Aufbereitung – Vom Rohmaterial zum verkaufsfähigen Konzentrat
Erze stellen meist eine Kombination aus werthaltigen Verbindungen und unerwünschtem Gestein dar. Die Metalle bilden oftmals Verbindungen, z.B. mit Sauerstoff oder Schwefel oder bilden beispielsweise karbonatische oder silikatische Komplexe. Diese Verbindungen sind in der Regel das Ziel von Explorationstätigkeiten und stellen im Bergbau den begehrten Rohstoff dar. Doch die Wertelemente und ihre Verbindungen sind im Normalfall mit weiterem Gestein verwachsen, das keinen kommerziellen Nutzen besitzt.
Um ein verkaufbares Endprodukt zu erzeugen oder um auf längeren Transportstrecken die unnötige (und kostenintensive) Bewegung von wertlosem Material zu reduzieren, ist die Trennung der werthaltigen Verbindungen vom Nebengestein erforderlich – durch die Anwendung von Aufbereitungsverfahren wird ein Konzentrat mit erhöhtem Anteil an Wertelementen produziert.
Abb. 1 – Gestein mit komplex verwachsenen Wertelementen.
Als Beispiel für Verwachsung der Erzminerale mit wertlosem Gestein sind in Abbildung 1 flaserige bis lagige Bereiche in grau und rot markiert. Im Rahmen der Aufbereitung besteht das Ziel vornehmlich darin, die einzelnen Komponenten möglichst vollständig voneinander zu trennen, wobei die Verluste an Wertelementen sowie der finanzielle Aufwand in Relation zum möglichen Ertrag stehen müssen.
Abb. 2 – Gebrochenes Material mit unzureichender Trennung der Materialphasen.
Einer der ersten Schritte nach dem Lösen des Materials ist oftmals die Zerkleinerung in einem Brecher, teilweise gefolgt von einem sekundären Zerkleinerungsschritt in einer Mühle – bereits hier können je nach der verwendeten Maschinerie (Backenbrecher, Kegelbrecher, Kugelmühle, Stabrohrmühle, Hammerschlagmühle, Scheibenschwingmühle uvm.) unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden.
Abb. 3 – Optimal aufbereitetes Gestein erlaubt vollständige Gewinnung der Wertelemente.
Ungeachtet der gewählten Methode ist das gewünschte Ziel die möglichst vollständige Trennung der werthaltigen Elemente von wertlosem Gestein (Abbildung 3). Vereinfacht lässt sich sagen, dass eine feinere Aufmahlung des Materials eine bessere Abtrennung der gewünschten Minerale und Verbindungen ermöglicht, wobei hier der Lagerstätten- und Mineralisationstyp eine wesentliche Rolle spielen. Je feiner jedoch das Gestein zerkleinert werden soll, desto kosten- und zeitintensiver ist allerdings auch die Aufbereitung. Das Ziel einer profitabel und sinnvoll arbeitenden Mine ist folglich, bei möglichst geringem finanziellen Aufwand die Ausbringungsrate (recovery rate; Anteil der gewonnenen Wertelemente in Relation zu der insgesamt vorhandenen Menge an Wertelementen) maximal auszuschöpfen.
Der Grad der Zerkleinerung spielt dabei zwar eine wesentliche Rolle, letztendlich stellt er jedoch nur einen der möglichen Schritte der Optimierung dar.
Abb. 4 – Händische Sortierung werthaltiger Gesteinsbruchstücke.
Wie vereinfacht in Abbildung 4 dargestellt, ist die händische Aufbereitung von Erz eine simple Methode. Besonders in Regionen mit niedrigeren Löhnen oder bei Material mit hohem Wert kann eine Konzentration der werthalteigen Elemente durch menschliches Personal erfolgen. Auch bei Erz, das sich großteils auf wenige Gesteinsbruchstücke beschränkt, kann sich diese Art der weiteren Aufbereitung lohnen. Da Löhne jedoch einen wesentlichen finanziellen Faktor dieser Methode darstellen, ist dieses Verfahren nur bei kleineren Mengen an Material sowie in Ländern mit niedrigen Personalkosten praktikabel.
