Ein neues Verfahren macht das Recycling von Metallen der Seltenen Erden erheblich effizienter. Es verbessert die Ausbeute der Metalle aus Elektroschrott um mehr als 150 Prozent, aus der Flugasche von Kohle sogar um 200 Prozent. Da das Verfahren zur Extraktion der Stoffe nur einen Bruchteil der sonst üblichen Säuremengen benötigt, ist die Methode nicht nur effizienter, sondern auch umweltfreundlicher. Eine Forschergruppe um James Tour von der Rice University in Houston (US-Bundesstaat Texas) stellt die technische Entwicklung im Fachjournal "Science Advances" vor.
Metalle der Seltenen Erden umfassen mehr als ein Dutzend Elemente, darunter etwa Scandium, Yttrium oder Ytterbium. Sie sind wichtig etwa für moderne Elektronik und auch für Umwelttechnologien. Zwar sind diese Metalle nicht so selten, wie ihr Name anklingen lässt. Aber wegen ihrer Bindungseigenschaften lassen sie sich nur mit sehr großem Aufwand aus Erzen gewinnen oder aus Reststoffen recyceln, was die Umwelt belastet.
Auch andere chemische Eigenschaften erschweren die Gewinnung der Metalle – etwa aus Flugasche: "Die Rückstände der Verbrennung von Kohle sind Silizium-, Aluminium-, Eisen- und Kalziumoxide, die um die Spurenelemente herum Glas bilden, wodurch diese sehr schwer zu extrahieren sind", wird Tour in einer Mitteilung seiner Universität zitiert.
Erhitzen zum Recycling von Elektroschrott
Tour und Kollegen stützen sich auf ein Verfahren des Erhitzens, mit dem sie bereits vorher Graphen gewonnen hatten, eine sehr stabile Modifikation reinen Kohlenstoffs. Diese kurzzeitige Erhitzung wandten sie nun auch zum Recycling von Seltenerdmetalle an.
Das Aufheizen geschieht durch elektrischen Widerstand: Wird eine hohe Spannung angelegt, heizt der Widerstand gegen den elektrischen Strom das durchflossene Material auf. Das Team um Tour ermittelte eine optimale Spannung von 120 Volt bei Gleichstrom. Dieses Widerstandsheizen hat den Vorteil, dass sich das Material sehr gleichmäßig erwärmt.
Generell läuft das Verfahren wie folgt: Zunächst stecken die Forscher die Reststoffe, die zu einem Pulver zermahlen und gepresst sind, zwischen zwei Kupfer- und Grafitelektroden. Beim Anlegen der Spannung entsteht eine Temperaturspitze von etwa 3000 Grad, gefolgt von einer stabilen Erhitzung auf rund 1150 Grad für etwa eine Sekunde.
Dadurch wird ein großer Teil der Seltenerdmetalle aus den Phosphorverbindungen oder dem Glas, das sie umgibt, herausgelöst, und sie verbinden sich mit dem Sauerstoff der Luft zu Oxiden. Aus diesen Oxiden lassen sich die Metalle nun sehr viel leichter extrahieren, so dass statt starker Säuren nur schwache Säuren notwendig sind.
Verfahren könnte kommerziell eingesetzt werden
Bei der Extraktion aus Flugasche – also Rückständen der Kohleverbrennung – stieg die Ausbeute der Seltenerdmetalle je nach deren Zusammensetzung um 187 bis 206 Prozent, bei Elektroschrott stieg sie um 156 Prozent. Die Anwendung des Verfahrens bei Elektroschrott hat den Vorteil, dass die Metalle der Seltenen Erden dort konzentrierter vorliegen als in den Erzen, aus denen sie üblicherweise gewonnen werden. Zudem wandten die Forscher das Verfahren auch auf Reststoffe der Aluminiumgewinnung aus dem Mineral Bauxit an.
"Wir haben bewiesen, dass die Rückgewinnungserträge von Seltenerdmetallen aus Kohleflugasche, Bauxitrückständen und Elektroschrott durch denselben Prozess verbessert wurden", sagt Erstautor Bing Deng von der Rice University. Die Forscher sind überzeugt, dass sich ihr Verfahren für kommerzielle, großtechnische Anlagen eignet und eine effiziente Kreislaufwirtschaft etablieren kann. Auch die Gewinnung der Seltenerdmetalle aus Erzen könne mit ihrer Methode effizienter und umweltfreundlicher erfolgen.
