Elektrolysetechnologien für die Metallurgie
1.Wasserstoffwirtschaft
Der Einsatz von Wasserstoff in der Stoffwirtschaft wird gegenwärtig als Allheilmittel zur Verminderung der Emission von Treibhaugasen angesehen. Man will aus „grünem Strom“ über die Elektrolyse in Wasserstoff erzeugen, weltweit transportieren und verteilen. Die notwendigen Technologien sind vorhanden; und man muss das nur noch ganz schnell umsetzen. Nüchterne Analysen zeigen aber die Grenzen einer wasserstoffbasierenden Wirtschaft aus Kostengründen.
Für die Metallerzeugung ist die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel technologisch möglich. Wenn man aber auf die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse verzichtet und die Metalle elektrolytisch erzeugt, arbeitet man effizienter und kostengünstiger.
2. Nasschemische Verfahren
Nasschemische Verfahren sind für alle Metalle geeignet, deren Normalpotential in der elektrochemischen Spannungsreihe positiv ist. Für die Verarbeitung muss das Metall aus dem Ausgangsmaterial durch Säuren herausgelöst werden. In den meisten Fällen ist Schwefelsäure am besten geeignet.
Nasschemische Verfahren sind seit langem bewährt und Stand der Technik. Für die Kupferraffination und die Herstellung von Wasserstoff sind Technologien vorhanden , die hohe Anlagenleistungen erlauben.
Man benötigt vier Stufen
- Erzaufbereitung/Zerkleinerung
- Entfernung von Störstoffen
- Lösung - meistens in Säuren
- Elektrolyse
Die Erzaufbereitung ist technologisch gelöst.
Die Entfernung von Störstoffen ist von besondere Wichtigkeit. Störstoffe erhöhen den Bedarf an Säure während der Lösung und beeinträchtigen die Qualität der Endprodukte. Hier könnte noch Entwicklungsbedarf bestehen.
Für die Auflösung der meisten Metalle ist Schwefelsäure ausreichend. Bei der Elektrolyse wird das Endprodukt in hoher Reinheit gewonnen. Metalle, die edler sind als das Zielprodukt werde als nutzbarer Schlamm gewonnen.
Die Kenntnisse aus der elektrolytischen Kupferraffination sind weitgehend anwendbar.
Metalle, die unedler sind als Wasserstoff, sind die für die Erzeugung durch nasschemische Verfahren nicht geeignet.
Bei der mechanischen Aufbereitung
- Zerkleinerung
- Klassierung
- Wertstoffkonzentrierung
sollten alle Störstoffe (Karbonate ...) entfernt werden, um die nachfolgenden Verfahrensstufen zu entlasten.
Im folgenden sauren Aufschluss wird nach der Abtrennung ungelöster Bestandteile der Einsatzstoff für die Elektrolyse gewonnen.
Die Elektrolyse ist Stand der Technik. Besonders die Kupferraffination hat einen hohen Entwicklungsstand erreicht und kann für die Gewinnung anderer Metalle das know how liefern.
3. Schmelzflusselektrolyse
3.1 Eisenherstellung
Metalle mit einem negativen Normalpotential lassen sich in wässriger Phase elektrolytisch nicht abscheiden. Das betrifft besonders die viel genutzten Metalle Eisen, Mangan, Titan, Aluminium und Zink.
Bei oxydischen Erzen bietet sich die Reduktion durch Alkalimetalle an. Hierbei istLithium wegen des geringeren Dampfdrucks und geringeren Korrosivität am besten geeignet .
Für Herstellung von Eisen :
Fe3 O4 + 8 Li = 3 Fe + 4 Li2O
Das Lithium wird durch Schmelzflusselektrolyse erzeugt:
Li2 O = 2Li + 0,5 O2
Hierbei istLithium wegen des geringeren Dampfdrucks und geringeren Korrosivität am besten geeignet .
Um das Eisen in flüssiger Form zu erhalten, muss die Prozesstemperatur über seinem Schmelzpunkt liegen.
Schmelzpunkte:
- Fe 1537°C
- Fe3 O4 1538°C
- Li2O 1570°C
Probleme bereitet der Siedepunkt von Lithium von 1330°C. Um einen erhöhten Prozessdruck zu vermeiden, kann man ein Gemisch von Li/Li2O verwenden. LI2O siedet bei 2600°C. Wenn man die Prozesstemperatur mit 1600°C wählt, sollte die Mischung etwa 70% Li und 30% LI2O enthalten. Daten für das binäre Stoffsystem Li/Li2O konnten nicht gefunden werden.
