Aus- und Weiterbildung

Chemie – Kupferbergbau (Mittelstufe)

1. Einleitung

Metallabbau

Metalle sind oftmals als Verbindungen in Erz zu finden. Ein Erz ist ein Gestein oder Mineral, das genug Metall enthält, dass es sich lohnt, dieses zu extrahieren. Im Fall von Kupfer lohnt sich die Extraktion, wenn es ungefähr 2 kg Kupfer pro 1000 kg Erz gibt.

Kupferabbau

Erz, das natürlich an vielen Orten weltweit vorkommt, wird zu Kupfer veredelt. Die fünf größten Abbauländer sind Chile, die Vereinigten Staaten, Peru, Australien und Russland. Die wichtigsten Kupfererze sind: Chalcopyrit, Bornit und Malachit. Die Erze werden entweder durch traditionellen Abbau (Tagebau oder Untertagebau) oder durch Auswaschen extrahiert. Anschließend wird das Kupfer unter Einsatz physikalischer und chemischer Techniken gewonnen.

In diesem Abschnitt beschäftigen wir uns damit, wie das Kupfer aus seinen Erzen abgebaut und gewonnen

2.  Verarbeitungsstufen

Kupfermineralien und Kupfererz finden sich überall in der Erdkruste. Sie kommen sowohl in sedimentären als auch magmatischen Gesteinen vor. Die äußere, 10 km dicke Kruste enthält 33 g Kupfer pro Tonne Gestein. Dies ist nicht genug, um die Extraktion des Gesteins kommerziell rentabel zu machen. Kupferminen werden nur dort errichtet, wo es mehr als 5 kg Kupfer pro Tonne Gestein (0,5 % Masseprozent) gibt. Idealerweise sollte die Zahl näher an 2 % liegen.

• Abbau: Das Erz wird entweder im offenen Tagebau oder im Untertagebau aus dem Boden entfernt.

• Das Erz: Ein Erz ist ein Gestein, das genug Metall enthält, dass es sich lohnt, dieses zu extrahieren. Die wichtigsten Kupfererze sind Chalcopyrit, Bornit und Malachit.

• Mahlen: Das Erz wird zerkleinert und dann zu Pulver gemahlen.

• Anreicherung: Das Erz wird unter Einsatz des sogenannten Flotationsverfahrens (Schwimmaufbereitung) angereichert. Unerwünschtes Material (taubes Gestein genannt) sinkt nach unten und wird entfernt.

• Rösten: An dieser Stelle setzen die chemischen Reaktionen ein. Das pulverisierte, angereicherte Erz wird in 500°C und 700°C heißer Luft erhitzt, um Schwefel zu entfernen und um das Erz, das nach wie vor festes sogenanntes Röstgut ist, zu trocknen.

• Schmelzen mit Schmelzmitteln: Ein Schmelzmittel ist ein Stoff, der dem Erz beigefügt ist, damit dieses einfacher schmilzt. Das feste Röstgut wird auf 1200°C erhitzt und schmilzt. Einige Verunreinigungen werden entfernt, die eine Schlacke bilden und Kupferstein (eine Mischung aus flüssigem Kupfer & Eisensulfid) zurücklassen.

• Umwandlung des Kupfersteins: Luft wird in den flüssigen Kupferstein geblasen und bildet Blisterkupfer. Seinen Namen hat es aufgrund der Gasbläschen, die in den festgeformten Blasen an der Oberfläche eingeschlossen sind.

• Gussanoden: Das Blisterkupfer wird in Anoden für die Elektrolyse gegossen.

• Elektrolytische Raffination: Das Kupfer wird mittels Elektrolyse zu 99,99 % gereinigt. Es ist wie eine Riesenversion eines Schullaborexperiments.

3. Vom Erz zum Kupfer

Auf der vorherigen Seite haben wir die Hauptphasen der Kupferproduktion vorgestellt. Hier werden wir uns jetzt mit den Schritten beschäftigen, bevor chemische Reaktionen eintreten.

Abbau

Kupfer kann aus seinem Erz gewonnen werden mittels:

1. Traditionellem Abbau

• Untertagebau: Abteufen eines vertikalen Schachtes in den Erdboden bis zu einer entsprechenden Tiefe und Vortrieb horizontaler Tunnelstrecken in das Erz.
• Tagebau: 90 % des Erz werden mittels dieser Methode gewonnen. Oberflächennahe Erzvorkommen können nach Entfernung der Oberflächenschichten abgebaut werden.

