Urban Mining durch Rührtechnik profitabel

Die Stadt als Bergwerk

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  • Rührorgan mit massiven keramischen  Blättern und einem Durchmesser von 2,1 m. © Ekato
  •  Rührwerke in der Montage bei Ekato Fluid. © Ekato
  • Goldhalde im Abbau bei Johannesburg © Ekato
  • Der Ekato Combijet+ ermöglicht hocheffiziente Verfahren. © Ekato
  • Versuchsautoklaven 200 Liter und 15 m³ im Ekato Technologiezentrum. © Ekato
  • Wolfgang Keller,  Senior Process  Engineer F&E, Ekato
  • Dr. Wolfgang Last, Leiter F&E, Ekato

Urban Mining‘ bezeichnet das sich Nutzbarmachen von Sekundärrohstoffen, also der durch Menschen verursachten wiederverwertbaren Abfälle jeglicher Art.

Der Begriff Urban Mining wurde bereits in den 1980iger Jahren verwendet und ist somit kein modernes Modewort. Schon damals machte man sich Gedanken über den sinnvollen Umgang mit Rohstoffen und deren Wiederverwertung und strebte umweltfreundliche Extraktionsprozesse an. Die Trenn- und Wiederverwertungsverfahren in den 1980igern bestanden hauptsächlich aus mechanischen Grundoperationen wie dem Mahlen und Trennen. Die Trennverfahren wurden beispielsweise in Zyklonen, magnetischen Abscheidern und Klärkästen (‘Settler‘) durchgeführt. In Bezug auf Metalle war also eine grobe Trennung von Aluminium, Eisen, Kupfer und weiteren Legierungen möglich. Neben dieser direkten Wiederverwertung wurden seinerzeit auch schon die Aufbereitungsrückstände oder Abfallerze – neben den mit deren Deponierung verbundenen Problemen – als Rohstoffquelle ‘entdeckt‘. Trotz der enormen gelagerten Mengen setzte sich damals die Erkenntnis durch, dass mit den zur Verfügung stehenden Verfahren eine wirtschaftliche Wiederverwertung nicht möglich sei, weshalb man sich nur auf eine umweltfreundliche Stabilisierung dieser möglicherweise uranhaltigen Deponien konzentrierte. Eine Beschränkung der Prozessmöglichkeiten war auch dem Umstand geschuldet, dass die Kosten der Wiederverwertung häufig die des Verkaufserlöses übertrafen und somit wirtschaftlich unrentabel waren.

Urban Mining – ein Perspektivenwechsel
Der Begriff Urban Mining kann verschiedene Definitionen und Geltungsbereiche erhalten, je nach Institution oder Autor. Dies liegt an der Vielzahl der wiederzuverwertenden Stoffe und beschränkt sich nicht nur auf Metalle. Hingegen besteht Einigkeit darüber, dass sowohl Deponien, Berghalden, Industrieanlagen und Gebäude zu den anthropogenen Lagerstätten zählen. Schätzungsweise befinden sich alleine in deutschen Mülldeponien rund 26 Mio. t Eisen-, 850.000 t Kupfer- und etwa 500.000 t Aluminiumschrott. Dennoch wird das Urban Mining heutzutage nicht als neue Recycling-Methode definiert, sondern als Perspektivenwechsel gesehen. Idealerweise sollten alle verwertbaren Rohstoffe wiedergewonnen werden, zumal diese vorher in einem teuren, aufwändigen Primärprozess gefördert wurden.
Auch der Begriff ‘Strategische Metalle und Mineralien‘ wird in Deutschland in den letzten Jahren vermehrt diskutiert. Befürchtete Engpässe bei Hightech-Metallen und Mineralien für Schlüsseltechnologien werden als Bedrohung des Wirtschaftsstandorts Deutschland beschrieben. Neben der Einsparung und Substitution kritischer Rohstoffe wird die Entwicklung neuer Recyclingtechnologien als politisches Forschungsziel definiert und damit dem Urban Mining aus anthropogenen Lagerstätten eine zunehmend wichtige Bedeutung zugesprochen.
Im Bereich der strategischen Metalle spielt der Elektroschrott eine bedeutende Rolle. Seine Verwertungsquote läge theoretisch bei über 90 %, in der Realität können aber aufgrund seines häufig nicht recyclingfreundlichen Designs nur circa 15 % des Materials wieder eingesetzt werden. Somit zielt der gesamte Bereich des Urban Minings auf eine Optimierung aller Stufen der Wertschöpfungskette ab. Hierzu kann auch die Rührtechnik mit ihrer weit über hundertjährigen Erfahrung in den klassischen nassmetallurgischen Erzaufbereitungsverfahren ihren Beitrag leisten.

