Eine Voraussetzung zur wirtschaftlichen Gewinnung von Metallen ist ein abbauwürdiges Erzvorkommen, bei dem die gesuchten Metalle oder ihre Verbindungen in einer solchen Konzentration vorhanden sind, dass sich die Ausbeutung der Lagerstätten lohnt. Aus diesem Grund haben sich in den letzten Jahrzehnten starke Verschiebungen ergeben: So werden die mageren deutschen Eisenerze - z. B. im Siegerland oder bei Salzgitter - kaum mehr genutzt, da es kostengünstiger ist, südamerikanische Erze einzuführen. Erst wenn solche Vorkommen erschöpft sind, wird man wieder auf weniger ergiebige Quellen zurückgreifen müssen.
Leider zeigt jedoch die Erfahrung, dass mit abnehmender Konzentration des Metalls in einem Gestein der Aufwand zur Gewinnung größer wird, da mehr Energie zum Abtrennen der unerwünschten Begleitstoffe aufgebracht werden muss. Zudem steigt noch die Umweltbelastung. Es ist somit anzustreben, Verfahren zu entwickeln, um auch Erze mit niedrigem Metallgehalt so aufzuarbeiten, dass dies nicht nur möglichst billig, sondern auch besonders umweltschonend geschieht.
Ein Beispiel ist die Gewinnung von Kupfer. Dieses Metall ist besonders wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, seiner Beständigkeit und als wichtiges Legierungsmetall von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Kupfer, das nur in geringen Mengen gediegen vorkommt, wird vor allem aus Chalkopyrit (Kupferkies, CuFeS₂) und weiter aus anderen Erzen wie Malachit (CuCO₃· Cu(OH)₂) gewonnen.

Kupfermineralien: Azurit, Malachit, Buntkupfererz, Kupferkies (Foto: Blume)

Die weltweit bekannten Kupfervorkommen enthalten im Durchschnitt nur etwa 1-2 % Kupfer. Aufgrund des Schwefelanteils vieler Erze sowie wegen des Gehalts an anderen, sehr giftigen Schwermetallen und an Arsen besteht das Problem, Kupfer unter möglichst geringen Umweltbelastungen und zugleich wirtschaftlich lohnend zu gewinnen.

Das klassische Verfahren zur Kupfergewinnung ist umweltbelastend
Ein Beispiel zur pyrometallurgischen Gewinnung von Reinkupfer ist die Aufarbeitung von Kupferkies. Der Prozess ist in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt. Man kann deutlich erkennen, dass es sich hierbei um ein sehr aufwendiges Verfahren handelt.

Pyrometallurgische Gewinnung von Kupfer aus Kupferkies
(Quelle: [1])

Bei den ersten vier Arbeitsgängen entstehen erhebliche Mengen Schlacke und Schwefeldioxid.
Zur Abtrennung weiterer Verunreinigungen wie Blei, Zink, Antimon, Arsen, Nickel und Eisenresten wird das Rohkupfer einer erst oxidierenden, dann reduzierenden Raffinationsschmelze unterworfen. Hierbei verflüchtigen sich Schwermetalle wie Zink und Blei sowie Arsen und Antimon und müssen aus der Abluft abgeschieden werden. Nickel und Eisen verschlacken mit den beigegebenen Zusätzen. Bei der anschließenden elektrolytischen Raffination erhält man das für technische Zwecke erforderliche, äußerst reine Kupfer. Vorhandene Edelmetalle sammeln sich im Anodenschlamm.
Das bei der Verhüttung der Kupfererze anfallende Schwefeldioxid wird heute üblicherweise zur Gewinnung von Schwefelsäure eingesetzt.
Umweltverschmutzungen durch Kupferhütten, die sulfidische Erze nach diesem "klassischen" Verfahren verarbeiten, waren in der Vergangenheit üblich. So emittierte eine Kupferschmelze in Butte Anaconda (USA) bereits 1907 täglich 18 t Arsen, 1,7 t Kupfer und fast ebenso viel Antimon. (Über den Schwefeldioxidausstoß wird nichts berichtet.) Die Emissionen einer anderen Hütte in Kalifornien verseuchten 2300 km² Land mit Arsen.

Die hydrometallurgische (nasschemische) Aufarbeitung von Kupfererzen ist umweltschonender
Zementation
Für oxidische Erze, die sich nicht durch Flotation anreichern lassen, ist eine nasschemische Verarbeitung vorteilhaft.

Kupfergewinnung durch Zementation
(Quelle: [1])

Der saure Extrakt wird mit Eisenschrott versetzt, wobei das Eisen in Lösung geht und das edlere Kupfer zum Metall reduziert wird. Bei diesem Zementation genannten Prozess besteht der Nachteil darin, dass die Schwefelsäure bei mehrmaliger Verwendung mehr und mehr neutralisiert wird und sich mit Eisensulfat anreichert. Weiter wird elementares Eisen benötigt. Zudem muss das erhaltene Kupfer in einem anschließenden Schritt durch Raffinationsschmelzen von Verunreinigungen wie Eisen, Blei, Zink, Zinn, Arsen und Antimon befreit werden. Erst dann kann es durch Elektrolyse zu Kupfer mit einem Reinheitsgrad von 99,95 % verarbeitet werden.

Selektiver Ionenaustausch
Eine neue und wesentlich einfachere Technologie vermeidet viele der oben angeführten Nachteile.

Kupfergewinnung durch Extraktion mittels Ionenaustauscher
(Quelle: [1])

Zunächst wird das Kupfererz, wie bei dem oben beschriebenen Prozess, mit Schwefelsäure behandelt. Die erhaltene Lösung wird mit einem wasserunlöslichen, flüssigem niedermolekularen Ionenaustauscher extrahiert, der in hochsiedenden Kohlenwasserstoffen gelöst ist. Die dabei ablaufende Reaktion kann man am Beispiel des 2-Hydroxy-5-dodecyl-benzophenoxims betrachten.

Beispiel für einen löslichen Ionenaustauscher zur Kupfergewinnung
(Quelle: [1])

Hierbei handelt es sich um einen chelatbildenden Ionenaustauscher.

Durch die selektive Wirkung des Austauschers werden dabei der wässrigen Phase nur die Kupfer-Ionen entzogen und gegen Protonen ausgetauscht (-> Versuch). Die vom Kupfer befreite Schwefelsäure wird erneut zum Aufschluss von frischem Erz verwendet.
Der mit Kupfer-Ionen beladene Ionenaustauscher wird mit höher konzentrierter Schwefelsäure behandelt. Dabei werden die Kupfer-Ionen in die Säurephase überführt und zugleich angereichert. Der Ionenaustauscher liegt danach wieder in der H⁺-Form vor. Aus der gewonnenen schwefelsauren Kupfersulfatlösung wird das Kupfer elektrolytisch abgetrennt. Die hinterbliebene Schwefelsäure dient wieder zur Regeneration von beladenem Ionenaustauscher.
Das gesamte Verfahren besteht aus drei ineinander verschachtelten Kreisprozessen. Es wird deutlich, dass im Gegensatz zum klassischen Verfahren keine schädlichen Abgase wie Schwefeldioxid entstehen. Außerdem lassen sich auch gering konzentrierte Kupfererze sowie Haldenmaterial Gewinn bringend aufbereiten.

Quelle: [1]

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Literatur