2. Auswaschen: Das Erz wird mit verdünnter Schwefelsäure behandelt. Sie sickert langsam durch das Erz, wobei sie das Kupfer auflöst und sich Kupfersulfat bildet. Das Kupfer wird durch elektrolytische Raffination gewonnen. Die Vorteile dieses Verfahrens sind, dass:
• viel weniger Energie verwendet wird als beim traditionellen Abbau
• keine Abgase abgegeben werden • es bei Erzvorkommen eingesetzt werden kann, die lediglich 0,1 % Kupfer aufweisen – aus diesem Grund gewinnt die Extraktion durch Auswaschen an Bedeutung.  

Was ist ein Erz?

Es gibt weltweit viele Arten von Kupfererz. Ungefähr 80 % allen abgebauten Kupfers stammt aus Schwefelerzen.


Ein typisches Erz beinhaltet nur 0,5 % bis 2,0 % Kupfer. Hierbei handelt es sich um einen gemessenen Kupferwert, bei dem es sich lohnt das Kupfer aus derartig kleinen Anreicherungen zu schürfen. Das Erz ist eine Mischung aus Mineralien und Gestein (sogenanntes taubes Gestein). Die am häufigsten vorkommenden Kupfermineralien sind:


Mineral

Formel

Aussehen

% Kupfer in Mineralien

Cuprit

Cu2O

Rot, erdfarben

89

Chalkosin

Cu2S

Dunkelgrau, metallisch

80

Bornit

Cu5FeS4

Goldbraun, metallisch

63

Malachit

CuCO3Cu(OH)4

Hellgrün, erdfarben

58

Azurit

2CuCO3Cu(OH)4

Blau, glasig

55

Chalkopyrit

CuFeS2

Goldgelb, metallisch

35

Im ersten Schritt wird das taube Gestein physikalisch entfernt.

Anreicherung des Erzes

Das Erz wird zerkleinert, zermahlen und dann mittels des Flotationsverfahrens angereichert (konzentriert). Das pulverförmige Erz wird mit einem speziellen Paraffinöl vermischt, das die Kupfermineralpartikel wasserabweisend macht. Anschließend wird es in ein Wasserbad eingeleitet, das einen Schaumerzeuger enthält. Dadurch entsteht eine Art Schaumbad.

Wenn Luftströme durch das Bad nach oben gedrückt werden, werden die wasserabweisenden Kupfermineralpartikel von den Schaumblasen aufgenommen. Sie schweben an die Oberflächen und bilden einen Schaum. Das unerwünschte Nichterz (taubes Gestein) fällt auf den Boden und wird entfernt.

Der Schaum wird von der Oberfläche abgeschöpft und das angereicherte Erz (vorrangig das Kupfermineral) wird zum Rösten weggebracht. Die Mischung aus Wasser, Schaumerzeuger und Paraffin wird recycelt.

Nach dieser Stufe enthält das angereicherte Erz nun ungefähr 25 % Kupfer in Masseprozent.

4. Chemische Reaktionen

In dieser Verfahrensstufe beginnen die chemischen Reaktionen. Sie wandeln die Kupfermineralien in Kupfermetall um.

Wir können die Verfahrensarten veranschaulichen, indem wir das Chalkopyrit (CuFeS2) als Beispiel verwenden. Anhand der Formel ist klar, dass Eisen und Schwefel entfernt werden müssen, um Kupfer zu produzieren.

Rösten

Beim Rösten verändern wir einige der CuFeS2 zu Kupferoxid und entfernen einige der Sulfide als Schwefeldioxid. Hierfür erwärmen wir das angereicherte Erz aus dem Flotationsverfahren. Es wird auf bis zu zwischen 500 °C bis 700 °C in der Luft erwärmt. Das aus dem Röstofen kommende Produkt wird Röstgut genannt. Es handelt sich um ein festes Gemisch aus Oxiden, Sulfiden und Sulfaten. Eine Reaktion, die stattfindet, ist:

2CuFeS2(s) + 3O2(g) → 2FeO(s) + 2CuS(s) + 2SO2(g)

Da SO2 gefährlich ist, muss es von den in die Umwelt freigesetzten Gasen entfernt werden. Eine Möglichkeit das Problem zu lösen ist, SO2 in Schwefelsäure umzuwandeln. Hierbei handelt es sich um ein wertvolles Nebenprodukt, das dabei hilft, die Kosten der Kupfergewinnung auszugleichen.

Schmelzen mit Schmelzmitteln

Das Röstgut wird mit Schmelzmitteln, z. B. Kieselerde und Kalkstein, auf über 1200 °C erhitzt. Das Röstgut schmilzt und reagiert mit den Schmelzmitteln. Einige Verunreinigungen bilden eine Schlacke, die auf der Flüssigkeitsoberfläche (wie Öl auf Wasser) schwimmt und problemlos entfernt werden kann.

