Analytisches und technologisches Screening für die Verfahrensentwicklung zur Gewinnung von strategischen seltenen Metallen aus Thermalsolen
Projektdurchführung
Fraunhofer-Institut für
Keramische Technologien und Systeme
Institutsteil Dresden-Klotzsche
Maria-Reiche-Str. 2
01109 Dresden
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Die Sorge um die Versorgungssicherheit der deutschen Volkswirtschaft bei strategischen Rohstoffen ist in den letzten Jahren zunehmend in das öffentliche Bewusstsein gerückt. Der zur Gewinnung nötige Bergbau und auch ein stoffliches Recycling sind dabei ohne teils erhebliche Umweltbelastungen nach wie vor nicht realisierbar. Bei einer Gewinnung aus Thermalsolen könnten solche Auswirkungen weitgehend vermieden werden, da die Solen in geothermischen Kraftwerken ohnehin zu Tage gefördert werden. Zudem liegen die interessierenden Stoffe bereits gelöst vor, sodass aufwendige Laugungsprozesse zum Herauslösen aus der Gesteinsmatrix nicht benötigt werden. Diesen offensichtlichen Vorteilen stehen allerdings niedrige Gehalte gegenüber, sodass speziell angepasste Verfahren für eine Abtrennung aus dem Förderstrom zu untersuchen und auszuwählen waren. Standorte, die für eine Rohstoffgewinnung prinzipiell geeignet sind, waren zu identifizieren und die Realisierungschancen einzuschätzen.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenWährend der ersten Bearbeitungsphase des Projektes wurde ein analytisches Screening an bestehenden Geothermiestandorten durchgeführt. Die engere Auswahl erfolgte dabei auf der Grundlage von Recherchen u. a. in Bohrlochdatenbanken. Die Arbeiten umfassten weiterhin die Probenahme vor Ort und detaillierte chemische Untersuchungen im Hinblick auf strategische bzw. sonstige wertvolle chemische Elemente. Auf Basis der Analysenwerte und von Förderdaten wurden konkrete chemische Elemente und Soletypen für das technologische Screening ausgewählt.
Das technologische Screening umfasste die Bewertung der Eignung grundlegender Anreicherungs- und Gewinnungstechnologien für die Abtrennung der interessierenden chemischen Elemente aus dem Förderstrom. Zu erproben waren u. a. elektrochemische Abscheideverfahren, Adsorption, Extraktion und eine selektive Fällung. Die Untersuchungen zur Eignung der Verfahren wurden zunächst unter Laborbedingungen durchgeführt. Für die weiteren Tests wurde ein Geothermieversuchsstand genutzt, was eine Erprobung auch unter Praxisbedingungen gestattete. Ausgehend von den erzielten Ergebnissen wird eine vorläufige Bewertung der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit vorgenommen.
Ergebnisse und Diskussion
Im Rahmen des analytischen und hydrochemischen Screenings wurden 13 Geothermiestandorte bewertet, an denen stark mineralisierte Tiefenwässer gefördert werden oder für die entsprechende Daten aus der Prospektion vorlagen. Die Standorte befinden sich meist im Norddeutschen Becken. An vier dieser Lokalitäten konnten Spurenelementgehalte u.a. für Lithium, Gallium, Indium, Tellur, Kupfer, Cobalt festgestellt werden, die aus Sicht einer stofflichen Nutzung von Interesse sind. Unbeschadet des-sen stellen natürlich auch die chemischen Hauptbestandteile der nachgewiesenen Salzsolen (NaCl, KCl) eine potentielle Rohstoffressource dar, die Fallweise im Maßstab von mehr als 100 kt/a nutzbar wäre.
Im Rahmen des sich anschließenden verfahrenstechnischen Screenings wurde zunächst eine Vorauswahl unter den gebräuchlichen Anreicherungs- und Trennverfahren vorgenommen, wobei festzustellen war, das zahlreiche dieser Verfahren zu den in der Tiefen Geothermie anzutreffenden chemisch-physikalischen Systembedingungen nicht kompatibel sind. Für die weitere Bewertung wurden die Verfahren galvanische Abscheidung, Adsorption, flüssig-flüssig-Extraktion, sowie eingeschränkt, eine Fällung näher Untersucht. Diese Untersuchungen erfolgten überwiegend unter Laborbedingungen mit Modellsolen sowie mit natürlichen Soleproben. Die galvanische Abscheidung konnte auch unter In-situ-Bedingungen erfolgreich erprobt werden.
Als aussichtsreich wird die Gewinnung der Spurenmetalle durch galvanische Abscheidung In-situ angesehen. Sie gelingt ohne nennenswerte Auswirkungen auf die hydrochemischen Verhältnisse in der Thermalsole mit geringem energetischem und mit überschaubarem technischem Aufwand. Die galvanische Abscheidung gelingt trotz niedriger Konzentrationsniveaus für chemische Elemente wie Indium, Tellur, Kupfer, Blei mit sehr guten und für zahlreiche andere wie Nickel, Cobalt, Gallium, Thallium, Zink mit guten Ausbeuten. Die Adsorption wird speziell für die Gewinnung der seltenen und teuren Alkalimetalle Cäsium und Rubidium als aussichtsreich angesehen. In entsprechenden Versuchen mit selektiven Adsorbenzien konnten hohe Anreicherungen erzielt werden. Fällungsprozesse erwiesen sich insgesamt als wenig geeignet. Speziell Lithium ließ sich bis hin zu Ausgangskonzentrationen von 0,5 g/l nur mit unbefriedigender Ausbeute gewinnen. Auch eine flüssig-flüssig Extraktion ist nur zur weiteren Aufarbeitung von Vorkonzentraten aus der galvanischen Abscheidung oder der selektiven Adsorption einsetzbar.
Es wurden Entwicklungsarbeiten für einen galvanischen Abscheider durchgeführt und ein Prototyp ge-fertigt und erprobt. Um das umfangreich erworbene Kow-how zu sichern, wurden beim Deutschen Patent- und Markenamt München Schutzrechte für Verfahren und Vorrichtung beantragt.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Ausgewählte Ergebnisse des Projektes konnten bei internationalen Tagungen vorgestellt werden:
- IMWA 2016 - Mining Meets Water, Leipzig: Membrane electrolysis a promising technology for mine water treatment, radionuclide separation and extraction of valuable metals
- Internationaler Geothermiekongress Essen 2016: Elektrochemische Abtrennung scalingrelevanter Schwermetallkationen und geogener Radionuklide aus geothermalen Tiefenwässern
Fazit
Die Gewinnung seltener/strategischer Metalle auf Basis von Thermalsolen ist selbst bei den niedrigen Gehalten prinzipiell durchführbar. Das entwickelte Verfahren zur galvanischen Abscheidung und vor allem die zugehörige Vorrichtung sind auf dem jetzigen Entwicklungsstand technisch jedoch noch nicht hinreichend erprobt und optimiert, um einen Praxiseinsatz zu gestatten. Für eine Weiterentwicklung und Maßstabsvergrößerung bestehen gute Voraussetzungen. Von Anwenderseite besteht weiterhin erhebliches Interesse an einer solchen Technologie.
Fördersumme
118.791,00 €
Förderzeitraum
15.12.2014 - 15.09.2016
Bundesland
Sachsen
Schlagwörter
Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik