Flotation of synthetic metal phases through the example of fine fractions of waste incineration bottom ashes
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurden Untersuchungen zur Flotation von Kupfer aus den Feinfraktionen von Müllverbrennungsschlacken durchgeführt. Zunächst wurden Proben beschafft und nach ihrer chemischen und mineralogischen Zusammensetzung charakterisiert. Bei den Proben handelte es sich um Fraktionen kleiner 2 mm. Diese wurden zunächst durch eine weitere Aufbereitung von metallischen Bestandteilen entfrachtet, so dass sie anschließend in einer Korngröße kleiner 160 µm vorlagen, womit sie prinzipiell für die Flotation geeignet wären. Die Schlacken zeigen sowohl in ihrer chemischen als auch mineralogischen Zusammensetzung eine sehr hohe Komplexität. Die Kupfergehalte der untersuchten Proben lagen zwischen 0,25 und 0,5 % und weisen somit Gehalte auf die mit denen von Armerzen vergleichbar sind. Siebgehaltsanalysen zeigen eine leichte Anreicherung des Kupfers hin zu kleinen Partikelgrößen. Bei einigen Proben lagen bis zu 50% des Kupfers in der Fraktion <20µm vor. Mittels Elektronenstrahlmikrosonde konnte ermittelt werden, dass der überwiegende Teil des Kupfers in Form von Kupferoxiden vorliegt (CuO, Cu2O). Ein geringer Teil liegt außerdem in sulfidischer Form vor, wobei diese Partikel häufig mit einer Oxidschicht überzogen sind. Kleinere Teile bilden zusammen mit anderen Metallen Legierungen oder sind in Glas eingeschmolzen. Aufgrund der Untersuchungen kann davon ausgegangen werden, dass die Legierungen und Glaseinschlüsse während der Abfallverbrennung entstanden sind. Mittels Röntgendiffraktometrie konnten die Hauptphasen ermittelt werden. Bei diesen handelt es sich um Quarz(sand), Gips und Zement. Außerdem macht Glas bis zu 50% der Schlacken aus. Aufgrund der Ergebnisse der Charakterisierung der Materialproben wurde bei den folgenden Untersuchungen das Hauptaugenmerk auf Kupferoxid gelegt. Viele Untersuchungen wurden parallel ebenfalls für Kupfersulfid durchgeführt. Zunächst wurde ein Sammlerscreening durchgeführt. Auf Grund eines großen Anteils basischer löslicher Ca-haltiger Matrixphasen muss die Flotation von MVA-Schlacken im Gegensatz zur Flotation natürlicher sulfidischer Erze bei wesentlichen höheren pH-Werten erfolgen. Ein Drücken des pH-Wertes führt zu massiven Laugeund Säureverbrauchseffekten. Insofern sind klassische anionaktive Sulfhydrilsammler kaum einsetzbar. Daher wurden insbesondere Thiocarbamat-, Thiophosphat- und Thioharnstoff-basierte Sammler untersucht da diese in hohen bis sehr hohen pH-Bereichen einsetzbar sind. Durch das Sammlerscreening konnten verschiedene mögliche Sammler identifiziert werden. Bei diesen handelt es sich sowohl um kommerziell erhältliche Sammlermischungen als auch um Einzelchemikalien. Für weitere detaillierte Untersuchen wurden aus jeder der drei Sammlergruppen Vertreter ausgewählt. Bei diesen handelte es sich um die Sammler AERO 3473 und AERO MX-5160 der Firma Cytec, Danafloat 245 von FMC und die Einzelchemikalie S-n-Dodexyl-iso-thioharnstoff Hydrochlorid. Durch Messung des Kontaktwinkels konnte ein starker hydrophobierender Effekt der ausgewählten Sammler auf die Kupferphasen nachgewiesen werden. Außerdem zeigte sich, dass Kupfer(I)-oxid bereits einen natürlichen Kontaktwinkel von über 90° aufweist und somit stark hydrophob ist. Da thermisch entstandenes Kupferoxid für gewöhnlich eine Mischung aus Kupfer(I)- und Kupfer(II)- oxid darstellt, dürften die Flotationseigenschaften der MVA-Schlacken von ihrem Oxidationsgrad abhängig sein. Die vier ausgewählten Sammler zeigen einen gute Sammelwirkung, sowohl für Kupferoxid als auch Kupfersulfid, sowie eine gute Selektivität gegenüber den Matrixphasen. Einzig S-n-Dodexyl-isothioharnstoff-Hydrochlorid zeigte ebenfalls eine hdydrophobierende Wirkung auf die SiO2 basierten Matrixbestandteile. Bei den Untersuchungen an generischen Mischungen zeigte sich, dass die Calcium-haltigen Matrixbestandteile, insbesondere Zement, einen stark negativen Effekt auf die Flotation der Kupferphasen haben. Dieser Effekt reicht bis zu einer völligen Aufhebung der hydrophobierende Eigenschaften der untersuchten Sammler. Durch den Einsatz von Drückern bzw. Passivierern auf Basis von anionischen Polymeren, konnte die Hydrophobierung massiv verbessert und der negative Effekt des Calciums nahezu vollständig aufgehoben werden. Hierbei zeigte insbesondere die bisher bei der Flotation wenig eingesetzte Alginsäure sehr gute Ergebnisse.
Publications
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Characterization of Fine Fractions from the Processing of Municipal Solid Waste Incinerator Bottom Ashes for the Potential Recovery of Valuable Metals. Minerals, 10(10), 838.
Keber, Sebastian; Schirmer, Thomas; Elwert, Tobias & Goldmann, Daniel
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Charakterisierung von Aschen aus Müllverbrennungsanlagen hinsichtlich einer Anreicherung von Kupfer durch Flotation. Ein Ansatz zum Umgang mit "artificial minerals". In: O. LANGEFELD und A. MROTZEK-BLÖß, Hg. Forschungsfeld Rohstoffsicherung und Ressourceneffizienz. Forschungsfeldkolloquium 2020. Clausthal-Zellerfeld: Papierflieger, 2020, S. 179-192. ISBN 978-3-86948-767-0
KEBER, S., T. SCHIRMER, D. GOLDMANN & T. ELWERT
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Flotative Kupferrückgewinnung aus Rostaschen der thermischen Abfallverwertung. In: R. POMBERGER, Hg. 16. Recy & DepoTech-Konferenz, 2022
KEBER, S., M. MÜLLER, T. ELWERT & D. GOLDMANN