Eine flexiblere und kostengünstigere Alternative stellt eine Separation mit Hilfe gravitativer Prozesse dar.
Abb. 5 – Gravitative Trennung des zerkleinerten Materials aufgrund unterschiedlicher Dichte. (1) Waschrinne, (2) Hydrozyklon, (3) Suspension / Schwere Flüssigkeit.
Die Trennung von wertvollem Material und ungewünschtem Nebengestein erfolgte bereits zu historischen Zeiten mit Waschrinnen und Waschpfannen. Dabei wird das Prinzip ausgenutzt, dass Material höherer Dichte schneller sedimentiert, als Material geringerer Dichte. Mit einer Waschrinne (Abbildung 5.1) können große Mengen an Gestein durchgesetzt und aufkonzentriert werden. Dieses Konzentrat kann in der Folge händisch aufbereitet werden, um die gewünschte Reinheit der Wertelemente und damit ein verkaufsfähiges Produkt zu erreichen. Auch in einem Hydrozyklon (Abbildung 5.2) wird die unterschiedliche Dichte von Material ausgenutzt. Durch den nach unten verjüngten Konus sowie die unterschiedliche Fließgeschwindigkeit des Wassers sinken die schweren Minerale nach unten, während die leichteren über einen Auslass am Top ausgetragen werden. Diese Technik erfordert eine gleichbleibende Körnung des eingebrachten Materials sowie eine genaue Einstellung der Strömung, die an das auftretende Material angepasst sein muss.
Das in Abbildung 5.3 dargestellte Verfahren findet oftmals in Labors Anwendung. Spezielle Flüssigkeiten, die eine Dichte von deutlich über 2,5 g/cm³ besitzen können (zum Vergleich: die Dichte von Wasser beträgt 1 g/cm³), ermöglichen die Trennung von Material unterschiedlicher Dichte. Im industriellen Maßstab wird diese Technik beispielsweise in der Reinigung von Kohle angewendet.
Doch nicht nur die Dichte kann zur Trennung verschiedener Materialien genutzt werden.
Abb. 6 – Trennung von Material mit Hilfe eines Magnetscheiders.
Eine weitere und zudem weit verbreitete Technik stellt der Einsatz von Magnetscheidern dar. Je nach Material und gewünschtem Wertelement stellt das mit dem Magneten abgetrennte Material Ausschuss oder den begehrten Rohstoff dar. So lassen sich zum Beispiel einige eisenhaltige Minerale aus Goldkonzentraten entfernen und ermöglichen so eine erhöhte Reinheit des Konzentrates. Bergbau auf Eisenerz hingegen kann mit dem Magneten die gewünschten eisenhaltigen Minerale vom wertlosen Nebengestein abtrennen, auch hier gilt, dass die Technik je nach Lagerstättentyp und Wertelement gezielt ausgewählt und justiert werden muss.
Abb. 7 – Identifikation von werthaltigem Material mit Hilfe eines Röntgendetektors.
Eine weitere Technik zur gezielten Abtrennung werthaltiger Gesteinsbruchstücke stellt der Einsatz von optischen oder vergleichbaren analytischen Techniken dar (schematisch in Abb. 7 verdeutlicht). Mit Hilfe von Röntgenstrahlung oder über den Einsatz von Röntgenfluoreszenz lassen sich sowohl Stoffströme über Förderbandsysteme leiten als auch gezielt einzelne Gesteinsbruchstücke aussortieren. Unter anderem wird in der Produktion und Aufbereitung von Wolframerzen auf diese Technik zurückgegriffen, um das werthaltige Material vom tauben Gestein zu separieren. Auch bei großen Tagebauen kann über diese Technik eine automatische Steuerung der Förderbänder erfolgen, um gezielt verschiedene Haufwerke oder Abraumhalden mit Material bestimmter Zusammensetzung zu beschicken.
In deutlich größerem Umfang als analytische Verfahren mit Röntgenstrahlung wird die Technik der Flotation angewendet (Abbildung 8).
