Abschnitt 3 - Mineralische Rohstoffe im Umweltschutz

TU Dresden / Institut für Geotechnik
Professur für Angewandte Geologie
Vorlesungsmaterial Umweltgeologie
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Abschnitt 3 - Mineralische Rohstoffe im Umweltschutz
Mineralische Rohstoffe Definition
• Mineralische Rohstoffe sind:
• Durch geologische Prozesse gebildete Bestandteile der Erdkruste im festen, flüssigen oder
gasförmigen Zustand
• Natürliche Anreicherungen in wirtschaftlich nutzbarer Form = Lagerstätten
• Natürliche Anreicherungen in wirtschaftlich nicht nutzbarer Form = Vorkommen
Mineralische Rohstoffe - Erschließung
Arbeitsgegenstand
1. Erdkruste
Prozess
geologische Suche und Erkundung
Produkt
Lagerstättenvorrat
2. Lagerstätte
bergbauliche Gewinnung
Förderhaufwerk
3. Förderhaufwerk
Aufbereitung
Aufbereitungsprodukt
Aufbereitungsprodukt
Be- und Verarbeitung
Werkstoff, Energie usw.
Mineralische Rohstoffe - Klassifizierung
Genetische Gliederung:
• nach lagerstättenbildenden geologischen Prozessen,
• magmatische Lagerstätten,
• metamorphe Lagerstätten,
• sedimentäre Lagerstätten,
• Verwitterungslagerstätten
Mineralische Gliederung:
• Oxide / Hydroxide
• Elemente
• Halogenide usw.
• Sulfide
Haupteinsatzgebiete / Gebrauchswerteigenschaften:
• Dreiteilung nach stofflichen Merkmalen
• Metallische Rohstoffe (Elementrohstoffe)
• Nichtmetallische Rohstoffe (Eigenschaftsrohstoffe)
• Energierohstoffe
Sonstige Unterteilungen:
• Massenrohstoffe (in großen Mengen vorhanden und verbraucht, z. B. Eisenerze, Silikate,
Kohle, Steinsalz, Tone)
• Problemrohstoffe (weltweit knapp, Vorlauf < 100 Jahre, Zinn, Gold, Silber, Wolfram)
• Seltene mineralische Rohstoffe (Anteil an der Erdkruste < 1000 ppm, Einsatz für
Sonderzwecke, Selen, Platin, Wismut)
• Sonderrohstoffe
• Sondermetalle
• Seltene Erden
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Mineralische Rohstoffe - Klassifizierung nach Haupteinsatzgebieten
1. Energierohstoffe
1.1. Feste Energierohstoffe:
Torf
Braunkohle
Brandschiefer
Steinkohle
Uran
1.2. Flüssige und
gasförmige Energierohstoffe
Erdöl
Erdgas
Wasser
2. Metallische Rohstoffe
2.1. Eisen u. Stahlveredler
Fe, Mn, Cr, V, Ni, Wo
2.2. Buntmetalle
Al, Cu, Pb, Zn, Ni, Co, Sn
2.3. Edelmetalle
Au, Ag, Pt-Metalle
2.4. Seltene
Erden/Metalle
Ge, Eu, Y, In, Li, Be, Zr
2.5. Radioaktive Metalle
U, Ra, Th
3. Nichtmetallische Rohstoffe
3.1. Industrieminerale
Edelsteine, Glimmer, Talk, Chromit,
Quarz, Diamant, Fluorit, Gips,
Baryt, Asbest, Zeolith
3.2. Industriegesteine
Bentonit, Ton, Kaolin, Werkstein,
Sand, Kies,Dachschiefer, Quarzit,
Kalkstein, Diatomit
3.3. Salze
Steinsalz, Kalisalz
Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung
Jeder mineralische Rohstoff enthält drei Kategorien von Inhaltsstoffen:
Kategorie
Funktion / Wirkung
I. Wertstoff(e)
Haupteigenschaftsträger,
bestimmt(en) die erreichbare Qualität
II. Wertstoffverdünnende Substanzen
vermindert den Wertstoffanteil, verhält sich
indifferent oder günstig
III. Schadstoffe
Qualitätsminderung oder
Nichteignung
Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung - Beispiel - Eisenerz
Kategorie
I. Wertstoff:
II. Wertstoffverdünnende Substanzen
III. Schadstoff
Stoff / Wirkung
Eisen (Metallgehalt)
Begleitminerale
Karbonate (günstig)
Silikate (indifferent)
Spurenmineral Apatit
Phosphor - Sprödbruch
Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung - Beispiel - Keramikton
Kategorie
I. Wertstoff:
II. Wertstoffverdünnende Substanzen
III. Schadstoff
Stoff / Wirkung
Tonmineralbestand,
Formgebungsverhalten, Trocknungsverhalten,
Brennverhalten
Quarz (indifferent)
Feldspat (günstig)
Karbonate, Sulfate, Pyrit
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Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung - Beispiel - Kohle
Kategorie
I. Wertstoff:
II. Wertstoffverdünnende Substanzen
III. Schadstoff
Stoff / Wirkung
Kohlenstoff, Heizwert
Silikate → Asche
a) Schwefel:
- organisch gebunden
- Pyrit
b) Salzminerale (NaCl, Salzkohlen)
c) Uran / Radium / Thorium
Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung - Beispiel - Sand und Kies
Kategorie
I. Wertstoff:
II. Wertstoffverdünnende Substanzen
III. Schadstoff
Stoff / Wirkung
Sandanteil / Kiesanteil
(Quarz, magmatische und metamorphe
Gesteine)
Feinkornanteile
Überkornanteile
Schlämmstoffe
Sedimentgesteine
Feuerstein / Alkalitreiben
Mineralische Rohstoffe - Rohstoffbewertung
Substantielle Bewertung:
• Erfassung der notwendigen Gesamtheit der stofflichen und technologischen Daten.
