Die vorliegende Arbeit verdeutlicht einerseits die Wichtigkeit von Niob und Tantal, die einen hohen globalen Nachfragebedarf beider Metalle nach sich zieht. Andererseits wird zum Ausdruck gebracht, welche drastischen Konsequenzen gerade wegen dieses Bedarfs entstehen. Neben einer informativen Grundlage bezüglich der Elemente Niob und Tantal bietet diese Arbeit eine Einsicht in verschiedene Problematiken hinsichtlich des Abbaus und Exports der kritischen Rohstoffe in Entwicklungsländern mit innenpolitischen Unruhen, dem Einsatz von Fluoridlösungen zur Trennung beider Metalle voneinander und der eingeschränkten Wiederverwertungs- und Substitutionsmöglichkeiten. Zudem werden Maßnahmen vorgestellt, um dem potentiellen Risiko einer Angebotsknappheit entgegenwirken zu können.
Inhalt
Inhalt
Abstract
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Lagerstätten 2.1 Niob-Quellen 2.2 Tantal-Quellen
3 Förderung
4 Verwendung 4.1 Einsatz von Niob 4.2 Einsatz von Tantal
5 Wiederverwertung und Substitutionsmöglichkeiten 5.1 Wiederverwertung 5.2 Substitutionsmöglichkeiten
6 Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Literatur
Abstract
Die vorliegende Arbeit verdeutlicht einerseits die Wichtigkeit von Niob und Tantal, die einen hohen globalen Nachfragebedarf beider Metalle nach sich zieht. Andererseits wird zum Ausdruck gebracht, welche drastischen Konsequenzen gerade wegen dieses Bedarfs entstehen. Neben einer informativen Grundlage bezüglich der Elemente Niob und Tantal bietet diese Arbeit eine Einsicht in verschiedene Problematiken hinsichtlich des Abbaus und Exports der kritischen Rohstoffe in Entwicklungsländern mit innenpolitischen Unruhen, dem Einsatz von Fluoridlösungen zur Trennung beider Metalle voneinander und der eingeschränkten Wiederverwertungsund Substitutionsmöglichkeiten. Zudem werden Maßnahmen vorgestellt, um dem potentiellen Risiko einer Angebotsknappheit entgegenwirken zu können.
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Niob- und Tantalkomplexe in organischer und wässriger Phase (in Anlehnung an Nete et al., 2016, S. 563)
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Trennung und Gewinnung reiner Niob- und. Tantalprodukte (Zhu/Cheng, 2011, S. 6, basierend auf Eckert, 1995, S. 51-64)
Abbildung 3: Prozentuale Darstellung des globalen Niob-Konsums (Schulz et al. 2017, S. 3, basierend auf Schwela, 2011, S. 2-8)
Abbildung 4: Prozentuale Darstellung des globalen Tantal-Konsums (Schulz et al. 2017, S. 3, basierend auf Schwela, 2011, S. 2-8)
Abbildung 5: Eigenschaften und zugehörige Anwendungsbereiche von Tantal (Espinoza, 2012, S. 3, basierend auf Andersson et al., 2000, Kaloyeros et al., 2000, S. 2800-2810 und Lambert, 2007, S. 313-338)
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Abbaubare Niobium-Vorräte verschiedener Länder in 2012 (Alves/Coutinho, 2015, S. 111)
Tabelle 2: Geborgenes Niob aus Bergwerken verschiedener Länder in 2014 (Mackay/Simandl, 2015, S. 19)
Tabelle 3: Geborgenes Tantal aus Bergwerken verschiedener Länder im Vergleich (Bleiwas et al., 2015, S. 1)
Tabelle 4: Potentielle Substitute für Niob und Tantal (B.G.S., 2011, S. 23)
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1 Einleitung
Der griechischen Mythologie nach wurde der König Tantalos von den Göttern in die Unterwelt verdammt (Jansen, 2005, S. 181). Unter einem Früchtebaum musste er in einem Becken bis zum Kinn im Wasser stehen. Beim Versuch nach einer Frucht zu greifen, bewegten sich die Äste außerhalb seiner Reichweite. Versuchte er vom Wasser zu trinken, wich es zurück (Linnen et al., 2014, S. 361). Der schwedische Chemiker Anders Ekeberg entdeckte im Jahr 1802 ein Element, dessen abgetrenntes Oxid sich als sehr beständig erwies und sich in keiner von ihm verwendeten Säuren lösen ließ (Jansen, 2005, S. 181). Somit erfolgte die Namensgebung Tantal in Anlehnung an die griechische Sage. In Konsequenz wurde Tantal bis zur Aufklärung durch Heinrich Rose im Jahr 1844 fälschlicherweise mit dem Element Niob gleichgesetzt (Schulz et al., 2017, S. 2.) Der deutsche Chemiker benannte das Element nach Niobe, der Tochter des Tantalos.
