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„Blitz-Verdampfen“ recycelt Metalle

Stromstoß ermöglicht Rückgewinnung von Metallen aus Elektroschrott in Sekunden

Flash-Joule-Heating
In diesem Röhrchen verdampft ein Stromstoß Metalle aus Elektroschrott – und ermöglicht so ihre Rückgewinnung. © Jeff Fitlow/ Rice University

Verblüffend simpel: Wertvolle Metallrohstoffe könnten künftig einfacher, umweltschonender und energiesparender aus Elektroschrott wiedergewonnen werden. Denn beim sogenannten Flash-Joule-Heating reicht ein kurzer Stromstoß aus, um die Metalle aus dem Schrott zu verdampfen. In einer Kältefalle kondensieren sie aus und können getrennt werden. In ersten Tests recycelten US-Forscher mit diesem Verfahren bis zu 80 Prozent der Metalle einer Computerplatine – innerhalb weniger Sekunden.

Weltweit fallen jedes Jahr mehr als 45 Millionen Tonnen Elektroschrott an, doch nur rund 20 Prozent davon wird recycelt. Als Folge landen enorme Menge an wertvollen Rohstoffen wie Gold, Silber, Platin oder Seltenerdmetalle ungenutzt auf Deponien, statt wiedergewonnen zu werden. Dabei enthält der Elektroschrott einen höheren Anteil mancher Edelmetalle als viele im Bergbau geförderte Erze.

Verdampfen statt schmelzen oder lösen

Das Problem jedoch: Damit „Urban Mining“ lohnend und breit einsetzbar wird, müssen effizientere, einfachere und umweltfreundlichere Verfahren des Recyclings gefunden werden. Bisher wird der Elektroschrott dafür meist entweder aufgeschmolzen oder es werden starke Lösungsmittel eingesetzt, um die gewünschten Metalle vom Rest zu trennen. Beides ist aufwendig und eher langsam, zudem schaden die Lösungsmittel der Umwelt und das Schmelzen ist wenig selektiv und energiehungrig.

Einen neuen Ansatz für das Elektroschrott-Recycling haben nun Bing Deng und seine Kollegen von der Rice University in Houston entwickelt. Statt das Material zu schmelzen oder chemisch zu lösen, verdampfen sie es. „Der Unterschied im Dampfdruck der Metalle zu dem von Substratmaterialien wie Glas, Keramik oder organischen Verbindungen ermöglicht ihre evaporative Abtrennung vom Elektroschrott“, erklären sie.

Stromstoß, Vakuum und Kältefalle

Möglich wird dies durch die Methode des sogenannte Flash-Joule-Heatings – ein Verfahren, bei dem das Material durch einen kurzen, heftigen Stromstoß bis auf mehr als 3.100 Grad erhitzt wird. Konkret füllen die Forscher dafür den Elektroschrott in Form einer zermahlenen Computerplatine in eine Quarzröhre und geben als Trennungshelfer Kochsalz sowie Ruß zur Erhöhung der Leitfähigkeit hinzu. Das Ganze wird dann leicht komprimiert.

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MEtalle
Die in der Kältefalle kondensierten Metalle sind hier als dunkles Pulver erkennbar. © Jeff Fitlow/ Rice University

Über zwei Elektroden an den Enden der Röhre wird nun ein weniger als eine Sekunde dauernder Stromstoß durch das Material geschickt. Durch den Widerstand kommt es zu einer kurzen, aber heftigen Aufheizung auf rund 3.100 Grad. „Dadurch werden die Metalle verdampft und die meisten kohlenstoffhaltigen Komponenten wie Plastik verkohlen“, erklären Deng und seine Kollegen. Der metallhaltige Dampf wird über ein Vakuum abgesaugt und in einer zweiten Kammer – der Kältefalle – abgekühlt. Dadurch kondensieren die Metalle wieder aus.

Hohe Ausbeute an Metallen

Das Resultat dieser ohmschen Blitz-Aufheizung ist ein feiner Belag in der Absetzkammer, der aus fast reinen Metallen und Metalloxiden besteht. Analysen ergaben, dass Metalle wie Palladium, Silber oder Ruthenium zu gut 80 Prozent aus dem Elektroschrott extrahiert wurden, bei Gold lag die Ausbeute bei mehr als 60 Prozent. „Die weitere Aufreinigung dieses Gemischs kann nun mit kommerziell gängigen Verfahren wie der selektiven Ausfällung, der Festphasenextraktion oder der Lösungsmittelextraktion geschehen“, so das Team.

Der nach dem Blitzverdampfen zurückbleibende Rest des Elektroschrotts besteht größtenteils aus Kohle und ist weitgehend frei von giftigen Schwermetallen, wie die Forscher feststellten: Weil Blei, Quecksilber, Chrom, Cadmium oder Arsen ebenfalls verdampfen, lässt sich ihr Gehalt schon durch wenige Entladungen bis unter die für Böden geltenden Grenzwerte bringen. Dadurch könnten die Reste problemlos auf Deponien und theoretisch sogar auf Äcker ausgebracht werden.

Hinzu kommt, dass der Energiebedarf dieser Methode wegen des nur kurzen Stromstoßes deutlich unter dem der gängigen Extraktionsmethoden liegt: „Unser Flash-Joule-Heating benötigt rund 939 Kilowattstunden pro Tonne – das entspricht 1/500 eines Laborofens und 1/80 eines kommerziellen Kaldo-Ofens im Industriemaßstab“, berichten die Forscher.

So funktioniert das Blitz-Verdampfen von Elektroschrott.© Rice University

„Der Schatz liegt in unseren Mülltonnen“

Nach Ansicht von Deng und seinen Kollegen eröffnet das ohmsche Blitzverdampfen einen vielversprechenden Ansatz, um künftig das Recycling von Elektroschrott schneller, umweltfreundlicher und einfacher zu machen. „Dies wird die Notwendigkeit verringern, überall auf der Welt Erze in entlegenen Gebieten abzubauen, was die Landschaft zerstört und enormen Mengen an Wasser verbraucht“, sagt Dengs Kollege James Tour. „Der wahre Schatz liegt in unseren Mülltonnen.“

Das Team arbeitet bereits an einer Skalierung des Verfahrens. Ein erster größerer Prototyp kann ihren Angaben zufolge schon rund zehn Kilogramm Metalle pro Tag rückgewinnen, eine weitere Version in kommerziellem Maßstab ist in Vorbereitung. (Nature Communications, 2021; doi: 10.1038/s41467-021-26038-9)

Quelle: Rice University

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