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Freitag, 3. September 2010 |
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Kupfergiesswalzdraht-Produktion
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Leadframes
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Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung
Der Name Kupfer leitet sich von dem lateinischen "aes cyprium" – Erz aus Zypern - ab. Es gehört zu den ältesten Metallen der Menschheitsgeschichte. Bereits 4800 v. Chr. wurden Gegenstände aus gediegenem Kupfer von den Ägyptern verwendet. Die Steinmetze des Pharao Cheops bearbeiteten sein Grabmal, die Cheops-Pyramide, mit Kupferwerkzeugen. Die Bronzezeit (Beginn zirka 3500 v. Chr.) wurde nach der Legierung von Kupfer mit Zinn benannt. Die frühesten Bronzefunde hatten nur einen sehr geringen Zinnanteil, der mit der Zeit erhöht wurde, bis um 2500 v. Chr. ein Anteil um 14% üblich war. Noch lange nachdem man auch Eisen verarbeiten konnte, war Kupfer das wichtigste Gebrauchsmetall. Nur langsam wurde Bronze von Eisen verdrängt. Seit dem 14. Jahrhundert wurden Bronzen mit einem Zinnanteil von bis zu 25% hergestellt. Sie dienten zur Herstellung von Glocken und Kanonen. Noch im 18. Jahrhundert wurden viele Geschütze aus Bronze gegossen, bis sie durch Gussstahl verdrängt wurde. Kupfer ist heute neben Aluminium das wichtigste Nichteisenmetall.
Vorkommen
Kupfer kommt in der Natur als gediegenes Metall und in Mineralien vor, wovon die bekanntesten Azurit, Chalkopyrit und Malachit sind. Kupfermineralien kommen meist in Begleitung anderer Metalle wie Eisen, Blei, Gold und Silber vor. Die bedeutendsten Kupfervorkommen finden sich in Chile und in den USA, wo jeweils 20 Prozent der Weltreserven von 500 Mio. Tonnen lagern. Weitere wichtige Fördergebiete sind Afrika, Kanada und die GUS. Die Lagerstätte in Mansfeld („Mansfelder Kupferschiefer“) ist der größte Fundort in Deutschland, inzwischen aber stillgelegt.
Physikalisch-Chemische Eigenschaften
Kupfer ist ein relativ weiches, verformbares, rötliches Metall, das die kubisch-dichteste Kugelpackung aufweist. Entsprechend der Mohs'schen Skala hat es den Härtegrad 3,0. An der Luft bildet sich rasch eine dünne, schützende Oxidschicht, die eine weitere Reaktion unterbindet. Ist es über lange Zeit feuchter Luft ausgesetzt, bildet sich ein Belag von Kupfer-Salzen (z.B. Cu-Sulfate, Cu-Carbonate), der als grüne Patina in Erscheinung tritt. Die Patina-Schicht schützt das Metall vor Korrosion. Patina-Bildung wird aus diesem Grunde bei Kupferplatten auf Dächern künstlich beschleunigt. Das Metall hat bereits einen recht edlen Charakter, ist aber weniger edel als Silber und Gold. Von nichtoxidierenden Säuren wie Salzsäure wird es nicht angegriffen. Von konzentrierter Schwefelsäure und Salpetersäure wird es unter Bildung entsprechender Kupfersalze oxidiert. Das Metall ist für seine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit bekannt und wird deshalb gerne als Kabelmaterial zur Stromleitung verwendet. Nur Silber hat in dieser Hinsicht noch bessere Eigenschaften.
Relative Atommasse: 63, 546
Schmelzpunkt: 1083,5 °C
Siedepunkt: 2595 °C
Dichte: 8,92 g/cm³
Oxidationszahlen: 4, 3, 2, 1
Atomradius: 127,8 pm
Ionenradius: 72 pm (+2); 96 pm (+1)
Elektrische Leitfähigkeit: 0,598 µW-1cm-1
Industrielle Gewinnung
Bergbau und Aufbereitung zu Konzentraten liegen wegen der niedrigen Kupfergehalte der Roherze räumlich dicht beieinander. Die Konzentrate mit einem Kupfergehalt von 25 bis 35 Prozent werden in vielen Fällen erst in den Verwenderländern zu Kupfer verarbeitet. Die Verhüttung zum Rohmetall und die Raffination zum Reinmetall erfolgen sowohl in Entwicklungs- als auch in Industrieländern zumeist an einer Stelle.
Die Anreicherung der Kupfererze erfolgt durch Flotation (Schwimmaufbereitung). Dabei werden die zermahlenen Erze mit Wasser verrührt. Metallsulfide und Metalloxide stoßen Wasser ab, während die Gesteine der Gangart (Quarz, Silicate) leicht benetzt werden. Durch Zugabe eines Schaums werden die schweren Erzteilchen an die Wasseroberfläche transportiert und können abgeschöpft werden.