In der heutigen Literatur werden die beiden Elemente nicht als Vater und Tochter betrachtet, sondern vielmehr als „geochemische Zwillinge“ (Linnen et al., 2014, S. 361). Grund hierfür ist, dass Niob und Tantal durch die Lanthanoidenkontraktion praktisch die gleichen Atom- bzw. Ionenradien aufweisen. Folglich weisen sie hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften eine sehr große Ähnlichkeit auf. Weiterhin sind beide Metalle in der Natur überwiegend vergesellschaftet in Gesteinen und Mineralien vorzufinden (Binnewies et al., 2016, S. 775). Demensprechend sind die beiden Elemente im Periodensystem als benachbarte Metalle der fünften Nebengruppe angeordnet.
Niob und Tantal zeichnen sich insbesondere durch ihre Härte, Leitfähigkeit und ihrer Resistenz gegenüber Säurekorrosion aus. Gerade diese Eigenschaften heben die Wichtigkeit beider Metalle in der heutigen Zeit hervor (Schulz et al., 2017, S. 2). Bedingt durch die Entwicklung neuer Technologien und Materialien, ist die Produktion und der Verbrauch beider Elemente in den letzten 50 Jahren drastisch gestiegen. Niob und Tantal sind zu unverzichtbaren Ressourcen bestimmter Wirtschaftszweige geworden. Der Verbrauch beider Metalle ist weitgehend als Indikator für die Aktivität im technischen Sektor einer Nation zu verstehen (Polyakov/Polyakova, 2003, S. 33). Kenntlich macht sich dies vor allem in Hinsicht auf die Stahl- und Elektronikindustrie (Schulz et al., 2017, S. 2).
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in sechs Teile. Im Anschluss der Einleitung werden in Kapitel 2 verschiedene Lagerstätten von Niob und Tantal vorgestellt. Hier werden insbesondere auf die Monopolstellung Brasiliens als Niob-Exporteur und der drastischen Verlagerung der Tantal-Produktion auf Zentralafrika eingegangen. Darauffolgend vermittelt Kapitel 3 ein chemisches Grundverständnis zur Förderung der beiden Metalle und legt einen verstärkten Fokus auf den Trennungsprozess von Niob und Tantal. Kapitel 4 widmet sich den verschiedenen Einsatzgebieten und unterstreicht die Stahl- und Elektronikindustrie als wirtschaftlich bedeutsamste Verwendungsbereiche der beiden Rohstoffe. In Kapitel 5 werden verschiedene Ansätze des Recyclings von Niob und Tantal vorgestellt. Weiterhin wird auf unterschiedliche Substitutionsmöglichkeiten eingegangen, die potentiell Niob und Tantal sowohl auf materieller als auch funktionaler Ebene ersetzen könnten. Der letzte Teil stellt die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit kompakt zusammen und weist auf einen Ausblick der Angebotsknappheit von Niob und Tantal hin, der mit bestimmten Maßnahmen entgegengewirkt werden sollte.
