Von der Lagerstätte zur Chemikalie Niob und Tantal
Von der Lagerstätte zur Chemikalie Niob und Tantal
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<strong>Von</strong> <strong>der</strong> <strong>Lagerstätte</strong> <strong>zur</strong> <strong>Chemikalie</strong><br />
<strong>Niob</strong> <strong>und</strong> <strong>Tantal</strong><br />
Natascha Weiß, 10.01.2012
<strong>Von</strong> <strong>der</strong> <strong>Lagerstätte</strong> <strong>zur</strong> <strong>Chemikalie</strong><br />
<strong>Niob</strong> <strong>und</strong> <strong>Tantal</strong><br />
Eigenschaften von Nb <strong>und</strong> Ta<br />
<strong>Lagerstätte</strong>n<br />
Allgemeines<br />
Aufarbeitung <strong>der</strong> Erze<br />
Bildung <strong>der</strong> Nb/Ta – <strong>Lagerstätte</strong>n<br />
Verwendung <strong>der</strong> Metalle<br />
Wirtschaftliche Betrachtung <strong>der</strong> Metalle<br />
2
Physikalische <strong>und</strong> Chemische<br />
Eigenschaften von Nb / Ta<br />
3
Physikalische <strong>und</strong> chemische<br />
Eigenschaften von Nb / Ta<br />
●<br />
5 Valenzelektronen<br />
● wichtigste Oxidationszahl ist +5<br />
●<br />
●<br />
werden von nicht-oxidierenden Säuren mit<br />
Ausnahme von HF nicht korridiert (bei T
Physikalische <strong>und</strong> Chemische<br />
Eigenschaften von Nb / Ta<br />
<strong>Tantal</strong><br />
<strong>Tantal</strong><br />
<strong>Niob</strong><br />
● Walz- <strong>und</strong> schmiedbar ● Stahlähnliche<br />
● Silberweiß<br />
● Blaugrau<br />
● Weich<br />
● Glänzend<br />
● Duktil<br />
● Duktil<br />
Festigkeit<br />
5
<strong>Lagerstätte</strong>n<br />
Definition:<br />
<strong>Lagerstätte</strong>n sind natürliche Anhäufungen von<br />
mineralischen Rohstoffen in <strong>der</strong> Erdrinde, die nach<br />
technischen <strong>und</strong> gesellschaftlichen Gegebenheiten<br />
mit volkswirtschaftlichem Nutzen gewonnen <strong>und</strong><br />
verwendet werden können.<br />
6
Entstehung von <strong>Lagerstätte</strong>n<br />
Nicht unmittelbar beobachtbar wegen des langen<br />
Zeitraumes (1 Mio. - 100 Mio. Jahre)<br />
●<br />
Mechanische<br />
Beanspruchungen<br />
●<br />
Physikochemische<br />
Beanspruchung<br />
●<br />
Thermische<br />
Beanspruchung<br />
7
Physikochemische<br />
Beanspruchung<br />
●<br />
●<br />
Reaktionen innerhalb <strong>und</strong> zwischen festen<br />
Phasen<br />
Nb <strong>und</strong> Ta können sich in Mineralien<br />
gegenseitig vertreten<br />
Reaktionen zwischen festen <strong>und</strong> mobilen Phasen<br />
innerhalb des primären Bildungsverbandes o<strong>der</strong><br />
aus Fremdquellen<br />
Nb-Löslichkeit in carbonatreichen Fluiden<br />
wesentlich größer als die des Ta<br />
8
Physikochemische<br />
Beanspruchung<br />
Einfluss auf das chemische Gleichgewicht eventuell<br />
vorhandener Reaktionspartner durch:<br />
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Temperatur<br />
Druck<br />
Konzentration<br />
pH-Wert<br />
Basische, an Alkaligesteinskomplexe<br />
auftretende Anreicherung von Karbonaten<br />
mit Mineralien seltener Metalle, z.Bsp. Nb /<br />
Ta<br />
9
