مس چیست و از چه ساخته شده است؟
مس فلزی نسبتا قرمز رنگ است و قابلیت هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی دارد.مس یکی از پرکاربردترین فلزات در صنعت است. مس نام یک عنصر جدول تناوبی با نماد شیمیایی Cu (برگرفته از واژهٔ لاتین cuprum) است. مس عنصری جامد ، غیر قابل احتراق بوده و به صورت خالص در طبیعت وجود دارد.
مس عنصری سودمند و مفید از لحاظ تجاری محسوب می شود . ترکیبات مس به رنگ سبز – آبی است . اولین عنصر شناخته شده است و دارای دو ایزوتوپ است .مس یکی از عناصر رایج در طبیعت است که بر اثر پدیده های طبیعی در محیط زیست به مقدار فراوان یافت میشود.
مس علاوه بر این‌که در سنگ‌های معدنی گوناگون وجود دارد، به حالت فلزی نیز یافت میشود. فلز مس بصورت سنگ‌های اکسیده، سنگ‌های سولفوره و مس طبیعی در طبیعت قرار دارد. سنگ‌های سولفوره براثر تغییرات جوی و فعل و انفعالات طبیعی به سنگ‌های اکسیده تبدیل می‌شوند.
سنگ‌های اکسیده بیشتر در قشر زمین وجود دارند. کانی‌هایی مثل آزوریت، مالاکیت و برنیت، همانند سولفیدهایی از جمله کالکوپیریت (CuFeS2)، کوولین (CuS)، کالکوزین (Cu2S) یا اکسیدهایی مانند کوپریت (Cu2O)، از منابع مس هستند.
وجود مس بصورت طبیعی و ویژگی مطلوب سهولت شکل‌پذیری یا چکش‌خواری این فلز با ابزار ابتدائی که امکان ساخت ابزار صنعتی، زیور‌آلات، لوله و مخازن آب، سکه، شمشیر، مجسمه و مانند آن را در دوران باستان فراهم می‌کرد، این فلز را بصورت مهم‌ترین ماده در توسعه تمدن بشری درآورد.
با اختراع داینامو، تلگراف، تلفن، برق و خطوط انتقال نیرو در اواخر قرن 19، سیم به محصول نهایی بسیار مهمی تبدیل شد و از آنجایی‌که مس در میان فلزاتی که کاربردهای وسیع صنعتی دارند، هادی‌ترین فلز هم از نظر هدایت الکتریکی و هم انتقال حرارتی محسوب میشود، این فلز بعنوان یک هادی صنعتی با اهمیت، مورد توجه روزافزون قرار گرفت. اکنون بیش از 70 درصد مس تولید شده در جهان در صنایع مرتبط با الکتریسیته و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در قرن اخیر نیز نقش مس، بعنوان سومین فلز پرمصرف، پس از فولاد و آلومینیوم بسیار مشهود و حیاتی بوده و در عصر کنونی، در مواردی که خواص انتقال الکتریکی و حرارتی زیاد با طول عمر و مقاومت قابل توجه نسبت به فرسودگی مورد نیاز است، مس و آلیاژهای آن کاربرد فراوانی دارند.
ویژگی‌های منحصر به فرد این عنصر آنچنان دامنه وسیعی از کاربرد برای مس و آلیاژهای آن ایجاد کرده که در تمام ماشین‌آلات و تجهیزات صنعتی و خانگی، وسایل حمل و نقل، صنایع نظامی و… به نوعی حضور یافته و مقدار مصرف آن در کمتر از یک قرن، حدود 20 برابر افزایش یافته است.
همانطور که اشاره شد، تمام اشکال اصلی حمل و نقل برای اجرای نقش های حیاتی خود به مس وابسته‌اند. از آلیاژهای مس ـ نیکل روی بدنه‌های قایق‌ها و کشتی‌ها برای کاهش پوسیدگی ناشی از آب دریا استفاده میشود و به این طریق، مقدار آب‌نشینی کشتی‌ها کاسته شده و مصرف سوخت بهبود می‌یابد. هرجا لوازم و ماشین‌آلات صنعتی باشد، مس و آلیاژهای آن هم حضور دارند. علاوه بر این موارد، در عصر حاضر، فلز مس در کشاورزی و زیست‌شناسی هم کاربرد فراوانی دارد.همچنین فلز مس دارای فواید بسیاری در بدن انسان می باشد.
