Kupfer kommt in natürlichen Erzvorkommen auf der ganzen Welt vor. Wir erläutern hier den Produktionsweg vom erzhaltigen Gestein zum Endprodukt, das das am höchsten reine Handelsmetall ist, das es gibt und das in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird, die für das moderne Leben unerlässlich sind.
Kupfermineralien
Kupfermineralien sind in der gesamten Erdkruste zu finden. Sie kommen sowohl in Sedimentgesteinen als auch in Eruptivgesteinen vor. Die äußeren 10 km der Kruste enthalten 33 g Kupfer für jede Tonne Gestein und an manchen Stellen lagerte vulkanische Aktivität vor Millionen von Jahren geschmolzenes Kupfer an einem Ort konzentriert ab. Es sind diese Gebiete, die heute abgebaut werden, weil sie genug Kupfer enthalten, um den Abbau profitabel zu machen. Neben dem wertvollen Kupfer gibt es viel Taubgestein (auch Gangue genannt), das entfernt werden muss.
In der Natur bildet sich Kupfer meist in basaltischen Laven entweder in Form von „kupferroten“, metallisch glänzenden Nuggets (aus der Schmelze erstarrt) oder in verzweigten Strukturen, so genannten Dendriten. Gelegentlich sind auch kristalline Ausbildung anzutreffen. Kupfer tritt in Paragenese mit verschiedenen, meist sekundären Kupfermineralen wie Bornit, Chalkosin, Cornwallit, Cuprit, Azurit und Malachit sowie Tenorit auf, kann aber auch mit vielen anderen Mineralen wie Calcit, Klinoklas, Prehnit, Pumpellyit, Quarz und Silber vergesellschaftet sein.
Kupfererze kommen häufig vor. So wird Kupfer aus Chalkopyrit (Kupferkies, CuFeS2), Chalkosin (Kupferglanz, Cu2S), seltener auch aus Bornit (Buntkupferkies, Cu5FeS4), Atacamit (CuCl2·Cu(OH)2), Malachit (Cu2[(OH)2|CO3]) und anderen Erzen gewonnen. Im Jahre 2019 waren 636 Kupferminerale bekannt. Die Minerale mit der höchsten Kupferkonzentration in der Verbindung sind Cuprit (bis 88,8 %) und Algodonit (bis 83,6 %) sowie Paramelaconit, Tenorit und Chalkosin (bis 79,9 %).
Kupfervorkommen
Kupfer kommt in der Erdkruste mit einem Gehalt von etwa 0,006 % vor und steht damit in Bezug auf die Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste an der 23. Stelle. Häufig tritt Kupfer gediegen, das heißt in elementarer Form auf. Weltweit sind aktuell (Stand 2019) über 3100 Fundorte für gedieges Kupfer bekannt, so unter anderem in Afghanistan, Argentinien, Australien, Belgien, Bolivien, Brasilien, Bulgarien, Chile, China, der Demokratischen Republik Kongo, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Indien, im Iran, in Irland, Italien, Japan, Kanada, Kasachstan, Marokko, Mexiko, der Mongolei, Namibia, Neuseeland, Norwegen, Österreich, Peru, den Philippinen, Polen, Portugal, Rumänien, Russland, Sambia, Schweden, der Schweiz, Simbabwe, der Slowakei, Spanien, Südafrika, Tschechien, der Türkei, der Ukraine, Ungarn, den Vereinigten Staaten von Amerika (USA) und dem Vereinigten Königreich (UK).
Auch in mehreren Gesteinsproben vom Mittelatlantischen Rücken sowie vom Mond, das die Sonde der Luna 24-Mission vom Mare Crisium mitbrachte, konnte gedieges Kupfer nachgewiesen.
Kupferabbau
Im Folgenden wird ein Überblick darüber gegeben, wie Kupfer aus seinem Erz gewonnen und in reines Metall umgewandelt wird.
Natürliche Vorkommen an gediegen Kupfer, das heißt in seiner elementaren Form, waren bereits lange vor der Gründung der International Mineralogical Association (IMA) bekannt. Kupfer ist daher als sogenanntes grandfathered Mineral, als eigenständige Mineralart anerkannt.
