Characterization of basic oxygen furnace slags and slag leachates with respect to the recovery of critical materials

Die Rückgewinnung verschiedener Elemente aus industriellen Nebenproduktströmen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dies gilt insbesondere für Elemente, die für die Energiewende unserer Gesellschaft essenziell sind und deren zukünftiger Bedarf stark ansteigen wird und somit in direkter Konkurrenz zur Verfügbarkeit primärer Rohstoffe steht. Beispiele hierfür sind Vanadium und Lithium. Lithium gelangt bei der pyrometallurgischen Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien in die Schlacke, wodurch dieser Nebenproduktstrom zu einer vielversprechenden sekundären Lithiumquelle wird. Vanadium hingegen kann in vergleichsweise hohen Konzentrationen (bis zu 2 Gew.-%) in BOF-Schlacken auftreten, einem Nebenprodukt der Stahlherstellung. Diese Arbeit befasst sich mit derartigen Schlackesystemen, insbesondere mit BOF-Schlacken, um ein grundlegendes Verständnis für das Verhalten von Vanadium in diesen Materialien zu erarbeiten und darauf basierend einen umweltfreundlichen Rückgewinnungsansatz zu entwickeln. Darüber hinaus wurden analytische Herausforderungen bei der Untersuchung komplexer, mehrphasiger Schlackesysteme behandelt, besonders im Hinblick auf Phasenidentifikation und Element-Speziation. MicroXRD, microXANES und microXRF (an der microXAS-Beamline der Swiss Light Source), sowie ergänzende PXRDund EPMA-Analysen, ermöglichten eine umfassende Charakterisierung der untersuchten BOFSchlacken. Zusätzlich wurde das Auslaugungsverhalten von Vanadium untersucht und ein auf CO2-Begasung basierender Rückgewinnungsansatz entwickelt. Das untersuchte System ist eine industriell hergestellte Schlacke aus dem ternären System CaO – SiO2 – FeO. Vanadium liegt in den Phasen ß-Ca2SiO4 (tetraedrisches V5+), Ca2Fe2O5 (mit oktaedrisches V4+) und einer vanadiumhaltigen, strukturell nicht eindeutig identifizierbaren Komponente (tetraedrisches V5+) im Verhältnis 1:1:2 vor. Bei dieser Komponente handelt es sich sehr wahrscheinlich um ein schlecht kristallines Residuum, das in dieser Arbeit erstmals eindeutig nachgewiesen werden konnte. Die Auslaugungsversuche zeigten, dass die Vanadiumfreisetzung nach einer CO2-Vorbehandlung der Schlacke signifikant ansteigt. Durch wiederholtes Extraktionsverfahren konnte gezeigt werden, dass die Vanadiumauslaugung um den Faktor zwei gesteigert werden kann. Diese Studie zeigt eine detaillierte Untersuchung von Vanadium in BOF-Schlacken und leistet somit einen wertvollen Beitrag zur energieeffizienten und umweltfreundlichen Rückgewinnung von Vanadium aus Sekundärquellen.