DE19605289A1

DE19605289A1 - Herstellung von Kupfer aus gereinigten Erzkonzentraten

Info

Publication number: DE19605289A1
Application number: DE19605289A
Authority: DE
Inventors: Achim Lehmann-Riekert; Stefanie Kraut; Manuela Hammer; Michael Wagenplast
Original assignee: LEHMANN RIEKERT ACHIM
Current assignee: LEHMANN RIEKERT ACHIM
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 1997-08-14

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kupfer aus z. B. Brochantit, Atacamit, Azurit, Malachit, Antlerit und ähnlich aufgebauten Erzen mittels organischen Verbindungen, die Säureeigenschaften mit geeigneter Reduktionsfähigkeit im Molekül vereinen.

Durch derartige Reduktionsmittel erfolgt die Auflösung des gereinigten Erzes und die Reduktion der Kupferionen gleichzeitig in einem Schritt.

Zum Stand der Technik

Letztlich ist auch die hydrometallurgische Kupfergewinnung durch folgende Schritte gekennzeichnet:

1. Trennung des Erzes vom tauben Gestein (Gangart),
2. Anreicherung des Erzes (z. B. Flotation),
3. Lösung des Erzes (mittels Säure und/oder Bioleaching),
4. Abscheidung des gewünschten Metalls aus der Lösung.

Das sind Arbeitsschritte, die häufig durch Transport des Materials miteinander gekoppelt werden müssen. (Ullmann 4., neubearbeitete und erweiterte Auflage; Band 15, Kupfer sowie "Abenteuer Forschung" ZDF im Februar 1996).

Bisher wird Kupfer durch Zementation aus z. B. saurer Lösung durch Zusatz wertvoller, unedler Metalle wie z. B. Zink, Eisen u. a. m. hergestellt. Dabei tritt neben der gewünschten Reduktion des Kupferions auch als kostspielige Nebenreaktion die Bildung von Wasserstoff auf. Dies führt zu Verlusten beim Einsatz des Reduktionsmittels (es muß im Überschuß bis zum 2-3fachen des theoretischen Wertes eingesetzt werden).

Fe° + Cu²⁺ → Cu° + Fe²⁺ Reduktion

und

Fe° + 2^H+ → H₂ (g) + Fe²⁺ Nebenreaktion.

Daneben wird häufig ein Gemisch zwischen gewünschtem Endprodukt und dem Zementationsmetall erhalten im Bereich von 60 Gew% bis < 90 Gew% Kupfer, was häufig pyrometallurgische Prozesse nach sich zieht.

Um diese Trennverfahren zu umgehen, wird Kupfer auch mittels Gleichstrom kathodisch aus sauren Lösungen abgeschieden.

Auch die gebildeten Metallionen des Zementationsmetalls müssen durch nachsorgende Umwelttechnik aus dem Abwasser entfernt werden. (Ullmann 4., neubearbeitete und erweiterte Auflage, Band 15, Kupfer).

Daneben wurde mit H₂-Gas eine Direktreduktion von z. B. Kupferionen in saurer Lösung erreicht. Dies Verfahren zur Produktion von Kupferpulver wird nicht kommerziell genutzt (Ullmann Fifth, Completlely Revised Edition; Vol. A7 Copper p. 503).

Ziel der Erfindung ist daher ein Verfahren, das den Transportaufwand verringert, Energie spart und die Umwelt schont so daß eine industrielle Umwandlung von z. B. der oben genannten Erze auf lange Sicht Ressourcen schonend erfolgen kann. Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Verfahren der Eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß von Gangart befreite Erzkonzentrate in einem Arbeitsschritt in Kupfer (oder je nach edlen Begleitkationen in ein Metallgemisch) überführt werden. Dabei werden vorzugsweise die Reaktionspartner in der unten genannten Reihenfolge vermengt und die Reaktion wird im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zur 192°C ausgeführt.

Vorteile des Verfahrens

1) Gewinnung von Kupfer hoher Reinheit aus Erzkonzentrat in einem Schritt.
2) Die Auflösung des Erzkonzentrates und Reduktion zum Kupfermetall erfolgt an einem Ort ("Eintopf-Verfahren").
3) Herstellung des Reduktionsmittels aus nachwachsenden Rohstoffen (Mais); dadurch Verringerung des CO₂-Ausstoß durch Rückuhrung von CO₂ mittels der Photosynthese von Stärke/Glucose. So befinden sich also Anteile des Kohlendioxids in einem Kreislauf. Während im Vergleich dazu zur Eisenherstellung pro kg Eisen zwischen 4 kg und 5 kg Kohlendioxid auf "einer Einbahnstraße" in die Atmosphäre entlassen werden (Ökobilanzen populär, Senatsverwaltung für Wirtschaft und Technologie, Berlin 1. Aufl. 1995, S. 37).
Zur Fällung von 1t Kupfer mit 2fachem Eiseneinsatz werden zur Eisenherstellung ca. 6990 kg Kohlendioxid frei.
Dagegen entzieht die Synthese der benötigten Ascorbinsäure - für 1t Kupfer - der Atmosphäre vorübergehend ca. 4000 kg Kohlendioxid!
4) Energieeinsparung, weil der Primärenergieeinsatz 6055 kWh pro Tonne Kathoden bei der Kupferherstellung benötigt.
(Berechnungsgrundlagen entnommen aus "Metall, 49. Jahrgang, Nr. 4/95 S. 256"). Hinzu kommt der Energieverbrauch von 9170 kWh zur Synthese von 2,62 t Eisen als Zementationsmetall pro Tonne Kupfer. (Berechnungsgrundlage nach Tabellen buch Elektrotechnik 13. Aufl. 1989, S. 57). Es werden folglich 15225 kWh/t Kupfer/Kathode nach Zubereitung des Erzkonzentrates benötigt.
Vergleichsweise dazu benötigt die Ascorbinsäureherstellung (nach Daten der BASF AG) zur Gewinnung einer Tonne Kupfer aus z. B. Malachit 14 000 kWh! Dies entspricht 8% Energieeinsparung/t Kupfer.
5) Mehr Sicherheit am Arbeitsplatz durch Vermeidung von H₂ (event. Knallgasexplosion) bei Anwendung eines weniger aggressiven Reduktionssystems.
6) Technische Störungen der Produktion gefährden bei Austritt der Reaktionsmischung in die Biosphäre niemanden.

