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Erzlaugung

Inhaltsverzeichnis


  • Englisch: Bioleaching (mittlerweile auch "neudeutsch"); Lixiviation; Biorecovery (of metals), Bioconversion (of waste materials), Microbial Mining (mikrobieller Bergbau)
  • Französisch: Biolessivage
  • Spanisch: Biolixiviación; Lixiviación
  • Italienisch: Biolisciaviazione

Definition


Biolaugung (bzw. mikrobielle Erzlaugung) ist ein Teilgebiet der Biohydrometallurgie (Metallgewinnung durch biologisch-nasschemische Prozesse). Mikrobieller Bergbau ist ein Prozess, bei welchem Mikroorganismen daran beteiligt sind, Schwermetalle aus ihren Erzen durch Umwandlung unlöslicher Erzmineralien zu wasserlöslichen Substanzen zu gewinnen.

Sie wird dann angewendet,wenn physikalische und thermische Anreicherungsverfahren versagen bzw. einen zu grossen Aufwand bedürfen.


Erzlaugung
Erzlaugung
Agricola - De re metallica libri XII; Der Bergmann bringt das Erz vom Stollen in einem Bottich zum Sammelbehälter
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Erzlaugung

Agricola - De re metallica libri XII; Der Bergmann bringt das Erz vom Stollen in einem Bottich zum Sammelbehälter

Georgius Agricola
Erzlaugung
Erzlaugung
Agricola - De Re Metallica Libri XII; Verarbeiten der vitriolhaltigen Lösung mit Eisenschnitzeln in der Dampfpfanne
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Erzlaugung

Agricola - De Re Metallica Libri XII; Verarbeiten der vitriolhaltigen Lösung mit Eisenschnitzeln in der Dampfpfanne

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Ein altes Verfahren

Schon Georg Agricola beschrieb in seinem 1556 erschienen "De Re Metallica Libri XII" sehr detailliert das Auslaugen vitriolhaltiger Lösungen (1) zur Gewinnung von Eisen und Kupfer.

"Nach dem vierten Verfahren wird Vitriol aus vitriolhaltigen Erden und Gesteinsarten gewonnen. Solche Stoffe werden zunächst zusammmengefahren, aufgehäuft, fünf bis sechs Monate lang dem Frühjahrs- oder Herbstregen, der sommerlichen Wärme und dem Winterfrost ausgesetzt und öfters mit Schaufeln umgewendet, damit die Teile, die unten liegen, nach oben kommen. Auf diese Weise wird alles der Luft ausgesetzt und abgekühlt; die Erde wird lose und locker und das Gestein, was vorher hart war, wird weich. Die Masse wird dann zugedeckt oder unter Dach gebracht und bleibt auch hier wieder sechs, sieben oder acht Monate liegen. Dann wird eine genügende Menge davon in einen großen Behälter gebracht, der zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist. Die Gesteinsmassen werden mit Wasser vermischt und mit Stangen verrührt und bleiben solange im Behälter, bis ihre erdigen Teile sich auf dem Boden absetzen und ihre löslichen Teile wieder vom Wasser aufgenommen werden. Man lässt dann die Lösung in einen anderen, unterhalb aufgestellten Behälter fließen. Wenn diese Lösung nicht genügend Vitriol enthält, so löst man frische Mengen des Gesteins in ihr auf. Die Lösung lässt man dann, sobald sie klar ist, durch Rinnen in viereckige Bleipfannen fließen, in denen man sie so lange einkocht, als noch Wasser verdampft. Dann wirft man Eisenblechschnitzel hinein, die sich darin lösen sollen (2), und zwar nur so viel, wie die Natur der Lösung es erfordert und lässt weiterkochen, bis die Lösung so reich geworden ist, dass sich nach dem Abkühlen Vitriol ausscheidet."



(1) Agricola beschreibt "Melanteria", d.h., in der Hauptsache Gemenge von Schwefelkies, Kupferkies und deren Verwitterungsprodukte Eisen- und Kupfervitriol. Vitriol ist eine veraltete Bezeichnung für Sulfate von Zn (weißer Vitriol), Fe (grüner Vitriol), Cu (blauer Vitriol bzw. Gemische aus Eisen- und Kupfervitriol.
(2) Bei der Verwitterung von Schwefelkiesen entsteht neben Eisenvitriol auch freie Schwefelsäure, die durch das in Lösung gebrachte Eisen gebunden werden soll.