Der bedeutendste Kupferproduzent ist Chile, mit großem Abstand gefolgt von Peru und den USA. In Europa sind Polen, Portugal und Schweden nennenswert. Die wichtigsten Exportländer waren von 1967 bis 1988 in der CIPEC organisiert. Zur CIPEC gehörten unter anderem Chile, Peru und Papua-Neuguinea, auf dessen Insel Bougainville eine der weltgrößten Kupferminen 1988 zu einem Bürgerkrieg führte.
Historisch bedeutsam waren die Kupfergruben auf der Keweenaw-Halbinsel im Oberen See (USA). Dort gab es das weltweit größte Vorkommen von gediegen Kupfer. Abbau fand dort schon in vorkolumbischer Zeit statt. In Deutschland wurde bis 1990 im Mansfelder Land Kupferschiefer abgebaut und in Cornwall hat es vor allem im 18. und 19. Jahrhundert bedeutenden Kupferbergbau gegeben.
Die 10 größten Kupferproduzenten sind:
Codelco (Corporación Nacional del Cobre de Chile; kurz Codelco Chile) ist ein chilenischer Kupferbergbau-Konzern. Er ist der größte Kupferproduzent und der zweitgrößte Molybdänproduzent der Welt.
1.Corporacion Nacional del Cobre (Codelco)
Das chilenische Staatsunternehmen Codelco besetzt die Spitzenposition. Das Unternehmen produzierte im vergangenen Jahr 1.827 Kilotonnen Kupfer. Das ist ein leichter Rückgang um 3 Prozent. In den Gruben El Abra , Anglo American Sur und Andina Division wurde weniger produziert, was in den Minen in Salvador, El Teniente und Radomiro Tomic nur partiell aufgefangen werden konnte. Aufgrund günstiger Wechselkurse und niedrigerer Betriebskosten konnte Codelco seine Produktionskosten um 9 Prozent auf 1,26 US-Dollar pro Pfund senken. Im Jahr 2018 wurden 1,9 Megatonnen Feinkupfer sowie 28 Kilotonnen Molybdän produziert und ein Überschuss von 1,08 Milliarden US-Dollar erwirtschaftet. Codelco ist ein privatrechtlich organisiertes Staatsunternehmen im vollen Eigentum des chilenischen Staates, strukturiert in acht Divisionen (7 Bergwerke und 1 Raffinerie). Es gibt zahlreiche Tochterunternehmen und Beteiligungen in aller Welt.
2. Freeport McMoRan
Freeport-McMoRan Inc. ist ein US-amerikanisches Unternehmen der Bergbauindustrie. Der Firmensitz befindet sich in Phoenix. Die Freeport-Aktie wird seit 1988 an der New Yorker Börse gehandelt und ist im Aktienindex S&P 500 gelistet.
Die Freeport-McMoRan Copper Gold Inc. aus Phoenix, Arizona, produzierte 2018 etwa 1.696 Kilotonnen Kupfer. Das sind etwa 12 Prozent mehr als 2017, was primär dem Cerro Verde-Expansionsprojekt in Peru zu verdanken war. Zudem konnte in der indonesischen Grasberg-Tagebaugrube noch viel Kupfer und Golderz abgebaut werden. Auch hier sanken die Produktionskosten um 18 Prozent auf 1,26 US-Dollar pro Pfund. Die Freeport-Aktie wird seit 1988 an der New Yorker Börse gehandelt und ist im Aktienindex S&P 500 gelistet.
Das Bergbauunternehmen Freeport Sulphur war 1967, nach dem Sturz von Sukarno durch Suharto, das erste ausländische Unternehmen, das eine Genehmigung der indonesischen Regierung erhielt. Später wurde das Freeport-McMoRan Copper & Gold Tochterunternehmen PT Freeport Indonesia mit Grasberg in Westneuguinea Betreiber der größten Goldmine und der am kostengünstigsten fördernden Kupfermine der Welt. Freeport war von Anfang an politisch und ökonomisch bedeutend für das Suharto-Regime. In den USA wirkte das Unternehmen als Lobbygruppe für die Regierung in Jakarta. Freeport wurde zum größten Steuerzahler Indonesiens, der mit Abstand größte Investor, einer der größten Arbeitgeber und betreibt eines der größten sozialen Engagements – Suharto bezeichnete es als essentiell für die indonesische Wirtschaft. Andererseits ist das Unternehmen hinsichtlich seiner Abbaumethoden auch der umstrittenste ausländische Investor.
