Verbesserung der Rückgewinnung von Edelmetallen durch fortschrittliche Nasschlorierungsverfahren

Fortschrittliche und nachhaltige Innovationen bei der Rückgewinnung von Edelmetallen

Kupferanodenschlämme enthalten einen enormen Reichtum an Gold und Silber, doch ihre Rückgewinnung durch Nasschlorierung erfordert eine schwierige Balance zwischen chemischer Präzision und ökologischer Sorgfalt. Ein vollständig hydrometallurgisches Verfahren wurde entwickelt, um Gold, Silber, Platingruppenmetalle und andere Nebenprodukte aus diesen Rückständen der Kupfer-Elektroveredelung zurückzugewinnen.

Dieser Artikel stellt nachhaltige Entwicklungen in der Schlammaufbereitung vor und konzentriert sich insbesondere auf die Optimierung der Auslaugung von Edelmetallen und Selen. Durch den Einsatz einer kontinuierlichen, inline Messung des Oxidations-Reduktions-Potenzials (ORP) können die Anlagen den genauen Endpunkt der Auslaugungsreaktion bestimmen. Diese Präzision führt zu einer deutlichen Verringerung des Verbrauchs teurer Reagenzien, höheren Ausbeuten und einer insgesamt verbesserten Effizienz.

Abbildung 1: Stoffflussdiagramm der Slimes-Aufbereitung in der Edelmetallanlage; Nasschlorierung im Bergbau

Strategische Ressourcengewinnung und nachhaltige Metallurgie

Nachhaltige Entwicklung ist zu einem integralen Bestandteil der modernen Mineralaufbereitung geworden. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen Bergbauunternehmen ihren Fokus auf die Maximierung der Ressourcengewinnung und die Einführung technologischer Fortschritte richten, die Rentabilität, Sicherheit und Betriebseffizienz verbessern. Ein wichtiger Bereich für eine solche Verbesserung ist die Behandlung von Kupferanodenschlämmen – des unlöslichen Materials, das bei der elektrolytischen Raffination anfällt. Diese Schlämme sind eine komplexe Mischung aus Kupfer, Gold, Silber, Selen, Tellur und Platingruppenmetallen. Traditionelle Rückgewinnungsmethoden werden zunehmend durch fortschrittliche hydrometallurgische Verfahren wie Nasschlorierung ersetzt, die eine sicherere und präzisere Alternative zu elementarem Chlorgas bieten.

Dieser Artikel beschreibt die Prozesschemie und technischen Innovationen, entwickelt von Dr. Shijie Wang bei Rio Tinto Kennecott Copper Refinery, die eine schlankere, produktivere Goldlaugungsanlage ermöglichen.

Abbildung 1: Stoffflussdiagramm der Slimes-Aufbereitung in der Edelmetallanlage

Grundsätze der nachhaltigen Hydrometallurgie

Die moderne Mineralaufbereitung ist durch das Streben nach „Total Resource Recovery“ definiert. Über die primäre Kupferproduktion hinaus bestimmt die Fähigkeit, hochwertige Elemente wie Gold und Selen effizient zu isolieren, die langfristige Rentabilität und den ökologischen Fußabdruck einer Raffinerie. Nachhaltige Entwicklung konzentriert sich in diesem Zusammenhang auf:

Maximierung des Ressourcenwerts

Gewinnung von Spuren-PGM und Selen, die zuvor im Rückstand verloren gingen.

Betriebseffizienz

Beseitigung von Engpässen wie Schaumbildung im Tank und Überchlorierung.

Sicherheit und Verantwortung

Verwendung sichererer Oxidationsmittel-Alternativen und Verringerung chemischer Abwässer.

Der Prozessablauf der Anodenschlämme

Im Elektroraffinationsprozess sammeln sich unlösliche Materialien — Schlämme — am Boden der Zellen an. Diese Schlämme enthalten unterschiedliche Konzentrationen von Au, Ag, Se, Te, Pb und Pt-Gruppenmetallen. Ein moderner, optimierter Rückgewinnungsprozess folgt in der Regel diesen Stufen:

Eindickung und Filtration

Slimes werden als Suspension gesammelt, eingedickt und filtriert, um den Elektrolyten zurückzugewinnen.