Thermische Beanspruchung<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Lokale, kurzfristige Erwärmung<br />
Rasch wechselnde Temperaturen<br />
Regionale langzeitige Erhitzung bis in den<br />
Bereich <strong>der</strong> Schmelztemperaturen von Gesteinen<br />
Magmatogene/endogene <strong>Lagerstätte</strong>n<br />
Nb / Ta : Fraktionierte Kristallisation bei<br />
Aufsteigen aus <strong>der</strong> Lithosphäre<br />
10
Thermische Beanspruchung<br />
Spätkristallisation<br />
<strong>Niob</strong> wird bevorzugt<br />
angereichert<br />
Überkritische Phase<br />
<strong>Niob</strong> <strong>und</strong> <strong>Tantal</strong> werden<br />
angereichert<br />
Carbonatide<br />
Pegmatite: Ta<br />
Kryoltith: Nb<br />
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Die wichtigsten Ta- <strong>und</strong> Nb-<br />
Minerale<br />
13
Aufarbeitung <strong>der</strong> Erze<br />
Feingemahlenes Erz aus dem Abbau wird von<br />
an<strong>der</strong>en Mineralien mittels Flotationsverfahren<br />
getrennt<br />
14
Aufarbeitung <strong>der</strong> Erze<br />
Fansteel-Verfahren<br />
(alkalischer Aufschluss)<br />
Saurer Aufschluss mit<br />
Schwefelsäure <strong>und</strong><br />
Flusssäure<br />
Kaum noch verwendet<br />
15
Saurer Aufschluss <strong>der</strong> Erze<br />
●<br />
Den Erzen wird 70%ige HF bzw. ein Gemisch<br />
aus HF + H 2<br />
SO 4<br />
versetzt<br />
H 2<br />
(Nb,Ta)F 7<br />
geht in Lösung<br />
16
Trennung von Nb <strong>und</strong> Ta<br />
flüssig/flüssig-Extraktion<br />
●<br />
●<br />
hoch konzentrierte Heptaflourid-HF-Lösung wird<br />
mit Methylisobutylketon ausgeschüttelt<br />
Im Extrakt fällt bei Kontakt mit Wasser o<strong>der</strong><br />
verdünnten Mineralsäuren das <strong>Niob</strong> als H 2<br />
NbOF 5<br />
aus, <strong>der</strong> stabilere Ta-Komplex bleibt in Lösung<br />
17
Reinigung von <strong>Niob</strong> <strong>und</strong> <strong>Tantal</strong><br />
●<br />
●<br />
<strong>Tantal</strong> wird im sauren (pH 3-4) reextrahiert <strong>und</strong><br />
entwe<strong>der</strong> mit KF als K 2<br />
TaF 7<br />
gefällt o<strong>der</strong> mit NH 3<br />
als Ta 2<br />
O 5<br />
∙ H 2<br />
O<br />
Das <strong>Niob</strong> kann ebenfalls in wässriger NH 3<br />
als<br />
Nb 2<br />
O 5<br />
∙ H 2<br />
O gefällt werden<br />
18
Reinigung von <strong>Niob</strong> <strong>und</strong> <strong>Tantal</strong><br />
●<br />
●<br />
Die reinen Elemente (99,9%) erhält man<br />
– durch Schmelzflusselektrolyse des<br />
entsprechenden Metallflourids o<strong>der</strong><br />
– Durch die fraktionierte Kristallisation <strong>der</strong><br />
Oxide<br />
Das Metall kann anschließend geschmiedet, mit<br />
Walzen geformt o<strong>der</strong> an<strong>der</strong>weitig weiter<br />
verwendet werden (Sinterstäbe, Legierungen,<br />
Dotierungen)<br />
19
Verwendung <strong>der</strong> Metalle<br />
20
Verwendung von <strong>Tantal</strong><br />
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Kleine Kondensatoren<br />
aus Ta mit großer<br />
Kapazität<br />
Medizintechnik<br />
Chemieindustrie<br />
Werkzeugstahl<br />
21
Verwendung von <strong>Niob</strong><br />
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Münzen<br />
