Auftrieb bei der Wertstoffgewinnung - Teil 2

Kräfte und Wechselwirkungen

Martin Rudolph ©Copyright: HZDR/ Detlev Müller

An einem sogenannten inversen Gaschromatographen kann Martin Rudolph die Oberflächeneigenschaften von Festkörpern ermitteln.

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„Wir können nur etwas verbessern, wenn wir wissen, was genau bei der Flotation passiert, vor allem auf der molekularen Ebene“, schätzt Rudolph ein. „Wenn im Wasser verteilte Partikel an Gasblasen anhaften, treffen gleich drei Phasen aufeinander: Feststoff, Flüssigkeit und Gas. Uns interessieren die Wechselwirkungen an den Grenzflächen, wo die verschiedenen Materialien miteinander in Kontakt kommen.“ Im Fokus der Freiberger Wissenschaftler stehen die Partikeloberflächen, an denen die Sammler- und Drücker-Reagenzien ansetzen, sowie die hydrodynamischen Prozesse.

Die Forscher interessiere sich nicht nur für die Oberflächeneigenschaften der Minerale, sondern auch dafür, wie verschiedene Reagenzien die Wechselwirkungskräfte in der Flotationszelle – dem Tank, in dem die Prozesse ablaufen – verändern. Eine Herausforderung im Hinblick auf die zunehmend komplexen Erze mit feinst verteilten Elementen. Mit der Rasterkraft-Mikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) sind die Freiberger Wissenschaftler in der Lage, solche komplexen Mineralphasen zu untersuchen und ihre Benetzungseigenschaften zu charakterisieren. AFM ist eine bildgebende Methode, mit der sich sehr kleinskalige Topografien bis hin zu Molekülen darstellen lassen. Die Wissenschaftler nutzen sie, um kleinste Kräfte zu messen und so den Wechselwirkungen auf die Spur zu kommen. Das gibt ihnen die Möglichkeit, die auf der Oberfläche verwachsener Rohstoffe auftretenden Kräfte zu kartieren und die Wirkung von Reagenzien zu berechnen.

„Mit dem von uns entwickelten Messwerkzeug auf Basis der Rasterkraft-Mikroskopie lässt sich bei einem neuen Rohstoff schnell der richtige Chemikalien-Cocktail für die Flotation definieren“, stellt Rudolph fest. „Da das bislang viel Zeit und Geld kostet, ist die Industrie daran sehr interessiert.“ In den nächsten fünf Jahren wollen er und sein Team den Prototyp einer Apparatur entwickeln, mit dem sich ein Screening für Flotationschemikalien durchführen lässt.

Dynamik in der Flotationszelle

Nicht nur die Reagenzien, auch hydrodynamische Vorgänge beeinflussen das Ergebnis der Flotation. Die Strömungsverhältnisse bestimmen wie oft ein Partikel auf eine Blase trifft und ob die Teilchen an den Blasen haften bleiben. Bei der Erforschung der komplexen Hydrodynamik in der Flotationszelle arbeiten die Wissenschaftler des HIF eng mit dem HZDR-Institut für Fluiddynamik zusammen, insbesondere mit der Abteilung „Transportprozesse an Grenzflächen“. Deren Leiterin, Kerstin Eckert, ist Spezialistin auf diesem Gebiet. „Wir schauen mit einer sehr feinen Brille auf die Mikroprozesse und die innere Dynamik bei der Flotation“, erläutert die Physikerin.

Im Fokus ihrer Arbeitsgruppe stehen vor allem feine Körnchen von weniger als 20 Mikrometern sowie Partikel, die zu groß sind, um im Schaum aufzusteigen. Bei Feinstpartikeln stößt die konventionelle Schaumflotation an ihre Grenzen, sodass hier bislang viele Wertstoffe verloren gehen. Das Thema ist auch für die Rohstoffgewinnung aus Althalden oder beim Recycling von Bedeutung. So könnte die Flotation eine Methode sein, um die feinen Lithium-Partikel aus Alt-Batterien zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Eine bessere Flotation von Großpartikeln lohnt sich wiederum, weil gröbere Körnung Energie fürs Mahlen der Erze spart.

Die vor einem Jahr von Kerstin Eckert gegründete fünfköpfige Forschergruppe untersucht verschiedene Effekte an den Grenzflächen in der Trübe und der Schaumphase. „Dazu zählen die elektrischen Ladungen auf Blasen und Partikeln oder Kräfte wie Oberflächenspannung und Kapillareffekte“, erklärt die Physikerin. „Wir wollen wissen, wie der trennende Wasserfilm bei der Anhaftung aufgebrochen wird. Denn das muss schnell gehen, solange Partikel und Blase sich nah genug sind.“ Um die Kollisionsrate und Haftwahrscheinlichkeit zu erhöhen, prüfen die Forscher auch prozessintensivierende Maßnahmen wie den Einsatz von Ultraschall.

Experimentell sind die Prozesse schwer zugänglich, denn die Flotation findet buchstäblich im Trüben statt. Man sieht nur das Eingangsmaterial und die Ausgangsprodukte. Um zu verstehen, was im Inneren der Black Box geschieht, setzt Eckerts Abteilung auf Modellexperimente zu Teilprozessen mit neuen Messverfahren. Zum Beispiel eignen sich Neutronen sehr gut, um „Licht“ in die undurchsichtige Schaumphase und die darin stattfindenden Partikelbewegungen zu bringen. Genauso wichtig ist die Entwicklung von Computermodellen.

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