Nachricht vom 17. November 2023

Prof. Graeme Jameson, Erfinder der Flotationszellen, zu Besuch am HZDR

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat heute einen außergewöhnlichen Wissenschaftler zu Gast: Der 87-jährige Australier Prof. (em.) Graeme Jameson kommt im Anschluss an die 11. Internationale Flotation Conference in Kapstadt auf eine Stippvisite ans HZDR, um die Grundlagen der Concorde CellTM bei der Flotation feinster Erzpartikel zu diskutieren. An der Diskussion nehmen Wissenschaftler*innen des Instituts für Fluiddynamik (FWD) und des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) teil. Mit Prof. Jameson reisen zwei Concorde Cell-Spezialisten des finnischen Unternehmens Metso.

Die Flotation gehört zu den großen wissenschaftlichen Entdeckungen des 19. Jahrhunderts und ist die wichtigste Methode in der Montanindustrie, um aus Erzen wertvolle Rohstoffe zu gewinnen. Eines der weltweit bekanntesten Gesichter dieser Technologie ist der australische Wissenschaftler Prof. (em.) Graeme Jameson, Erfinder der Jameson-Zelle, einer Schaumflotationsanlage, die als Australiens erfolgreichste Innovation des letzten Vierteljahrhunderts gilt. Jährlich werden weltweit mehrere Milliarden Tonnen Erz mit Hilfe der Flotation gewonnen, darunter Kupfer, Nickel, Platin, Silber und Zink.

Weiterentwicklungen der Jameson-Zelle durch Jameson führten zu seiner Erfindung der Concorde-Zelle, die sich dadurch auszeichnet, besonders kleine ­- weniger als 30 Mikrometer große - Mineralienpartikel abzutrennen. Partikel dieser Größe sind für das menschliche Auge kaum sichtbar.

Aufgrund der hohen Nachfrage nach Rohstoffen für den grünen Wandel muss sich die Bergbauindustrie zunehmend auf Lagerstätten mit geringerer Qualität und komplexer Mineralogie konzentrieren. Um aus diesen Lagerstätten mittels Flotation wertvolle Metalle und Mineralien zu gewinnen, muss das Gestein zunächst bis auf die feine Größe zerkleinert werden. Die nun freigelegten Mineraloberflächen werden mit chemischen Reagenzien wasserabweisend und damit mit Gasblasen schwimmfähig gemacht.

In der Abteilung Transportprozesse an Grenzflächen von Prof. Kerstin Eckert ist Dr. Till Zürner, Nachwuchswissenschaftler im High Potential Programm des HZDR, verantwortlich für den Demonstrator einer Concorde-ähnlichen Zelle. Anhand einer vereinfachten Modellgeometrie untersucht Zürner den sogenannten „plunging jet", den mit Partikeln beladenen eintauchenden Wasserstrahl, der gleichzeitig mit Luft in die Flotationszelle strömt. „Eine Besonderheit der Concorde-Zelle sind die Einschnürungsdüsen am Anfang und Ende des Concorde Blast Tube™. Sie komprimieren den Partikel- und Luftblasenstrom und erhöhen die Turbulenz", erklärt Zürner, der im vergangenen Oktober das Metso-Forschungszentrum in Finnland besuchte. Ziel des Wissenschaftlers ist es, in seiner Concorde-ähnlichen Zelle mit der 2- und 3-Phasen-Strömung die Schallgeschwindigkeit zu erreichen - daher der Name der Flotationszelle.

Die Annahme der Wissenschaftler: Der eintauchende Strahl erzeugt beim Austritt aus der Concorde Blast Tube™ Schallwellen, die die Erzeugung stärkerer Turbulenzen der Partikel-Gasblasen-Strömungen in der Zelle unterstützen und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass besonders kleine Partikel an den Blasen haften bleiben. Dies konnte jedoch noch nicht beobachtet worden. Wissenschaftliche Untersuchungen der Mehrphasenströmung im unteren Bereich der Flotationszelle liegen kaum vor, da es zunehmend schwieriger wird, die Wechselwirkung zwischen kleinen Modellpartikeln und den ebenso winzigen Gasblasen bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten sichtbar zu machen. Gemeinsam mit der Abteilung Computational Fluid Dynamics suchen Kerstin Eckert und ihre Arbeitsgruppe nach Möglichkeiten, das Unsichtbare sichtbar zu machen. Dazu werden optische und elektrische Tomographie, Drucksensoren und andere in der Entwicklung befindliche Sensoren sowie Softwareprogramme eingesetzt.

Auch das finnische Unternehmen Metso, einer der weltweit führenden Anbieter von Flotationstechnik, ist an diesen Daten sehr interessiert. Seit kurzem besteht eine Forschungskooperation zwischen dem HZDR und Metso, die über das HZDR-Alumni-Netzwerk gefördert wird. Eines der Mitglieder des Alumni-Netzwerks ist Dr. Nathalie Kupka, die am HIF in Freiberg auf dem Gebiet der Flotation promoviert hat und als Wissenschaftlerin die Forschungsgruppe Modellierung der Abteilung Aufbereitung leitete. Sie arbeitet jetzt bei Metso und leitet die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an der Concorde Cell™. „Das Fachwissen, das ich am HIF unter der Leitung von Dr. Martin Rudolph entwickelt habe, war für meine Arbeit als Technologiemanagerin bei Metso von entscheidender Bedeutung“, sagt Kupka. Metso hat die Concorde Cell™ von Prof. Jameson im Jahr 2017 lizenziert und diese Technologie weiterentwickelt, die 2021 in das Produktportfolio aufgenommen wurde. „Um die Effizienz der Flotation weiter zu steigern, müssen wir verstehen, wie feine Blasen mit feinen Partikeln in der Zelle interagieren, damit wir das Design in Zukunft optimieren und skalieren können“, erklärt Alejandro Yáñez, der Produktmanager der Concorde Cell™ bei Metso. Der Besuch mit Prof. Jameson war eine gute Gelegenheit, einen Blick auf die Testapparatur am HZDR zu werfen. Dank eines vom DAAD geförderten Alumni-Projekts am HZDR konnte die Forschungskooperation mit Metso im vergangenen Jahr vorangetrieben werden.

Prof. Sebastian M. Schmidt, wissenschaftlicher Direktor des HZDR, dankte Prof. Jameson für seinen Besuch: „Es ist eine große Ehre, einen so namhaften Wissenschaftler am HZDR zu begrüßen und von seinem Erfahrungsschatz aus erster Hand zu profitieren.“ Prof. Kerstin Eckert ergänzt: „Es gibt für uns so viele Fragestellungen, die sich nur im direkten Wissensaustausch mit Professor Jameson und den Kollegen von Metso klären lassen. Dieser Besuch ist für uns unbezahlbar.“

Text: Melanie Giebel

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Weitere Informationen:

Dr. Till Zürner | Abteilung Transportprozesse an Grenzflächen
Institut für Fluiddynamik
Tel.: +49 351 260 2800 I E-Mail: t.zuerner@hzdr.de

Dr. Martin Rudolph I Abteilung Aufbereitung
Institut für Fluiddynamik
Tel.: +49 351 260 2800 I E-Mail: m.rudolph@hzdr.de

Dr. Nathalie Kupka I Metso
E-Mail: nathalie.kupka@mogroup.com