Beschreibung des Verfahrens

Als besonders zweckmäßig hat sich folgendes Verfahren bei der Herstellung von Kupfermetall z. B. aus Malachit erwiesen. In der dreifachen Wassermenge wird die stöchiomterische Menge Ascorbinsäure bei ca. 70°C gelöst. Nach ca. 3 Minuten hat sich eine klare Lösung gebildet. Nun trägt man portionsweise den fein pulverisierten Malachit (z. B. Schüttgewicht 35 g/100 ml) ein. Es ist sehr schnell eine CO₂-Bildung als Gasentwicklung sichtbar. Daneben ändert sich die Farbe des Feststoffes nach und nach von grün in das typische rotbraun des Kupfermetalls. Die überstehende Lösung wird während der Reaktionszeit von Kupferionen eingefärbt, die Farbtiefe nimmt aber am Ende der Reaktion deutlich ab.

Die Reaktionszeit richtet sich nach der Gasentwicklungsdauer (nach ca. 15 Minuten ist die Gasentwicklung beendet).

Wird gerührt, so befindet sich am Boden des Reaktionsgefäßes der größte Teil des feinen Kupferpulvers. Läßt man die Reaktionsmischung ungestört, so erhält man einen zusammenhängenden "Kupferschwamm" neben wenig schwebendem Kupfer.

Das Kupfermetall wird abfiltriert, mehrfach mit Wasser gewaschen und getrocknet. Will man abdekantieren, so kann man mit wenigen Tropfen einer biologisch abbaubaren oberflächenaktiven Substanz (Tensid z. B. Pril) den geringen Anteil schwimmenden Kupfers zum Absinken veranlassen.

Die Ausbeute ist nahezu quantitativ. "Quantofix Kupfer H der Fa. Macherey-Nagel (Nr.: 91304) zeigt weniger als 10 mg Kupferionen pro Liter Lösung nach der Reaktion.

Dies Ergebnis ändert sich nicht wesentlich, wenn mit einem Überschuß von Ascorbinsäure gearbeitet wird.

Resultate der Direktreduktion einiger Kupfererze
Größe
Wert
Malachit/Ascorbinsäure\|2,2 g/3,5 g
Löslichkeit w	sl
Temperatur	70°C
Ausbeute Kupfer	1,18 g
Maluchit/Ascorbinsäure Überschuß	92 g/139 g
Löslichkeit w	sl
Temperatur	65-70°C
Ausbeute Kupfer	48 g
Azurit/Ascorbinsäure	9 g/16 g
Löslichkeit w	sl
Temperatur	70°C
Ausbeute Kupfer	4,9 g

Das wäßrige Filtrat mit den Abbauprodukten der Ascorbinsäure kann man in der Kläranlage als Kohlenstoffquelle für die Mikroorganismen nutzen und so abbauen (Auskunft der BASF AG/Ludwigshafen).

Claims

1. Hydrometallurgisches Verfahren zur Herstellung von Kupfer, das im "Eintopf-Verfahren" vom Erzkonzentrat zum Metall führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel eine organische Verbindung ist, die Säure- und Reduktionseigenschaften im Molekül vereinigt (Protonen- und Elektronendonator ist).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionstemperatur zwischen Normaltemperatur und maximal 192°C liegt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise Ascorbinsäure (Vitamin C) als Reduktionsmittel Verwendung findet.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch die biologische Abbaubarkeit der erhaltenen organischen Reaktionsprodukte nach der Reaktions führung.

6. Verfahren zur Kupferherstellung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekenn zeichnet, daß besonders in Wasser schwer- oder unlösliche Carbonate, Hydrogen carbonate, und/oder Hydroxicarbonate sowie Hydroxisulfate (beziehungsweise Kupferionen mit Kombinationen der genannten Anionen) als Rohstoffe Verwendung finden.

7. Verfahren nach oben genannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Verbindung gemäß Anspruch 2 aus nachwachsenden Rohstoffen syntheti siert wird und somit als Reaktionspartner im Vergleich zu "Zementationsmetallen" einen Beitrag zum Sustainable Development wirtschaftlich bedeutender chemischer Reaktionen leistet.