Wirtschaftliche Extraktionsverfahren sind gesucht
Wie bei der Erschließung von primären Erzlagerstätten muss auch beim Urban Mining zuerst festgestellt werden, welche Metalle in welcher Konzentration vorliegen. Danach gilt es die schwierige Aufgabe zu lösen, mit welchen Extraktionsverfahren eine wirtschaftliche Gewinnung der zumeist komplexen Geologie oder chemischen Zusammensetzung möglich wird. Bei den Nichteisen-Metallen sind die Metallkonzentrationen in den sekundären Lagerstätten in der Regel deutlich höher als bei den natürlichen Erzvorkommen. So ist die Goldkonzentration in einem Smartphone 25 bis 30 mal höher als in den ergiebigsten Primärerzvorkommen. Somit erscheinen die Prozessanforderungen im Urban Mining zuerst einmal weniger aufwändig als im klassischen Mining. Allerdings sind in einem Smartphone ca. 40 Rohmaterialien verbaut, was die Aufbereitung wieder deutlich schwieriger gestaltet. Wie bereits heute in der Laugung von Lateriten üblich, können Erze, in denen die Metalle frei zugänglich sind, relativ einfach mit Säuren gelaugt werden. In den Lateriten sind dies Nickel und Kobalt, welche nach dem Stand der Technik in Autoklaven durch Laugung mit reiner Schwefelsäure aus dem Gestein in eine lösliche Form gebracht werden. In den heutzutage üblichen Autoklavengrößen von 800 m³ Füllvolumen werden kontinuierlich 220 t/h an Erz gelaugt. Aufgrund der Prozessbedingungen von 270 °C und 45 bar bei einem pH Wert <1 kommen dabei für die produktberührten Teile wie bei Rührwerken nur Sonderwerkstoffe wie Titan in Betracht. Ebenso spielt eine zuverlässige Dichtungstechnik eine zentrale Rolle. Neben korrosiven Medien erschweren die aufgrund der hohen Feststoffgehalte abrasiven Bedingungen die Aufgabe noch weiter. Ähnliche Bedingungen herrschen beim Aufschluss von Golderzen in sogenannten POX-Autoklaven (Pressure OXidation). Nach der Laugung der Wertstoffe folgt noch eine lange Kette weiterer Prozessschritte bis schließlich reines Metall erhalten wird. Hierbei werden hauptsächlich fest-flüssig und flüssig-flüssig Trennprozesse eingesetzt, in denen die Rührtechnik ebenfalls eine zentrale Rolle spielt.
Bei neuen Technologien und Verfahren kann durch das Zusammenwirken von Lizenzgeber oder Endkunde und mit der Kompetenz eines Rührwerksherstellers gemeinsam eine optimale Lösung erarbeitet werden. Ein Beispiel hierfür ist die Gewinnung von Metallen aus Flugasche von Kohlekraftwerken, welche bisher nach der Abscheidung aus der Abluft deponiert wurde. Diese Metalle, wie beispielsweise Aluminimum, können in Autoklaven bei erhöhter Temperatur und Druck mit Säure aus der Flugasche gelöst werden. Von der Prozessführung her kann bei diesem Beispiel auf die rührtechnischen Kenntnisse der üblichen Autoklaven, wie zuvor beschrieben, zurückgegriffen werden. Aufgrund der korrosiven Eigenschaften kommt allerdings bei der Laugung von Metallen aus Flugasche der Sonderwerksstoff Titan nicht mehr in Betracht. Hier kommen nur noch Zirkonium oder Tantal als produktberührte Teile in Frage, was die Investitions- und Unterhaltskosten erhöht und somit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens in Frage stellt. Einer der größeren Posten bei den Unterhaltskosten sind die Rührorganblätter, da neben den korrosiven Bedingungen auch die Abrasion eine große Rolle spielt. Hier sind neben den Kosten für den direkten Ersatz der Rührorganblätter natürlich auch Anlagenstillstandszeiten in der Kalkulation zu berücksichtigen. Massiv ausgeführte, keramische Werkstoffe bieten hierbei den großen Vorteil, dass aufgrund ihrer chemischen und mechanischen Beständigkeit die Standzeiten und somit die Wartungsintervalle im beschrieben Prozess erheblich verlängert werden können. Im Vergleich zu den Rührwerken aus teuren Sonderwerkstoffen sind die Materialkosten von Keramik relativ gering. Ekato hat in den letzten Jahren gemeinsam mit Keramikherstellern einen erheblichen Beitrag zur Weiterentwicklung keramischer Werkstoffe und zum keramikgerechten Design für den speziellen Einsatz in der Rührtechnik geleistet und solche Rührorgane bereits erfolgreich im Einsatz.