Für die Technologie ergibt sich folgendes Schema.
Die Aufbereitung muss einen geringen Anteil an Störstoffen erlauben, denn die Störstoffe können die Eigenschaften des Lithiumgemisches nachteilig beeinflussen und müssen nach der Reduktion aus dem Prozess entfernt werden.
Die Erzaufbereitung, insbesondere die Entfernung von Störstoffen ist sehr wichtig, weil die Alkalimetalle fast alles reduzieren können.
Die Erzaufbereitung ist entscheidend für die Produktqualität und die Effektivität des Verfahrens.
Bei der Reduktion fällt reines Eisen an, das sich wegen seiner hohen Dichte gut von der alkalischen Schmelze abtrennen lässt.
Andere reduzierte Stoffe lösen sich in der Eisenschmelze und beeinflussen die Qualität des Endprodukts. In Eisen nicht lösliche Stoffe lösen sich in der alkalischen Schmelze (andere Alkalimetalle, Erdalkalien ?…). Stoffe, die weder In Eisen noch alkalisch löslich sind, sind schwer aus der Schmelze abzutrennen. Das zeigt die große Bedeutung der Vorreinigung.
Die Reduktion erfordert eine intensive Mischung der Komponenten. Für diesen Zweck können Apparate auf der Basis des magnetohydrodynanischen Effekts entwickelt werden, über die auch die Wärmezufuhr erfolgen kann.
Die Trennung sollte keine größeren Probleme bereiten, denn die Dichtedifferenzen der beteiligten Stoffe sind ausreichend hoch. Probleme können entstehen, wenn größere Mengen an Störstoffen aus dem Kreislauf abgeschieden werden müssen.
Die Schmelzflusselektrolyse ist Stand der Technik. Unsicherheiten bringt die hohe Prozesstemperatur, die geänderte Anforderungen an die Werkstoffe stellt.
Das Endprodukt ist Eisen, dass sich von dem aus dem Hochofen merklich unterscheidet. Es enthält weniger Störstoffe wie Schwefel, Silizium, Phosphor aber auch keinen Kohlenstoff. Es ist für die Herstellung hochwertiger Stähle gut geeignet.
3.2 Siliziumherstellung
Analog zur Eisenherstellung ist auch die Herstellung von Silizium möglich. Silizium schmilzt bei 1410°C. Nachteilig könnte sich die geringere Differenz zwischen der Lithiumoxidschmelze ( 2,01 g/cm3 ) und Si (2,33 g/cm3 ) bei der Abtrennung des Siliziums auswirken.
4. Entwicklungsaufgaben
- Ermittlung des Siedeverhaltens des binären Stoffsystem Li/Li2O
- Ermittlung des Einflusses von störenden Bestandteilen
- (Alkalimetalle, Erdalkalimetalle)
- Korrosion durch eine Li/Li2O-Schmelze auf relevante Werkstoffe bei 1600°C
- Mischvorgänge in Li/Li2O-Schmelze
- Aufbereitung der Einsatzstoffe: Die vorhandenen Technologien sind anzupassen und zu optimieren, dass ein Einsatzstoff mit einem geringen Anteil an Störstoffen geliefert wird. Die Verwertung der Störstoffe ist zu sichern.
- Aufbereitung der Schmelze: Natrium und Kalzium sind häufige Nebenbestandteile im Erz und werden sich in de Schmelze anreichern. Dabei vergrößert sich die Menge und die Eigenschaften der Schmelze. Der Überschuss muss abgetrennt werden. Die Technologie für seine Aufbereitung muss noch entwickelt werden.
5. Ausblick
Die Erzeugung von Metallen, insbesondere von Eisen bringt große Vorteile gegenüber Technologien unter Einsatz
von Wasserstoff:
- weniger Prozesstufen
- weniger Energieaufwand
- geringere Umweltbelastung
Als Standort bietet sich Norddeutschland wegen seines günstigen Energieangebots an.
Noch bessere Bedingungen hat Namibia.
- Ideal für die Photovoltaik
- Eisenerz aus Südafrika
Besuchen Sie auch meine Seiten :
www. oelausbiomasse.de
www.mehrphasenapparat.com
www.organischeabfaelle.de
www.elektrometallurgie.de