Das gereinigte Erz wird in mehreren Schritten in Röstöfen zuerst zu Kupferoxid oxidiert, das dann mit Kupfersulfid (aus dem Erz) zu unreinem Garkupfer reduziert wird, welches einen Reinheitsgrad von etwa 98,5% besitzt. Für eine ganze Reihe von Produktionsbereichen, z.B. für die Elektroindustrie reicht jedoch die Reinheit von Garkupfer nicht aus.
Daher wird noch eine elektrolytische Kupferraffination durchgeführt, bei der man Elektrodenplatten aus Garkupfer als Anoden in eine angesäuerte Kupfersulfatlösung hängt. Die Elektrolyse wird in großen Elektrolysierwannen, in denen einige hundert Elektroden hintereinandergeschaltet sind, bei Spannungen von 0,4 - 1 Volt durchgeführt.
An der Kathode werden diejenigen Kationen der Lösung reduziert (Cu2+), die das größte Bestreben dazu haben, d.h. die das größte Normalpotential (U0) besitzen. Das reine Kupfer scheidet sich an der Kathode ab, während alle unedleren Metallionen wie Eisen-, Zink- und Bleiionen in der Lösung bleiben.
Anwendungen / Produkte
Kupfer ist aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit in der Elektrotechnik und Elektronik unverzichtbar. Als Leitmaterial wird es in Kabeln, Generatoren und Transformatoren eingesetzt. Leiterbahnen aus Kupfer ermöglichen eine weitere Miniaturisierung und Leistungssteigerung von Chips. In Kraftfahrzeugen wird Kupfer unter anderem für Bremsleitungen und elektrische Antriebe verwendet, im Bauwesen wird es als Dach-, Dachrinnen- und Fassadenmaterial eingesetzt. Wegen ihrer Beständigkeit und gesundheitlichen Unbedenklichkeit werden Kupferrohre seit langem für die öffentliche Trinkwasserversorgung, aber auch für Heizungsinstallationen genutzt. Da viele Bakterien durch Kupfer im Wachstum gehemmt werden, wird es als Kupfer-Zink-Legierung (Messing) in öffentlichen Gebäuden und Verkehrsmitteln für Haltegriffe und Türklinken eingesetzt, um die Übertragung von Krankheitskeimen zu verhindern.
Wirtschaftliche Bedeutung
Weltweit werden gut 18 Millionen Tonnen des roten Metalls jährlich verwendet, davon in Deutschland rund 1,7 Millionen Tonnen. Die inländische Produktion von raffiniertem Kupfer und Kupfergusslegierungen betrug 2007 rund 712.000 Tonnen, Halbzeugproduktion (inkl. Leitmaterial) und Metallguss lagen bei 1,9 Millionen Tonnen. Große Bedeutung hat die Sekundärindustrie, da über 58 Prozent der deutschen Kupferproduktion aus Schrotten und kupferhaltigen Zwischenprodukten (Schlacken, Krätzen etc.) stammen. Mit einem Umsatz von 14,7 Milliarden Euro im Jahr 2007, bezogen auf die Erzeugung und die erste Verarbeitung des Metalls, nimmt die deutsche Kupferindustrie eine herausgehobene Stellung in der NE-Metallwirtschaft ein. In der Erzeugung und ersten Verarbeitung sind rund 18.340 Mitarbeiter beschäftigt.
Gesundheit
Kupfer ist ein lebenswichtiges Spurenelement. Es wirkt mit bei der biologischen Energiegewinnung der Körperzellen, es hilft bei der Bildung des roten Blutfarbstoffes und übernimmt wesentliche Funktionen im Stoffwechsel der Knochen und des zentralen Nervensystems. Da es im Körper nicht gespeichert, sondern laufend ausgeschieden wird, muss der Mensch Kupfer immer wieder neu mit den Lebensmitteln zu sich nehmen. Pflanzen sind auf Kupfer für ein gesundes Wachstum angewiesen.
Recycling
Das Recycling von Kupfer kann als größte und wirtschaftlichste Kupfermine bezeichnet werden und war schon in der Antike selbstverständlich. Die produktbezogene Recyclingrate beträgt mittlerweile mehr als 90 Prozent. Wie alle NE-Metalle lässt sich auch Kupfer ohne Qualitätsverlust im Kreislauf von Primärgewinnung, Verarbeitung, Nutzung und Rückgewinnung führen. Typisches Beispiel für ein erfolgreiches Recycling von Metallen ist die Zerlegung von alten Kabeln und Leitungen. Sie verbergen unter ihrer Ummantelung einen Kern aus Kupfer von höchster Reinheit. Mühlen zerschneiden die alten Kunststoffkabel und -leitungen in kleinste Teile. Umweltfreundliche Sichtungsverfahren trennen die entstehende Mischung aus Kunststoff und Metall.