2 Lagerstätten
Häufig liegen Niob und Tantal in der Natur vergesellschaftet vor und werden folglich simultan aus verschiedenen Mineralen abgebaut. Beide Elemente treten in der Natur nicht in Form reiner Metalle auf. Das Ladungs- und Ionenverhältnis von Niob und Tantal führt zu einer starken Bindung mit Sauerstoff. Somit erfolgt die ökonomisch bedeutsamste Gewinnung in erster Linie aus Oxiden (Linnen et al., 2014, S. 362). Die höchsten Konzentrationen von sowohl Niob als auch Tantal liegen in Columbit-Tantalit-Mineralgruppen vor, die nach dem jeweils überwiegenden Metall als Columbite oder Tantalite identifiziert werden. Das mit Niob hoch angereicherte Mineral Columbit weist einen Gehalt von 5-30% Ta2O5 und 55-78% Nb2O5 auf, während Tantalit Konzentrationen von 42-84% Ta2O5 und 2-40% Nb2O5 enthält (Nete et al., 2014, S. 31). Tantalite liegen somit dem Gewinn von Tantal zur Grunde. Bis zur Entdeckung von Lagerstätten mit angereichertem Pyrochlor im Jahr 1950, resultierte Niob als Nebenprodukt beim Abbau von Columbit-Tantalit-Mineralgruppen zur Gewinnung von Tantal. Heutzutage erfolgt die Förderung von Niob hauptsächlich aus der Mineralgruppe der Pyrochlore, da bei dieser eine deutlich höhere Anreicherung von Niob gegenüber Tantal vorliegt (Schulz et al., 2017, S. 6). Pyrochlore beinhalten Nb2O5-Konzentationen zwischen 37 und 66% und weisen einen Ta2O5- Gehalt von bis zu 6% auf (Nete et al., 2014, S. 31).
2.1 Niob-Quellen
Bei der Mineralgruppe der Pyrochlore überwiegt der Anteil von Niob gegenüber Tantal in einem Verhältnis von ungefähr 200:1. Typischerweise liegen Pyrochlore in alkalisch magmatischen Gesteinen vor, insbesondere in Karbonatiten (Schulz et al., 2017, S. 6). Die wichtigsten Lagerstätten zur Gewinnung von Niob aus Karbonatiten befinden sich in Brasilien (Linnen et al. 2014, S. 365). Im Allgemeinen gehört Brasilien zu einer der größten Produzenten und Exporteure von Mineralien weltweit. Es beherbergt den weitaus größten globalen Anteil von Niobium-Vorräten, gefolgt von Kanada und Australien (Alves/Coutinho, 2015, S. 110). Tabelle 1 verdeutlicht, wie stark der mengenmäßige Vorrat an Niob in Brasilien den der anderen Nationen übersteigt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Abbaubare Niobium-Vorräte verschiedener Länder in 2012 (Alves/Coutinho, 2015, S. 111) Infolgedessen ist Brasilien ebenfalls der größte Produzent von Niob. Hauptsächlich wird Niob aus den Lagerstätten in Araxâ sowie Catalao I und II gewonnen. Araxâ wird von dem Unter- nehmen Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineraçao (CBBM) bewirtschaftet. Es wird ge- schätzt, dass CBBM den Weltbedarf von Niob für die nächsten 400 Jahre decken kann (Al- ves/Coutinho, 2015, S. 111). Die Nachfrage von Niob ist in den letzten Jahren immens