Extraktion von Kupfer und Gold aus Feinstfraktionen von Schlacken

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197 Kupfer und Gold aus Schlacken

Extraktion von Kupfer und Gold aus Feinstfraktionen von Schlacken

Christian Fuchs und Martin Schmidt

1. Aufbereitung von MV-Schlacken ...197

1.1. Ökonomische und ökologische Bedeutung ...197

1.2. Stand der Technik ...198

1.3. Weiterentwicklungen ...198

2. Aufbereitung der Feinstfraktion von MV-Schlacken ...199

2.1. Rückgewinnung von NE- und Edelmetallen beim Trockenaustrag ...199

2.2. Rückgewinnung von NE- und Edelmetallen beim nassen Austrag ...200

3. Synergien durch die Verwendung ergänzender Technologien ...207

1. Aufbereitung von MV-Schlacken 1.1. Ökonomische und ökologische Bedeutung

Die fachgerechte Aufbereitung von Hausmüllverbrennungsschlacke (MV-Schlacke) gewinnt weiter an Bedeutung. In Zentraleuropa ist der Betrieb von Abfallverbren- nungsanlagen zur energetischen Verwertung von Abfällen seit vielen Jahren Stand der Technik. In anderen europäischen Ländern erhält diese Verfahrenstechnik auch Bedeutung. Insbesondere in Polen werden zur Zeit die ersten Verbrennungsanlagen gebaut, um auch dort der geltenden europäischen Abfallpolitik Rechnung zu tragen.

Dieser Trend wird sich auch in anderen osteuropäischen Ländern fortsetzen.

Neben der Energiegewinnung ist diese Technik gut geeignet, das Volumen der Abfall- ströme zu reduzieren. Hochmoderne und effiziente Abgasreinigunssysteme sorgen dafür, dass keine grenzwertüberschreitenden Emissionen in die Umwelt gelangen. Im Ergebnis des Verfahrens verbleiben außer den Abgasreinigungsrückständen Rost- und Kesselasche, die so genannte MV-Schlacke.

Die Schlacke beinhaltet einen hohen mineralischen Anteil, der sich als Sekundärbau- stoff eignet und ökologisch sinnvoll verwertet wird. Die MV-Schlacke muss chemisch- physikalische Prozesse durchlaufen und mechanisch aufbereitet werden. Mit der Auf- bereitung wird grobkörniges Material zerkleinert, unverbrannte Bestandteile werden entfernt und möglichst alle metallischen Bestandteile zur Verwertung abgetrennt.

Die Rückgewinnung der Metalle und deren Rückführung in den Wirtschaftskreislauf leisten einen wichtigen Beitrag zur Ressourcenschonung.

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Christian Fuchs, Martin Schmidt

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1.2. Stand der Technik

Die Aufbereitung von MV-Schlacken begann bereits in den sechziger Jahren und hat sich kontinuierlich weiterentwickelt, getrieben durch unterschiedliche Aspekte. Zum einen durch hohen Bedarf an kostengünstigen Baumaterialien, forciert durch die Um- weltgesetzgebungen, die die Verwertung von Sekundärrohstoffen vorschreiben, und zum anderen wegen der steigenden Preise für strategisch wichtige Metalle.

Insbesondere in den vergangenen acht Jahren wurden von der Recyclingindustrie erhebliche Aufwendungen getätigt, um bessere Qualitäten der verwertbaren Schlacken zu generieren, einhergehend mit dem Bedürfnis, die Rückgewinnungsraten an Fe- und NE-Metallen kontinuierlich zu steigern.

Noch bis 2010 hat sich kaum ein Aufbereiter von MV-Schlacken um die Feinfraktion im Körnungsbereich von null bis acht oder null bis zwölf Millimeter gekümmert. Alles was größer war, konnte mit bis dahin verfügbarer Technik einfach zurück gewonnen werden. Sowohl die Hersteller von Aufbereitungsmaschinen, als auch deren Betreiber haben seither die Notwendigkeit und das Potenzial erkannt, auch feinkörnigere Frak- tionen der MV-Schlacke zu behandeln.

Heute sind Technologien verfügbar, die die Rückgewinnung von NE-Metallen bis zu einer Größe von zwei Millimeter ermöglichen.