خاصیت سطح ضد میکروبی مس و آلیاژهای آن
ظهور مقاومت میکروب‌ها در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها جان میلیون‌ها انسان را تهدید میکند. پس از آزمایش‌های کلینیکی و آزمایشگاهی بسیار در کشورهای مختلف جهان، ثابت شد که بسیاری از میکروارگانیسم‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک، روی سطوح مسی کشته می‌شوند. .در سال ۲۰۰۸ سطح مس به عنوان اولین ماده جامد ضد میکروبی؛ قارچ کش، باکتری کش و نابودکننده ویروس، توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا (آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده آمریکا) به ثبت رسید. و بیش از ۴۷۹ آلیاژ مس (جرم مس موجود در آلیاژها حداقل باید ۶۰٪ باشد) برای حفظ سلامت عمومی به ثبت رسیده‌است.
نتایج آزمایش‌ها از این قرار است که سطح مس به‌طور پیوسته آلودگی باکتریایی را در مدت دو ساعت به ۹۹٬۹ درصد کاهش داده و حتی پس از آلودگی مجدد، آلودگی کاهش می‌یابد. سطح مسی بازدارنده شکل‌گیری و رشد باکتری در طول مدت دو ساعت است. مشاهده شده‌است که مس با سرعت 8-7 logدر ساعت میکرب‌ها را می‌کشد. هنوز هیچ میکروارگانیسمی کشف نشده‌است که بتواند در تماس با سطح مس مقاوم باشد. مس نه تنها باکتری و عوامل بیماری ویروسی را می‌کشد بلکه همچنین به سرعت اسید نوکلئیک ماده ژنتیک را نابود میکند و از این روی است که سلول باکتری هیچ شانسی برای موتاسیون و راهی برای ورود به میکرب‌های دیگر را ندارد، فرایندی که انتقال افقی ژن - HGT - خوانده میشود. در نتیجه از گسترش نسل بعدی باکتری پیشگیری میشود.[۱۵] سطح مس با نحوه اثر طیف وسیع ضد میکروب، باکتری کش، ضدویروس و قارچ کش است.
برآورد شده‌است که حدود ۸۰٪ بیماری‌های عفونی از راه تماس منتقل می‌شوند. استفاده از سطوح مسی در بیمارستان‌ها به ویژه در ICU برای دستگیره درها، شیر آب و اهرم سرویس بهداشتی، فلز تخت بیمار، میله میز بیمار، آنژیو کت، محل تماس زنگ‌ها و چراغ‌ها، نه تنها چرخه انتقال آلودگی میکربی را مختل میکند بلکه فعالانه خطر مقاومت باکتریایی را کاهش می‌دهد و مانع شیوع عفونت به دیگران میشود. در یک آزمایش کلینیکی انجام شده با استفاده از سطوح مسی در ICU میزان عفونت‌های بیمارستانی به میزان ۸۵٪ کاهش یافته‌است. این استراتژی، در کنار رعایت بهداشت دست‌ها و اصول بهداشتی معمول می‌تواند حرکت به سمت نابودی کابوس مقاوم بودن میکروب‌ها در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها باشد.
مقایسه خاصیت ضد میکروبی سطوح نقره و مس
خاصیت ضد میکربی نقره ذاتاً قوی تر از مس است. اما کارایی ضد میکربی سطح نقره، تنها در دمای بالا (۳۵ درجه سانتیگراد) و رطوبت بالا (۹۰٪ یا رطوبت نسبی بیشتر) عمل میکند. در حالیکه، سطح مس در دمای معمولی اتاق (۲۲ درجه سانتیگراد) و رطوبت عادی(۵۰٪) توانایی کشتن ۹۹٫۹٪ میکرب‌ها را دارد. تا پیش از این مطالعه، نقره برای دمای عادی اتاق که در بیمارستان هم وجود دارد، آزمایش نشده بود. در تحقیق آزمایشگاهی انجام شده در ماه مه۲۰۱۰ روی باکتری MRSA، در بیمارستانی در شهر بیرمنگام، مشاهده میشود که سطح مس با سرعت log 7، در مدت ۷۵ دقیقه، باکتری را نابود کرده‌است. اما سطوح دارای نقره در مدت ۳۶۰ دقیقه، کارکرد معناداری نداشته‌اند.
