Som världens största kopparexportör stöter Chile på ett växande antal svavelbaserade malmlager som innehåller giftig arsenik i sina koppargruvor. Konventionella strategier för att separera och deponera arsenik har visat sig vara begränsade på detta område. Det tysk-chilenska projektteamet, som leds på tysk sida av Fraunhofer Research Institution for Materials Recycling and Resource Strategies IWKS, arbetar för att optimera och föra fram kopparproduktionsprocesser så att Chile kan ta itu med problemet med arsenik på den mest effektiva, kostnadseffektiv och miljövänlig väg framåt.

Koppar är en halvmetall med många användbara egenskaper:Det är en ledare av elektricitet och värme, med en mjuk konsistens och ett mycket distinkt utseende. Därför är det ingen överraskning att det finns en stor efterfrågan på denna råvara, särskilt inom områdena elektroteknik, kommunikationsteknik, konstruktion och hantverk. Även om koppar nu är lättåtervinningsbart, är den globala efterfrågan på uppgång, vilket kräver fortsatt brytning av koppar. Chile är världens främsta kopparproducent och exportör. Bara under 2021 bröt den cirka 5,6 miljoner ton koppar, vilket motsvarar ungefär en fjärdedel av världens totala gruvvolym. Det gör kopparindustrin till en av landets viktigaste inkomstkällor.

Kopparn i Chile bryts i dagbrott i koppargruvor i Atacamaöknen. Här sprängs malm från hål med diametrar på upp till två kilometer. Denna malm har en kopparhalt på cirka två procent, som utvinns i flera steg:Malmen mals först och utsätts sedan för flotation, vilket innebär våtkemisk skumning av materialet, för att separera den högkopparhaltiga malmen från lågkopparmalm. Det resulterar i kopparkoncentrat, som även Chile säljer. Den innehåller cirka 20 till 30 procent koppar. Koncentratet smälts sedan i masugnar och renas slutligen i elektrokemiska elektrolysprocesser för att erhålla ren koppar.

Arsenik innebär nya utmaningar

Förutom koppar innehåller de uppgrävda malmlagren ofta även arsenik, som på grund av sin toxicitet måste utvinnas ur malmen. Detta sker nästan automatiskt när malmen värms upp:Arseniken förvandlas till gas. I Chile är det nuvarande förfarandet att fånga upp gasen, lösa upp den i svavelsyra och sedan omvandla den till fast kalciumarsenat eller kalciumarsenit i en process som kallas utfällning. Dessa kalciumföreningar deponeras sedan i Atacamaöknen. Tidigare har det faktum att dessa föreningar är vattenlösliga aldrig varit några problem eftersom Atacamaöknen är en av de torraste regionerna i världen. Klimatförändringarna har dock orsakat en ökning av nederbörden de senaste åren, vilket nu väcker frågan om miljöföroreningar. Samtidigt penetrerar vissa gruvor lager som inte längre är syrebaserade utan svavelbaserade och därmed innehåller mer arsenik. Som ett resultat kommer mängden arsenik som ska deponeras att öka i framtiden, särskilt med tanke på att det för närvarande inte finns några industriella användningsområden för arsenik.

Många tillvägagångssätt, ett mål

"Dessa två utvecklingar får nu chilenska gruvoperatörer att ompröva sättet som de tidigare gjorde sig av med arsenik och anpassa sig till dessa nya omständigheter utan dröjsmål", förklarar Anna-Lisa Bachmann, som arbetar vid Fraunhofer Research Institution for Materials Recycling and Resource Strategies IWKS i Alzenau och koordinerar projektet "ReAK—Reduction of Arsenic in Copper Concentrates". "Vi undersöker nya sätt att separera och deponera arseniken som en del av det här projektet så att miljöpåverkan minimeras så mycket som möjligt", säger forskaren. Fraunhofer IWKS lanserade ett första projekt 2018, som samlade ett konsortium av många tyska och chilenska partners från både forskning och industri. Projektet startade officiellt i september 2019 med finansiering från det tyska förbundsministeriet för utbildning och forskning.

Sedan dess har flera olika potentiella processsteg undersökts mer i detalj, med början med vidareförädling av arsenikrikt kopparkoncentrat. "Vi sätter en rad möjliga alternativ på prov, med avsikten att identifiera de mest effektiva individuella modulerna och den mest framgångsrika sekvensen av steg," beskriver Bachmann. Konsortiet undersöker ett antal processer, inklusive arsenikselektiv flotation, sulfateringsrostning och mikrobiell och sulfid-urlakning.

Alternativa oxidationsprocesser som resulterar i mer stabila och mindre toxiska arsenik5+-föreningar istället för instabila och vattenlösliga arsenik3+-föreningar övervägs också. "Ett alternativ för detta oxidationssteg kan vara användningen av väteperoxid, men det här är väldigt dyrt", förklarar Bachmann. "Det är därför vi på Fraunhofer IWKS undersöker elektrokemisk oxidation med diamantelektroder som ett hållbart alternativ under detta projekt. De har ett särskilt stort elektrokemiskt fönster, vilket resulterar i bildandet av hydroxylradikaler i vattenlösningar. Dessa oxiderar sedan det upplösta arsenik effektivt och tillförlitligt utan behov av ytterligare kemikalier." Andra projektpartners utvärderar också UV- och ozonassisterade såväl som mikrobiella oxidationsprocesser.

Skräddarsydda rekommendationer för åtgärder

Det första steget i alla arbetspaket är att testa om metoden i fråga faktiskt fungerar och om den ger önskat resultat. Fraunhofer IWKS kommer att jämföra deras kostnadseffektivitet och miljöpåverkan i samband med livscykelanalys och livscykelkostnadsanalyser så snart alla individuella resultat är tillgängliga.

"Vi kommer att använda detta för att utveckla ett nytt koncept för deponering som kommer att ge rekommenderade åtgärder till den chilenska regeringen, med hänsyn till både statliga krav och tillgängliga ekonomiska resurser", avslutar Bachmann. Detta är särskilt relevant med tanke på att mycket av Chiles kopparindustri, inklusive en av gruvorna som deltar i projektet, är statligt ägd.

Ett antal av dessa tester har redan genomförts, och andra förväntas bli klara inom kort. Även om ömsesidiga provleveranser och personliga möten har försenats till följd av Corona-pandemin, är Anna-Lisa Bachmann fortfarande övertygad om att alla partners gemensamt kommer att ha utvecklat en lovande strategi till sommaren 2023, vilket avsevärt hjälper den chilenska kopparindustrin. + Utforska vidare

Arsenik från chilenska gruvor som hittades i Antarktis