Erzlaugung - Schema
Erzlaugung - Schema
Schema der Halden-Erzlaugung; adaptiert nach einer Zeichnung von Dr. Rolf Näveke; in: Näveke, R., 1986; Bacterial leaching of ores and other materials; http://www.spaceship-earth.org/REM/Naeveke.htm
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Erzlaugung - Schema

Schema der Halden-Erzlaugung; adaptiert nach einer Zeichnung von Dr. Rolf Näveke; in: Näveke, R., 1986; Bacterial leaching of ores and other materials; http://www.spaceship-earth.org/REM/Naeveke.htm

Rolf Näveke

Die Metallgewinnung durch Erzlaugung (wesentlich Kupfer) war schon etwa 1.000 Jahre v.Chr. im Mittelmeerraum bekannt, es gibt jedoch darüber kaum schriftliche Zeugnisse. Die im Mittelalter und in der darauffolgenden Renaissance bekannten unterschiedlichen Verfahren wurden erstmalig detailliert von Georg Agricola in seinem 1556 erschienenen Buch "De Re Metallica Libri XII" beschrieben (siehe oben). Seit der Mitte des 18. Jh. wird aus den gigantischen Pyritlagerstätten am Rio Tinto in Südspanien durch mikrobielle Erzlaugung Kupfer gewonnen.

Moderne industrielle mikrobielle Bergbauprozesse sind jedoch relativ neu; sie begannen erst in den späten 1940er Jahren, als man die Rolle von Bakterien bei der Erzlaugung entdeckte. Seither wurden verschiedene chemische und chemisch-biohydrometallurgische (mikrobielle) Verfahren zur Gewinnung von Kupfer und Uran aus minderwertigen oder nicht abbauwürdigen Erzen und von Abraumhalden entwickelt. Die ersten kommerziellen Anwendungen dieser mikrobiellen Verfahren waren in situ-Laugungen von Uran in Canada und Halden-Erzlaugung von Kupfer in den USA. In den 1980er Jahren wurde die erste Anlage zur mikrobiellen Gewinnung von Gold (tank bioleaching plant) in Südafrika eingeweiht

Durch mikrobiellen Bergbau ist es möglich, Metalle rentabel aus Armerzen zu gewinnen. Darüberhinaus werden diese mikrobiellen Verfahren mit zunehmender Erschöpfung metallreicher Erzlager immer wichtiger. Aktuell wird auf diese Weise etwa 5% des weltweiten Kupfers gewonnen.


Praxis der Halden-Erzlaugung

Große Mengen von zerkleinertem Abraummaterial mit kleinen Anteilen an Kupfer, Zink oder Nickel werden gesammelt und entweder als Halden aufgetürmt oder in Sammelstellen angehäuft. Das zerkleinerte Gestein wird über Verregnungs- oder Berieselungsanlagen mit angesäuertem Wasser besprüht. Während das Wasser durchsickert, wachsen und vermehren sich Thiobakterien innerhalb des feuchten Gesteinssubstrats. Am Fuß der Halde (bzw. am Boden der Sammelstelle) sickert die metallhaltige Flüssigkeit heraus und wird in Sammelbecken aufgefangen. Aus diesen Becken wird das zu gewinnende Metall extrahiert. Die metallfreie Laugungsflüssigkeit wird über ein Pumpensystem erneut auf der Halde verteilt.

Kupfer-Armerze
Kupfer-Armerze
Kupfer-Armerze bei Las Bombas, N. Chanaral, Sierra Miranda, III Region Atacama, Chile
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Kupfer-Armerze

Kupfer-Armerze bei Las Bombas, N. Chanaral, Sierra Miranda, III Region Atacama, Chile

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Haufenlaugungsbecken
Haufenlaugungsbecken
In situ / Haufenlaugungsbecken vor der Füllung Las Bombas, N. Chanaral, Sierra Miranda, III Region Atacama, Chile
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Haufenlaugungsbecken

In situ / Haufenlaugungsbecken vor der Füllung Las Bombas, N. Chanaral, Sierra Miranda, III Region Atacama, Chile

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Haufenlaugungsbecken
Haufenlaugungsbecken
Haufenlaugungsbecken, gefüllt mit kupferarmem Erz und Schrott; rechterhand Schrotthalden, im Hintergrund Erzlagerstätten; Las Bombas, N. Chanaral, Sierra Miranda, III Region Atacama, Chile
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Haufenlaugungsbecken

