asam sulfat, mengurangi emisi tungku. Pemulihan emas, perak, dan logam mulia lainnya dari sisa dan slime menambahkan nilai ekonomi.

Limbah pertambangan—termasuk lapis atas, limbah, dan sisa—dapat mengandung arsen, timbal, dan bahan berbahaya lainnya. Di AS, Environmental Protection Agency (EPA) mengatur penyimpanan dan rehabilitasi limbah tersebut. Sementara mengelola miliaran ton bahan menantang, itu juga menawarkan kesempatan untuk memulihkan sumber daya yang dapat digunakan.

Masa Depan

Permintaan tembaga—terutama di sektor listrik dan elektronik—tetap kuat. Tren industri saat ini mendukung proses hemat energi, rendah emisi, dan pengurangan limbah yang lebih besar. Namun, regulasi lingkungan yang ketat dan batasan bijih grade rendah dapat meningkatkan biaya produksi.

Daur ulang mendorong pertumbuhan: lebih dari setengah produksi tembaga AS berasal dari sumber daur ulang. Limbah pemesinan tembaga menanggung 55 persen tembaga daur ulang, sementara 45 persen berasal dari produk akhir seperti kabel dan radiator. Seiring meningkatnya biaya pertambangan primer, porsi daur ulang diharapkan naik.