نقش در بیولوژی
وجود مس برای کلیه گیاهان و حیوانات عالی ضروری می‌باشد. مس در آنزیم‌های متنوعی، از جمله در سیتوکروم اکسیداز سی و آنزیم حاوی Cu-Zn به نام superoxide dismutase وجود دارد و فلز اصلی در رنگدانه حامل اکسیژن hemocyanin است.RDA برای مس در بزرگسالان سالم ۹/۰ میلی‌گرم در روز می‌باشد. مس در جریان خون عمدتاً روی پروتئین پلاسمایی بنام ceruloplasmin حرکت میکند. اگرچه مس اول در روده جذب میشود، این عنصر همبسته با آلبومین به سوی کبد منتقل میشود. یک حالت ارثی که بیماری ویلسون نامیده میشود موجب باقی ماندن مس در بدن و عدم ورود آن به صفرا توسط کبد شود. این بیماری در صورت عدم درمان می‌تواند منجر به آسیب‌های کبدی و مغزی شود.
مس نیز به مقدار بسیار کم در تولید کلروفیل، پروتئین، کربوهیدرات‌ها و همچنین در فعال ساختن برخی از آنزیم‌ها مورد نیاز است. در صورت کمبود مس برگ‌ها کوچک مانده و سرشاخه‌های جوان را دچار برگ سوختگی میکند. هر چه واکنش خاک اسیدی تر باشد، مس قابل استفاده تر است. برای رفع کمبود مس از سولفات مس به تنهایی و گاهی مخلوط با آهک (به نام ترکیب بردو Bordeaux Mixture) استفاده میشود.
نقش مس در تجهیزات صنعتی
مصارف برقی فلز مس
صنعت برق یکی از بزرگترین مصرف‌کنندگان مس است زیرا بهترین فلز ارزان برای انتقال برق است، همچنین در مقایسه با سایر انتقال‌دهنده‌ها از استاندارد خاصی برخوردار است. علاوه براین، قدرت استثنایی فلز مس، انعطاف پذیری‌اش و مقاومت‌اش در برابر وادادگی و خوردگی، آن را به ارجح‌ترین و ایمن‌ترین انتقال‌دهنده برای ساخت سیم تبدیل کرده است.
مس همچنین در کابل‌های برق، به صورت عایق‌بندی شده یا نشده، و برای کاربردهای ولتاژ پایین، متوسط یا بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فلز بخش اصلی موتورها و همچنین تبدیل‌کننده‌ها کارآمد می باشد.
مس در ساختمان
مقاومت بام‌های مسی علاوه بر جذابیت‌شان در برابر شرایط هوایی سخت بسیار معروف است. در اکثر ساختمان‌های عمومی، ساختمان‌های تجاری و خانه‌ها از این فلز برای مقاومت در برابر آب باران و بام‌سازی استفاده میشود.
برق جلای سبز رنگ و تاثیرگذاری که نمای کلاسیکی از گرمی و زیبندگی به مس اعطا میکند، حاصل آب و هوای طبیعی است. سیستم‌های آب‌رسانی و گرمایی مسی مشخصه‌ای از ایمنی ارزشمند در ساختمان‌هاست.
مس و برنج موادی هستند که در لوله‌کشی، شیرهای آب، سوپاپ‌ها و وسایل منزل به کار می‌روند. این فلز برخلاف لوله پلاستیکی نمی‌سوزد، ذوب نمی‌شود یا در صورت بروز آتش گازهای سمی یا زیان‌آور آزاد نمی‌کند. لوله‌های مس همچنین از سیستم‌های آب‌رسانی در برابر باکتری‌های مرگبار مثل لیجیونلا legionella محافظت میکند.
استفاده از دستگیره‌ها و بشقاب‌های مسی متضمن استفاده از خواص زیست‌ثباتی مس و ممانعت از انتقال بیماری و میکروب است.
انواع مس و آلیاژهای آن
۱-مس خالص: که حاوی ۹۹.۳% و یا بیشتر مس می باشد.
۲-آلیاژهای با درصد مس بالا: دارای درصد مس بین ۹۶% تا ۹۹.۳% می باشند و برای دستیابی به خواص ویژه ممکن است نقره نیز افزوده شود.
۳- برنج ها: دارای روی به عنوان عنصر آلیاژی اصلی می باشند، همچنین عناصر دیگری مانند آهن، آلومینیوم ، نیکل و سیلیسیوم برای بهبود خواص آلیاژ ، افزوده می شوند. برنج ها دارای مقاومت به خوردگی و استحکام کششی بالایی هستند.