Haufenlaugungsbecken, gefüllt mit kupferarmem Erz und Schrott; rechterhand Schrotthalden, im Hintergrund Erzlagerstätten; Las Bombas, N. Chanaral, Sierra Miranda, III Region Atacama, Chile

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Mikroorganismen

Die wichtigsten Vertreter laugungsaktiver Mikroorganismen sind Bakterien und Archaeen, welche Sulfid und elementaren Schwefel zu Sulfat und teilweise auch zweiwertiges zu dreiwertigem Eisen oxidieren. Im Jahr 1947 entdeckten Colmer und Hinkle in den USA, dass Thiobazillen für die Säurebildung in Sickerwässern alter Kohlegruben und für die Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) verantwortlich sind. Zehn Jahre später erkannte man die Bedeutung derselben Organismen für die Erzlaugung.

Die bei der mikrobiellen Erzlaugung infragekommenden Mikroorganismen sind im Prinzip Konsortien, welche durch die Temperatur charakterisiert sind, in welcher sie operieren. Die mesophilen sind Bakterien, welche zwischen 30°C und 42°C operieren. Der wichtigste Organismus dieses Konsortiums ist der Acidithiobacillus ferrooxidans (1951 von Temple und Colmer charakterisiert), welcher vom Acidithiobacillus thiooxidans unterstützt wird. Desweiteren gehören zu dieser Gruppe die Mikroorganismen Leptospirillum ferrooxidans.

Die im Temperaturbereich zwischen 45°C bis 55°C existierenden moderat-thermophilen Bakterien sind Sulfobacillus, Acidimicobium, gewisse Ferroplasma Spezies sowie Leptospirillum ferrophilum und Acidothiobacillus caldus. Die extrem thermophilen werden durch archae dominiert (im Gegensatz zu bacteria) und operieren in Bereichen zwischen 60°C und 90°C; zu ihnen gehören verschiedene Spezies von Sulfolobus, Acidianus und Metalloshpaera (Beispiel für Lebensräume der extrem thermophilen Archae: Heiße Quellen im Yellowstone Nationalpark und brennende Kohlehalden in Südafrika).

Die meisten der angeführten Organismen sind autotroph, d.h., sie wachsen, indem sie CO2 aus der Atmosphäre fixieren.

Andere Organismen, deren Rolle bei Erzlaugungsprozessen noch untersucht wird, sind gewisse heterotrophe Organismen, welche u.a. Stickstoff fixieren oder die organischen Ausscheidungsprodukte der Thiobazillen eliminieren, welche sonst auf die letzteren hemmend wirken könnten.

Chemie des mikrobiellen Erzlaugungsprozesses


Die Chemie des Erzlaugungsprozesses ist relativ "geradeaus" ohne Umwege. Die Thiobazillen wirken als Katalysatoren bei der Oxidation von zweiwertigem zu dreiwertigem Eisen sowie von Schwefel zu Schwefelsäure nach den folgenden Reaktionsmechanismen

  • I Direkt durch Thiobazillen bewirkte Reaktionen
  • 1. FeS2 + H2O 3 1/2 O2 → Fe2+ + 2 SO42- + 2 H+
  • 2. MeS + 2 O2 → Me2+ + SO42-
  • 3. H2S + 2 O2 → SO42- + 2 H+
  • 4. 2 Fe2+ + 2 H+ + 1/2 O2 <-- Fe3+ + H2O
  • 5. So + H2O + 1/2 O2 → SO42- + 2 H+
  • II Indirekt durch Thiobazillen bewirkte Reaktionen
  • 6. Durch Säurewirkung

    • MeS + 2 H+ → Me2+ + H2S
    • FeS2 + 2 H+ → Fe2+ + H2S + So
  • 7. Durch Säure- und O2-Einwirkung

    MeS + 2 H+ + O2 → Me2+ + H2O + So

  • 8. Fe3+ + 3 H2O → Fe(OH)3 + 3 H+ (Säurebildung durch Ausfällung von Fe(III) als Fe(OH)3)
  • 9. MeS + 2 Fe3+ → Me2+ + 2 Fe2+ + S0 (Thiobazillus ferrooxidans-Reaktion A 4) reoxidiert Fe2+ zu Fe3+)

Das durch die indirekten Reaktionen entstehende So und H2S wird durch die Thiobazillen zu Schwefelsäure H2SO4 oxidiert. Fe2+ wird durch Acidithiobacillus ferrooxidans immer wieder zu Fe3+ zurückoxidiert. Diese bakterielle Oxidation wirkt katalytisch und ist insofern wichtig, als Fe3+ ein starkes Oxidationsmittel ist und ausschlaggebend zur Wirksamkeit der Erzlaugung beiträgt.

