Plasmabehandlung von Mineraloberflächen zur Rohstoffgewinnung durch Flotation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In einem interdisziplinärem Forschungsvorhaben des Instituts für Aufbereitung, Deponietechnik und Geomechanik der TU Clausthal und des Leibniz-Instituts für Plasmaforschung und Technologie e. V. (INP), Greifswald wurden fachübergreifende Grundlagenuntersuchungen zur Modifizierung von Mineraloberflächen mit Hilfe von Niedertemperaturplasmen durchgeführt, um damit anstelle der Konditionierung mit toxischen Chemikalien eine umweltfreundliche Konditioniermethode für die Flotation bereitzustellen. Dazu wurden modellhaft Mineralpulver aus der Gruppe der Metallsulfide, Pyrit (FeS2), Chalkopyrit (CuFeS2) und Chalkosin (Cu2S) ausgewählt und mit Niedertemperaturplasmen in Ar/H2 und Ar/O2-haltigen Arbeitsgasen oberflächlich modifiziert. Hierfür wurden im Niederdruckbereich arbeitende Rezipienten mit Radiofrequenz-(RF)-Anregung (Eigenbau) sowie ein Reaktor mit Mikrowellen-(MW)-Anregung (Cyrannus-Quelle mit Quarzrohr als Reaktorraum) verwendet. Es wurden die Gaszusammensetzung, die Plasmaparameter und die Sulfide hinsichtlich ihrer chemische Zusammensetzung und Struktur untersucht. Mit den plasmabehandelten Mineralpulvern wurden anschließend Batchflotationsversuche durchgeführt. In sauerstoffhaltigen Plasmen werden die Sulfidoberflächen oxidiert wobei neben neuen festen Phasen das Gas SO2 entsteht. Der zeitliche Verlauf der SO2-Freisetzung beschreibt das Reaktionsverhaltens. Es können zwei Stufen der komplex ablaufenden Prozesse eindeutig identifiziert werden. Innerhalb weniger Sekunden nach dem Einschalten des Plasmas ist eine erste Reaktion erkennbar die sich anschließend wieder verlangsamt. Nach ca. 60 bis 70 s wird das Einsetzten einer zweiten Reaktion beobachtet. Die anfängliche starke Reaktivität wird dem direkten Einwirken der im Plasma erzeugten Spezies (atomarer Sauerstoff, Ladungsträger, angeregte Spezies) zugeordnet. Das Wiedereinsetzten der Reaktion nach einer kurzen Pause ist auf die Erwärmung durch das Plasma zurückzuführen. Die Sulfide Pyrit, Chalkopyrit und Chalkosin zeigen ein signifikant unterschiedliches Reaktionsverhalten. So wird Pyrit bei bestimmten Plasmaparametern bereits in Bruchteilen von Sekunden oberflächlich oxidiert wird, während beim Chalkopyrit die Sulfidoberfläche weitgehend erhalten bleibt. Die Reaktionsprodukte sind vor allem Fe2O3, CuO, Cu2O und unter bestimmten Bedingungen auch Sulfate. Die Reaktivität des Sauerstoffplasmas ist stark von den Prozessparametern und den Sulfiden selbst abhängig. Damit können je nach Stoffgemisch Prozessparameter verwendet werden, bei denen selektive Oberflächenoxidationen erfolgen. Die Plasmabehandlungen mit Wasserstoff führten unter Freisetzung von H2S zu einer Reduktion der Sulfide und in Extremfällen zur Reduktion bis zum Metall. Die reduzierten Oberflächen werden an der Luft wieder sehr schnell oxidiert, so dass hier schwer zu definierende Verhältnisse vorliegen. Die Sauerstoffbehandlungen führten zu eindeutigeren Ergebnissen und waren vor allem für die Flotationsversuche relevant. Batchflotationen im Labormaßstab konnten die selektiv ablaufenden Oberflächenoxidationen der Minerale eindrucksvoll nachweisen. Dabei gelang es Pyrit und Chalkopyrit nach kurzzeitiger Plasmabehandlung (ca. 0,5 s) nahezu ideal zu flotieren, ohne den herkömmlichen und aus umwelttechnischen Gesichtspunkten bedenklichen Sammler Kaliumamylxanthat (KAX) zu verwenden. Die selektive Plasmaoxidation von Chalkopyrit erlaubt es, den Oxidsammler Fettsäure zu verwenden. Pyrit hingegen wird bei entsprechenden Prozessparametern nicht oder nur zum Teil oxidiert und kann nicht von Fettsäure gesammelt werden. Zusätzlich kann nach der Plasmabehandlung der pH Wert von 11 der herkömmlich für die Konditionierung verwendet wird auf 9 gesenkt werden. Dies verringert den Einsatz von Reglerchemikalien und steigert die Umweltverträglichkeit der Rohstoffgewinnung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Minerals Engineering 35 (2012) 67–74
F. May, E. Gock, V. Vogt, V. Brüser