Entkupferung

Schlämme werden in Autoklaven mit Schwefelsäure und Sauerstoff ausgelaugt, um Kupfer zu entfernen.

Nasschlorierung

Die Kernstufe, in der Gold und Selen in Lösung gebracht werden.

Lösungsmittelextraktion

Gold wird mithilfe organischer Extraktionsmittel (z. B. Dibutylcarbitol) isoliert und anschließend reduziert.

Rückstandsaufbereitung

Abschließende Auslaugung mit wässrigem Ammoniak oder Natriumcarbonat zur Rückgewinnung von Blei und Silber.

Nasschlorierung wird für Schlämme mit einem hohen Gold-Silber-Verhältnis bevorzugt. Dieses Verfahren nutzt die dosierte Zugabe von Wasserstoffperoxid (H₂O) in eine gerührte Suspension von Schlämmen in Salzsäure (HCl).

Die Reaktionsumgebung oxidiert und löst Gold und Selen, während sie Bleisulfate in Chloride umwandelt. Allerdings können Nebenreaktionen zu einer katalytischen Zersetzung der Reagenzien führen, wenn sie nicht genau überwacht werden. Zu den wichtigsten chemischen Reaktionen gehören:

Umwandlung von Bleisulfat in Bleichlorid: PbSO₄ + 2HCl → PbCl₂ + H₂SO₄

Oxidation und Solubilisierung von Silberselenid: Ag₂Se + 2HCl + 3H₂O₂ → H₂SeO₃ + 2AgCl + 3H₂O

Chlorierung von Goldmetall: 2Au + 8HCl + 3H₂O₂ → 2HAuCl₄ + 6H₂O

Bildung von Chlor aus Wasserstoffperoxid und Salzsäure: 2HCl + H₂O2 → Cl2 + 2H₂O

Zersetzung von Wasserstoffperoxid zu Sauerstoff und Wasser: H₂O₂ → ½ O₂ + H₂O

Um betriebliche Engpässe wie starke Schaumbildung (oft verursacht durch die Sauerstoffentwicklung in Reaktion 5) zu vermeiden und die Bildung von Chlorgas zu minimieren, muss die Dosierung der Reagenzien auf Grundlage von Echtzeitdaten sorgfältig gesteuert werden.

Abbildung 2: Regelungsdiagramm des Nasschlorierungsprozesses

Der Nasschlorierungsschritt ist der wichtigste Werttreiber der Edelmetallanlage. Da die Reaktion stark exotherm ist und zu einer raschen Gasentwicklung neigt, reicht eine manuelle Probenahme nicht aus, um Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten. Eine präzise Regelung ist erforderlich, um zwei Extremen vorzubeugen: Unterlaugung, bei der hochwertiges Gold im festen Rückstand verbleibt, und Überchlorierung, die zu übermäßigen Reagenzienkosten und zur Bildung gefährlichen Chlorgases führt.

Die ORP-Überwachung liefert einen kontinuierlichen Echtzeitindikator für den Oxidationszustand der Lösung. In einer Chlorierungsumgebung korreliert die „oxidative Stärke“ direkt mit der Konzentration der gelösten Oxidationsmittel und dem Fortschritt der Metallauflösung.

Die Messung erfolgt mit einem kombinierten pH-/ORP-Sensor. Während die pH-Glaselektrode den Säuregrad überwacht, dient die Platin-(Pt)-Messelektrode als Elektronendonator oder -akzeptor.

In einer oxidierenden Umgebung „zieht“ die Lösung Elektronen vom Platin ab und erzeugt ein positives Millivolt-(mV)-Potenzial.

In einer reduzierenden Umgebung „drückt“ die Lösung Elektronen zum Platin hin und erzeugt ein negatives Potenzial.

Diese Spannungsdifferenz gegenüber einer stabilen Referenzelektrode liefert die feingranularen Daten, die zur Automatisierung der H₂O₂-Zugabe erforderlich sind. Während sich das Gold löst, verschiebt sich der mV-Wert vorhersagbar und ermöglicht so einen digitalisierten „Fingerabdruck“ des Laugungszyklus.

