Auftrieb bei der Wertstoffgewinnung

Dieser Beitrag ist erschienen im HZDR-Magazin "Entdeckt" 2/2017.

Mineralische Rohstoffe kommen in der Natur nicht in reiner Form vor. Die in Erzen verwachsenen Wertpartikel müssen erst mühsam von anderen Stoffen getrennt und angereichert werden. Die wichtigste Methode dafür ist die Flotation. Wissenschaftler des HZDR untersuchen die zugrunde liegenden Mechanismen und Mikroprozesse mit dem Ziel, die industriellen Verfahren zu optimieren und die Gewinnungsrate bei der Rohstoffaufbereitung zu verbessern.

Was leichter ist als Wasser, schwimmt oben. Auf diesem Grundprinzip basiert die Stofftrennung durch Flotation (vom Englischen to float = schwimmen), auch Schaumflotation genannt. Ohne diese Methode der Aufbereitung wäre die Nutzung vieler Rohstoffe kaum möglich. „Im Gegensatz zu anderen Verfahren eignet sich die Flotation schon sehr gut zur Trennung feiner Partikel“, erklärt Martin Rudolph, Leiter der Abteilung Aufbereitung am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF). „Allerdings kommen die Wertminerale in den Lagerstätten in immer winzigeren Fraktionen vor.“

Seine zehnköpfige Arbeitsgruppe am HIF und Wissenschaftler des HZDR-Instituts für Fluiddynamik suchen deshalb nach neuen Konzepten, auch kleinste Teilchen abzutrennen sowie die Rohstoff- und Energieeffizienz der Flotationsprozesse in der Industrie zu verbessern. Da zur Rohstoffgewinnung jährlich weltweit mehrere Milliarden Tonnen flotiert werden, bietet sich hier ein enormes Optimierungspotential. Anwendung findet die Schaumflotation nicht nur bei der Aufbereitung von Erzen, sondern zunehmend auch beim Wertstoffrecycling.

Das Verfahren nutzt die unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften von Mineralpartikeln, die darüber entscheiden, inwieweit sich Gasblasen dort anlagern können. Führt man einer Flüssigkeit mit fein gemahlenen Partikeln Gasblasen zu, haften die Blasen an Teilchen mit hydrophober, das heißt wasserabstoßender Oberfläche. Dadurch erhalten diese Auftrieb und steigen nach oben, während die unerwünschten hydrophilen Körner in der flüssigen Phase, der Trübe, verbleiben. An der Oberfläche der Flüssigkeit bilden die „guten“ Partikel mit den angehängten Luftblasen eine Schaumschicht, die kontinuierlich abgeschöpft wird. Die übrigen Partikel, die sogenannte Gangart, pumpt man am Ende des Prozesses ab.

Die Guten ins Töpfchen

Doch wie bringt man die Gasblasen dazu, im Flotationsbad die richtigen Partikel einzusammeln und zur Wasseroberfläche zu tragen? Das Gas hat nur dort eine Chance an der Oberfläche haften zu bleiben, wo diese hydrophob und daher nicht mit einem Wasserfilm bedeckt ist. Typischerweise sind Mineralkörner in Wasser aber gut benetzt. Damit die guten am Ende ins Töpfchen – oder in diesem Fall in den Schaum – gelangen, wird die Benetzbarkeit der Wertstoffe gezielt chemisch beeinflusst. „Auf den jeweiligen Wertstoff zugeschnittene Reagenzien, sogenannte Sammler, machen deren Oberfläche hydrophob, während die anderen Komponenten hydrophil bleiben“, erläutert Martin Rudolph. „Auf diese Weise lässt sich die Schaumflotation an eine breite Palette von Mineralabscheidungen anpassen.“

Neben Sammlern kommen als weitere Hilfsstoffe sogenannte Drücker zum Einsatz, die bei den unerwünschten Körnchen die Benetzbarkeit verbessern und das Absinken im Flotationsbad beschleunigen. Als Schäumer bezeichnete Chemikalien sollen den Schaum mit den wertvollen Partikeln stabilisieren, damit die Körnchen nicht wieder in die Flüssigkeit zurückfallen. Um gut flotierbar zu sein, sollten die Korngrößen etwa zwischen 20 bis 250 Mikrometer betragen. Das Erz wird entsprechend fein vermahlen und mit Sammlern selektiv hydrophobiert. Dann gelangt es als wässrige Aufschlämmung in das Flotationsbad, wo beispielsweise ein Rührer Luft einträgt und fein verteilt. Ziel ist eine möglichst hohe Gewinnungsrate, die von verschiedenen Faktoren abhängt: Trübedichte, zugeführte Gasmenge, Partikel- und Blasengröße, verwendete Reagenzien und Strömungsdynamik – all das gilt es zu optimieren.

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