افزودنی های برنج
افزودن سرب به ترکیبات فلز برنج می تواند سبب بهبود خواص ماشین کاری شده، همچنین موجب سایش کمتر ابزار شود. افزودن آلومینیوم ، آهن ومنگنز به برنج سبب افزایش استحکام، افزودن سیلیسیوم سبب بهبود مقاومت به سایش می شود.
طبقه بندی برنج‌ها
برنج آلفا، با درصد روی کمتر از ۳۷%. این آلیاژها داکتیل بوده و می توانند کارسرد شوند.
برنج آلفا – بتا یا دوتایی دارای ۳۷-۴۵% روی هستند. این آلیاژها دارای داکتیلیته محدودتری هستند و سخت تر و مستحکم تر می باشند.
خانواده های فلز برنج
آلیاژهای CU-Zn
آلیاژهای CU-Zn-Pb ( برنج های سرب دار)
آلیاژهای Cu-Zn-Sn ( برنج های قلع )
خانواده برنزها شامل
آلیاژ های Cu-Sn-P (برنز های فسفر)
آلیاژ های CU-Sn-Pb-P (برنز های فسفر سرب دار)
آلیاژ های Cu-Al (برنز های آلومینیوم )
آلیاژ های CU-Si (برنز های سیلیسیوم)
۵-سایر گروه های آلیاژی
آلیاژ های CU-Ni: همانطور که از نام این آلیاژ مشخص است عنصر آلیاژی اصلی نیکل می باشد. این گروه می توانند شامل عناصر آلیاژی دیگر و یا فقط نیکل، به تنهایی باشند.
آلیاژ های CU-Ni-Zn : این آلیاژ ها بi علت رنگ آلیاژ به عنوان نقره های نیکل معروف می باشند. این گروه حاوی روی و نیکل به عنوان عناصر آلیاژی اصلی بوده، همچنین ممکن است سایر عناصر آلیاژی نیز به آن افزوده شود.
مس های سرب دار : مس های سرب دار آلیاژهای مس ریختگی هستند که دارای ۲۰% و یا بیشتر افزودنی سرب می باشند. همچنین آنها حاوی مقادیر کمی نقره هستند اما عناصر قلع و یا روی در آنها وجود ندارد.
۶- آلیاژهای خاص: وقتی آلیاژها دارای ترکیبات شیمیایی هستند که در هیچ یک از گروه های ذکر شده قرار نمی گیرد، تحت عنوان آلیاژ های خاص نامگذاری می شوند.
مس‌های اتومات: این خواص با افزودن گوگرد و تلوریم به مس بدست می آید.
فلز مس بازیافتی: آلیاژهای مس برای بازیافت بسیار مناسب هستند. حدود ۴۰% مصرف سالیانه آلیاژ های این فلز از مواد مسی بازیافت شده تامین می شود.
هدایت الکتریکی مس
هدایت الکتریکی این محصول در دومین مرتبه پس از نقره قرار دارد و ۹۷% آن می باشد. بعلت قیمت کمتر و فراوانی بیشتر، بطور سنتی بعنوان ماده استاندارد برای کاربردهای انتقال الکتریسیته استفاده میشود. اگرچه از نقطه نظر وزنی، سهم بزرگی از خطوط نیروی ولتاژ بالا هم اکنون از آلومینیوم بیشتر از مس استفاده می شود، هدایت آلومینیوم حدود دو برابر مس می باشد. این آلیاژهای آلومینیوم ، دارای استحکام پایین بوده و نیاز به بهسازی با گالوانیزه کردن و یا پوشش دهیآلومینیوم با سیم های فولاد ی با استحکام کششیبالا در هر لایه دارند. اگر چه افزودن سایر عناصر خواصی نظیر استحکام را بهبود می بخشد، ولی مقداری کاهش در هدایت الکتریکی ایجاد می کند. بعنوان مثال افزودن ۱% کادمیم می تواند باعث افزایش استحکام به میزان ۵۰% شود ولی هدایت الکتریکی به میزان ۱۵% کاهش می یابد.
هدایت حرارتی مس
هدایت حرارتی این فلز در حدود دو برابر آلومینیوم و ۳۰ برابر فولاد زنگ نزن است. از این رو مس برای کاربردهایی که به انتقال حرارت سریع نیاز دارند، از قبیل ظروف آشپزخانه، مبدل حرارتی، رادیاتور های ماشین و وسایل نقلیه و انباره های حرارتی در کامپیوتر، دیسک چرخان و مجموعه های تلویزیون، استفاده می شود.