3. Glencore
Die Glencore plc ist die weltweit grösste im Rohstoffhandel tätige Unternehmensgruppe. Ihr operativer Hauptsitz befindet sich in Baar in der Schweiz. Der Konzern befand sich bis Mai 2011 vollständig im Privatbesitz des Managements und von Mitarbeitern in Schlüsselpositionen. Seit dem Börsengang an der London Stock Exchange 2011 werden Glencore-Aktien öffentlich gehandelt. Glencore ist Mitglied im britischen Leitindex FTSE 100.
Glencore International, Produzent mit Firmensitz in der Schweiz, förderte 2016 etwa 1.288 Kilotonnen Kupfer. Das sind rund 2 Prozent weniger als im Jahr 2015, die vor allem durch Produktionsausfälle bei African Copper verursacht wurden. Glencore liegt bei Produktionskosten von 0,87 US-Dollar pro Pfund Kupfer. Glencore ist umsatzmässig vor Vitol das grösste Unternehmen der Schweiz. Direkt oder indirekt werden rund 62.000 Mitarbeiter beschäftigt, von denen 60.000 an über 19 Standorten in 12 Ländern die industriellen Aktivitäten ausführen; für das Marketing sind etwa 2.000 Mitarbeiter in über 40 Ländern zuständig.
Mit einem Umsatz von 205,4 Milliarden US-Dollar, bei einem Gewinn von 5,8 Mrd. USD, steht Glencore laut den Forbes Global 2000 auf Platz 64 der weltgrößten Unternehmen (Stand: Jahr 2018). Das Unternehmen kam Anfang 2018 auf eine Marktkapitalisierung von ca. 76 Mrd. USD.
4. BHP Billiton
Die BHP Group, bis zum 18. November 2018 BHP Billiton, ist unter dem in der Öffentlichkeit verwendeten Firmennamen „BHP“ ein australisch-britischer Rohstoffkonzern und gehört mit Vale und Rio Tinto Group zu den drei weltgrößten Bergbauunternehmen.
BHP Billiton kommt aus Melbourne, Australien. Der Konzern hat im vergangenen Jahr seine Produktion um 6 Prozent auf 1.113 Kilotonnen Kupfer gesenkt. Das lag primär an der geringeren Förderung der Grube Olympic Dan (Südaustralien). In Pampa Norte (Chile) beeinträchtigten Wartungsarbeiten die Förderung und das in Antamina (Peru) geförderte Kupfer blieb qualitativ etwas hinter den Erwartungen zurück.
Die BHP Group, notiert an den Börsen in New York, London, Sydney und Johannesburg, entstand durch die Fusion des britischen Billiton und des australischen BHP (Broken Hill Proprietary Company) im Jahr 2001. Das australische Unternehmen hält 60 Prozent der Anteile und die beteiligte britische Holdinggesellschaft 40 Prozent. Die Dual-listed Company ist als BHP Group Limited in das Handelsregister in Melbourne und als BHP Group Plc in das Handelsregister in London eingetragen. Melbourne ist Hauptsitz der BHP Group Limited und globaler Hauptsitz der BHP Billiton Group, London ist Sitz der BHP Group Plc.
In den Forbes Global 2000 der größten börsennotierten Unternehmen belegte BHP Billiton den 108. Platz (Stand: GJ 2018). Das Unternehmen kam Mitte 2018 auf einen Börsenwert von über 133 Mrd. USD.
5. Southern Copper
Die Southern Copper Corporation ist ein amerikanischer Bergbaukonzern im Besitz der Grupo México. Das Unternehmen baut vorwiegend Kupfer sowie als Nebenprodukte Molybdän, Zink und Silber ab.
Southern Copper ist eine Tochtergesellschaft der Grupo México mit Sitz in Phoenix, Arizona. Das Unternehmen förderte 21 Prozent mehr und kam damit auf 900 Kilotonnen. Auch hier sanken die Betriebskosten pro Pfund gefördertem Kupfer um 14 Prozent auf 0,95 US-Dollar.
1952 wurde die Southern Peru Copper Corporation (SPCC) gegründet, an der sich 1955 ASARCO (51,5 %), die Cerro de Pasco Corporation (22,5 %), Phelps Dodge (16 %) und Newmont Mining (10 %) beteiligten. Cerro de Pasco brachte dabei den Claim Cuajone ein. 1959 wurden der Tagebau Toquepala und die Schmelzhütte in Ilo in Betrieb genommen. Von 1969 bis 1976 wurde der Tagebau Toquepala aufgeschlossen. Die Regierung Alvarado errichtete außerdem eine eigene Kupferraffinerie in Ilo, die von SPCC mit Blisterkupfer beliefert wurde.
