Hydro- und Pyrometallurgie

In diesem Kurstext wird sowohl das Verfahren der Hydrometallurgie und der Pyrometallurgie vorgestellt sowie deren Unterschiede verdeutlicht. Eine Betrachtung der Schmelzflusselektrolyse erfolgt dann im nachfolgenden Kurstext.  

Hydrometallurgie

Hydrometallurgie (Becken) zur Zinkgewinnung

Bei der Hydrometallurgie erfolgt die Gewinnung des gewünschten Metalls durch die Reaktion mit einer Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit kann entweder Ammoniak oder -wie es meistens der Fall ist- Schwefelsäure sein. In beiden Fällen findet eine Erzlaugung statt, bei der die gewünschte Metallkomponente herausgelaugt wird. Dabei stellt sich heraus, dass diese Verfahren sehr anpassungsfähig ist. So kann sowohl gerade erst gefördertes als auch bereits aufbereitetes Erz in Behältern bearbeitet werden. Wenn es sich um poröses Erz in einer Umgebung mit undurchlässigem Gestein handelt, kann dieses Verfahren bereits in der Erzgrube erfolgen.

Die Geschwindigkeit der Reaktion kann durch einige Faktoren erhöht werden:

• Wahl der optimalen Temperatur,
• Wahl des optimalen Drucks,
• Erzeugung einer optimalen Reaktionsatmosphäre. 

Anwendungsgebiet der Hydrometallurgie

Die Hydrometallurgie empfiehlt sich immer dann wenn eine pyrometallische Verhüttung nicht ökonomisch oder ungeeignet ist. Vorzugsweise findet dieses Verfahren bei der Bearbeitung von Kupfer- und Kobalterzen statt. 

Konnte das gewünschte Metall erfolgreich ausgelaugt werden, erfolgt eine anschließende Reinigung. Daran schließt sich eine elektrolytische oder chemische Nachbehandlung an, bei der ionisch gelöstes Metall abgeschieden wird. 

Die elektrolytische Metallabscheidung ist um ein Vielfaches teurer als die chemische Verfahrensvariante, aber sie erzeugt ein wesentlich reineres Endprodukt, womit nachfolgende Verfahrensschritte erspart bleiben.

 Pyrometallurgie

Pyrometallurgie

Verfahrensschritte der Pyrometallurgie

Das Verfahren der Pyrometallurgie beinhaltet zwei Teilverfahren. Das eine Teilverfahren ist der Schmelzprozess und das andere Teilverfahren der Konverterprozess. In den meisten Fällen laufen beide Verfahrensschritte getrennt voneinander ab. Jedoch existieren Kupferhütten bei denen diese Teilverfahren zu einem kontinuierlichen Prozess zusammengefasst sind. Auch hier gilt es zuerst eine Trennung des gewünschten Metalls von Begleitelementen zu erreichen und das verbliebene metallhaltige Erz in ein Rohmetall zu reduzieren. Bei diesem Vorgang lösen sich oder entstehen Oxide bzw. Sulfide. Diese können, wenn sie sich nicht schon direkt als Gasverbindung verflüchtigen, über die flüssige Schlacke abgetragen werden. 

Schlacke als Bestandteil der Schmelze

Schlacke schwimmt auf Schmelze

Die erwähnte Schlacke besitzt zumeist eine geringe Dichte. Daraus folgt, dass sich die Schlackenphase von der viel dichteren und dadurch schwereren Metallkomponente trennt und somit abgezogen werden kann. An dieser Stelle sei nochmals deutlich erwähnt, dass eine pyrometallurgische Behandlung ohne Schlackenphase kaum vorstellbar ist. Denn Schlacken trennen nicht nur das Metall von der atmosphärischen Umgebung und unterbinden damit chemische Reaktionen, sondern sind auch Antriebsfeder für eine Vielzahl metallurgischer Vorgänge. Um dabei ein optimales Ergebnis erzielen zu können, wird die Zusammensetzung der Schlacke an das zu gewinnende Metall angepasst. Und hier steckt dann auch der Fehler im Detail, denn trotz ihrer Unabdingbarkeit, sollte aus ökonomischen Gründen stets sorgsam mit der Schlacke verfahren werden. 

Der Schmelzprozess in der Pyrometallurgie kann entweder durch Reduktionsschmelzen in einem Hochofen oder durch Steinschmelzen erfolgen.

Das erste Verfahren wird bevorzugt bei oxidischen Erzen angewandt, da neben der Entfernung von Verschmutzungen auch eine Reduktion des Metalloxids stattfindet. Letztlich verbleibt dann das gewünschte Rohmetall. Bei der Einstellung des Reduktionsmittels und dessen Einflussfaktoren ist darauf zu achten, dass unerwünschte Bestandteile, wie Oxide von Begleitelementen, in der Schlacke verbleiben. Aus technischen und ökonomischen Gesichtspunkten haben sich Wasserstoff und Kohlenstoff durchgesetzt.  
Das Steinschmelzen kommt hingegen bei sulfidischen Kupfer- und Nickelerzen zum Einsatz. 

Oxidation der Metallschmelze

Unabhängig von der Wahl des Schmelzprozesses erfolgt ein anschließendes Frischen. Ziel ist es durch die Zufuhr von Sauerstoff noch in der Schmelze verbliebene Verunreinigungen mittels Oxidation zu entfernen. Man spricht hierbei auch von einem selektiven Oxidationsprozess. Zeitgleich findet eine Verschiebung von Verunreinigung in die Konverterschlacke statt. Diese bildet sich durch Zugaben, ist aber im Verhältnis zu Schlacken im Hochofen mengenmäßig gering. Die bei diesem Vorgang erreichte Reinheit ist jedoch nicht ausreichend um anschließende Verfahrensschritte auszulassen. Erst eine Raffination vom Rohmetall zum Reinmetall liefert das gewünschte Ergebnis. 

Zum Abschluss noch eine direkte Gegenüberstellung vom Steinschmelzen und Reduktionsschmelzen in einem Flussdiagramm. 

Pyrometallurgische Metallgewinnung von sulfidischen und oxidischen Erzen