Wie seltene "Gewürzmetalle" rückgewonnen werden können

Neue Technologien werden immer komplexer und benötigen zunehmend Spezialmetalle wie Indium, Kobalt oder Platin. Während etwa Indium heute in fast jedem Display enthalten ist, werden Edelmetalle wie Platin oder Palladium beispielsweise für Katalysatoren eingesetzt. E-Autos verfügen hingegen typischerweise über Lithium-Akkus, in denen Nickel und Kobalt enthalten sind.

Viele dieser Spezialmetalle werden in der Metallurgie als „Gewürzmetalle“ bezeichnet: Sie fallen als Begleiter an, etwa bei der Gewinnung von Basismetallen, wie beispielsweise Kupfer oder Eisen. Die für die Entwicklung von Smartphones, Solarzellen oder Elektroautos nötigen Elemente kommen daher oft nur in geringen Mengen vor und sind schwierig zu gewinnen.

Gewinnung von Metallen aus industriellen Stoffströmen

Generell können sie durch Recycling von Konsumgütern rückgewonnen werden – eine weitgehend bekannte und entwickelte Methode, jedoch deckt dies nicht den Bedarf. Das Christian-Doppler-Labor (CD-Labor) für Selektive Rückgewinnung von Spezialmetallen mittels innovativer Prozesskonzepte, das vom Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMDW) gefördert wird, beschäftigt sich hingegen mit der weniger erforschten Gewinnung der Metalle aus industriellen Stoffströmen.

Diese können beispielsweise chemische Fällprodukte, Schlacken aus der Pyrometallurgie oder auch Lösungen aus hydrometallurgischen Prozessschritten sein. „Der Vorteil ist, dass gerade in der metallurgischen Industrie sehr viele Begleitmetalle noch nicht gewonnen werden“, sagt Stefan Steinlechner, Leiter des CD-Labors, gegenüber der futurezone. Im Vergleich zu Recycling von Elektronikschrott weisen industrielle Stoffströme daher ein enormes Potenzial für derzeit noch nicht extrahierte Wertmetalle auf.

Primäre Ressourcen durch Separationsmöglichkeiten geschont

Indium, Edelmetalle oder Chrom werden etwa mit Reststoffen ausgeschleust. Indium etwa gehe laut Steinlechner zu 98 Prozent aus der primären Zinkproduktion als Nebenprodukt hervor. Eine Infrastruktur, um dieses Metall zu extrahieren, gibt es jedoch bei weitem nicht bei jedem Zinkwerk, weshalb es sich in den Rückständen des Prozesses ansammelt. „Eine Gewinnung dieser Metalle aus derartigen industriellen Stoffströmen scheitert noch am fehlenden Grundlagenwissen, etwa wie sie sich in den Stoffstömen verhalten oder beeinflusst werden können“, sagt der Experte.

Für unseren Planeten hätte die Aufbereitung solcher Kenntnisse aber einen enormen Wert. Denn durch die Entwicklung von Separationsmöglichkeiten schone man Steinlechner zufolge potenzielle primäre Ressourcen, die ansonsten aufwändig und oft unter hohem Energieeinsatz abgebaut werden müssen. „Dadurch kann man einen wesentlichen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz leisten. Zusätzlich kann es zur Versorgungssicherheit der Europäischen Union für kritische Rohstoffe beitragen", sagt Steinlechner.

Unterschiedliche Ansätze für Feststoffe und Lösungen

Im Fokus des Forschungsprojekts stehen Indium, Edelmetalle, Chrom, Kobalt, Nickel aber auch Zink. Um die Zielelemente selektiv zu verflüchtigen, einer der verfolgten Ansätze, werden flüchtige Verbindungen mit den Wertmetallen ermittelt. „Die gezielte Bildung von beispielsweise Halogenen, das sind Salzverbindungen mit hohem Dampfdruck bei moderaten Temperaturen, erlaubt es uns, Spuren von diesen Metallen aus industriellen Stoffströmen zu extrahieren“, sagt Steinlechner.

Für Schlacken – ein fester Rückstand aus einem pyrometallurgischen Prozess aus der Stahlherstellung – sollen gezielt künstliche Mineralphasen in der Schlacke gezüchtet werden, worin sich die Wertmetalle konzentrieren, um sie damit gewinnbar zu machen. „Wir arbeiten auch daran, wie man Indium in Verbindungen überführen kann, um sie dann aus einem Reststoff abtrennen zu können.“ Laut Steinlechner gebe es viele Ansätze, je nachdem, ob es sich etwa um einen Feststoff oder eine Lösung handelt.

Unterschiedliche Problemstellungen – gleiches Ziel

Die Spezialmetalle werden im Rahmen der Grundlagenforschung im CD-Labor gemeinsam mit den Industriepartnern Andritz AG, voestalpine Stahl GmbH und ARP Aufbereitung, Recycling und Prüftechnik GmbH untersucht. „Während ich mit voestalpine auf Schlacken arbeite, untersuche ich mit Andritz Materialen aus hydrometallurgischen Prozessen, also Lösungen. Mit ARP behandle ich chemische Fällrückstände, wo zum Beipspiel Nickel und Kobalt enthalten sind. Im Zuge dessen beschäftigen wir uns mit der Methodenentwicklung für die Beschreibung des Verhaltens der Wertmetalle in industriellen Stoffströmen, womit auch die Grundlage für die Entwicklung von neuen metallurgischen Extraktionsschritten erarbeitet wird“, so der Forscher. Je nach Industriepartner gebe es eine andere Problemstellung, weil das Ausgangsmaterial anders ist. Das Ziel sei aber immer gleich.

Algorithmen werten experimentelle Daten aus

Um zusätzlich auch die hohe Anzahl an Einflussfaktoren auf Verteilung der Elemente und Kinetik verstehen zu können, sollen zur Auswertung der experimentellen Daten auch Algorithmen zum Einsatz kommen. „Wir haben sehr viele experimentelle Laborversuche gemacht. Dabei sehen wir uns etwa an, wie sich Zielmetalle zwischen Gasphase, Metallphase und der Schlacke verteilen und validieren die Prozessparameter“, so der Laborleiter.

Mithilfe von Algorithmen könne man vorab relativ gut abtasten, auf welche Parameter man sich konzentrieren soll und so viel Zeit und Geld sparen. So könne ein Algorithmus Steinlechner zufolge beispielsweise auswerten, was den größten Einfluss auf die Extraktion von Indium hat. „Er kann mir in Folge sagen, dass ich mich z.B. auf das Temperaturregime konzentrieren muss“, so der Fachmann.

CD-Labors haben eine Laufzeit von 7 Jahren, das 2020 gestartete CD-Labor steht also noch recht am Anfang der Arbeiten. „Momentan versuchen wir zu verstehen, wie sich die Metalle verhalten. Die nächsten Schritte sind, dies in Versuchkampagnen im Labor zu verifizieren und dann auch Extraktionsschritte für diese Metalle zu entwickeln“, so Steinlechner. Ziel sei es, am Ende eine auf der Grundlagenforschung im CD-Labor basierende Lösung zu haben, um Metalle zu extrahieren.

Dieser Artikel entstand im Rahmen einer Kooperation mit der Christian Doppler Forschungsgesellschaft (CDG).