Hydrierung
Englisch: hydriding
Ein Verfahren zur Reduktion eines Erzes zu einem Metall durch Behandlung mit Wasserstoff bei hoher Temperatur.
Hydrieren: Metallgewinnung durch Wasserstoffreduktion
Hydrieren ist die thermische Reduktion von Metalloxiden oder anderen Erzmineralien mit Wasserstoffgas als Reduktionsmittel. Bei Temperaturen zwischen typischerweise 400 und 1000 Grad Celsius entfernt Wasserstoff Sauerstoff aus dem Erz und hinterlässt das gewünschte Metall, während Wasserdampf als Nebenprodukt entsteht. Das Verfahren ist grundsätzlich sauber: H₂ + Metalloxid ergibt Metall + H₂O, ohne Kohlenmonoxid- oder Rußbildung wie bei der klassischen Kohlenstoffreduktion.
Das Verfahren funktioniert am besten bei Oxiden von Metallen, die selbst keine stabilen Hydride bilden. Kupfer-, Nickel-, Molybdän- und Wolframerze reagieren gut auf Wasserstoffbehandlung. Die Reduktion von Eisenoxid durch Wasserstoff ist thermodynamisch günstig, muss aber wirtschaftlich mit etablierten Hochofen- und Direktreduktionsverfahren konkurrieren. Erze, die Silikate oder andere Verbindungen enthalten, die Wasserstoffangriff widerstehen, sind schlechte Kandidaten; das Erz muss relativ reines Oxid sein oder muss erst geröstet werden, um Flüchtige abzutreiben und die Reaktivität zu verbessern.
Ausrüstung und industrieller Maßstab
Das Hydrieren findet in Röhrenöfen oder Drehrohröfen statt, in denen Erz und Wasserstoffgas unter kontrollierter Temperatur und Atmosphäre zusammenfließen. Die Wasserstoffzufuhr muss sehr trocken sein, da Feuchtigkeit die Reaktionskinetik beeinträchtigt und frisch reduziertes Metall reoxidieren kann. Industrielle Wasserstoffquellen sind Dampfreformung von Erdgas oder Elektrolyse. Das Verfahren läuft bei moderaten Drücken, typischerweise atmosphärisch bis einige bar, was die Ausrüstungskosten niedriger hält als Hochdrucksyntheseverfahren.
Der Hauptvorteil liegt in der Reinheit und dem Fehlen von Kohlenstoffverunreinigung im Endmetall. Das Verfahren ist langsamer als Kohlenstoffreduktion und erfordert eine gleichmäßige, trockene Wasserstoffzufuhr, weshalb es sich für hochwertige Metalle eignet oder wenn Kohlenstoffaufnahme vermieden werden muss. Pulvermetallproduzenten, besonders solche, die Wolfram-, Molybdän- und Kobaltpulver herstellen, setzen auf Hydrieren gefolgt von Verdichtungsschritten. Der Wasserdampf in der Abluft erfordert Kondensation und sorgfältige Handhabung, wenn der Wasserstoff recycelt wird.
Hydrieren bleibt weltweit in der Produktion eine Nischenmethode, weil Wasserstoffverfügbarkeit und Kosten bei den meisten Anwendungen noch Kohlenstoff- oder Kohlenmonoxidreduktion bevorzugen. Das Interesse ist jedoch in den letzten Jahrzehnten gestiegen, da Wasserstoff aus elektrischen Öfen mit erneuerbaren Energien verbreiteter wird und da die Nachfrage nach ultrasauberen Pulvern und Speziallegierungen wächst, die keine Kohlenstoff- oder Stickstoffaufnahme vertragen.