Vom Erz zum Metall

14.11.2022

Vom Erz zum Metall: Effiziente Wege für die Elementanalytik


Metalle sind für moderne Technologien sowie das alltägliche Leben unverzichtbar. Sie müssen meist in aufwändigen Prozessen aus Erzen gewonnen werden und in ihrer Reinheit höchsten Ansprüchen genügen. Mit dem sich ändernden Bewusstsein hin zur Endlichkeit von Rohstoffen gewinnt eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft mit Hilfe des Metallrecyclings an Bedeutung.

Die Wertschöpfungskette in der Bergbau- und Metallindustrie hat im Hinblick auf die Elementanalytik sehr unterschiedliche Anforderungen. In den frühen Phasen, wie der Erkundung von möglichen Bergbaustätten oder der Förderung von Rohmaterialien, müssen meist hohe Elementgehalte in den Ausgangsmaterialien bestimmt werden. In späteren Prozessstufen – zum Beispiel bei der Herstellung hochreiner Metalle und Legierungen – spielt die Analyse auf Spurenelemente und Ultraspurenelemente eine bedeutendere Rolle, etwa in der Qualitätskontrolle. Je nach Aufgabenstellung gibt es unterschiedliche Lösungsansätze für die verschiedenen analytischen Herausforderungen, welche in diesem Artikel betrachtet werden.

Die Bedeutung von Metall

Technologischer Fortschritt war und ist nur durch die besonderen und vielfältigen Eigenschaften der Metalle möglich. Fast jedes natürlich vorkommende Metall wird mittlerweile für unser tägliches Leben benötigt. Beispiele hierfür sind: die Verwendung von Eisen in Stahl, von Lithium in Lithium-Ionen-Batterien sowie neuerdings im Bereich der E-Mobilität oder von Kupfer und Edelmetallen als unverzichtbare Komponenten in der Elektronik sowie Halbleiterindustrie. Auch seltene Erden (REE, aus dem Englischen „Rare Earth Elements“) sind für viele Produkte aus dem Bereich der nachhaltigen Energie einschließlich Windturbinen, Katalysatoren, Energiesparlampen und Elektroautos essenziell.
Außer den Edelmetallen kommen Metalle aber nicht in Reinform vor, sondern gebunden in Mineralen und Erzen manche sehr verbreitet, manche nur begrenzt in wenigen Regionen der Welt. Aufgrund ihrer enormen Bedeutung lohnt sich ihr Abbau unter Umständen schon bei niedrigen Konzentrationen im Erz.

Doch nicht nur die Gewinnung, sondern auch die Wiederverwendung von Metallen jeglicher Art ist heutzutage von enormer Bedeutung. In Zeiten von Rohstoffknappheit, Unsicherheit hinsichtlich Materialverfügbarkeiten, einem veränderten Verbraucherbewusstsein und dem steigenden Bedarf durch Schwellenländer auf ihrem Weg zur Industrienation wird eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft immer wichtiger.

Daher müssen im Rahmen von Metallrecycling Altmetalle gesammelt und wiederverwertet werden. Metall ist aufgrund seiner beständigen Qualität ein nachhaltiger Werkstoff, welcher meist über Generationen hinweg zwischen Rohstoff und Abfall pendelt. So sind zum Beispiel 80 Prozent des jemals in Umlauf gebrachten Eisens heute noch präsent.

(Quelle:https://www.handwerkundbau.at/handwerk-bau/alter-spielt-hier-keine-rolle-4984)

Analyse von Metallen, Mineralien und Erzen

Ein Reinmetall zu gewinnen, ist technisch sehr aufwendig, jedoch nötig, da Hochtechnologieanwendungen auch hochreine Rohstoffe benötigen. Die Analyse von Rohstoffen und Zwischenerzeugnissen entlang der Wertschöpfungskette der Bergbau- und Metallindustrie ist daher sehr wichtig, um die Wirtschaftlichkeit der Förderung und die Qualität des Endprodukts zu gewährleisten. Hierbei bestehen unterschiedliche analytische Herausforderungen.

Dazu gehören die Bewertung möglicher Abbaustätten, die Prozesskontrolle in Anlagen wie Hütten oder Gießereien, die Qualitätskontrolle von Rohmaterialien und die Reinheitsprüfung auf Spuren von Verunreinigungen, um nur einige zu nennen. Um diese analytischen Routineaufgaben so effizient wie möglich zu bewältigen, sind sehr robuste, genaue und flexible Messgeräte erforderlich.

