In einem neuen interdisziplinären Forschungsprojekt wollen drei Tenure-Track-ProfessorInnen der TU Bergakademie Freiberg das Nebenprodukt der Kupferherstellung so aufbereiten, dass die rückgewonnen Stoffe als Sekundärrohstoff für Glasfasern oder für Anwendungen in der Stahlindustrie genutzt werden können. Foto: TU Bergakademie Freiberg / C. Mokry
Dazu hat das Teilprojekt-Team am Institut für Nichteisenmetallurgie und Reinstoffe erste Versuche durchgeführt. „Die sogenannte fayalitische Schlacke kann durch thermische Reduktion in zwei Phasen gespalten werden – eine eisenhaltige Phase und eine Glasphase“, sagt M.Sc. Ludwig Blenau, der die Möglichkeiten zur Wiederverwendung der Kupferschlacke im Rahmen seiner Doktorarbeit genau untersucht. „Die Schlacke enthält Eisenoxide, welche zu Eisen reduziert werden können, wenn man die erkaltete Schlacke auf 1.300 Grad Celsius erhitzt und Kohlenstoff hinzugibt“, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter. Rund 50 Prozent des Eisens konnten die WissenschaftlerInnen um Prof. Alexandros Charitos bereits auf diese Weise extrahieren, und die Kupferschlacke damit prinzipiell nicht nur für den Einsatz in der Stahl-, sondern auch in der Glas- und Mineralfaserindustrie fit machen. Denn der hohe Eisengehalt im Stoffgemisch verhindert derzeit, dass aus dem Nebenprodukt der Kupferverhüttung Glasfasern hergestellt werden können.
An der Juniorprofessur für Energie- und Rohstoffeffiziente Glastechnologie wird die Schlacke darum genau erforscht und über chemische Modifikationen so verändert, dass sie für die Glasfaserproduktion verwendbar wird. „Wir untersuchen, wie man die Eigenschaften der Glasphase der Schlacke einstellen kann, so dass daraus gewonnene Fasern künftig im Baustoffbereich, für textile Gewebe oder bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden können“, sagt Jun.-Prof. Sindy Fuhrmann.
Wie eine bestimmte Kupferschlacke in die Eisen- und die Glasphase aufgetrennt werden kann, hängt maßgeblich von der genauen chemischen Zusammensetzung ab. In der Praxis ist diese aber nicht immer im Detail bekannt. Darum entwickelt Björn Sprungk, Juniorprofessor für Angewandte Mathematik, eine Simulation des Prozesses: „Wir untersuchen den Effekt variierender Schlackenzusammensetzungen auf die Dauer der Phasentrennung anhand mathematisch-physikalischer Modelle, wie der Cahn-Hilliard-Gleichung“, erklärt er. „Dabei werden die modellbasierten Simulationen in enger Zusammenarbeit mit den beiden Projektpartnern experimentell verifiziert und angepasst. Aus der mathematischen Analyse und mit Hilfe effizienter numerischer Verfahren sowie maschineller Lernmethoden wird anschließend eine robuste Prozessvorhersage beziehungsweise -steuerung unter Berücksichtigung der Materialunsicherheiten abgeleitet.“
Hintergrund zum Forschungsprojekt
Das Projekt „Alternative Fasermaterialien auf Basis von Cu-Schlacken“ ist eine Kooperation von Prof. Alexandros Charitos vom Institut für Nichteisenmetallurgie und Reinstoffe, Jun.-Prof. Sindy Fuhrmann vom Institut für Glas und Glastechnologie und der Juniorprofessur für Angewandte Mathematik (Jun.-Prof. Björn Sprungk). In den kommenden zwei Jahren fördert die Sächsische Aufbaubank das Forschungsprojekt mit insgesamt 800.000 Euro.