Sekundäre Rohstoffe aus dem Abraum
Obwohl sich die zuvor beschriebenen Prozesse von denen der Aufbereitung aus anderen sekundären Rohstoffquellen wie bspw. Elektroschrott unterscheiden, sind Erfahrungen und Lösungen aus diesen Bereichen übertragbar. Ein wesentlicher Unterschied liegt in der Konzentration und Komplexität der Metallgemische im Elektroschrott und die zu verarbeitenden Mengen sind deutlich geringer. Somit können kleinere Behältervolumen in einer nicht kontinuierlichen Fahrweise eingesetzt werden, welches die Prozesssteuerung und Störungsanfälligkeit deutlich reduziert. Wie bereits beschrieben sind viele Rückgewinnungsprozesse grenzwertig rentabel, weshalb auch zukünftig jeder Verfahrensschritt möglichst effizient und mit maximaler Ausbeute erfolgen muss. Natürlich gilt das auch für die Rühr- und Mischtechnik in kleinen Behälter- und Rührwerksgrößen. Dieser Bereich wird von der Ekato Fluid abgedeckt, in deren Produkten sich ebenfalls das ganze spezifische rührtechnische und verfahrenstechnische Know-how der Ekato Gruppe in der hydrometallurgischen Gewinnung von Metallen wiederfindet.
Ein weiteres interessantes Teilgebiet der Aufbereitung sekundärer Rohstoffe ist die Gewinnung von Metallen aus Halden, die aus dem Abraum eines früheren Bergwerkes oder einer vorherigen Aufbereitungstätigkeit stammen. Allein in Deutschland gibt es über 1.000 Halden mit hohen Gehalten an Eisen, Buntmetallen und kritischen Rohstoffen. Südafrikanische Minenbetreiber zeigen, dass aus diesen Halden Wertstoffe wirtschaftlich gewonnen werden. Der Goldgehalt in einigen Halden aus der historischen Goldgewinnung ist teilweise höher als in neu erschlossenen Vorkommen.
Allein in der Gegend um Johannesburg befinden sich 446 Goldhalden auf einer Gesamtfläche von 180 km². Auch bei Halden geringerer Konzentration ermöglichen moderne Aufbereitungsverfahren eine wirtschaftliche Goldgewinnung. Wie auch bei anderen Disziplinen der sekundären Rohstoffgewinnung besteht somit die Forderung, hocheffiziente Prozesse in großen Industrieanlagen zu ermöglichen. Weitere Aspekte bei der Wiederverarbeitung von Halden sind die Gewinnung von Nebenprodukten, welche bisher nicht im Fokus der Betreiber standen. Neben der Erweiterung von Ressourcen können solche Wiederaufbereitungen von Halden auch dem Schutz und Erhalt der Umwelt dienen, wenn bspw. der Urangehalt reduziert wird oder bei schwefelhaltigen Erzen die unkontrollierte Entstehung von Säure unterbunden wird. Allerdings können die Aufbereitungsverfahren, gerade bei der Gewinnung von zusätzlichen Metallen, wieder recht komplex und verfahrenstechnisch aufwändig werden.