Links:
Deutsches Kupferinstitut
Initiative "Pro Metalldach"
Gütegemeinschaft Kupferrohr
Organisation of European Copper Alloy Ingot Makers
OECAM
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Titanzink-Fassade Jüdisches Museum Berlin
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Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung
Der Name Zink leitet sich von dem lateinischen „zincum“ ab. Die Etymologie geht auf das Wort "Zinke" zurück, da manche Zinkerze eine stachelige Form haben. Im Altertum wurde Zink vor allem in Form von Zinkspat als Legierungsbestandteil für die Herstellung von Messing genutzt. Die Messing-Formel, zwei Drittel Kupfer und ein Drittel Zink, war schon im 3. Jahrtausend v. Chr. Babyloniern und Assyrern bekannt. Erste schriftliche Hinweise auf zinkhaltige Kupferlegierungen finden sich bei Homer (8. Jh. v. Chr.) und dem griechischen Gelehrten Aristoteles um 330 v. Chr. In Indien und China kannte man Zink spätestens seit dem 12. Jahrhundert v. Chr. Eine gezielte Gewinnung und Verarbeitung des Metalls lässt sich für diese Regionen um 600 n. Chr. nachweisen. Über die Handelswege gelangte die Kenntnis des Metalls im Mittelalter nach Europa. Frühe schriftliche Zeugnisse aus dem 16. Jahrhundert stammen von Paracelsus und Agricola. Industriell genutzt wird Zink erst seit rund 200 Jahren. Die ersten Anwendungen erfolgten nach der Entwicklung geeigneter Walztechniken im Bauwesen.
Vorkommen
In der Natur kommt Zink niemals als elementare metallische Form vor. Vorkommen werden stets von anderen Metallen wie Kupfer, Blei und Silber begleitet. Zink-Mineralien sind weltweit verbreitet. Die bekanntesten sind: Kieselzinkerz, Rotzinkerz, Zinkblende und Zinkspat. Die wichtigsten europäischen Zink-Vorkommen findet man in Frankreich, Belgien und Polen. Hauptförderländer sind die Vereinigten Staaten, Australien, Kanada und China.
Physikalisch-Chemische Eigenschaften
Zink ist ein weiches, silbrig-weißes Metall, das eine hexagonales Metallgitterstruktur aufweist. Das Metall hat mit ca. 419°C einen geringen Schmelzpunkt. An der Luft überzieht es sich schnell mit einer dünnen, schützenden Oxidschicht, die bläulich schimmert. Durch diese Oxidschicht ist es auch in Wasser sehr beständig.
Von Säuren und Laugen wird es unter Freisetzung von Wasserstoffgas leicht angegriffen und oxidiert. Zink hat in seinen Verbindungen stets die Oxidationsstufe +2. Die wichtigsten Zink-Verbindungen sind Zinkoxid, Zinkchlorid, Zinkhydroxid, Zinksulfat und Zinksulfid.
Relative Atommasse: 65,39
Schmelzpunkt: 419,4 °C
Siedepunkt: 906 °C
Dichte: 7,14 g/cm³
Oxidationszahlen: 2
Atomradius: 133,2 pm
Ionenradius: 83 pm (+2)
Elektrische Leitfähigkeit: 0,1724 µW-1cm-1
Industrielle Gewinnung
Das Zinkerz wird zunächst fein gemahlen und dann durch Flotation angereichert. Die Zinksulfide werden geröstet, die Zinkcarbonate durch Brennen in Zinkoxid verwandelt.
Das als Nebenprodukt anfallende Schwefeldioxid dient zur Herstellung von Schwefelsäure. Heute existieren verschiedene Verfahren zur Herstellung von Zink aus Zinkoxid. Das "trockene Verfahren" ist die älteste Methode und geht auf die Reduktion des Oxids mit Kohlenstoff, bzw. mit Kohlenstoffmonoxid bei Temperaturen um 1100-1300°C zurück. Dabei entsteht gasförmiges Zink, das mit den Röstgasen mitgeführt und außerhalb des Reaktionsofens in luftgekühlten Vorlagen abgekühlt wird.
Der Hauptanteil wird heute jedoch nach dem "nassen Verfahren" gewonnen. Hierbei werden die Röstprodukte zunächst mit konzentrierter Schwefelsäure zu Zinksulfat umgewandelt. Eine wässrige Lösung dieses Zinksalzes wird bei ca. 3,5 Volt elektrolysiert, wobei sich sehr reines Zink an der Aluminiumkathode abscheidet und Sauerstoff an der Anode entweicht. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der hohen Reinheit des Endprodukts (ca. 99,99%).