2004 erwarb Grupo México die 54,2 % der Anteile an der Southern Peru Copper Corporation. Im Oktober 2005 erfolgte die Umfirmierung in Southern Copper Corporation.
6. KGHM
KGHM Polska Miedź ist ein polnisches Bergbauunternehmen mit Sitz in Lubin (Niederschlesien). Es ist im Aktienindex WIG 20 an der Warschauer Wertpapierbörse gelistet. Dem polnischen Schatzministerium gehörten 2010 31,79 % der KGHM-Anteile.
Mit 677 Kilotonnen Kupfer landet die KGHM Polska Miedź Gruppe aus Lubin/ Polen auf dem sechsten Platz unter den größten Kupferförderern. Doch der Produktionsausstoß sank 2016 um 6 Prozent. Der sinkende Zloty-Kurs und Sparmaßnahmen senkten die Produktionskosten um 11 Prozent. KGHM baut Kupfer (571.000 t im Jahr 2011) und Silber (1260 t im Jahr 2011), aber auch Gold, Blei und Steinsalz ab. Das Unternehmen erzielte 2011 mit 18.615 Mitarbeitern einen Umsatz von 20,1 Mrd. Złoty. Die Erze werden in einer eigenen Kupferhütte in Legnica verhüttet. KGHM ist mit einer Jahresförderung von über 1.200 Tonnen der bedeutendste Silberproduzent der EU und liegt an 3. Stelle weltweit. Das Unternehmen ist an 19 Gesellschaften beteiligt; insgesamt gehören 30 Gesellschaften zur Kapitalgruppe.
7. Rio Tinto
Rio Tinto ist ein 1873 gegründeter britisch-australischer Bergbaukonzern. Sie ist neben Vale und BHP Billiton eines der drei größten Bergbauunternehmen der Welt und seit der Übernahme von Alcan der weltweit führende Aluminiumproduzent.
Das britsch-australische Unternehmen Rio Tinto erhöhte seine Kupferproduktion leicht um 4 Prozent auf 523 Kilotonnen im Jahr 2016. Vor allem der Output aus der Mine Bingham Canyon (Utah, USA) wurde mehr.
In den Forbes Global 2000 der größten börsennotierten Unternehmen belegt Rio Tinto Platz 111 (Stand: Geschäftsjahr 2018). Das Unternehmen kam Mitte 2018 auf einen Börsenwert von über 99 Mrd. USD.
Seit 1995 ist Rio Tinto eine Dual-listed Company. Rio Tinto Limited, früher CRA, ist am Australian Stock Exchange notiert und mit Rio Tinto plc (früher RTZ) auch am London Stock Exchange sowie dem New York Stock Exchange. Beide Gesellschaften werden bei gleichen Stimmrechten und Dividenden von einem gemeinsamen Vorstand geführt. Die RTZ-Eigentümer brachten 76,7 % des Vermögens ein, das von London aus verwaltet wird. Der Chief Executive Officer ist Jean-Sébastien Jacques (vorher Sam Walsh), der Chairman ist Jan du Plessis.
8. First Quantum
First Quantum Minerals Ltd. ist ein kanadisches Bergbau-Unternehmen mit Sitz in Vancouver.
First Quantum mit Sitz in Vancouver, Kanada, ist ein relativ neuer Player unter den größten Kupferproduzenten. Die Produktion in der Sentinel-Mine (Sambia), in Las Cruces (Spanien) und Kansanshi (ebenfalls Sambia) machten zusammen eine Fördermenge von 494 Kilotonnen aus. Das ist eine Steigerung um 29 Prozent. Die Produktionskosten lagen 2016 bei 1,06 US-Dollar pro Pfund.
Gegenstand der Unternehmung ist die Erkundung und der Abbau von Erzen in Afrika und Skandinavien. Die wesentlichen Produkte sind derzeit Kupfer und Gold.
Das Unternehmen betreibt momentan sieben Bergwerke.
9. Antofagasta
Antofagasta plc ist ein chilenischer Bergbaukonzern mit Sitz in Großbritannien. Das Unternehmen fördert überwiegend Kupfer, daneben aber auch Molybdän und Gold. Es ist an der London Stock Exchange börsennotiert und im FTSE 100 Index gelistet.