مقاومت به خوردگی
همه آلیاژ های این فلز دارای مقاومت به خوردگی در برابر آب و بخار می باشند. در بیشتر اتمسفر های صنعتی و دریایی، آلیاژهای این محصول دارای مقاومت به خوردگی هستند. این فلز در محلولهای نمکی، خاک ها، کانی های غیر اکسیدی، اسید های آلی و محلول های سوز آور، مقاوم است. محلول آمونیاک مرطوب، هالوژن ها، سولفید ها، محلولهای حاوی یون های آمونیاک و اسیدهای اکسیدی، مانند اسید نیتریک، به مس حمله خواهند کرد. مقاومت به خوردگی آلیاژهای مس به دلیل تشکیل فیلم های به هم چسبیده روی سطح مواد می باشد. این فیلم ها نسبتا غیر قابل نفوذ در مقابل خوردگی هستند بنابراین فلز پایه را از حمله بیشتر محافظت می کنند. آلیاژهای Cu-Ni ، برنج های آلومینیوم و آلومینیوم مقاومت عالی در برابر خوردگی در آب نمک از خود نشان می دهند.
وضعیت تولید
این فلز معمولا در طبیعت به همراه سولفور یافت می شود . طور کلی از فرآیندی چند مرحله ای تولید می شود که از استخراج معدن و کنسانتره سنگ کم ارزش سولفید معدنی مس آغاز شده و پس از ذوب و تصفیه الکترولیتی ، کاتد مس خالص را تولید میکند .افزایش سهم مس از شستشوی اسید سنگ فلز اکسید شده حاصل می شود .
به سبب خصوصیاتی مانند تکینی بودن یا ترکیبی ، قابل مفتول شدن ، چکش خوری ، رسانندگی الکتریکی حرارتی و نیز مقاومت آن در برابر زنگ زدگی ، مس به یکی از فلزات اصلی صنعتی تبدیل شده که از نظر میزان مصرف پس از آهن و آلومینیوم در رتبه سوم قرار دارد. کاربرد های الکتریکی مس مانند تولید و انتقال برق ، سیم کشی ساختمان ، ارتباطات ، محصولات الکتریکی و الکترونیکی تقریبا سه چهارم کل مصرف مس را شامل میشود . معماری بزرگترین بازار تک قطبی پس از محصولات الکتریکی و الکترونیکی ، حمل و نقل ، ماشین آلات صنعتی و محصولات مصرفی و اصلی می باشد . فرآورده های فرعی و جانبی مس از ساخت و محصولات غیر قابل استفاده مس به آسانی بازیافت شده و به طور قابل توجهی به عرضه مس می پیوندد.
شمش به صورت کاتد عموما بر اساس فرآیند ریخته گری واسطه ای نظیر اسلب ،بیلت، ورق ،مفتول و راد مسی ، لوله و آلیاژهای مس به اشکال مختلف تبدیل می شود:
اسلب
کاتد تولیدی در پالایشگاه و لیچینگ به واحد ریخته گری ارسال می گردد. این واحد از دو بخش ریخته گری پیوسته و نیمه پیوسته تشکیل شده است . از جمله تولیدات بخش ریخته گری نیمه پیوسته ، اسلب (شمش تخت مس) است که بر اساس استاندارد ASTM B5 تولید می شود .
بیلت
کاتد تولیدی در پالایشگاه و لیچینگ به واحد ریخته گری ارسال می گردد . این واحد از دو بخش ریخته گری پیوسته و نیمه پیوسته تشکیل شده است . از جمله تولیدات بخش ریخته گری نیمه پیوسته ، بیلت (شمش استوانه ای مس) است که بر اساس استاندارد ASTM B5 تولید می شود .
وجود معادن متعدد مس در ایران و صادرات آن به سایر کشورها باعث شده تا ایران تأمین کنندهٔ حدود ۳ درصد از ذخایر مس دنیا باشد. به عنوان مثال طی ۷ ماهه اول سال ۹۵ حدود ۲۰۰ کیلوگرم شمش مس به دیگر کشورها صادر شده است، که چیزی در حدود ۱٬۱۹۳٬۳۷۶ دلار می‌باشد. اگر به دنبال خرید یا فروش فلز مس هستید گروه بازرگانی ثقفی در این زمینه درکنار شما خواهد بود.