Diese Oxidation ermöglicht auch die Erzlaugung von nicht-sulfidischen Erzen, wenn man diesen Pyrit (FeS) zusetzt, wie z.Bsp. bei der Laugung von Uraninit (UO2). Hierbei wird durch Bakterien aus dem Pyrit oder gelöstem zweiwertigem Eisen (Fe2+) gelöstes dreiwertiges Eisen (Fe3+) erzeugt. Dieses oxidiert Uran zu sechswertigen, in verdünnter Schwefelsäure gut löslichen Uranyl-Ionen (UO2)2+.

  • UO2 + Fe3+ → (UO2)2+ + 2 Fe2+

Es sind viele und unterschiedlichste Erzlaugungsprozesse bekannt.

Im Falle der Gold-Erzlaugung werden sulfidische Mineralien wie Pyrit und Arsenopyrit mit mikroskopisch kleinsten eingeschlossenen Gold-Partikeln gelaugt. Nach Auslaugung der Sulfidmineralien werden die Gold-Partikel frei und können durch weitere Behandlungsschritte als Metall gewonnen werden. Dieses Verfahren wird erfolgreich in Südafrika, Brasilien, Kasachstan, Ghana, Peru, China und Usbekistan angewandt. Ähnliche Erzlaugungsverfahren für kobalthaltigen Pyrit hat man in Uganda verwendet.

Mikrobielle Erzlaugung in industrieller Größe findet man bei Kupfergewinnungsverfahren in Chile, Peru und Australien. Bei diesen Verfahren wird Kupfer aus Mineralien, welche sekundäre Cu-Sulfide wie Covellin (CuS), Chalkosin (Cu2S) und Bornit (Cu5FeS4) enthalten, sowie aus dem Primärsulfid Chalcopyrit (CuFeS2, welcher auch mit Pyrit vermengt sein kann, extrahiert. Dabei entstehen Schwefelsäure und Kupfersulfat. Das Kupfer wird aus der Lösung durch Zementation gewonnen; d.h., die in der Lösung vorliegenden zweiwertigen Kupfer-Ionen (Cu2+) werden mit elementarem Eisen (Schrott) zu elementarem Kupfer reduziert, welches ausfällt; das Eisen geht in Form zweiwertiger Ionen in Lösung. Andere Basismetall-Sulfide, welche "erzgelaugt" werden könenn, sind Pentlandit (Ni,Fe)9S8, Millerit (NiS), Sphalerit (ZnS) und Galenit (PbS).

Unterschiede zwischen herkömmlichem Bergbau und mikrobieller Erzlaugung


Mikrobieller Bergbau ist eine umweltfreundliche Alternative zu konventionellen metallurgischen Aufbereitungsprozessen. Mikrobielle Erzlaugung hat in bestimmten Gebieten bereits das Rösten arsenreicher Goldkonzentrate abgelöst (im Röstprozess wird Arsen zu Arsentrioxid umgewandelt, ein hochtoxisches Produkt, welches in ganz speziellen Abfallvorrichtungen entsorgt werden muss). Im Erzlaugungsprozess wird Arsen zusammen mit Eisen in einer stabilen Form ko-präzipitiert und kann auf der "normalen" Halde beseitigt werden.

S.. > Lösungsbergbau


Literatur

  • Ehrlich,H.L., 1997; Microbes and metals. Appl. Microbiol. Biotechn. : 48, 687-692
  • Ehrlich, H.L., 2001; Past, present and future of biohydrometallurgy. Hydrometallurgy : 59, 127-134
  • Neale,J., 2006; Bioleaching technology in minerals processing (Mintek Biotechn. Div., Randburg, South Africa)
  • Rawlings, D.E., 2004; Microbially assisted dissolution of minerals and its use in the mining industry. Pure Appl. Chem. :76, 4, 847-859
  • Taylor,J.H., 1943; The Leaching of Cupreous Pyrites and the Precipitation of Copper at Rio Tinto, Spain. Trans. Inst. Min. Met.: 52, 35-96
  • Watling, H.R., 2006; The bioleaching of sulphide minerals with emphasis on copper sulphides - a review. Hydrometallurgy (in press)
  • Erzeugung von NE-Metallen , Dipl.-Ing. Jürgen Simon (Abschn. 1-4), VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie,Leipzig, 1977

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