Das chilenische Bergbauunternehmen hat seine Kupferproduktion um 15 Prozent gesteigert auf 477 Kilotonnen. Mit 1,20 USD pro Pfund waren die Nettocashkosten 20 Prozent geringer als noch im Vorjahr. Eingerechnet sind hier die gestiegenen Preise für Gold und Molybdän – Nebenprodukte der Kupferproduktion.
Der Konzern begann 1888 als Eisenbahnunternehmen Antofagasta (Chili) and Bolivia Railway Company (heute Ferrocarril de Antofagasta a Bolivia, abgekürzt FCAB). Das Unternehmen, von britischen Investoren gegründet, baute eine Eisenbahnverbindung, von der sie heute noch Eigentümer ist, zum Transport des Kupfererzes zwischen der pazifischen Küstenstadt Antofagasta und dem bolivianischen Regierungssitz La Paz.
1980 erwarb die Familie Luksic das Unternehmen und diversifizierte das Unternehmen, indem es unter anderem den Schritt in den Bergbau vollzog. Zu den Bergwerken gehören in Chile Los Pelambres, El Tesoro und Michilla.
In einem Joint Venture hat es die Bergbaurechte in einem 60.000 Quadratkilometer großen Gebiet in Peru.
Mit ihrem Aktienanteil von 65 % (Stand Mitte 2015) lenkt die chilenische Milliardärsfamilie Luksic auch heute noch die Geschicke des Unternehmens.
10. Vale
Die Vale S.A., ehemals Companhia Vale do Rio Doce (CVRD), mit Sitz in Rio de Janeiro, ist neben der Rio Tinto Group und BHP Billiton eines der drei größten Bergbauunternehmen der Welt.
Auf Platz 10 findet sich der brasilianische Kupferproduzent Vale. Das Unternehmen hat 7 Prozent mehr Kupfer gefördert, vor allem aus den Minen Sudbury (Kanada) und Salobo (Brasilien). 453 Kilotonnen Kupfer kamen so 2016 zusammen. Mit einem Umsatz von 34,1 Mrd. US-Dollar, bei einem Gewinn von 4,6 Mrd. USD, steht Vale laut den Forbes Global 2000 auf Platz 132 der weltgrößten Unternehmen (Stand: Geschäftsjahr 2018). Das Unternehmen kam Mitte 2018 auf einen Börsenwert von ca. 77 Mrd. USD.Vale wurde 1942 als staatseigener Betrieb Companhia Vale do Rio Doce (CVRD) in Itabira gegründet. 1997 wurde das Unternehmen privatisiert. Durch die Übernahme des brasilianischen Bergbauunternehmens Caemi (am 31. März 2006) und des kanadischen Unternehmens Inco (am 24. Oktober 2006) stieg CVRD zum zweitgrößten Bergbauunternehmen der Welt auf. Am 29. November 2007 nannte sich CVRD in Vale um und dessen kanadische Tochtergesellschaft CVRD Inco in Vale Inco. Im März 2008 scheiterte die Übernahme des schweizerisch-britischen Bergbaukonzerns Xstrata am Einfluss des Xstrata-Großaktionärs Glencore.
Kupferbergbau
Das Erz wird entweder im Tagebau oder im Untertagebau aus dem Boden entfernt. Unter Tage – Abteufen eines vertikalen Schachtes in die Erde, um das Kupfererz zu erreichen und Vortrieb von horizontalen Tunneln in das Erz. Tagebau – 90% des Erzes werden im Tagebau abgebaut. Oberflächennahe Erze können nach dem Entfernen der Deckschichten abgebaut werden.
Kupfererze
Ein Erz ist ein Gestein, das genügend wertvolles Mineral enthält, um es für den Abbau wert zu machen. Im Falle von Kupfer lohnt es sich, zu extrahieren, wenn es etwa 2 kg Kupfer pro 1.000 kg Erz (0,2%) gibt. Kupfermineralien sind in über hundert Sorten zu finden, obwohl nur wenige in großem Umfang für Kupfer verarbeitet werden. Die am häufigsten vorkommenden Erze sind Chalkopyrit und Bornit, die sowohl Kupfer- als auch Eisensulfide enthalten. Diese machen etwa 80% der weltweit bekannten Erze aus
Kupfergewinnung nach dem Schwebeschmelzverfahren
Kupfer-Schleifen
Das Erz wird zerkleinert und dann zu Pulver gemahlen.