Die Bedingungen in einem Nasschlorierungstank sind bekanntermaßen äußerst ungünstig für empfindliche Instrumentierung. Hohe Konzentrationen von Salzsäure, abrasive suspendierte Feststoffe und die Neigung von Bleichloriden, Waagen zu bilden, können schnell zu Verschmutzungen der Sensoren oder zur Vergiftung der Referenzstelle führen. Um eine Messzuverlässigkeit rund um die Uhr ohne ständige manuelle Eingriffe sicherzustellen, setzen moderne Anlagen automatisierte Systeme zur Sensorwartung ein:

wechselarmatur

Diese pneumatischen Baugruppen ermöglichen es, den Sensor aus dem druckbeaufschlagten Prozessstrom zu entnehmen, ohne den Auslaugungskreislauf zu unterbrechen.

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Integrierte Reinigung

Sobald der Sensor in eine Spülkammer zurückgezogen ist, wird er mit Wasser oder Reinigungsmitteln gespült, um mineralische Ablagerungen und Biofouling zu entfernen.

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Festpolymer-Elektrolyte

Im Gegensatz zu herkömmlichen, flüssigkeitsgefüllten Sensoren widerstehen Festelektrolyte dem Eindringen von Prozesschemikalien und verhindern so die „Vergiftung“ des Referenzsystems.

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Die Abbildung in EasyClean™-Reinigungssystem in den Messpunkt zeigt die Integration. Eine Echtzeitaufzeichnung der ORP-Messungen im Vergleich zur H₂O₂-Dosierung ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 4: Darstellung des ORP-Messsystems

Das oberste Ziel der In-line-Überwachung ist es, den kinetischen Endpunkt der Reaktion zu bestimmen. Wenn H₂O₂ zugegeben wird, steigt der ORP-Wert an. Ein Plateau in der mV-Kurve – typischerweise bei oder über 700mV beobachtet – zeigt an, dass das Gold vollständig zu HAuCl₄ komplexiert wurde.

Durch die Echtzeitverfolgung dieser Kurve können die Bediener unmittelbar nach Abschluss in die Phase "Ending Check" übergehen.

Dieser datengestützte Ansatz eliminiert die "Sicherheitsmarge" des Überdosierens von Chemikalien und reduziert die Reagenzienkosten erheblich, während sichergestellt wird, dass Goldverluste im Raffinat auf ein absolutes Minimum beschränkt bleiben.

Abbildung 5: ORP-Messung inline

Der Übergang von traditionellen, manuellen Auslaugungsverfahren zu automatisierten, vollständig hydrometallurgischen Rückgewinnungsverfahren stellt einen bedeutenden Entwicklungssprung in der Raffinerieentwicklung dar. Die Rückgewinnung von Edelmetallen aus Kupferanodenschlämmen ist nicht länger eine Frage der "rohen Kraft" chemischer Zugabe, sondern eine Disziplin der präzisen Steuerung.

Durch die Integration fortschrittlicher Technologie – insbesondere intelligentes, inline ORP-Monitoring und automatisierte Sensorwartung – können Raffinerien die inhärenten Herausforderungen rauer Prozessumgebungen überwinden.

Die Fähigkeit, den kinetischen Endpunkt der Goldauslaugungsreaktion in Echtzeit genau zu bestimmen, bringt einen dreifachen Nutzen:

Wirtschaftlich	Betrieblich	Ökologisch
Maximierte Ausbeuten von Gold, Silber und PGMs bei einer deutlichen Reduzierung des Verbrauchs kostspieliger Reagenzien wie H₂O₂ und HCl.	Die Beseitigung von Prozessengpässen, wie Schaumbildung in den Behältern und Verzögerungen bei manuellen Probenahmen, durch digitalisierte Logik und vorausschauende Diagnostik.	Erhöhte Sicherheit durch den Einsatz flüssiger Oxidationsmittel und einen reduzierten Chemikalienverbrauch, wodurch die metallurgische Leistung mit globalen Nachhaltigkeitsrahmen in Einklang gebracht wird.

Letztlich stellt die Hinwendung zu datengetriebener Hydrometallurgie sicher, dass Raffinerien in einem Umfeld schwankender Rohstoffpreise und verschärfter Regulierungen wettbewerbsfähig bleiben. Durch die Einführung dieser intelligenten Sensorsysteme wird „Total Resource Recovery“ von einem konzeptionellen Ziel zu einer operativen Realität und sichert eine nachhaltige und profitable Zukunft für die Edelmetallproduktion.

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