Essendo il più grande esportatore mondiale di rame, il Cile sta riscontrando un numero crescente di strati di minerali a base di zolfo contenenti arsenico tossico nelle sue miniere di rame. Le strategie convenzionali per la separazione e il conferimento in discarica dell'arsenico si stanno rivelando limitate in quest'area. Il team del progetto tedesco-cileno, guidato da parte tedesca dal Fraunhofer Research Institute for Materials Recycling and Resource Strategies IWKS, sta lavorando per ottimizzare e far progredire i processi di produzione del rame in modo che il Cile sia in grado di affrontare il problema dell'arsenico nel modo più efficace, modo efficiente in termini di costi e rispettoso dell'ambiente per il futuro.

Il rame è un semimetallo con molte proprietà utili:è un conduttore di elettricità e calore, con una consistenza morbida e un aspetto molto caratteristico. Pertanto, non sorprende che vi sia una forte domanda di questa materia prima, in particolare nei settori dell'ingegneria elettrica, della tecnologia delle comunicazioni, dell'edilizia e dell'artigianato. Sebbene il rame sia ora facilmente riciclabile, la domanda globale è in aumento, richiedendo così il proseguimento dell'estrazione del rame. Il Cile è il principale produttore ed esportatore di rame al mondo. Nel solo 2021, ha estratto circa 5,6 milioni di tonnellate di rame, che equivalgono a circa un quarto del volume minerario totale del mondo. Ciò rende l'industria del rame una delle più importanti fonti di reddito del paese.

Il rame in Cile viene estratto in miniere di rame a cielo aperto nel deserto di Atacama. Il minerale viene fatto esplodere qui da fori con diametri fino a due chilometri. Questo minerale ha un contenuto di rame di circa il due percento, che viene estratto in più fasi:il minerale viene prima macinato e quindi sottoposto a flottazione, che comporta la schiumatura chimica a umido del materiale, al fine di separare il minerale ad alto contenuto di rame dal minerale a basso contenuto di rame. Ciò si traduce in concentrato di rame, che vende anche il Cile. Contiene circa il 20-30 percento di rame. Il concentrato viene poi fuso in altiforni e infine purificato in processi di elettrolisi elettrochimica per ottenere rame puro.

L'arsenico pone nuove sfide

Oltre al rame, gli strati di minerale scavati spesso contengono anche arsenico, che, a causa della sua tossicità, deve essere estratto dal minerale. Questo avviene quasi automaticamente quando il minerale viene riscaldato:l'arsenico si trasforma in gas. In Cile, l'attuale procedura consiste nel catturare il gas, dissolverlo in acido solforico e quindi trasformarlo in arseniato di calcio solido o arsenito di calcio in un processo noto come precipitazione. Questi composti di calcio vengono poi depositati nel deserto di Atacama. In precedenza, il fatto che questi composti siano solubili in acqua non ha mai presentato alcun problema poiché il deserto di Atacama è una delle regioni più aride del mondo. Tuttavia, il cambiamento climatico ha causato negli ultimi anni un aumento delle precipitazioni, che ora solleva il problema della contaminazione ambientale. Allo stesso tempo, alcune miniere stanno penetrando strati che non sono più a base di ossigeno ma a base di zolfo e quindi contengono più arsenico. Di conseguenza, la quantità di arsenico da depositare aumenterà in futuro, soprattutto perché attualmente non ci sono usi industriali per l'arsenico.

Tanti approcci, un obiettivo

"Questi due sviluppi stanno ora spingendo gli operatori minerari cileni a ripensare al modo in cui in precedenza eliminavano l'arsenico e ad adattarsi a queste nuove circostanze senza indugio", spiega Anna-Lisa Bachmann, che lavora presso il Fraunhofer Research Institute for Materials Recycling and Resource Strategies IWKS ad Alzenau e coordina il progetto "ReAK—Reduction of Arsenic in Copper Concentrates". "Stiamo studiando nuovi modi per separare e depositare l'arsenico come parte di questo progetto in modo da ridurre al minimo l'impatto ambientale", afferma il ricercatore. Fraunhofer IWKS ha lanciato un primo progetto nel 2018, che ha riunito un consorzio di numerosi partner tedeschi e cileni sia della ricerca che dell'industria. Il progetto è iniziato ufficialmente a settembre 2019 con il finanziamento del Ministero federale tedesco dell'Istruzione e della Ricerca.

Da allora, sono state studiate in modo più dettagliato diverse potenziali fasi del processo, a partire dall'ulteriore lavorazione del concentrato di rame ricco di arsenico. "Stiamo mettendo alla prova una serie di possibili opzioni, con l'intenzione di identificare i singoli moduli più efficaci e la sequenza di passaggi di maggior successo", descrive Bachmann. Il consorzio sta esplorando una serie di processi, tra cui la flottazione selettiva per l'arsenico, la tostatura per solfatazione e la lisciviazione microbica e sulfidica.

Si stanno anche prendendo in considerazione processi di ossidazione alternativi che portano a composti arsenico5+ più stabili e meno tossici invece di composti arsenico3+ instabili e solubili in acqua. "Un'opzione per questa fase di ossidazione potrebbe essere l'uso del perossido di idrogeno, ma questo è molto costoso", spiega Bachmann. "Questo è il motivo per cui noi di Fraunhofer IWKS stiamo studiando l'ossidazione elettrochimica con elettrodi diamantati come valida alternativa nel corso di questo progetto. Sono caratterizzati da una finestra elettrochimica particolarmente ampia, con conseguente formazione di radicali idrossilici in soluzioni acquose. Questi poi ossidano il disciolto arsenico in modo efficiente e affidabile senza la necessità di ulteriori sostanze chimiche." Anche altri partner del progetto stanno valutando i processi di ossidazione microbica assistiti da raggi UV e ozono.

Consigli d'azione personalizzati

Il primo passaggio di tutti i pacchetti di lavoro consiste nel verificare se il metodo in questione funziona effettivamente e se fornisce il risultato desiderato. Fraunhofer IWKS confronterà il loro rapporto costo-efficacia e l'impatto ambientale nel contesto della valutazione del ciclo di vita e delle analisi dei costi del ciclo di vita non appena tutti i singoli risultati saranno disponibili.

"Utilizzeremo questo per sviluppare un nuovo concetto di discarica che fornirà azioni raccomandate al governo cileno, considerando sia i requisiti governativi che le risorse finanziarie disponibili", conclude Bachmann. Ciò è particolarmente rilevante dato che gran parte dell'industria cilena del rame, inclusa una delle miniere che partecipano al progetto, è di proprietà statale.

Alcuni di questi test sono già stati completati e altri dovrebbero essere completati a breve. Sebbene le consegne reciproche dei campioni e gli incontri di persona siano stati ritardati a causa della pandemia di Corona, Anna-Lisa Bachmann rimane fiduciosa che tutti i partner avranno sviluppato congiuntamente una strategia promettente entro l'estate 2023, aiutando in modo significativo l'industria cilena del rame. + Esplora ulteriormente

Arsenico dalle miniere cilene trovato in Antartide