Kupfererz Anreicherung
Das Erz wird durch ein Verfahren angereichert, das als Schaumflotation bezeichnet wird. Unerwünschtes Material (genannt Gangue) sinkt auf den Boden und wird entfernt. Die Anreicherung der Kupfererze erfolgt durch Flotation (Schwimmaufbereitung). Dabei werden die zermahlenen Erze mit Wasser verrührt. Metallsulfide und Metalloxide stoßen Wasser ab, während die Gesteine der Gangart (Quarz, Silicate) leicht benetzt werden. Durch Zugabe eines Schaums werden die schweren Erzteilchen an die Wasseroberfläche transportiert und können abgeschöpft werden.
Das gereinigte Erz wird in mehreren Schritten in Röstöfen zuerst zu Kupferoxid oxidiert, das dann mit Kupfersulfid (aus dem Erz) zu unreinem Garkupfer reduziert wird, welches einen Reinheitsgrad von etwa 98,5% besitzt. Für eine ganze Reihe von Produktionsbereichen, z.B. für die Elektroindustrie reicht jedoch die Reinheit von Garkupfer nicht aus.
„Die Schaumflotation ist die wichtigste Methode in der Montanindustrie, um aus Erzen wertvolle Rohstoffe zu gewinnen“, erklärt Dr. Martin Rudolph vom Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF), das zum HZDR gehört. „Bei Korngrößen unter 20 Mikrometern – das ist nicht einmal halb so dick wie ein Menschenhaar – gerät die derzeitige Technologie jedoch an ihre Grenzen.“ Die Schaumflotation nutzt die unterschiedlichen Oberflächen-Eigenschaften von Mineralpartikeln. Führt man einer Flüssigkeit mit fein gemahlenen Partikeln Gasblasen zu, haften die Blasen an Teilchen mit hydrophober, das heißt wasserabstoßender Oberfläche. Diese steigen mit den angehängten Luftblasen nach oben und bilden eine Schaumschicht, die abgeschöpft werden kann. Auf den jeweiligen Wertstoff zugeschnittene Reagenzien sorgen dafür, dass die „richtigen“ Körnchen in den Schaum gelangen. Andere Hilfsstoffe befördern das Absinken der unerwünschten Partikel oder stabilisieren den wertvollen Schaum. Faktoren wie zugeführte Gasmenge und Blasengröße, Turbulenzgrad der Strömung, verwendete Reagenzien und Anhaftungsenergien bestimmen die Ausbeute.
„Doch wie bringt man staubfeine Teilchen und Blasen auf Kollisionskurs?“, fragt Rudolph, der am HIF die Abteilung Aufbereitung leitet. „Wie wirken sich unterschiedliche Reagenzien im Gesamtprozess aus? Und wie lassen sich unerwünschte Teilchen aus dem Schaum entfernen?“ Noch viele grundlegende Fragen sind zu beantworten, damit sich künftig auch Mineralpartikel im Größenbereich von 0,1 bis 20 Mikrometer im industriellen Maßstab separieren lassen. Eine solche Technologie wäre ebenso für die Rohstoff-Gewinnung aus Althalden oder beim Recycling von großer Bedeutung.
Feinschaum im Computermodell
Die Forschungen der neun akademischen Projektpartner richten sich vor allem darauf, die Mechanismen und Mikroprozesse der Feinpartikel-Flotation zu ergründen: Zwei der insgesamt neun Arbeitspakete widmen sich den physikalisch-chemischen und hydrodynamischen Aspekten im Aufbereitungsprozess. Dabei geht es um Bindungsmechanismen und Schaumverhalten der Wertstoff-Partikel sowie um turbulente Strömungen im Flotationstank. Letztere beeinflussen die Kollisionsfrequenz von Partikeln und Blasen: Nur wenn Luftblasen und hydrophobierte Mineralkörnchen in Kontakt kommen, ist eine Anhaftung überhaupt möglich.