gestie- gen. Bedingt durch das Wirtschaftswachstum gilt China mit einem Anteil von 25% am totalen Verbrauch von Niob als größter Nachfrager. In 2010 wies China einen Weltmarktanteil von 36,7% an der Produktion von Edelstahl auf, wohingegen der Anteil in 1990 lediglich zwischen 1-2% lag. Neben dem Wachstum der Stahlindustrie spielt ebenfalls der Anstieg des spezifischen Verbrauchs von Ferroniob (FeNb) eine entscheidende Rolle. Erneut lässt sich hier China als Beispiel heranziehen, die ihren FeNb-Verbrauch von 11g/t in 2004 auf 35 g/t in 2008 steigerten. In Konsequenz stieg die Produktion von FeNb in Brasilien von 35.458 t in 2000 auf 82.000 t in 2007. Die globale Nachfrage von Niob ist in den Jahren von 2000 bis 2010 um eine jährliche Rate von 10% gestiegen (Alves/Coutinho, 2015, S. 109f.). Allein Brasilien befriedigt ungefähr 90% des gesamten Bedarfs von Niob. Außerhalb Brasiliens wird der Großteil der restlichen Nachfrage von dem Unternehmen IAMGOLD gestillt, welche die kanadische Lagerstätte in St. Honoré bewirtschaftet. Folglich hätte jede Art von Verlust bezüglich der Produktion von Niob in Brasilien eine erhebliche Auswirkung auf die ökonomische Lage der meisten modernen in- dustrialisierten Länder (Mackay/Simandl, 2015, S. 17f.). Die nahezu alleinige Befriedigung des gesamten Niob-Bedarfs durch Brasilien wird zahlenmäßig in Tabelle 2 unterstrichen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2: Geborgenes Niob aus Bergwerken verschiedener Länder in 2014 (Mackay/Simandl, 2015, S. 19)
2.2 Tantal-Quellen
Generell wird die Columbit-Tantalit-Mineralgruppe, auch Coltan genannt, nach ihrem quantitativen Verhältnis zwischen Niob und Tantal in bestimmte Gruppen untergliedert. Sobald in einem Erz der Niob-Gehalt den Gehalt des Tantals mit einem Faktor kleiner fünf übersteigt, wird Tantal als Hauptkomponente des Vorkommens identifiziert und es wird von „echten“ Tantal-Lagerstätten gesprochen. Neben Tantaliten weisen unter anderem Mikrolite einen hochwertigen Ta2O5-Gehalt von 25 bis 60% auf und werden aus Erzen solcher Lagerstätten gewonnen. Die Gewinnung von Coltan erfolgt hauptsächlich aus Pegmatiten, die eine bestimmte Form magmatischer Gesteine darstellen. Im Gegensatz zu Niob, lassen sich Tantal-Vorkommen in vielen Ländern wiederfinden (Nikishina et al., 2014, S. 132).
Ungefähr 60% des globalen Tantal-Verbrauchs wird durch die Elektronikindustrie bestimmt (Bleiwas et al., 2015, S. 1). Das kontinuierliche Wachstum des Techniksektors führte zu einer Steigerung der Tantal-Nachfrage in den letzten 10 bis 15 Jahren. Über längere Zeit dominierte Australien die Produktion von Tantal und beanspruchte teilweise um die 60% des Weltmarktanteils (Bleischwitz et al., 2012, S. 4f.). Dies änderte sich drastisch aufgrund zusammenwirkender Faktoren.