Anwendungen / Produkte
Hauptverwendungsgebiet von Zink ist mit 34,4% die Verzinkung von Stahl zum Korrosionsschutz. 25,9% gehen in den Markt der Messingfabrikate. 22,6% Zink werden als Halbzeug in Form von Blechen (Titanzink für die Bereiche Dachdeckung, Fassade und Dachentwässerung), Drähten (thermische Spritzdrähte), Bändern (Schmelzsicherungen) und Anoden eingesetzt. 9,5% des Zinkeinsatzes werden in Form von Legierungen im Zinkguss weiterverarbeitet. 6,7% finden als Zinkoxid, Zinkpulver und Zinkstaub in unterschiedlichsten industriellen Bereichen als Zusatzstoffe vielfältigste Verwendung. Beispielsweise kommen Zinkverbindungen als Stabilisatoren für Kunststoffe zum Einsatz. Zink-Sulfate verbessern Eigenschaften in der Textil- und Kunstfaserindustrie. Bei Farben und Lacken dient Zink als Aktivpigment zur Steuerung bestimmter Lackeigenschaften wie Durchtrocknung, Pilzfestigkeit und Wetterbeständigkeit. Zinkoxide sind bei der Herstellung von Klebemitteln auf Natur- und Synthesekautschukbasis von großem Nutzen.
Profile, Rohre und Stangen haben eine untergeordnete Bedeutung. International wird Zink auch als Münzmetall eingesetzt.
Wirtschaftliche Bedeutung
Die deutsche zinkerzeugende und –verarbeitende Industrie gliedert sich in Metallerzeugung, Verzinkereien, Halbzeugherstellung und Gießereien. Die Verwendung von Zink lag 2007 bei rund 665.000 t.
In der zinkerzeugenden und –verarbeitenden Industrie und in ihrem direkten und indirekten Umfeld sind 16.000 Mitarbeiter beschäftigt. Im Jahr 2007 wurden in Deutschland 334.891 t Zink erzeugt.
Im Bereich Feuerverzinkung wurden im Jahr 2007 in Deutschland 240.000 t Zink eingesetzt. Darunter fällt die Verzinkung von Stahlträgern, Serienprodukten, Behältern, Schlosserware und Kleinteilen. Zinkhalbzeug wird hauptsächlich zu Bändern und Blechen (Titanzink) verarbeitet. Von Bedeutung ist auch noch die Herstellung von Drähten und Anoden. Die Halbzeug-Produktion lag 2007 bei 142.612 t. Die deutschen Metallgießereien verarbeiten Zinklegierungen fast ausschließlich im Druckguss. 2007 lag die Produktion bei 70.254 t. Zink wird auch bei der Messingherstellung in großem Umfang eingesetzt. 2000 gingen 201.000 t in diesen Bereich. Bedeutend ist auch die Herstellung von Zinkoxid und anderen Zinkverbindungen.
Recycling
Die produktbezogene Recyclingrate liegt zwischen 80 und 90 Prozent und zum Teil auch noch darüber. Der überwiegende Anteil von Zinkerzeugnissen geht in längerlebige Produkte mit einer Nutzungsdauer von einigen Dutzend bis zu 100 und mehr Jahren. Messingschrott ist eine der größten Recyclingquellen für Zink. Jährlich werden weltweit ca. 600.000 Tonnen Zink zurückgewonnen und dem Messing-Kupferkreislauf wieder zugeführt. Zinküberzüge auf Stahlschrott können nach der Trennung von Stahl und Zink erneut zur Verzinkung verwendet werden. Auch Verzinkungsrückstände, die alle einen hohen Zinkgehalt aufweisen, werden physikalisch getrennt und dienen der Primär- und Sekundärzinkproduktion als Rohstoff. Ein hoher Anteil dient der direkten Herstellung von Zinkoxid, Zinkstaub und Zinkchemikalien. Zinkdruckgussteile als Altmaterial, im besonderen aus der Verschrottung von Autos und Haushaltsgeräten, sind wertvolle Vorstoffe zur Zinkerzeugung. Zinkbleche von Dächern, Fassaden, Dachrinnen sind das ideale Ausgangsmaterial zur Erzeugung von Sekundär- und Umschmelzzink. Zinkhaltige Stäube, die bei der Abgasreinigung der Elektrostahlwerke in Filtern abgeschieden werden, stellen ebenfalls wertvolle Ressourcen dar. Allein in Deutschland kommen aus diesem Bereich rund 30.000 Tonnen Zink pro Jahr in den Kreislauf zurück. Zinkhaltige Produktionsrückstände, die u.a. bei der Erzeugung von Zinkoxid bzw. Zinkstaub anfallen, werden zum überwiegenden Teil innerhalb der Industrie direkt recycelt.