Gleich drei Gruppen am HZDR arbeiten daran, die Ausbeute bei der Feinpartikel-Flotation zu verbessern: Neben dem Team von Kerstin Eckert sind dies Kollegen aus dem Bereich numerische Strömungssimulation sowie eine Arbeitsgruppe um Martin Rudolph. Mit Modellexperimenten, neu entwickelten Messverfahren und Computersimulationen untersuchen sie die Wechselwirkungen zwischen Partikeln, Flüssigkeit und Gasblasen sowie die Strömungsverhältnisse in dem von außen nicht einsehbaren Flotationsbad.
Ein Plus für die Umwelt
Aus den Forschungsergebnissen wollen die Partner Lösungsansätze ableiten wie etwa innovative hydrodynamische Konzepte, mit denen sich die Kollisionswahrscheinlichkeiten zwischen Blasen und Feinteilen erhöhen lassen. Hier bringen die Hersteller von Flotationszellen Know-how und Technik ein. Neue Erkenntnisse zu den Wechselwirkungen an den Grenzflächen wollen die Forscher nutzen, um mit optimierten Reagenzien die Anhaftung kleinster Wertstoff-Partikel an die Gasblasen zu verbessern. Die neu entwickelten Technologien werden dann in simulierten Umgebungen, im Labor sowie in Pilotanlagen getestet und optimiert.
Neben europäischen Forschungseinrichtungen sind sieben Unternehmen aus dem Bergbau, der Aufbereitungsindustrie und dem Anlagenbau an FineFuture beteiligt, darunter die polnische Firmengruppe KGHM – einer der weltgrößten Bergbau-Konzerne und Kupferminen-Betreiber – sowie drei weitere Rohstoff-Unternehmen. Diese erhoffen sich nicht nur höhere Gewinnungsraten, sondern auch nachhaltigere Prozesse und geringere Flotationsrückstände. Zudem schlummern in vielen Halden noch wertvolle Feinpartikel, die sie nutzbar machen wollen. Das könnte Deponien verkleinern und so Landverbrauch und Umweltgefahren reduzieren. Mit an Bord ist auch die BASF als Hersteller von Flotations-Chemikalien. Sie sucht nach optimierten Reagenzien, die sparsamer, effektiver und damit umweltfreundlicher sind.
Vom Kupferkonzentrat zum raffiniertem Kupfer
Für große Mengen hat sich heute – und nur für solche ist dieses Gewinnungsverfahren wirtschaftlich – das Schwebeschmelzverfahren (Outokumpu-Verfahren siehe Grafik oben) durchgesetzt. Ein Reaktionsschacht dient hierbei zugleich dem Rösten und Schmelzen der vorgetrockneten Konzentrate, ein darunter liegender Absetzherd der Trennung von Stein und Schlacke. In einem Abgasschacht sind Abhitzekessel und Filter nachgeschaltet, in denen aus den abströmenden Gasen Flugstaub abgeschieden wird. Aus den gefilterten Ofengasen, die noch SO2 enthalten, wird in Kontaktanlagen Schwefelsäure gewonnen. Der Kupferstein wird von Zeit zu Zeit dicht über dem Ofenboden abgestochen und in den Konverter überführt. Durch Einblasen von Luft wird das restliche Eisensulfid oxidiert, wobei Schwefel als SO2 mit dem Abgas zur Schwefelsäuregewinnung abgeführt und schließlich das Kupfersulfid zerlegt wird. In neuerer Zeit gewinnen auch Direktverfahren, bei denen alle Reaktionsschritte, Rösten, Schmelzen und Verblasen, in einem Prozess vereint sind, an Bedeutung.
Anschließend wird Kupfer im Schmelzfluss und durch Elektrolyse raffiniert, wobei Feuer-Raffination ohne anschließende Elektrolyse nur noch einen Anteil von etwa
10 % hat.
Bei der Feuer-Raffination werden im Raffinier-Flammofen Verunreinigungen durch Einblasen von Luft entfernt und anschließend durch „Polen“ des flüssigen Kupfersteins im Drehofen (Anodenofen) der letzte Rest an Schwefel entfernt und vor allem der Sauerstoffgehalt auf 500 ppm bis 2 000 ppm reduziert. Früher erfolgte das „Polen“ durch das Eintauchen von Birken- oder Buchenstämmen in das flüssige Metall; heute wird überwiegend Erdgas, Propan, Naphtha, Reformiergas oder Ammoniak als Reduktionsmittel eingesetzt.