1.3. Weiterentwicklungen

Erweiterung des Körnungsspektrums

Für die erfolgreiche Aufbereitung der MV-Schlacke im Körnungsbereich von zwei bis hundert Millimeter sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Ein wichtiger Einfluss ist die Feuchtigkeit von MV-Schlacke. Erst nach Reduktion und Optimierung des Wassergehalts von nass ausgetragener MV-Schlacke lässt sich diese mehr oder weniger störungsfrei bearbeiten. Nasse Schlacke neigt zum Kleben und Anbacken, sowie zur Bildung von Konglomeraten durch hydraulische Abbindeprozesse.

Ein weiterer Faktor ist die Spreizung der Körnungslinie. Erst durch die Aufteilung des Kornbandes in mindestens drei – besser in fünf – Fraktionen wird eine umfassende Rückgewinnung der in der Schlacke enthaltenen Metalle erreicht.

Verwendung hochwertiger und intelligenter Technologien

Die Bildung mehrerer Fraktionen in einer Körnungslinie ist die Voraussetzung für die Verwendung geeigneter Technologien. Hier bieten die Hersteller von Nichteisenschei- dern (NES) unterschiedliche Aggregate an, die je nach Korngröße effektiv eingesetzt werden können. Generell gilt bei Nichteisenscheidern, je kleiner das Kornband ist, umso wirksamer muss eine solche Maschine ausgelegt sein. Dies bedeutet Betrieb mit höheren Drehzahlen und Verwendung von Hochintensitätsmagneten in den Nichteisen- scheidern, aber auch zur Selektion und Reduktion des zu behandelnden Massenstroms.

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Eine weitere Verfahrenstechnik hat ab dem Jahr 2008 im Bereich der Schlackenaufberei- tung Einzug gehalten. Sensorgestützte Sortierung ist geeignet, alle metallischen Anteile – auch solche, die mit Schlacke behaftet oder gar ummantelt sind – gezielt aus dem Massenstrom zu separieren. Durch die rechnergesteuerte Sensorik und nachgeschalteter Pneumatik können auch sortenreine Edelstahl-Fraktionen mit Sortiermaschinen aus der MV-Schlacke ab einer Korngröße von etwa fünf Millimeter rückgewonnen werden.

Aufbereitung feinkörniger Fraktionen Auch in der MV-Schlackefraktion < 2 mm, der sogenannten Feinfraktion oder Feinstfraktion, sind noch erhebliche Anteile an Wertmetallen enthalten, auch wegen der Verwertung von Shredderleichtfraktionen in thermischen Prozessen. Zusätzlich tragen Reste von Elektronikschrott, die in den Verbrennungsanlagen verarbeitet werden, dazu bei.

Den modernen, leistungsfähigen Nichteisenscheidern sind hier physikalische Grenzen gesetzt. Unter optimalen Bedingungen, insbesondere bei trockenen Schlacken, können diese Geräte Nichteisenmetalle bis zu einem Millimeter Korngröße separieren. Diese günstigen Bedingungen sind bei konventionellen Schlackenaufbereitungsanlagen nicht vorhanden, wodurch das Potenzial an Nichteisen- und Edelmetallen nur bedingt ausgeschöpft werden kann.

2. Aufbereitung der Feinstfraktion von MV-Schlacken

In der Feinstfraktion null bis zwei Millimeter Korngröße der Hausmüllverbrennungs- schlacke befinden sich noch erhebliche Mengen werthaltiger Nichteisen- und Edelme- talle. Außer Kupferlitzen finden sich insbesondere die Edelmetalle, wie Gold, Silber, Platin und Palladium in den feinsten Partikeln der Schlacke wieder, oft angelagert als Beschichtung ehemaliger elektronischer Bauteile, Steckverbindungen oder Kontakte, wie auch elementar, in kleinsten Partikeln.

LAB Geodur beschäftigt sich seit 2011 mit den Möglichkeiten der Rückgewinnung der NE- und Edelmetalle aus der Feinstfraktion. Im Rahmen der Forschungs- & Entwick- lungstätigkeit wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die schweren Nichteisen- und Edelmetalle aus der Schlackenfraktion < 2 mm isoliert und gezielt abgetrennt wurden.

Dieses Verfahren wurde international unter N° PCT/EP2013/075106 zum Patent angemeldet.