Links:
Initiative "Pro Metalldach"
Initiative Zink
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Das Verfahren
Von den metallischen Überzügen, die für Korrosionsschutzzwecke eingesetzt werden, kommt der Feuerverzinkung sowohl nach der Höhe des Zinkeinsatzes als auch nach der Größe der gegen Korrosion geschützten Fläche die größte Bedeutung zu. Als industriell durchgeführtes Tauchverfahren erfüllt die Feuerverzinkung alle Anforderungen, die an einen sicheren Langzeit-Korrosionsschutz gestellt werden. Feuerverzinken heißt, Stahl nach geeigneter Vorbehandlung durch Tauchen in ein Bad mit schmelzflüssigem Zink an der Oberfläche zu legieren und mit Zink zu überziehen. Dadurch entsteht ein gleichmäßiger, porenfreier, fest haftender und verschleißfester Überzug, der bei normaler atmosphärischer Beanspruchung jahrzehntelangen Schutz vor Korrosion bietet. Von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung sind das diskontinuierliche Verzinken von Einzelteilen, das sog. Stückverzinken sowie das kontinuierliche Bandverzinken. Darüber hinaus sind das Rohr- und Drahtverzinken zu erwähnen.
Die Branche
In Deutschland gibt es derzeit rund 180 Stückverzinkereien. Im Industrieverband Feuerverzinken e.V. sind ca. drei Viertel der Verzinkungskapazität organisiert. Die Mitgliedsunternehmen haben 2000 insgesamt 1,1 Millionen Tonnen Stahl feuerverzinkt. Das sind viele Millionen Einzelteile unterschiedlichster Art und Größe - von kleinen Schrauben und Muttern bis hin zum 26 Tonnen schweren Flutlichtmast. Die Feuerverzinkungsindustrie ist mit durchschnittlich rund 35 bis 40 Mitarbeitern pro Betrieb typisch mittelständisch strukturiert. Insgesamt beschäftigte die Branche 2000 rund 6.700 Mitarbeiter.
Der Markt
Der Markt für feuerverzinkte Produkte beträgt in Deutschland rund 1,5 Millionen Jahrestonnen und wird zu mehr als 90 Prozent von inländischen Betrieben abgedeckt. Wichtige Marktsegmente sind Bauwesen, Straßenausrüstung, Energieversorgung, Landwirtschaft und Transportwesen. Das Marktaufkommen entspricht einem Verbrauch von rund 20 Kilogramm feuerverzinkten Stahls pro Einwohner und Jahr – weltweit ein Spitzenwert. Die Auslastung der Feuerverzinkungsbäder ist mit 280 Tonnen pro Kubikmeter Badvolumen (t/m³) und Jahr im europäischen Vergleich eher unterdurchschnittlich. Wettbewerber aus Belgien und Frankreich erreichen Werte zwischen 310 und 360 t/m³, Wettbewerber aus Spanien und Italien erzielen Werte zwischen 370 und 400 t/m³. Die geringe Auslastung in Deutschland ist zum einen auf vorhandene Überkapazitäten zurückzuführen, zum anderen sind aus Umwelt- und Arbeitsschutzgründen die jährlichen Betriebszeiten der Anlagen deutlich geringer niedriger als in Wettbewerbsländern. Eine europaweite Harmonisierung des Regelwerkes ist daher unverzichtbar für einen fairen Wettbewerb.
Umwelt und Recycling
Besondere Umweltschutzerfolge in der Produktion konnte die Feuerverzinkungsindustrie in den zurückliegenden zehn Jahren verzeichnen: Die von den Verzinkungsbädern ausgehenden staubförmigen Emissionen wurden seit 1985 um 95 Prozent reduziert und durch die Kreislaufführung des Prozesswassers gelangen mittlerweile keine Produktionsabwässer mehr in die Kanalisation. Die geringen Mengen Abwässer, die heute noch anfallen, werden gesammelt und behandelt. Die weitaus meisten Stoffe werden recycelt und erneut genutzt. Mit Blick auf den Produktnutzen schonen feuerverzinkte Stahlprodukte die Ressourcen und leisten damit einen weiteren wichtigen Beitrag zum Umweltschutz.
1) Alle Zahlenangaben des gesamten Textes beziehen sich auf das Stückverzinken.
Links:
Industrieverband Feuerverzinken
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Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung
Der Name Blei stammt vom lateinischen „plumbum metallicum“. Archäologische Funde beweisen, dass es seit ca. 2500 v. Chr. verarbeitet wurde. Es gehört somit neben Kupfer, Silber, Gold, Zinn, Eisen und Quecksilber zu den Metallen, die schon im Altertum bekannt waren. Alle bedeutenden Kulturen des Mittelmeerraums beherrschten schon früh seine Verarbeitung. Am einfachsten zugänglich war Bleiglanz, aus dem das Metall herausgeschmolzen werden konnte. In großem Stil nutzten erstmals die Römer Blei für den Bau ihrer Wasserleitungen. Der größte Teil des römischen Bleis stammte aus Minen in Spanien, in denen zeitweilig bis zu 50.000 Sklaven gearbeitet haben sollen. Blei war im alten Rom aber nicht nur ein beliebter Baustoff, sondern es wurde auch zu Trinkbechern und Essgeschirr verarbeitet. Bleiverbindungen dienten als Farben, Schminke und sogar als Heilmittel. Auch im Mittelalter war Blei ein wichtiger Baustoff. Um 1000 nach Christus gab es im Harz zahlreiche Bleigruben und Bleihütten. Auch die Anwendungsbereiche wurden mit der Zeit vielfältiger: So wurden kirchliche und weltliche Repräsentationsgebäude mit Dächern aus Bleiplatten versehen, und man fertigte Bleigläser. Aus Blei waren die Lettern für den Buchdruck und die Kugeln für Gewehre und Pistolen. Bis in die 20er Jahre des 20. Jahrhunderts stieg es zum wichtigsten Nichteisenmetall auf! Nach 1925 verlor es wieder an Boden und hat sich inzwischen nach Aluminium, Kupfer und Zink auf dem vierten Platz eingeordnet.