• Erkennung/Ableitung der Gesetzmäßigkeiten zwischen beiden Eigenschaftskomplexen
Zielstellung:
• Nachweis der Eignung oder Nichteignung für eine definierte Verwendung entsprechend der
technischen Anforderungen des Nutzers.
• Ableitung der stofflich bedingten Grenzen des Rohstoffeinsatzes.
• Qualitätssicherung.
Mineralische Rohstoffe - Rohstoffbewertung für die
Lagerstättenerkundung:
• Erfassung der stofflichen Differenzierung.
• Selektive Gewinnung der verschiedenen Rohstoffqualitäten.
Rohstoffsubstitution:
• Ersatz eines traditionellen Rohstoffes.
• Modellsubstanz - Eigenschaftsvergleich.
Rohstoffveredlung:
• Ableitung der stofflich bedingten Einsatzgrenzen.
• Erzielbare Eigenschaftsveränderungen.
• Entfernung von Schadstoffen.
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Mineralische Rohstoffe im Umweltschutz - Übersicht
Rohstoffe
Elemente der Platingruppe
Kalkstein
Torf
Einsatzgebiete
Katalysatoren für PKW
Rauchgasentschwefelung
Adsorber
Papier
Bauxit / Tonerde
Adsorber
Zeolithe
Adsorber
Tonmineralrohstoffe
Dichtungsmaterial
Adsorber
Steinkohle
Aktivkoks / Adsorber
Eigenschaftsrohstoffe = mineralische Rohstoffe, die aufgrund spezieller Eigenschaften zum Einsatz kommen.
Elemente der Platingruppe
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Katalysatoren für PKW-Abgasreinigung
Platin / Rhodium oder Platin / Palladium
Trägerkörper aus poröser Keramik
Strömungskanäle (Oberfläche 18000 m²)
Oberfläche der Kanäle beschichtet mit
Platin/Rhodium oder Platin/Palladium
Zerlegung von CO, Stickoxyden und
Kohlenwasserstoffen in CO2, Stickstoff,
Wasserdampf
Gewicht das Körpers 0,7 bis 1,4 kg
1,5 g Pt und 0,3 g Rh / kg KeramikMonolith
Lebensdauer 80000 bis 200000 km
Schnitt durch einen Autoabgaskatalysator [31].
Seitenstreifenaltlasten [3-2]
Anreicherung straßenspezifischer anorganischer, organischer Stoffe und Schwermetalle am
Straßenrand.
Stoffe
Quelle
Stäube:
Ruß
Dieselverbrennung
Asbest
Bremsbeläge
Kautschuk
Reifenabrieb
Flüssigkeiten:
Öle, Fette, Kraftstoffe
Tropfverluste, Leckagen
gelöste Salze
Streumittel
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Seitenstreifenaltlasten [3-2]
Quelle
Stoffe
Gase / KW:
S-, Stickoxide
Benzol, Phenol
PAK
Dioxine
Schwermetalle:
Blei
Cadmium
Cr, Ni, Cu, V
Zn
Ti
Pt, Rh, Pa
Kraftstoffverbrennung
Kraftstoffverbrennung
Kraftstoffverbrennung, Fahrbahnabrieb (Teer)
Kraftstoffverbrennung
Benzinverbrennung
Dieselverbrennung
Altöl, Bremsbeläge,
Reifenabrieb
Fahrbahnmarkierung
Katalysatoren
Seitenstreifenaltlasten - Katalysatorenmetalle
•
•
•
•
•
•
Abrieb durch mechanische Beanspruchung und Temperaturwechsel
Edelmetall (elementar) und Trägermaterial (Al2O3)
Korngröße 0,1 bis 20 µm
Emission rund 250 ng/km (80 km/h, Autobahn)
Emission Stadtverkehr Faktor 2 - 3 höher
Ansammlung in Versickerungsbecken und am Straßenrand
Sedimente eines Versickerbeckens der A 3 im
Juni 1991 [3-2].