Rührtechnische Lösungen
Aus jahrzehntelangen Erfahrungen in allen Industriebereichen entwickelt Ekato rührtechnische Lösungen für bestimmte Verfahrensschritte oder spezifische Anwendungen. Hierzu stehen ein hochmodernes Entwicklungszentrum mit entsprechender Infrastruktur sowie eine Vielzahl qualifizierter Mitarbeiter zur Verfügung. Eine dieser Entwicklungen ist das Ekato Combijet+ Rührorgan, welches erstmals in der Goldgewinnung aus primären Rohstoffquellen großtechnisch eingesetzt wurde. Trotz des hochpreisigen Endproduktes Gold sind bei dieser Anwendung, je nach Komplexität der Lagerstätte und des Standortes, die Margen relativ gering und somit anfällig gegenüber den Schwankungen im Goldpreis.In der sogenannten biologischen Laugung werden Schwefelbestandteile, welche das Gold einschließen, mit Hilfe von Bakterien abgebaut und somit für eine Laugung zugänglich gemacht. Es muss aber sichergestellt werden, dass den Bakterien immer genügend gelöster Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird um zu überleben. Der notwendige Sauerstoffgehalt wird durch die Zufuhr von Luft gewährleistet und kann bei großen Anlagen über 10.000 Nm³/h betragen. Solch große Gasmengen können nur mittels Rührwerken effizient dispergiert werden.
Aufgrund der optimierten Geometrie des Combijet+ kann im Vergleich zu herkömmlichen Rührorganen deutlich mehr zugeführtes Gas mit geringerer Rührleistung dispergiert werden. Dieses konnte eindrücklich in einer Produktionsanlage gezeigt werden, in welcher bestehende Rührwerke durch die neue Technologie ersetzt wurden. Hierdurch konnte ein identisches Prozessergebnis bei nur 60 % der Rührleistung erzielt werden. Allein die Einsparungen an elektrischer Energie betragen je Rührwerk 95.000 kWh pro Monat. In diesem Anlagenteil werden insgesamt 10 Rührwerke dieser Baugröße eingesetzt. Durch diese neue Technologie mit ihrer hervorragenden Flutungscharakteristik wird es überhaupt erst möglich, große Anlagen wirtschaftlich betreiben zu können. Neben dieser verfahrenstechnischen Überlegenheit bietet die patentierte Plus-Technologie durch ihre Gaszufuhr in direkter Rührerblattnähe weitere Vorteile. Das Gas wird über eine zentrale Zuleitung zu einem im Rührorgan integrierten rotierenden Verteiler geleitet und über hohle Rührorganarme in der Zone höchster Turbulenz in das Fluid eingespeist. Hierdurch können Verblockungen der üblicherweise verwendeten Begasungsringe sowie die typischen Verschleißprobleme an deren Spraydüsen vermieden werden was zusätzlich Stillstandszeiten reduziert. Die Entwicklungsarbeiten wurden im Ekato-Technologiezentrum im 1 m³- 30m³ Maßstab durchgeführt und beim Kunden in einer Anlage mit Erzsuspensionen in einem 30 m³-Behälter umgesetzt. Zusätzliche CFD-Simulationen durch Ekato-Ingenieure trugen zur weiteren Optimierung der Rührorgangeometrie bei. Viele Rührorgane dieses Typs sind weltweit im Einsatz und werden beispielsweise in 800 m³ Bioreaktoren zur Goldgewinnung verwendet.

Der Kreis schließt sich
Aktuell laufen noch viele Projekte des Urban Minings im Versuchsstadium und daher stehen für diese Aktivitäten zunächst Scale-Down-Themen im Vordergrund. Auch hierbei ist das fachspezifische Wissen entscheidend, um die richtigen Übertragungskriterien zu wählen. Später werden daraus wieder Projekte im Großmaßstab entwickelt. Know-how aus bisher üblichen und seit Jahrzehnten verwendeten Prozessen lässt sich auf neue Anforderungen und Bedürfnisse übertragen und dann mit neuen Entwicklungen zu effizienten und wirtschaftlichen Prozessen umsetzen. Ekato leistet hier mit seiner prozessorientierten Forschung einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit.

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Ekato Rühr- und Mischtechnik GmbH
Käppelemattweg 2
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