2.1. Rückgewinnung von NE- und Edelmetallen beim Trockenaustrag

Die Bemühungen und die Erfolge bei der Rückgewinnung von Nichteisenmetallen bei trocken ausgetragener MV-Schlacke, die durch die KEZO (Kehrichtverwertung Zür- cher Oberland) erreicht wurden, sind bekannt. Durch die Aktivitäten der KEZO und des ZAR (Stiftung Zentrum für nachhaltige Abfall- und Ressourcenwirtschaft) wurde das Potenzial der Feinstfraktion der Schlacken aus Hausmüllverbrennungsanlagen nachgewiesen, das auch zurückgewonnen werden kann. Damit war klar, dass auch in nass ausgetragener MV-Schlacke ein vergleichbares Potenzial enthalten ist.

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2.2. Rückgewinnung von NE- und Edelmetallen beim nassen Austrag

Um dieses Potenzial auch der Feinstfraktion nass ausgetragener MV-Schlacke zu erschließen, wurden vielfältige Versuchsansätze erprobt. Nur in den Ausnahmefällen wird MV-Schlacke trocken aus dem Verbrennungsraum ausgetragen. Weltweit über- wiegen nasse Verfahren. Daher lag es nah, für nasse Schlacke ein nasses Verfahren zur Rückgewinnung der Nichteisen- und Edelmetalle aus der Feinstfraktion der Schlacke mit einer Körnung von null bis zwei Millimeter zu entwickeln.

Aufkonzentrations-Modul (zentralisiert, Onsite/Offsite) Handsortierung

m c f Nassentschlacker

0 – 500 mm

NE-Metalle fein NE-Metalle mittel NE-Metalle grob Edelstahl mittel

Edelmetalle, schwere NE-Metalle fein

leichte NE-Metalle Metal fein

concentrator

Eisenschrott NE-Schrott Edelstahl-Schrott Bestehender

Schlackenaustrag

Modul zur Vorkonzentration Feinfraktion

Aufkonzentration der feinen Schwerteile (Onsite,

in der Nähe des Nassentschlackers)

Konventionelle Schlackenbehandlung

> 2 mm (Onsite/Offsite)

FE-Metallfraktionen

< 100 mm

> 100 mm

2 – 100 mm

0 – 2 mm

Bild 1: Gesamtprozess einer Schlackenaufbereitungsanlage nach heutigem Stand der Technik

Verfahrensentwicklung im Labor und Technikum

Eingehende Recherchen führten zur Erkenntnis, dass ein Verfahren auszuwählen war, das auf einer gravimetrischen Sortierung basiert. Solche Verfahren sind grundsätzlich bekannt, jedoch zuvor nicht in der Recyclingwirtschaft verwendet worden. Nach erster Auswahl scheinbar geeigneter und verfügbarer Maschinen und Aggregate, wurden umfangreiche Versuche im Labor und Technikum durchgeführt. Möglichkeiten, Grenzen und limitierende Einflüsse wurden deutlich. Intensive Entwicklungsarbeit ermöglichte einen verfahrenstechnischen Prozess, mit dem schwere Nichteisenmetalle und Edelmetalle aus der Feinstfraktion von MV-Schlacke als unterschiedliche Kon- zentrate separiert werden können.

Diese Konzentrate fallen als verhüttungsfähige Fraktionen an. Dennoch kann es sinnvoll sein, die Metallkonzentrate dezentral weiter zu konfektionieren, bevor sie den Metallhütten angedient werden.

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Um die elementaren, werthaltigen Metalle aus der Feinstfraktion effektiv zu gewinnen, müssen die MV-Schlacken unverzüglich, innerhalb von 36 Stunden nach dem Austrag aus dem Nassentschlacker behandelt werden, weil sonst puzzolanische Reaktionen, also hydraulische Abbindeprozesse einsetzen, wodurch Metallpartikel in Kristallgit- terstrukturen eingebunden, und damit nicht mehr rückgewinnbar sind.

Extraktion von Kupfer, Gold und weiteren Edelmetallen Das Verfahren zur Extraktion von schweren Nichteisenmetallen, wie Kupfer und Edelmetalle, die naturgemäß hohe spezifische Dichten aufweisen, basiert auf einer gravimetrischen Sortierung der Fraktion null bis zwei Millimeter bei einer Dichte von etwa + 4,5 g/cm³.