Zum Beispiel:

FeO(s) + SiO2(s) → FeO.SiO2(l)

Dieses Verfahren ist der Entfernung von Verunreinigungen im Hochofen sehr ähnlich. Die übriggebliebene Flüssigkeit ist eine Mischung aus Kupfersulfiden und Eisensulfiden und wird Kupferstein genannt.

Umwandlung von Kupferstein in Kupferblister

Das flüssige Kupferstein wird mit Luft oxidiert, um in einem Konverter Blisterkupfer zu bilden.

Die Reaktionen sind:

a) Entfernung von Eisensulfiden mittels Oxidation zu Eisenoxid, das eine Schlacke bildet:

2FeS(l) + 3O2(g) + SiO2(l) → 2FeO.SiO2(l) + 2SO2(g)

b) Bildung von Blisterkupfer mittels der Reduktion von Kupfersulfiden:

Cu2S(l) + O2(g) → 2Cu(l) + SO2(g)

Bei dem durch dieses Verfahren gewonnenen Blisterkupfer handelt es sich zu 99 % um reines Kupfer. Der Name ‚Blister‘ kommt daher, dass bei diesem abschließenden Verfahren Schwefeldioxidbläschen auf der Kupferoberfläche entstehen. Das Blisterkupfer wird für die elektrolytische Raffination in Anoden gegossen.

5. Elektrolyse

Das Blisterkupfer ist bereits nahezu rein (mehr als 99 % Kupfer). Allerdings ist das für den heutigen Markt nicht wirklich rein genug! Es wird unter Einsatz der Elektrolyse weiter gereinigt. Dieses Verfahren ist als elektrolytische Raffination bekannt.

Das Blisterkupfer wird in große Platten gegossen, die als die Anoden im Elektrolysegerät verwendet werden. Die elektrolytische Raffination von Kupfer produziert das hochwertige, hochreine, von der Industrie geforderte Kupfer.

Elektrolyse

Ihr könnt dieses Verfahren durchaus in eurem Schullabor durchführen.

In der Industrie wird dieses Verfahren im großen Stil durchgeführt. Selbst die beste chemische Methode kann nicht alle Verunreinigungen aus dem Kupfer entfernen. Aber mit der elektrolytischen Raffination ist es möglich, 99,99 % reines Kupfer zu produzieren.

Die Blisterkupferanoden werden in einen Elektrolyt eingetaucht, der Kupfersulfat und Schwefelsäure enthält. Reine Kupferkathoden werden zwischen den Blisterkupferanoden angeordnet und eine Stromstärke von 200 A fließt durch die Lösung.

Was passiert bei der Elektrolyse?

Unter diesen Bedingungen lösen sich Kupferatome von der unreinen Anode, um Kupferionen zu bilden. Diese wandern in Richtung der Kathoden, wo sie sich als reine Kupferatome wieder ablagern.

An der Anode: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e-

An der Kathode: Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

Hierbei handelt es sich um die gleiche Reaktion wie die, die ihr vielleicht im Schullabor ausprobiert habt.

Elektrolyse im Labor

Wenn wir den Schalter schließen, beginnen Kupferionen an der Anode sich durch die Lösung in Richtung der Kathode zu bewegen. Die Kupferatome haben bereits zwei Elektronen zur Umwandlung in Ionen abgegeben und ihre Elektronen können sich frei in den Drähten bewegen. Durch das Schließen des Schalters werden die Elektronen im Uhrzeigersinn bewegt und einige Kupferionen in die Lösung gedrängt.

Die Zelle schiebt die Ionen von der Anode zur Kathode. Gleichzeitig schubsen sie die freien Elektronen um die Drähte (diese Elektronen sind bereits überall in den Drähten verteilt). Die Elektronen vereinigen sich in der Kathode wieder mit den Kupferionen aus der Lösung, wobei sich eine neue Schicht von Kupferatomen bildet.

Die Anode wird allmählich erodiert und die Kathode wächst. Unlösliche Verunreinigungen in der Anode fallen auf einen Haufen auf dem Boden. Dieses wertvolle Nebenprodukt wird entfernt.

Was passiert mit den Verunreinigungen?

Gold, Silber, Platin und Zinn sind in diesem Elektrolyt unlöslich und lagern sich somit nicht an der Kathode ab. Sie bilden eine wertvolle ‚Schlacke‘, die sich unter den Anoden ansammelt.

Unlösliche Eisen- und Nickelverunreinigungen lösen sich im Elektrolyt auf, der kontinuierlich gereinigt werden muss, um eine übermäßige Ablagerung auf den Kathoden zu vermeiden. Dies würde die Reinheit des Kupfers verringern.

Seit kurzem werden Kupferkathoden durch Edelstahlkathoden ersetzt. Es finden identische chemische Reaktionen statt. Die Kathoden werden in regelmäßigen Abständen entfernt und das reine Kupfer wird abgekratzt.

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