Rostfreie Stähle<br />
Son<strong>der</strong>stähle<br />
Supraleiter in<br />
Teilchenbeschleunigern<br />
22
Wirtschaftliche Betrachtung<br />
23
Wirtschaftliche Betrachtung<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Beson<strong>der</strong>s für die Anwendungen in <strong>der</strong><br />
Mikroelektronik wird viel Ta <strong>und</strong> Nb<br />
verwendet<br />
Rückgewinnung <strong>der</strong> Metalle aus z.Bsp.<br />
Handys ist nicht wirtschaftlich<br />
Auf lange Sicht werden die <strong>Lagerstätte</strong>n<br />
erschöpfen, man braucht Alternativen<br />
24
Quellen<br />
(1) Einführung in die Geologie <strong>und</strong> Erk<strong>und</strong>ung von <strong>Lagerstätte</strong>n, Baumann / Nikolskij / Wolf, Verlag Glückauf GmbH Hessen,<br />
1979<br />
(2) Lehrbuch <strong>der</strong> Anorganischen Chemie, Holleman-Wiberg, Walter de Gruyter & Co Berlin, 100. Auflage, 1985<br />
(3) http://www.rz.uni-karlsruhe.de/~dg21/geochem0304/NbTa.pdf, 27.12.2011<br />
(4) Promotionsarbeit, Über das Korrosionsverhalten verschiedener seltener Metalle gegenüber wässrigen Säurelösungen, unter<br />
beson<strong>der</strong>er Berücksichtigung von <strong>Niob</strong> <strong>und</strong> <strong>Tantal</strong>, Hans Böhni, Eidgenössische Technische Hochschule in Zürich, 1937<br />
(5) Promotionsarbeit, Zur Bestimmung <strong>und</strong> Trennung von Titan, <strong>Niob</strong> <strong>und</strong> <strong>Tantal</strong> im Mineral Euxemit, Guido Bischofsberger,<br />
Eidgenössische Technische Hochschule in Zürich, 1950<br />
(6) http://www.seilnacht.com/Minerale/erde.gif, 27.12.2011<br />
(7) Chemische Technologie Band 4: Metalle, Winnacker / Küchler, Carl Hanser Verlag München Wien, 4. Auflage, 1986<br />
(8) http://geologie.vsb.cz/loziska/loziska/rudy/pyrochlor%2001_resize.jpg, 29.12.2011<br />
(9) http://www.seilnacht.com/Lexikon/columbit.JPG, 29.12.2011<br />
(10) http://www.goldankauf-son<strong>der</strong>metallhandel.de/resources/_wsb_369x195_L$C3$B6tgekr$C3$A4tz.jpg, 02.01.2012<br />
(11) http://www.zzywzg.com/en/UploadFiles/2011324152522998.gif, 06.01.2012<br />
(12) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e8/Flotation.jpg, 06.01.2012<br />
(13) www.plansee.com/lib/<strong>Tantal</strong>um_<strong>Niob</strong>ium.pdf, 06.01.2012<br />
(14) http://www.welt.de/multimedia/archive/01326/jk_smartphones16_D_1326868p.jpg, 09.01.2012<br />
25
(15) http://www.welt.de/multimedia/archive/01326/jk_smartphones16_D_1326868p.jpg, 09.01.2012<br />
(16) http://www.mglclub.com/files/attach/images/166/749/859/001/toshiba-satellite-a300-laptop%5B1%5D.jpg,<br />
09.01.2012<br />
(17) http://www.emuenzen.de/verkauf/bild.php/25_Euro_<strong>Niob</strong>_2007%3B_<strong>Niob</strong>_-_Muenze_Oesterreich_25_Euro_Luftfahrt_in_Oesterreic<br />
, 09.01.2012<br />
(18) http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/1110201.htm, 09.01.2012<br />
(19) http://polpix.sueddeutsche.com/polopoly_fs/1.711156.1274125784!/image/image.jpg_gen/<strong>der</strong>ivatives/860x860/image.jpg<br />
, 09.01.2012<br />
26
Vielen Dank für die<br />
Aufmerksamkeit!<br />
27
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