Damit auch möglichst alle Partikel der Feinstfraktion null bis zwei Millimeter aufbereitet werden können, wird die gesamte MV-Schlacke im Körnungsbereich null bis hundert Millimeter einer Nassfraktionierung unterzogen. Hierbei werden sämtliche Bestandteile größer zwei Millimeter von den Partikeln mit einer Korngröße kleiner zwei Millimeter getrennt.

Die MV-Schlacke größer zwei Millimeter wird konventionell entwässert und kann unverzüglich der üblichen Aufbereitungstechnik für Schlacken zugeführt, fraktioniert und entmetallisiert werden. Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile:

• Es ist keine Lagerzeit für chemisch-physikalische Prozesse, wie Anhydridbildung oder Abtrocknung zu berücksichtigen.

• Durch die zeitnahe Verarbeitung der Schlacken wird weniger Lagerfläche benötigt, als bisher.

• Es kommt zu keiner Staubbildung, da die Feinstfraktion abgetrennt wurde und die restliche Schlacke feucht ist.

• Bei der konventionellen Aufbereitung der feuchten Schlacke größer zwei Millimeter sind keine Anbackungen auf Vibrationsrinnen und Bändern zu erwarten.

• Technische Anpassungen an der bestehenden Aufbereitungsanlage für MV-Schla- cken müssen nicht vorgenommen werden.

• Wegen der fehlenden hydraulischen Bindungseigenschaften der Schlacke liegen die rückgewonnene Metalle in wesentlich besserer Qualität vor.

• Die aufbereitete Schlacke der Fraktion größer zwei Millimeter weist signifikant bessere chemisch/physikalische Eigenschaften auf.

• Es fallen keine zusätzlichen Reststoffe an, die zu entsorgen sind.

Die Feinstfraktion der MV-Schlacke kleiner zwei Millimeter wird als Suspension dem nachfolgenden Aufbereitungsverfahren zugeführt. Hierbei wird diese Fraktion in einem ersten Schritt entschlämmt, der Anteil kleiner 35 µm abgetrennt und entwässert.

Im nächsten Verfahrensschritt wird ein Teil der magnetischen Bestandteile der ver- bliebenen Feinstfraktion 0,035 bis 2 mm als verwertbares Metallkonzentrat abgetrennt und abgeführt. Das restliche Material durchläuft eine modifizierte, zweistufige Ma- schineneinheit, mit der gravimetrisch der Anteil mit einer Dichte von größer 4,5 g/

cm³gezielt isoliert und als Konzentrat der Stufe eins und zwei getrennt separiert und abgeführt werden kann.

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Es verbleibt die restliche Feinstfraktion der Körnung 0,035 bis 2 mm als Leichtgut, bestehend aus überwiegend mineralischen Bestandteilen mit einer Dichte von kleiner 4,5 g/cm³sowie den Aluminiummetallen mit einer Dichte von kleiner 3,0 g/cm³. Diese Fraktion wird entwässert und aus dem System ausgeschleust.

Bild 2: Modulare Aufbereitungsanlage für die Feinstfraktion von MV-Schlacken

Mit einer modernen Wasseraufbereitungsanlage mit elektronischer Steuerung wird das Prozesswasser im Kreislauf geführt. Überschusswasser fällt nicht an.

Das gesamte System ist modular ausgelegt, benötigt wenig Fläche und wird vollautoma- tisch betrieben. Für unterschiedliche Anlagenstandorte sind angepasste Anlagengrößen für Durchsätze von zwanzig bis fünfzig Tonnen pro Stunde verfügbar.

Bild 3: Modulare Aufbereitungsanlage für die Feinstfraktion von MV-Schlacken einschließlich Nassfraktionierung und Wasseraufbereitung

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Rückgewinnungsraten und Wertigkeit Mit diesem Verfahren können zukünftig weitere Anteile wirtschaftlich und politisch wichtiger Metalle als Sekundärrohstoff zurück gewonnen werden.

In der Masse von 100.000 Tonnen Feinstfraktion von MV-Schlacken der Körnung null bis zwei Millimeter sind folgende Wertmetalle enthalten:

500 µm

Bild 4: Goldpartikel in der Feinstfraktion null bis zwei Millimeter einer MV-Schlacke

• Gold: 25 bis 40 kg

• Silber: 550 bis 620 kg

• Kupfer: 140 bis 180 t

• Zink: 120 bis 200 t

zusätzlich weitere, wie Pd, Pt, Cr, Ni, Mo...