Vorkommen
Blei ist zumindest in geringen Mengen allgemein verbreitet. An einigen Stellen kommt es auch gediegen vor. Bleierze sind häufig vergesellschaftet mit anderen Metallen: zum Beispiel mit Zink, Kupfer oder Antimon. Von wirtschaftlicher Bedeutung ist Bleiglanz, eine sulfidische Verbindung. Die größten Vorkommen findet man in den Vereinigten Staaten, Australien, der GUS und Kanada. Die größten Förderländer in Europa sind Schweden und Polen. In Deutschland wurde Bleierz im Erzgebirge, im Harz, in der Eifel und im Ruhrgebiet abgebaut. Anfang der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts wurde der Blei-Bergbau in Deutschland eingestellt.
Physikalisch-Chemische Eigenschaften
Blei ist ein verformbares, mattgraues Metall, das die kubisch-dichteste Kugelpackung aufweist. Das Metall ist so weich, dass es auf Papier einen grauen Abrieb hinterläßt! An frischen Schnittstellen glänzt es silbrig. Das Metall ist mit 327°C niedrigschmelzend. An Luft bildet es aber sofort eine dünne, schützende Oxidschicht. In hartem Wasser ist Blei sehr beständig; in enthärtetem, CO2-reichem Wasser wird es unter Bildung von Bleihydrogencarbonat gelöst. Auch von Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure wird es zersetzt. Blei hat sehr geringe thermische und elektrische Eigenschaften. Aufgrund seiner Elektronenkonfiguration ist seine wichtigste Oxidationsstufe +2.
Relative Atommasse: 207,2
Schmelzpunkt: 327,5°C
Siedepunkt: 1740 °C
Dichte: 11,34 g/cm³
Oxidationszahlen: 4, 2
Atomradius: 175,0 pm
Ionenradius: 132 pm (+2); 84 pm (+4)
Elektrische Leitfähigkeit: 0,048 µW-1cm-1
Industrielle Gewinnung
Die wichtigsten Förderländer für Bleierz sind die GUS, die Vereinigten Staaten, Australien und Kanada. Die Bleigewinnung umfasst mehrere Schritte: Dem Erzabbau und der Aufbereitung zu einem stark angereicherten Bleikonzentrat folgt die Hüttentechnik. Die bedeutendste Methode besteht im Sinterrösten. Dabei werden die schwefelhaltigen (sulfidischen) Vorstoffe in einem ersten Verfahrensschritt unter Verbrauch von Luftsauerstoff in Bleioxide und gasförmiges Schwefeldioxid überführt. Danach wird das Schwefeldioxid zu Schwefelsäure weiterverarbeitet, während das Bleioxid im Sinter zu Blei reduziert wird. Das noch stark verunreinigte "Werkblei" wird schließlich in komplexen Raffinationsprozessen von weiteren Metallen gereinigt, bis es einen Reinheitsgrad von 99,9 Prozent und mehr hat. Moderne kontinuierliche Direkt-Bleischmelzprozesse wie das QSL- oder Badschmelzverfahren ersetzen heute das herkömmliche zweistufige Röst-Reduktionsverfahren durch einen einstufigen Prozess. Die staubförmigen Emissionen (vor allem Blei und Cadmium) konnten drastisch reduziert werden.
Anwendungen / Produkte
Blei ist ein vielseitiges Metall, das aus technischen Anwendungen ebensowenig wegzudenken ist wie aus persönlichen Lebensbereichen. Blei wird heute vorwiegend als Energiespeicher und Schutzwerkstoff verwendet. Sein größtes Anwendungsgebiet ist die Energiespeicherung in Akkumulatoren: z. B. den Autostarterbatterien. Seine hohe Dichte macht es besonders geeignet zur Abschirmung: So schützt es in der Medizintechnik vor Röntgenstrahlung und Radioaktivität, im Bauwesen dient es dem Schallschutz. Blei ist ein wichtiger Legierungsbestandteil. Seine chemische Beständigkeit gegenüber Säuren macht Blei zudem zu einem wertvollen Werkstoff zur Auskleidung von Rohrleitungen und Apparaten in der chemischen Industrie. Bleioxide werden zur Herstellung von Pigmenten für Farben und Lacke, optischen Gläsern und Halbzeugen eingesetzt.
