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Elektroschrott als Rohstoffquelle Mikroskopische Metallfresser helfen beim Recycling

| Autor / Redakteur: Luisa Rischer* / Christian Lüttmann

Ob die Smartwatch am Handgelenk, das Tablet auf dem Schreibtisch oder der Touchscreen am Kühlschrank – überall ist Technik. Und überall fällt Elektroschrott an, in dem wertvolle Metalle und Seltene Erden enthalten sind. Um diese leichter zu recyceln, setzen Forscher der TU Bergakademie Freiberg auf mikrobische Helfer.

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Benjamin Monneron zeigt eine Leiterplatte aus einem Elektroschrott-Teil in der wässrigen Lauge.
Benjamin Monneron zeigt eine Leiterplatte aus einem Elektroschrott-Teil in der wässrigen Lauge.
(Bild: TU Bergakademie Freiberg)

Freiberg – Ein ausgedienter Computerchip liegt in einer wässrigen Lauge im Reagenzglas. Zunächst passiert fast drei Wochen lang nicht sehr viel am Versuchsstand von Benjamin Monneron im Labor der Arbeitsgruppe Umweltmikrobiologie der TU Bergakademie Freiberg. Doch dann fallen die einzelnen Bauteile von der Leiterplatte ab und sinken im Reagenzglas zu Boden, als Monneron daran rüttelt. Nicht allein das alkalische Milieu der Lauge hat hier gearbeitet, sondern vor allem der Mikroorganismus Acidithiobacillus ferrooxidans, den der Doktorand in die Lösung gegeben hat.

Dieses Bakterium hat die Fähigkeit, Lötzinn durch Oxidation des hinzugefügten Eisens aufzulösen. Festgelötete Bauteile wie Dioden, Kondensatoren oder Widerstände lassen sich dann von der Platine abschütteln wie reifes Obst vom Baum. Übrig bleibt die Leiterplatte selbst, die typischerweise Kupfer und Gold enthält. Die zuvor festgelöteten Komponenten können ebenfalls gesammelt werden. „Genau in diesen Komponenten stecken kleine Mengen strategisch wichtiger Metalle, wie Tantal, Ruthenium, Gallium oder Dysprosium“, sagt Monneron.

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Die Dioden, Kondensatoren oder Widerstände können nun durch Sortierung voneinander getrennt und dann weiterbehandelt werden. Und selbst aus der Lauge mit dem gelösten Lötzinn können in weiteren Schritten neben dem Zinn möglicherweise auch Kupfer und Silber zur Wiederverwendung gewonnen werden. „Biodismantling“ nennt der Doktorand den umweltfreundlichen Prozess des Ablösens der Komponenten von der Leiterplatte mit Hilfe der Bakterien.

Seltenen Erden 100-fach besser recyclen

Aus jeder einzelnen Komponente können nun die jeweils enthaltenen Metalle mit spezifischen Methoden für das Recycling aufbereitet werden, sei es über eine Laugung und Solvent-Extraktion oder über ein pyrometallurgisches Verfahren. „Der entscheidende Vorteil liegt darin, dass durch die Sortierung nach Typen von Bauteilen die darin enthaltenen seltenen Elemente sehr stark angereichert werden“, erklärt Prof. Michael Schlömann, Monnerons Doktorvater.

Besonders interessant sei die neue Methode Schlömann zufolge für die Seltenen Erden, die bei bisher entwickelten Recyclingprozessen in der Regel nicht aufbereitet werden können. So ergaben die Analysen von Monneron, dass das Element Dysprosium durch ein Biodismantling mit nachfolgender Sortierung um den Faktor 140 besser angereichert werden könnte. „Damit erreicht man dann Konzentrationen, die denen der Lagerstätten, aus denen das Dysprosium üblicherweise kommt, entsprechen oder die sogar darüber liegen“, sagt der Biohydrometallurge.

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Erfolgreich zersetzt, aber noch nicht sortiert

Bei herkömmlichen Prozessen, die derzeit in Forschung und Entwicklung zum Elektronikschrott-Recycling getestet werden, wird die gesamte Leiterplatte geschreddert und chemisch gelaugt oder thermisch behandelt. Nur die hoch konzentrierten Metalle können am Ende wiedergewonnen werden. „Kommen die Elemente in geringer Konzentration vor, ist das nur durch komplexe Verfahren und mit extrem hohem Energieaufwand möglich“, erklärt Institutsleiter Schlömann.

Weil die Trennung der Komponenten beim neuen Biodismantling-Prozess hingegen am Anfang steht, können die Bauteile separat behandelt und die entsprechenden Elemente dem Stoffkreislauf idealerweise wieder als Sekundärrohstoffe zur Verfügung gestellt werden. „Bis dahin sind allerdings noch weitere Forschungsarbeiten nötig, denn die mechanische Sortierung der mittels der Biolaugung gewonnenen Komponenten müssen wir in Zusammenarbeit mit Spezialistinnen und Spezialisten für die Aufbereitung erst noch entwickeln“, sagt Schlömann. Wenn man aber einen Weg gefunden hat, die Komponenten nach der Biolaugung schnell und einfach zu sortieren, ergibt sich bisher unerreichtes Potenzial für das Recycling von strategisch wichtigen Metallen aus Elektroschrott.

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Biohydrometallurgische Forschung an der TU Freiberg

Biohydrometallurgische Verfahren gelten als Alternative zu pyrometallurgischen Verfahren. Die Freiberger Biohydrometallurgen behandeln die Erze mit bestimmten Bakterien und bringen so die enthaltenen Metalle in Lösung. Der Prozess wird Laugung genannt. Aus der wässrigen Lösung werden die Metalle dann durch organische Moleküle herausgeholt (Solvent-Extraktion) und schließlich durch Elektrowinning auf einer Kathode als Element abgeschieden. Ein biohydrometallurgisches Verfahren ist typischerweise auf die extrem schwer löslichen Metallsulfide ausgerichtet, die durch Mikroorganismen zu den entsprechenden gut löslichen Sulfaten oxidiert werden.

10 bis 15 Prozent des Kupfers weltweit werden heute bereits auf diese Weise gewonnen. An der TU Bergakademie Freiberg erproben die Wissenschaftler seit 2013 als einzige Gruppe an einer deutschen Universität die biohydrometallurgische Prozesskette insbesondere am Beispiel der Elemente Indium und Zink aus der Lagerstätte Pöhla im Erzgebirge, aber auch in der Reichen Zeche in Freiberg. Die dafür notwendige Versuchsanlage steht in den Freiberger Laboren und wurde von der Dr.-Erich-Krüger-Stiftung im Rahmen des Freiberger Biohydrometallurgischen Zentrums gefördert.

Originalpublikation: Benjamin Monneron-Enaud, Oliver Wiche and Michael Schlömann: Biodismantling, a Novel Application of Bioleaching in Recycling of Electronic Wastes, Recycling 2020, 5(3), 22; DOI: 10.3390/recycling5030022

* L. Rischer, TU Bergakademie Freiberg, 09599 Freiberg

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