Elementkonzentrationen der Beckensedimente
des Versickerbeckens der A 3 [3-2].
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Kalkstein für die Rauchgasentschwefelung
• Reduzierung der SO2-Emission bei der
Verbrennung fossiler Energieträger
• SO2-Gehalt im Rauchgas 1 - 4 g/m³
• Rauchgasproduktion 700 MW-Kraftwerk:
- Steinkohle 2,5 x 106 m³ / Stunde
- Braunkohle 7,5 x 106 m³ / Stunde
- 2,5 bis 8 t Schwefel / Stunde
• Bindung des Schwefels an Karbonat unter
Bildung von Gips (REA-Gips)
• Trockenverfahren
• Nassverfahren
• Trockenverfahren:
- CaCO3 → CaO + CO2
- CaO + SO2 + 1/2 O2 → CaSO4
- Kalkstein- oder Kalkadditiv-Verfahren
- Gas-Feststoff-Reaktion
• Nassverfahren:
- Kalkverfahren - Branntkalk und Wasser
- Kalksteinwäsche - Kalksteinsuspension
- Einsprühen der Waschflüssigkeit in die
Rauchgase
Kalkwaschturm zur SO2-Abscheidung [3-3].
Torf
• Torfpapier für Gärtnereien im Freilandeinsatz als Abdeckung zur Unkrautbekämpfung
(Herbizideinsatz entfällt)
• Adsorbermedium
- Abluftreinigung in der Fleischverarbeitung
- Herstellung von Aktivkohle
- Chemikalienbinder für Öl und Lösungsmittel (hydrophobierte Torfe)
- Torfgranulate zur Adsorption von Schwermetallen und Radionukliden aus Prozesswässern
Bauxit / Tonerde
• Adsorber in der Abgasreinigung in der Aluminium-Produktion von Ofen- und
Elektrolyseabgasen
• Adsorption von HF
• Rückgewinnung von bis zu 100000 t/a und Anlage
Steinkohle
• Herstellung von Aktivkoks für die Rauchgasreinigung (Rauchgasentschwefelung) in
Kohlekraftwerken
• Gewinnung von Schwefelsäure und elementarem Schwefel
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Zeolithe
• Gerüstsilikate mit unausgeglichener Ladung
• Grundbausteine [SiO4]- und [AlO4]Tetraeder (siehe Bild rechts)
• poröse Gerüstsilikate mit Poren und Kanälen
von 0,3 bis 0,8 nm
• Molekularsiebe
• reversibler Ionenaustausch
• hohe spezifische Oberfläche
SiO4/AlO4-Tetraeder
• [SiO4]- und [AlO4]-Tetraeder ringförmig
angeordnet und über die Ecken verknüpft
• Poren und Kanäle zwischen den Ringen
• Ionenaustausch in den Kanälen
Anwendung:
• Adsorber / Ionenaustauscher ()
- Abwasserbehandlung (SM, Radiokulide)
- Konditionierung radioaktiver Abfälle
- Barriere bei Havarien in chemischen und
kerntechnischen Anlagen
- Wasseraufbereitung (Ammoniumionen)
- Entgiftungsmittel
- Abluftreinigung (H2S, organische
Verbindungen)
Zeolith-Struktur [3-4]
Literatur / Quellenangaben zum Abschnitt 3
[3-1]
GAJEWSKI, W.: Werkstoffe für Katalysatoren im Umweltschutz. - cfi/Ber. DKG, Wiesbaden 68(1991)3. - S. 86 - 92
[3-2]
LASCHKA, D.; STRIEBEL, T.; DAUB, J.: Platin im Regenabfluß einer Straße. - Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung, 8(1996)3. - S. 124 - 129
[3-3]
HEINTZ, A.; REINHARDT, G.: Chemie und Umwelt. - Vieweg & Sohn, Braunschweig/
Wiesbaden
[3-4]
RÖSLER, H. J.: Lehrbuch der Mineralogie. - VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1979