Abb. 8 – Flotation. (1) Nach Materialzufuhr, (2) nach erfolgter Separation).
Für diesen Prozess wird das zu einem feinen Pulver aufgemahlene Material mit Wasser und Chemikalien vermischt. Unter Zugabe von Luft bildet sich an der Oberfläche der Suspension ein Schaum, in dem die gewünschten Wertelemente angereichert sind, das unerwünschte Material sinkt in der Flüssigkeit ab. Als einfachster Schritt können auf diese Weise z.B. sulfidische von silikatischen Verbindungen getrennt werden, je nach Mischung der Chemikalien und ihrer jeweiligen spezifischen Eigenschaften können auch spezielle Verbindungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgetrennt werden. Insbesondere bei polymetallischen Lagerstätten bildet die Flotation eine ausgezeichnete Möglichkeit, um hochwertige Konzentrate von Kupfer, Zink und Blei herzustellen.
Die chemische Lösung von Wertelementen stellt insbesondere bei Minenoperationen mit niedrigen Erzgehalten eine wesentliche Rolle. Der gezielte Einsatz von Chemikalien, als Beispiele sind Schwefelsäure oder Cyanidlauge zu erwähnen, ermöglicht insbesondere in Verbindung mit dem Prinzip der Haufenlaugung die wirtschaftliche und kommerziell erfolgreiche Ausbringung von Wertelementen aus großen Mengen Gestein. Ein relevanter Schritt ist auch bei diesem Prozess die Größe des Bruchkorns. Der Einsatz von chemischen Verbindungen zur Lösung werthaltiger Elemente (Abbildung 9) erfordert vergleichbar zu anderen Verfahren einen möglichst hohen Aufschlussgrad der werthaltigen Substanz.
Abb. 9 – Lösung werthaltiger Elemente durch Einsatz von Chemikalien. (1) Zerkleinertes Rohmaterial, (2) Zugabe der chemischen Verbindung, (3) werthaltige Elemente wurden aufgelöst.
Im Inneren großer Bruchstücke eingeschlossene Wertelemente, die nicht in Kontakt mit den Chemikalien gelangen, können in der vorgesehen Zeit nicht gelöst werden und reduzieren so die Ausbringungsrate. Eine feinere Körnung bewirkt zwar eine größere Wahrscheinlichkeit, dass die werthaltigen Verbindungen an der Kornoberfläche aufgeschlossen werden und damit in Kontakt mit den relevanten Chemikalien gelangen können. Im Gegenzug verhindert eine feine Körnung den ungehinderten Durchfluss der flüssigen Reagenzien und reduziert damit ebenfalls die Ausbringung.
Die Prozesse der Aufbereitung stellen einen eigenen relevanten Zweig im Betrieb einer Mine dar. Dabei sind nicht nur die nötigen Schritte und Methoden gezielt auf die Lagerstätte und die vorherrschende Mineralisation abzustimmen, auch die einzelnen Aspekte der jeweiligen Verfahren sind auf die jeweiligen Eigenheiten des Gesteins abzustimmen.
Allgemein lässt sich festhalten, dass es kein allgemeingültiges Rezept für die 'richtige' Aufbereitung gibt, neben den geologischen und mineralogischen Faktoren stellen auch geographische, umwelttechnische, politische und wirtschaftliche Fragestellungen und Herausforderungen einen Rahmen dar, in dem das Management einer Firma mit Hilfe der Techniker einen 'goldenen' Mittelweg finden muss.
Dabei stellt die Vielzahl an Möglichkeiten nicht nur eine große Herausforderung, sondern auch eine Chance zur steten Optimierung dar. Die Aufbereitung stellt den wichtigen Schritt des Erzes aus der Lagerstätte hin zu einem kommerziellen Produkt dar, an dem sich einige Unternehmen trotz einer guten Lagerstätte verheben. Als Anleger sollte deshalb, insbesondere bei Firmen die sich im Aufbau einer Mine befinden, auf die vorhandene Kompetenz des Managements in Bezug auf die technischen Aspekte des Abbaus, der Aufbereitung und des Vertriebs geachtet werden.