Obwohl Australien über moderne Verfahren im Abbau verfügte, Transparenz im Handel aufwies und als zuverlässiger Lieferant von Tantal galt, hatten die Betreiber der Lagerstätten deutlich höhere Operationskosten zu verzeichnen als in anderen Ländern (Bleiwas et al., 2015, S. 4). Aufgrund geologischer Bedingungen sind die Lagerstätten in Afrika zu kleingeräumig für industriell groß angelegte, maschinelle Abbauverfahren. Dementsprechend beschäftigen die Unternehmen lokale, gering qualifizierte Arbeiter, die unter schlechten Bedingungen und geringer Bezahlung den Abbau handwerklich verrichten (Bleischwitz et al., 2012, S. 5). Folglich kam es aus Kostengründen bereits in 2006 zu einer reduzierten Produktion der Greenbushes Lagerstätten in Australien. Bedingt durch diesen erheblichen Produktionsrückgang resultierte eine massive Steigerung der Tantal-Produktion in Zentralafrika, um dem globalen Bedarf weiterhin nachzukommen. Insbesondere in Ruanda und Kongo stieg die Produktion drastisch an. Die Tantal-Produktion dieser Nationen belief sich in 2007 auf 320 und 170 t. Im Vergleich stellten beide Länder im Zeitraum von 2000 bis 2006 jährlich lediglich 101 bzw. 73 t im Durchschnitt her (Bleiwas et al., 2015, S. 2)
Durch die Finanzkrise in 2007 ging die Nachfrage für Elektronikgeräte zurück und es folgte ein Preisabfall des Tantals. Dementsprechend konnten notwendige Investierungen nicht mehr finanziert werden und es kam zum Bankrott der Betreiber der Greenbushes und Wodgina Lagerstätten. Schließlich wurden die Lagerstätten in Pflege und Instandhaltung gesetzt und kennzeichneten das Ende Australiens als führenden Tantal-Hersteller (Bleiwas et al., 2015, S. 2). Nach Bleischwitz et al. (2012, S. 4) galt Zentralafrika in 2009 als weltweit größter Lieferant von Tantal. Der Weltmarktanteil hat sich 2009 drastisch in Richtung Ruanda und Kongo verschoben, die zusammen 51% des gesamten Tantal-Bedarfs deckten. Jedoch führte die zunehmende Tantal-Produktion in Kongo zu innenpolitischen Unruhen. Rebellengruppen übernahmen die Kontrolle über Lagerstätten, um bewaffnete Auseinandersetzungen zu finanzieren (Bleiwas et al., 2015, S. 1). In 2010 konnten die United Nations zudem nachweisen, dass rivalisierende Einheiten der kongolesischen Armee in Zusammenarbeit mit Rebellengruppen untereinander um die Lagerstätten konkurrieren (Bleischwitz et al., 2012, S. 6). Folglich wurde Tantal als „Konfliktmineral“ eingestuft. In 2011 beschlossen die Unternehmen der Vereinten Nationen von Amerika und der Europäischen Union den Bürgerkrieg nicht zu fördern, indem sie kein Tantal mehr aus Kongo erwarben. Auswirkungen hatte dies ebenfalls auf das Nachbarland Ruanda. Obwohl sich Ruanda im Jahr 2013 als größter globaler Tantal-Hersteller durchsetzen konnte, musste es im Jahr 2014 eine Produktionsabnahme um 200 t verzeichnen. Grund hierfür waren Aussagen der United Nations, dass ein Teil der produzierten Menge von Tantal ursprünglich aus Schmuggel über die Grenze stammt, um dieses von Ruanda aus als „konfliktfrei“ zu exportieren (Bleiwas et al., 2015, S. 4). Trotz der Bemühungen, den Erwerb von Tantal aus Konfliktregionen zu vermeiden, beanspruchten beide Länder fast 70% des Weltmarktanteils in 2014. Waren Produzenten und Händler nicht in der Lage ihr Tantal als konfliktfrei nachzuweisen, wurde es mit einem Rabatt von 30 bis 60% an China oder an andere Interessenten verkauft. China gilt mit Abstand als größter Importeur von Tantal aus den Regionen in Zentralafrika (Bleischwitz et al., 2012, S. 12).
In einem Zeitraum von 14 Jahren hat sich der Weltmarktanteil der Tantal-Produktion von Nationen mit geringer Regierungsproblematik, Transparenz im Handel und modernen Betriebsweisen auf Länder mit innenpolitischen Auseinandersetzungen, deutlich geringerer Transparenz und Abbauverfahren unter schlechten Bedingungen verlagert (Bleiwas et al., 2015, S. 5). Dieser drastische Übergang wird in Tabelle 3 zum Ausdruck gebracht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 3: Geborgenes Tantal aus Bergwerken verschiedener Länder im Vergleich (Bleiwas et al., 2015, S. 1)
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