Als 's werelds grootste koperexporteur wordt Chili in zijn kopermijnen geconfronteerd met een groeiend aantal op zwavel gebaseerde ertslagen die giftig arseen bevatten. Conventionele strategieën voor het scheiden en storten van arseen blijken op dit gebied beperkt. Het Duits-Chileense projectteam, aan Duitse zijde geleid door de Fraunhofer Research Institution for Materials Recycling and Resource Strategies IWKS, werkt aan het optimaliseren en bevorderen van de productieprocessen van koper, zodat Chili het probleem van arseen op de meest effectieve, kostenefficiënte en milieuvriendelijke weg vooruit.

Koper is een halfmetaal met veel nuttige eigenschappen:het is een geleider van elektriciteit en warmte, met een zachte consistentie en een zeer onderscheidend uiterlijk. Het is dan ook niet verwonderlijk dat er veel vraag is naar deze grondstof, met name op het gebied van elektrotechniek, communicatietechnologie, bouw en handwerk. Hoewel koper nu gemakkelijk recyclebaar is, neemt de wereldwijde vraag toe, waardoor de verdere winning van koper noodzakelijk is. Chili is 's werelds grootste koperproducent en -exporteur. Alleen al in 2021 heeft het ongeveer 5,6 miljoen ton koper gewonnen, wat overeenkomt met ongeveer een kwart van het totale mijnbouwvolume in de wereld. Dit maakt de koperindustrie een van de belangrijkste inkomstenbronnen van het land.

Het koper in Chili wordt gewonnen in open kopermijnen in de Atacama-woestijn. Hier wordt erts gestraald uit gaten met een diameter tot wel twee kilometer. Dit erts heeft een kopergehalte van ongeveer twee procent, dat in verschillende fasen wordt gewonnen:het erts wordt eerst vermalen en vervolgens onderworpen aan flotatie, waarbij het materiaal nat chemisch wordt opgeschuimd, om het koperrijke erts van de laag kopererts. Dit resulteert in koperconcentraat, dat ook Chili verkoopt. Het bevat ongeveer 20 tot 30 procent koper. Het concentraat wordt vervolgens gesmolten in hoogovens en uiteindelijk gezuiverd in elektrochemische elektrolyseprocessen om zuiver koper te verkrijgen.

Arseen zorgt voor nieuwe uitdagingen

Naast koper bevat de opgegraven ertslagen vaak ook arseen, dat vanwege zijn toxiciteit uit het erts moet worden gewonnen. Dit gebeurt bijna automatisch wanneer het erts wordt verwarmd:het arseen verandert in gas. In Chili is de huidige procedure om het gas af te vangen, op te lossen in zwavelzuur en het vervolgens om te zetten in vast calciumarsenaat of calciumarseniet in een proces dat bekend staat als precipitatie. Deze calciumverbindingen worden vervolgens afgezet in de Atacama-woestijn. Voorheen was het feit dat deze verbindingen in water oplosbaar zijn nooit een probleem, aangezien de Atacama-woestijn een van de droogste gebieden ter wereld is. De klimaatverandering heeft de afgelopen jaren echter geleid tot een toename van de regenval, wat nu de kwestie van milieuverontreiniging doet rijzen. Tegelijkertijd dringen sommige mijnen door in lagen die niet langer op zuurstof maar op zwavel zijn gebaseerd en dus meer arseen bevatten. Als gevolg hiervan zal de hoeveelheid arseen die moet worden gedeponeerd in de toekomst toenemen, vooral gezien het feit dat er momenteel geen industriële toepassingen voor arseen zijn.

Vele benaderingen, één doel

"Deze twee ontwikkelingen zorgen ervoor dat Chileense mijnexploitanten nu nadenken over de manier waarop ze vroeger arseen verwijderden en zich onmiddellijk aanpassen aan deze nieuwe omstandigheden", legt Anna-Lisa Bachmann uit, die werkt bij de Fraunhofer Research Institution for Materials Recycling and Resource Strategies IWKS. in Alzenau en coördineert het project "ReAK-Reduction of Arsenic in Copper Concentrates". "Als onderdeel van dit project onderzoeken we nieuwe manieren om het arseen te scheiden en te deponeren, zodat de milieu-impact zoveel mogelijk wordt beperkt", zegt de onderzoeker. Fraunhofer IWKS lanceerde in 2018 een eerste project, dat een consortium van talrijke Duitse en Chileense partners uit zowel onderzoek als industrie samenbracht. Het project begon officieel in september 2019 met financiering van het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek.

Sindsdien zijn verschillende mogelijke processtappen nader onderzocht, te beginnen met de verdere verwerking van arseenrijk koperconcentraat. "We testen een reeks mogelijke opties om de meest effectieve individuele modules en de meest succesvolle volgorde van stappen te identificeren", beschrijft Bachmann. Het consortium onderzoekt een aantal processen, waaronder arseen-selectieve flotatie, sulfatering, en microbiële en sulfidische uitloging.

Alternatieve oxidatieprocessen die leiden tot stabielere en minder giftige arseen5+-verbindingen in plaats van onstabiele en in water oplosbare arseen3+-verbindingen worden ook overwogen. "Een optie voor deze oxidatiestap zou het gebruik van waterstofperoxide kunnen zijn, maar dit is erg duur", legt Bachmann uit. "Daarom onderzoeken we bij Fraunhofer IWKS in de loop van dit project elektrochemische oxidatie met diamantelektroden als een levensvatbaar alternatief. Ze hebben een bijzonder groot elektrochemisch venster, wat resulteert in de vorming van hydroxylradicalen in waterige oplossingen. Deze oxideren vervolgens de opgeloste arseen efficiënt en betrouwbaar zonder de noodzaak van extra chemicaliën." Andere projectpartners evalueren ook UV- en ozonondersteunde en microbiële oxidatieprocessen.

Aanbevelingen voor actie op maat

De eerste stap van alle werkpakketten is om te testen of de betreffende methode ook echt werkt en of het het gewenste resultaat oplevert. Fraunhofer IWKS zal hun kosteneffectiviteit en milieu-impact vergelijken in de context van levenscyclusanalyse en levenscycluskostenanalyses zodra alle individuele resultaten beschikbaar zijn.

"We zullen dit gebruiken om een ​​nieuw concept voor storten te ontwikkelen dat de Chileense regering aanbevolen maatregelen zal geven, rekening houdend met zowel de overheidsvereisten als de beschikbare financiële middelen", besluit Bachmann. Dit is met name relevant aangezien een groot deel van de koperindustrie in Chili, waaronder een van de mijnen die aan het project deelnemen, in staatseigendom is.

Een aantal van deze tests is al afgerond en andere zullen naar verwachting binnenkort worden afgerond. Hoewel wederzijdse leveringen van monsters en persoonlijke ontmoetingen zijn vertraagd als gevolg van de Corona-pandemie, blijft Anna-Lisa Bachmann ervan overtuigd dat alle partners tegen de zomer van 2023 gezamenlijk een veelbelovende strategie zullen hebben ontwikkeld, waarmee de Chileense koperindustrie aanzienlijk zal worden geholpen. + Verder verkennen

Arseen uit Chileense mijnen gevonden in Antarctica