In den frühen Phasen der Wertschöpfungskette müssen vor allem viele Rohstoffe analysiert werden, um detaillierte Spezifikationen über das Ausgangsmaterial zu erstellen. Das bedeutet, dass die wichtigsten Gehalte und Konzentrationen von Elementen bestimmt werden müssen. Die AAS (Atomabsorptionsspektrometrie) mit Flammentechnik wird für diese Aufgaben oft eingesetzt.
In späteren Phasen des Prozesses ändern sich die Anforderungen an die Analytik. Spuren- und Ultraspurenelemente können die Qualität von hochreinen Metallen oder Legierungen erheblich beeinflussen. Der Nachweis dieser Spuren- und Ultraspuren erfordert jedoch Instrumente mit höherer Genauigkeit und Präzision. Hier bieten Methoden wie ICP-OES (Bereich von mg/kg bis %) oder ICP-MS (ng/kg bis mg/kg) die für diese Analysen erforderliche Empfindlichkeit.

Metalle und Legierungen müssen für die Analyse mittels AAS, ICP-OES und ICP-MS aufgeschlossen werden, um in eine messfertige Lösung überführt zu werden. Dabei handelt es sich um Proben mit einer anspruchsvollen Matrix, die die Qualität der Ergebnisse beeinflussen können. Hohe Gehalte an unedlen Metallen wie Kupfer, Cobalt, Chrom, Nickel, Eisen oder Zink und Spurenelementen (durch Zusätze oder Verunreinigungen) können die korrekte Quantifizierung des Analytis beeinträchtigen. Auch Gehalte an SiO2, Al2O3, Kohlenstoff (Graphit, Karbide) sowie refraktäre Elemente können negative Auswirkungen haben.

Die inadäquate Probenvorbereitung ist eine weitere Quelle für unzuverlässige Messergebnisse. Die Probenvorbereitung mit Hilfe offener Gefäße auf einer Heizplatte etwa, unter Verwendung von Lösungen aus HNO3, HCl, HF sowie HClO4, NaHSO4, kann zu einem unvollständigen Probenaufschluss führen. Dies lässt sich jedoch durch die Verwendung geeigneter Probenvorbereitungsmethoden wie etwa des Schmelz- oder Mikrowellendruckaufschlusses vermeiden.

Welche Analysetechniken sind für welche Anwendung ideal?

AAS-Technologie:

  • robuster gegenüber rauen Umgebungsbedingungen am Einsatzort
  • Flammen-AAS: ppm- bis %-Werte für einzelne oder wenige Elemente
  • Graphitofen-AAS: Spuren- und Ultraspuren-Elementanalyse

ICP-Technologien:

  • bieten größeren Arbeitsbereich im Vergleich zur Flammen-AAS sowie Vorteile beim Durchsatz, insbesondere bei der Multi-Elementanalyse
  • ICP-OES: Erhöhte Anzahl von Elementen oder Proben
  • ICP-MS: Spuren- und Ultraspuren-Elementanalyse

Anforderungen an das Instrument

Besonders während der Erkundung von möglichen Abbaustätten und beim Abbau selbst muss die Ausrüstung oft unter rauen Umweltbedingungen und an sehr abgelegenen Orten funktionieren. Es gibt Abbaustätten, die mehrere tausend Meter über Null liegen. Luftdruck und Sauerstoffgehalt sind in diesen Umgebungen viel niedriger und können die Messungen stark beeinflussen. Auch geeignete Laboreinrichtungen sind an diesen Orten selten.

Einzusetzende Geräte sind in ihren Eigenschaften idealerweise benutzerfreundlich, einfach einzurichten sowie im Notfall auch von weniger geschultem Personal bedienbar. Die Verfügbarkeit von Verbrauchsmaterialien ist ein weiterer Punkt, den es zu bedenken gilt. Seltene oder spezielle Chemikalien sind an vielen Abbaustätten aufgrund ihrer abgelegenen Lage nicht ohne weiteres verfügbar. Die Instrumente müssen mit so wenig wie möglich zusätzlichen Betriebsmitteln arbeiten können. Das Routine-AAS novAA 800 von Analytik Jena kann etwa mit LPG-Gas betrieben werden, das auch an den entlegensten Orten der Erde verfügbar ist.

Neben diesen allgemeinen Eigenschaften sind die analytischen Eigenschaften wie Genauigkeit, Präzision und Methodenrobustheit nach wie vor entscheidend. Die Lösungen von Analytik Jena bieten passende Analyseverfahren zur Gehaltsbestimmung von Metallen in Erzen und Verunreinigungen in Reinmetallen sowie zur Kontrolle des Aufbereitungsprozesses.
Heutzutage spielt auch die Automatisierung eine bedeutende Rolle, da die Anzahl der Proben für diese Routineanwendungen ständig zunimmt. Ein erhöhter Probendurchsatz durch Automatisierung und/oder innovative Analysetechniken kann die Gesamtkosten der Analysen senken und Ressourcen in der Belegschaft freisetzen.

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Zugehörige Downloads

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Broschüre novAA 800 (German)

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Infographik Erz zu Metall (DE)

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