Wirtschaftliche Bedeutung
Weltweit werden rund 8,2 Millionen Tonnen Blei verwendet, davon 389.000 Tonnen in Deutschland. Die inländische Bleiproduktion aus importierten Bleierzen und Recyclingblei betrug 2007 rund 355.000 Tonnen. Halbzeugproduktion und Metallguss lagen im Jahr 2007 bei 58.000 Tonnen bzw. 2.000 Tonnen.
Gesundheit
Bleiverbindungen sind toxisch. Daher war die gesundheitsgefährdende Bleiaufnahme durch Stäube und Dämpfe in früheren Zeiten ein großes Problem in der Arbeitswelt. Heute ist der Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz aber dank strenger innerbetrieblicher Schutz- und Kontrollvorschriften umfassend gewährleistet. Mit der Einführung von bleifreiem Benzin ist darüber hinaus die bedeutendste allgemeine Emissionsquelle für Bleiverbindungen drastisch zurückgegangen. Moderne Umwelttechnologien zur Luftreinhaltung und Abwasserbehandlung haben weiteren Anteil daran, dass auch die industriell bedingten Bleiemissionen in den letzten Jahrzehnten ständig zurückgegangen sind und keine Gesundheitsbelastung darstellen.
Recycling
Der Metallhandel erfasst Bleischrotte in Form von Blechen, Rohren und Kabelmänteln. Entsprechend der industriellen Verwendung entfällt die weitaus größte Menge des Schrottaufkommens auf Altbatterien: Über 100.000 Tonnen Blei werden in der Bundesrepublik Deutschland über das Batterierecycling zurückgewonnen. Das entspricht einer produktbezogenen Recyclingrate von rund 80 Prozent. Gleiches gilt für die übrigen Anwendungsgebiete.
Links:
Lead Development Association International
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Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung
Nickel wurde nach den gleichnamigen Bergkobolden benannt, die – so glaubten die mittelalterlichen Bergleute – Kupfer in das damals wertlose Nickelerz („Kupfernickel“ = falsches Kupfer) verwandelten. Zwar sind Nickellegierung schon aus dem antiken Griechenland bekannt, doch sie wurden ohne das Wissen hergestellt, dass es sich bei Nickel um ein eigenes Metall handelt. So findet man in metallischen Gebrauchsgegenständen aus China, die ungefähr 2000 v. Chr. hergestellt wurden, einen Nickelanteil von bis zu 20%. Im Jahr 1751 erkannte der schwedische Bergbauingenieur Axel F. Cronstedt die wahre Natur des Elements. Dennoch setzte sich die Erkenntnis, dass es sich beim 'Kupfernickel' nicht um eine besondere Form von Kupfererz, sondern um ein eigenständiges Element handelte, nur langsam durch. Erst T. Bergman konnte die Existenz von Nickel belegen, indem er 15 Jahre nach der Entdeckung Nickel mit wesentlich höherem Reinheitsgrad herstellte. Seit Mitte des 19. Jahrhundert erlangte das Metall große wirtschaftliche Bedeutung, nachdem der Engländer Michael Farraday 1843 ein Verfahren zur galvanischen Vernickelung vorgestellt hatte.
Vorkommen
Während der Anteil von Nickel in der Erdkruste nur bei ca. 0,009 Gewichtsprozent liegt, hat der Kern der Erde einen wesentlich höheren Anteil dieses Metalls, da er im Wesentlichen aus Eisen und Nickel besteht. Exakte Angaben über die Anteile lassen sich aber nicht machen. Auch Eisenmeteoriten enthalten ungefähr 8% Nickelerz. Nur an Stellen, wo solche Meteorite auf die Erdkrust aufgeschlagen sind, kommt Nickel gediegen vor. Ansonsten tritt es unter natürlichen Bedingungen nur gebunden in Erscheinung. Das Metall ist häufig mit Cobalt, Antimon und Arsen vergesellschaftet. Zumindest in kleinen Mengen kommen seine Mineralien praktisch überall vor. Von wirtschaftlicher Bedeutung ist die Gewinnung von (Nickel-)Magnetkies (Pentlandit) und Garnierit. Abbauwürdige Vorkommen findet man in Kanada (Magnetkies), der GUS, Australien und Kuba.
