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Vom Erz zum Metall Effiziente Wege für die Elementanalytik

Vom Erz zum Metall: Effiziente Wege für die Elementanalytik

Metalle sind für moderne Technologien sowie das alltägliche Leben unverzichtbar. Sie müssen meist in aufwändigen Prozessen aus Erzen gewonnen werden und in ihrer Reinheit höchsten Ansprüchen genügen. Mit dem sich ändernden Bewusstsein hin zur Endlichkeit von Rohstoffen gewinnt eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft mit Hilfe des Metallrecyclings an Bedeutung.

Die Wertschöpfungskette in der Bergbau- und Metallindustrie hat im Hinblick auf die Elementanalytik sehr unterschiedliche Anforderungen. In den frühen Phasen, wie der Erkundung von möglichen Bergbaustätten oder der Förderung von Rohmaterialien, müssen meist hohe Elementgehalte in den Ausgangsmaterialien bestimmt werden. In späteren Prozessstufen – zum Beispiel bei der Herstellung hochreiner Metalle und Legierungen – spielt die Analyse auf Spurenelemente und Ultraspurenelemente eine bedeutendere Rolle, etwa in der Qualitätskontrolle. Je nach Aufgabenstellung gibt es unterschiedliche Lösungsansätze für die verschiedenen analytischen Herausforderungen, welche in diesem Artikel betrachtet werden.

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Lernen Sie verschiedene Ansätze, Methoden und Technologien kennen, die den unterschiedlichen Anforderungen in der Wertschöpfungskette der Bergbau- und Metallindustrie gerecht werden und individuell auf Ihre Anwendung zugeschnitten werden können.

 

Die Bedeutung von Metall

Technologischer Fortschritt war und ist nur durch die besonderen und vielfältigen Eigenschaften der Metalle möglich. Fast jedes natürlich vorkommende Metall wird mittlerweile für unser tägliches Leben benötigt. Beispiele hierfür sind: die Verwendung von Eisen in Stahl, von Lithium in Lithium-Ionen-Batterien sowie neuerdings im Bereich der E-Mobilität oder von Kupfer und Edelmetallen als unverzichtbare Komponenten in der Elektronik sowie Halbleiterindustrie. Auch seltene Erden (REE, aus dem Englischen „Rare Earth Elements“) sind für viele Produkte aus dem Bereich der nachhaltigen Energie  einschließlich Windturbinen, Katalysatoren, Energiesparlampen und Elektroautos – essenziell.Außer den Edelmetallen kommen Metalle aber nicht in Reinform vor, sondern gebunden in Mineralen und Erzen  manche sehr verbreitet, manche nur begrenzt in wenigen Regionen der Welt. Aufgrund ihrer enormen Bedeutung lohnt sich ihr Abbau unter Umständen schon bei niedrigen Konzentrationen im Erz.

Doch nicht nur die Gewinnung, sondern auch die Wiederverwendung von Metallen jeglicher Art ist heutzutage von enormer Bedeutung. In Zeiten von Rohstoffknappheit, Unsicherheit hinsichtlich Materialverfügbarkeiten, einem veränderten Verbraucherbewusstsein und dem steigenden Bedarf durch Schwellenländer auf ihrem Weg zur Industrienation wird eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft immer wichtiger.

Daher müssen im Rahmen von Metallrecycling Altmetalle gesammelt und wiederverwertet werden. Metall ist aufgrund seiner beständigen Qualität ein nachhaltiger Werkstoff, welcher meist über Generationen hinweg zwischen Rohstoff und Abfall pendelt. So sind zum Beispiel 80 Prozent des jemals in Umlauf gebrachten Eisens heute noch präsent.

 

Analyse von Metallen, Mineralien und Erzen

Ein Reinmetall zu gewinnen, ist technisch sehr aufwendig, jedoch nötig, da Hochtechnologieanwendungen auch hochreine Rohstoffe benötigen. Die Analyse von Rohstoffen und Zwischenerzeugnissen entlang der Wertschöpfungskette der Bergbau- und Metallindustrie ist daher sehr wichtig, um die Wirtschaftlichkeit der Förderung und die Qualität des Endprodukts zu gewährleisten. Hierbei bestehen unterschiedliche analytische Herausforderungen.

Dazu gehören die Bewertung möglicher Abbaustätten, die Prozesskontrolle in Anlagen wie Hütten oder Gießereien, die Qualitätskontrolle von Rohmaterialien und die Reinheitsprüfung auf Spuren von Verunreinigungen, um nur einige zu nennen. Um diese analytischen Routineaufgaben so effizient wie möglich zu bewältigen, sind sehr robuste, genaue und flexible Messgeräte erforderlich.

In den frühen Phasen der Wertschöpfungskette müssen vor allem viele Rohstoffe analysiert werden, um detaillierte Spezifikationen über das Ausgangsmaterial zu erstellen. Das bedeutet, dass die wichtigsten Gehalte und Konzentrationen von Elementen bestimmt werden müssen. Die AAS (Atomabsorptionsspektrometrie) mit Flammentechnik wird für diese Aufgaben oft eingesetzt.In späteren Phasen des Prozesses ändern sich die Anforderungen an die Analytik. Spuren- und Ultraspurenelemente können die Qualität von hochreinen Metallen oder Legierungen erheblich beeinflussen. Der Nachweis dieser Spuren- und Ultraspuren erfordert jedoch Instrumente mit höherer Genauigkeit und Präzision. Hier bieten Methoden wie ICP-OES (Bereich von mg/kg bis %) oder ICP-MS (ng/kg bis mg/kg) die für diese Analysen erforderliche Empfindlichkeit.

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Metalle und Legierungen müssen für die Analyse mittels AAS, ICP-OES und ICP-MS aufgeschlossen werden, um in eine messfertige Lösung überführt zu werden. Dabei handelt es sich um Proben mit einer anspruchsvollen Matrix, die die Qualität der Ergebnisse beeinflussen können. Hohe Gehalte an unedlen Metallen wie Kupfer, Cobalt, Chrom, Nickel, Eisen oder Zink und Spurenelementen (durch Zusätze oder Verunreinigungen) können die korrekte Quantifizierung des Analytis beeinträchtigen. Auch Gehalte an SiO2, Al2O3, Kohlenstoff (Graphit, Karbide) sowie refraktäre Elemente können negative Auswirkungen haben.

Die inadäquate Probenvorbereitung ist eine weitere Quelle für unzuverlässige Messergebnisse. Die Probenvorbereitung mit Hilfe offener Gefäße auf einer Heizplatte etwa, unter Verwendung von Lösungen aus HNO3, HCl, HF sowie HClO4, NaHSO4, kann zu einem unvollständigen Probenaufschluss führen. Dies lässt sich jedoch durch die Verwendung geeigneter Probenvorbereitungsmethoden wie etwa des Schmelz- oder Mikrowellendruckaufschlusses vermeiden.

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