Abschnitt 3 - Mineralische Rohstoffe im Umweltschutz

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1 Seite 3-1 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 Prozess Produkt 1. Erdkruste geologische Suche und Erkundung 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: Elemente Sulfide Oxide / Hydroxide Halogenide usw. 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

2 Seite 3-2 Mineralische Rohstoffe - Klassifizierung nach Haupteinsatzgebieten 1. Energierohstoffe 2. Metallische Rohstoffe 3. Nichtmetallische Rohstoffe 1.1. Feste Energierohstoffe: Torf Braunkohle Brandschiefer Steinkohle Uran 1.2. Flüssige und 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 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, gasförmige Energierohstoffe Erden/Metalle Kalkstein, Diatomit Erdöl Erdgas Wasser Ge, Eu, Y, In, Li, Be, Zr 2.5. Radioaktive Metalle U, Ra, Th 3.3. Salze Steinsalz, Kalisalz Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung Jeder mineralische Rohstoff enthält drei n von Inhaltsstoffen: Funktion / Wirkung I. Wertstoff(e) Haupteigenschaftsträger, bestimmt(en) die erreichbare Qualität II. Wertstoffverdünnende Substanzen vermindert den Wertstoffanteil, verhält sich indifferent oder günstig e Qualitätsminderung oder Nichteignung Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung - Beispiel - Eisenerz I. Wertstoff: Eisen (Metallgehalt) II. Wertstoffverdünnende Substanzen Begleitminerale Karbonate (günstig) Silikate (indifferent) Spurenmineral Apatit Phosphor - Sprödbruch Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung - Beispiel - Keramikton I. Wertstoff: Tonmineralbestand, Formgebungsverhalten, Trocknungsverhalten, Brennverhalten II. Wertstoffverdünnende Substanzen Quarz (indifferent) Feldspat (günstig) Karbonate, Sulfate, Pyrit

3 Seite 3-3 Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung - Beispiel - Kohle I. Wertstoff: Kohlenstoff, Heizwert II. Wertstoffverdünnende Substanzen Silikate Asche a) Schwefel: - organisch gebunden - Pyrit b) Salzminerale (NaCl, Salzkohlen) c) Uran / Radium / Thorium Mineralische Rohstoffe - Zusammensetzung - Beispiel - Sand und Kies I. Wertstoff: Sandanteil / Kiesanteil (Quarz, magmatische und metamorphe Gesteine) II. Wertstoffverdünnende Substanzen 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.

4 Seite 3-4 Mineralische Rohstoffe im Umweltschutz - Übersicht Rohstoffe Einsatzgebiete Elemente der Platingruppe Katalysatoren für PKW Kalkstein Rauchgasentschwefelung Torf Papier Bauxit / Tonerde Zeolithe Tonmineralrohstoffe Dichtungsmaterial Steinkohle Aktivkoks / 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 m²) Oberfläche der Kanäle beschichtet mit Platin/Rhodium oder Platin/Palladium Zerlegung von CO, Stickoxyden und Kohlenwasserstoffen in CO 2, Stickstoff, Wasserdampf Gewicht das Körpers 0,7 bis 1,4 kg 1,5 g Pt und 0,3 g Rh / kg Keramik- Monolith Lebensdauer bis km Schnitt durch einen Autoabgaskatalysator [3-1]. 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

5 Seite 3-5 Seitenstreifenaltlasten [3-2] Stoffe Gase / KW: S-, Stickoxide Benzol, Phenol PAK Dioxine Schwermetalle: Blei Cadmium Cr, Ni, Cu, V Zn Ti Pt, Rh, Pa Quelle 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 (Al 2 O 3 ) 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].

6 Seite 3-6 Kalkstein für die Rauchgasentschwefelung Reduzierung der SO 2 -Emission bei der Verbrennung fossiler Energieträger SO 2 -Gehalt im Rauchgas 1-4 g/m³ Rauchgasproduktion 700 MW-Kraftwerk: - Steinkohle 2,5 x 10 6 m³ / Stunde - Braunkohle 7,5 x 10 6 m³ / Stunde - 2,5 bis 8 t Schwefel / Stunde Bindung des Schwefels an Karbonat unter Bildung von Gips (REA-Gips) Trockenverfahren Nassverfahren Trockenverfahren: - CaCO 3 CaO + CO 2 - CaO + SO 2 + 1/2 O 2 CaSO 4 - Kalkstein- oder Kalkadditiv-Verfahren - Gas-Feststoff-Reaktion Nassverfahren: - Kalkverfahren - Branntkalk und Wasser - Kalksteinwäsche - Kalksteinsuspension - Einsprühen der Waschflüssigkeit in die Rauchgase Kalkwaschturm zur SO 2 -Abscheidung [3-3]. Torf Torfpapier für Gärtnereien im Freilandeinsatz als Abdeckung zur Unkrautbekämpfung (Herbizideinsatz entfällt) medium - 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 in der Abgasreinigung in der Aluminium-Produktion von Ofen- und Elektrolyseabgasen Adsorption von HF Rückgewinnung von bis zu t/a und Anlage Steinkohle Herstellung von Aktivkoks für die Rauchgasreinigung (Rauchgasentschwefelung) in Kohlekraftwerken Gewinnung von Schwefelsäure und elementarem Schwefel

7 Seite 3-7 Gerüstsilikate mit unausgeglichener Ladung Grundbausteine [SiO 4 ]- und [AlO 4 ]- Tetraeder (siehe Bild rechts) poröse Gerüstsilikate mit Poren und Kanälen von 0,3 bis 0,8 nm Molekularsiebe reversibler Ionenaustausch hohe spezifische Oberfläche Zeolithe [SiO 4 ]- und [AlO 4 ]-Tetraeder ringförmig angeordnet und über die Ecken verknüpft Poren und Kanäle zwischen den Ringen Ionenaustausch in den Kanälen Anwendung: / Ionenaustauscher () - Abwasserbehandlung (SM, Radiokulide) - Konditionierung radioaktiver Abfälle - Barriere bei Havarien in chemischen und kerntechnischen Anlagen - Wasseraufbereitung (Ammoniumionen) - Entgiftungsmittel - Abluftreinigung (H 2 S, organische Verbindungen) SiO 4 /AlO 4 -Tetraeder 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 [3-2] LASCHKA, D.; STRIEBEL, T.; DAUB, J.: Platin im Regenabfluß einer Straße. - Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung, 8(1996)3. - S [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