Physikalisch-Chemische Eigenschaften
Nickel ist ein verformbares, dehnbares, silbrig-weißes Metall, das die kubisch-dichteste Metallgitterstruktur aufweist. Entsprechend der Mohs'schen Skala beträgt seine Härte 3,8. Nickel wird durch eine dünne Oxidschicht passiviert, so dass es gegen Luft und Wasser sehr beständig ist. Abgesehen von konzentrierter Salpetersäure wird es von Säuren langsam unter Freisetzung von Wasserstoffgas zersetzt. In Alkalilaugen ist es nicht löslich. Das Metall bildet leicht Legierungen mit Eisen, Kupfer, Mangan etc. aus. In Verbindungen spielt praktisch nur die Oxidationsstufe +2 eine Rolle, obwohl zum Teil auch +4, +3 und +1 vorkommen.
Relative Atommasse: 58,69
Schmelzpunkt: 1453 °C
Siedepunkt: 2732 °C
Dichte: 8,91 g/cm³
Oxidationszahlen: 4, 3, 2, 1, 0, -1
Atomradius: 124,6 pm
Ionenradius: 78 pm (+2); 62 pm (+3)
Elektrische Leitfähigkeit: 0,146 µW-1cm-1
Industrielle Gewinnung
Nickel wird in den meisten Fällen durch das Erhitzen von (Nickel-)Magnetkies gewonnen. Dabei werden die sulfidischen Verbindungen in oxidische umgewandelt. Die Oxide werden wiederum mit Säure behandelt, die nur mit Eisen und nicht mit Nickel reagiert.
Anwendungen / Produkte
Nickel ist ein vielseitig einsetzbares Metall. Am bedeutendsten ist jedoch sein Einsatz als Legierungsmetall: Schon geringe Nickelzusätze erhöhen die Festigkeit und Zähigkeit von Stahl. Mehr als die Hälfte des weltweiten Nickelbedarfs dient zur Herstellung und Veredlung nichtrostender Stähle: zum Beispiel für Geschirrspüler, Kochgeschirr, Rolltreppen, Tankwagen und medizinische Instrumente. Da Stahl unter Beigabe von Nickel auch bei Temperaturen von minus 200° Celsius nicht brüchig wird, eignen sich nickelhaltige Stähle für Kältemaschinen und Behälter zur Lagerung flüssiger Gase. Nickel ist ebenso Basismetall für Hochleistungs- und Superlegierungen. Deshalb werden diese Legierungen für besonders anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt: in der chemischen und petrochemischen Industrie, in der Energie- und Umwelttechnik, in Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektrotechnik und Elektronik. Mit Hilfe von Superlegierungen aus Nickelchromeisen wurden neue Hochleistungswerkstoffe entwickelt, die in der Abwassertechnik, Ölfeldtechnik, bei Rauchgasentschwefelungsanlagen, Gasturbinen und Reaktoren eingesetzt werden.
Auch bei der Einführung des Euro spielt Nickel eine entscheidende Rolle. Die Ein- und Zwei-Euromünzen werden aus nickelhaltigen Materialien unterschiedlicher Werkstoffgruppen hergestellt, mit einem hohen Maß an Automaten- und Fälschungssicherheit. Übrigens enthalten auch die 50-Pfennig- sowie 1-, 2- und 5-DM-Münzen Nickel.
Wirtschaftliche Bedeutung
Die weltweite Hüttenproduktion von Nickel beträgt rund eine Million Tonnen pro Jahr. Hauptproduzenten sind die GUS, Japan, Kanada und Australien. Im Gegensatz zu anderen europäischen Ländern ist die Metallerzeugung in Deutschland seit Anfang der 90er Jahre eingestellt. Die deutsche Produktion von Halbzeug aus Nickel und Nickellegierungen aus importiertem Nickel (Walz-, Press- und Ziehprodukte) lag 2007 bei ca. 38.000 Tonnen.
Recycling
Da Nickel überwiegend als Legierungsmetall verwendet wird und deshalb nur selten in seiner ursprünglichen Einsatzform zurückgewonnen wird, sind seriöse Recyclingquoten kaum zu ermitteln. Da Nickel aber vor allem in der Stahlveredlung eingesetzt wird, sind Edelstahlschrotte auch die ergiebigste Altmetallquelle. Bei der Herstellung und Verschrottung von Anlagen und Einrichtungen in der chemischen Industrie, der Lebensmittel- und Haushaltsindustrie sowie im medizinischen Bereich fallen große Mengen Edelstahlschrott in den unterschiedlichsten Zusammensetzungen an. Schätzungen gehen davon aus, dass rund die Hälfte des in Deutschland hergestellten Edelstahls aus diesen Schrotten gewonnen wird. Vor dem erneuten Wiedereinschmelzen in den Edelstahlwerken stehen auch hier das Sammeln, Sortieren und Aufbereiten der verschiedenen Sorten durch den Metallhandel. Die Behandlung von Schrotten, die neben hohen Nickelanteilen auch andere wertvolle Metalle enthalten, erfordert umfangreiche Materialkenntnisse und spezielle technische Einrichtungen. Die produktbezogene Recyclingrate von Nickel wird auf über 80 Prozent geschätzt.
Links:
Nickel Producers Environmental Research Association (NiPERA)
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