Die bisher mit dem neuen Verfahren erreichbaren Rückgewinnungsraten bei unter- schiedlichen Feinstfraktionen der MV-Schlacke, verdeutlichen die Möglichkeiten ergänzender Aufbereitungstechniken.

Gold Kupfer Silber Zink %

Leichtgut Feinstfraktion A 30,20 57,78 83,68 85,42 Schwergut Feinstfraktion A 69,80 42,22 16,32 14,58 Leichtgut Feinstfraktion B 18,31 56,05 59,51 88,78 Schwergut Feinstfraktion B 81,69 43,95 40,49 11,22 Leichtgut Feinstfraktion C 17,08 53,60 78,30 94,67 Schwergut Feinstfraktion C 82,92 46,40 21,70 5,33 Rückgewinnungsrate

gemittelt 78 44 26 10

Tabelle 1:

Exemplarische Darstellung mög- licher Rückgewinnungsraten bei der Aufbereitung der Feinstfrak- tion der MV-Schlacke

Der Wert der gewonnenen, nachkonfektionierten Konzentrate, die der Verhüttung zugeführt werden können, variiert nach Anteil und Zusammensetzung der schweren Nichteisen- und Edelmetalle und in Abhängigkeit der Weltmarktpreise dieser Metalle.

Tabelle 2: Wert des gewonnenen Konzentrates – bezogen auf den Durchschnitt der drei Metall-Konzentratfraktionen:

Magnetisch, Konzentrat I und Konzentrat II

EUR/t

Schwergut A 3.260

Schwergut B 3.090

Schwergut C 5.950

Mittelwert 4.150

Tabelle 3: Wert des gewonnenen Konzentrates – bezogen auf zwei Metall-Konzen- tratfraktionen, ohne magnetischen Anteil

EUR/t

Schwergut A 5.700

Schwergut B 5.200

Schwergut C 9.350

Mittelwert 6.750

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Wirtschaftliche Kriterien

Das Rückgewinnungspotenzial von schweren Nichteisen- und Edelmetallen als Kon- zentrat aus der Fraktion null bis zwei Millimeter von MV-Schlacke beträgt 0,3 bis 0,6 Prozent, bezogen auf die gesamte aufzubereitende Schlacke der Körnung null bis hundert Millimeter.

Input Rohschlacke

0 – 100 mm

Grobgut > 2 mm Schlämmkorn < 35 μm

Konzentrat III magnetischer Anteil Dichte-

sortierer I 0 – 2 mm Sieb- maschine

FB-Zyklon

Dichte-

sortierer II Leichtgut

0,035 – 2 mm

Konzentrat I Konzentrat II

Bild 6:

Schematische Verfahrensdar- stellung zur Aufbereitung der Feinstfraktion von MV-Schlacke Bild 5: Pilotanlage zur Aufbereitung von MV-Schlacken zur Extraktion von Kupfer und Gold

aus Feinstfraktionen von Schlacken mit einer Durchsatzleistung von zwanzig Tonnen pro Stunde

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Die möglichen Verkaufserlöse für nachkonfektionierte Konzentrate wurden skizziert und sind abhängig von den tatsächlich enthaltenden Metallen und den jeweils geltenden Preisen.

Insbesondere bei bestehenden Aufbereitungsanlagen für MV-Schlacken ist eine Nachrüstung des Verfahrens zur Extraktion von Kupfer, Gold und anderen schweren Nichteisenmetallen aus der Feinstfraktion eine sinnvolle und in Zukunft notwendige Investition.

Die sich daraus ergebenden Vorteile für die konventionelle Verarbeitung der MV- Schlacken > 2 mm können als wertvolle Nebeneffekte bezeichnet werden. Darüber hinaus ist mit diesem Verfahren eine weitergehende Wertschöpfung zu erzielen, die ein Gesamtkonzept zur Aufbereitung von Schlacken aus Hausmüllverbrennungsanlagen abrunden.

3. Synergien durch die Verwendung ergänzender Technologien Ziel ist es, über den Anlagenbau hinaus mit Betreibern von Abfallverbrennungsanlagen MV-Schlacken nach dem neusten Stand der Technik aufzubereiten. Dabei steht das Unternehmen nicht nur als Technologielieferant zur Verfügung, sondern entwickelt ständig eigene Verfahren und Systeme zur optimierten Ausbeute der in der Schlacke enthaltenen Wertstoffe.

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