Das Schmelzen von Kupfer mit Flussmitteln
Ein Flussmittel ist eine Substanz, die dem Erz zugesetzt wird, um es leichter schmelzen zu lassen. Der feste Kalzin wird auf 1200°C erhitzt und schmilzt. Einige Verunreinigungen werden unter Bildung einer Matte (eine Mischung aus flüssigem Kupfer und Eisensulfid) entfernt.
Konvertierung von Matten
Luft wird in die flüssige Matte geblasen und bildet Blisterkupfer, so genannt, weil die Gasblasen in der festen Form an der Oberfläche eingeschlossen sind.
Kupfer-Anodenguss
Der Blister wird zu Anoden für die Elektrolyse gegossen.
Elektrolytische Raffination
Das Kupfer wird durch Elektrolyse auf 99,99% gereinigt. Der vorstehend beschriebene Produktionsweg zeigt den Übergang von einem Gestein mit etwa 0,2% Kupfer zu einer Kupferkathode mit 99,99% Reinheit. Für eine ganze Reihe von Produktionsbereichen, z.B. für die Elektroindustrie reicht jedoch die Reinheit von 95% Garkupfer nicht aus.
Daher wird noch eine elektrolytische Kupferraffination durchgeführt, bei der man Elektrodenplatten aus Garkupfer als Anoden in eine angesäuerte Kupfersulfatlösung hängt. Die Elektrolyse wird in großen Elektrolysierwannen, in denen einige hundert Elektroden hintereinandergeschaltet sind, bei Spannungen von 0,4 – 1 Volt durchgeführt.
An der Kathode werden diejenigen Kationen der Lösung reduziert (Cu2+), die das größte Bestreben dazu haben, d.h. die das größte Normalpotential (U0) besitzen. Das reine Kupfer scheidet sich an der Kathode ab, während alle unedleren Metallionen wie Eisen-, Zink- und Bleiionen in der Lösung bleiben.
Die elektrolytische Raffination, Raffination auf geringste Verunreinigungsgrade, ist notwendig, da bereits sehr geringe Verunreinigungen die thermische und elektrische Leitfähigkeit des Kupfers stark herabsetzen. Dazu werden in mit Kupfersulfatlösung gefüllte Elektrolysebäder die aus relativ unreinem Kupfer gegossenen Anodenplatten und aus Elektrolyt-Kupfer hergestellte dünne Kathoden-Startbleche bzw. in moderneren Elektrolyseanlagen Dauerkathoden aus Edelstahl gehängt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung geht das Kupfer an den Anoden in Lösung und schlägt sich an den Kathoden als sehr reines Kupfer nieder, während die Verunreinigungen oder Begleitmetalle entweder in Lösung gehen oder als Anodenschlamm niedersinken. Die so erzeugten Kathodenplatten werden z.T. wieder eingeschmolzen und zu Formaten für die Halbzeugherstellung vergossen.
(Konzentration ca. 99,99% Cu)
Auslaugen
Leaching bietet eine Alternative zum Kupferabbau. Zunächst wird das Erz mit verdünnter Schwefelsäure behandelt. Diese rieselt langsam durch das Erz, über einen Zeitraum von Monaten, und löst Kupfer auf, um eine schwache Lösung von Kupfersulfat zu bilden. Das Kupfer wird dann durch Elektrolyse zurückgewonnen. Dieser Prozess wird als SX-EW (Solvent-Extraktion/Elektrogewinnung) bezeichnet.
Vorteile dieser Prozesse sind:
Es wird viel weniger Energie verbraucht als im traditionellen Bergbau.
Es werden keine Abgase freigesetzt.
Geringe Investitionskosten
Möglichkeit, im kleinen Rahmen wirtschaftlich betrieben zu werden.
Es kann auf Erz mit nur 0,1% Kupfer eingesetzt werden – deshalb gewinnt die Laugenextraktion zunehmend an Bedeutung. Es wird geschätzt, dass SX-EW (vor 1960 praktisch nicht vorhanden) 21% der gesamten Kupferraffination im Jahr 2019 ausmachen wird.
Recycling von Kupfer
Eine weitere wichtige Quelle für Kupfer ist recycelter Schrott, der als Sekundärkupferproduktion bezeichnet wird. Rund die Hälfte des europäischen Kupferbedarfs wird derzeit mit Recyclingmaterial gedeckt, was einen wichtigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft leistet. Um mehr über das Kupferrecycling zu erfahren, klicken Sie hier.
Kupfergewinnung und -produktion
