Recycling seltener Erden aus Elektroschrott Neues Verfahren nutzt alte Leuchtstofflampen als Rohstoffquelle

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Nach einem von der Natur inspirierten Verfahren extrahieren Forscher der ETH Zürich das Seltenerdmetall Europium aus Lampenabfällen. Die neu entwickelte Methode kann direkt auf alte Leuchtstoffröhren angewendet werden und benötigt keine der sonst üblichen Vorbehandlungsschritte. Damit ermöglicht sie nachhaltiges und unkompliziertes Recycling.

So selten, wie ihr Name suggeriert, sind seltene Erden zwar nicht. Für die moderne Wirtschaft sind sie aber unabdingbar. Denn diese 17 Metalle sind essenzielle Rohstoffe für die Digitalisierung und die Energiewende: Sie stecken in Smartphones, Computern, Bildschirmen und Batterien – ohne sie läuft kein Elektromotor und dreht sich kein Windrad. Weil Europa fast vollständig auf Importe aus China angewiesen ist, gelten diese Rohstoffe als „kritisch“.

Kritisch sind seltene Erden aber auch wegen ihrer Gewinnung. In natürlichen Erzen kommen sie stets gemischt vor – doch da sich diese Elemente chemisch sehr ähnlich sind, lassen sie sich nur schwer voneinander trennen. „Bestehende Trennverfahren beruhen auf Hunderten von so genannten Flüssig-Flüssig-Extraktionsschritten und sind ineffizient, und das Recycling von Europium war bislang wenig praktikabel“, sagt Marie Perrin, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Prof. Victor Mougel an der ETH Zürich. In einer Studie zeigten Die Wissenschaftler nun, dass ein einfaches anorganisches Reagenz diese Trennung erheblich verbessern kann. „Damit gewinnen wir Europium in wenigen einfachen Schritten – und das in Mengen, die mindestens 50-mal höher sind als mit bisherigen Trennmethoden“, führt Erstautorin Perrin an.

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Die Chemie des Recyclingverfahrens stammt aus der Welt der Proteine

Der Schlüssel zu der neuen Technik liegt in kleinen anorganischen Molekülen mit vier Schwefelatomen, die um ein Wolfram- oder Molybdänatom herum angeordnet sind: Tetrathiometallate. Die Forschenden ließen sich dabei von der Welt der Proteine inspirieren. Dort kommen Tetrathiometallate oft als Bindungsstelle für Metalle in natürlichen Enzymen vor und dienen als Wirkstoff gegen Krebs und Störungen des Kupferstoffwechsels.

Erstmals werden Tetrathiometallate nun auch als Liganden für die Trennung von Seltenerdmetallen eingesetzt. Dabei kommen deren besondere Redox-Eigenschaften zum Tragen, die Europium in seinen ungewöhnlichen zweiwertigen Zustand reduzieren und so die Trennung von den anderen dreiwertigen Seltenerdmetallen vereinfachen. „Das Prinzip ist dabei so effizient und robust, dass wir es direkt auf verbrauchte Leuchtstofflampen anwenden können, ohne dass die sonst üblichen Vorbehandlungsschritte erforderlich sind“, hält Arbeitsgruppenleiter Mougel fest.

Das neue Recyclingverfahren von Europium aus Leuchtstofflampen – dieses Youtube-Video zeigt die Methode im Schnelldurchlauf im Labor der ETH Zürich (Quelle: Marie Perrin / ETH Zürich)

Lampenabfälle als urbane Minen für Europium

Elektronikschrott stellt eine wichtige, aber bislang wenig genutzte Quelle für Seltenerdmetalle dar. „Würde diese Quelle erschlossen, dann könnten die Lampenabfälle, welche die Schweiz derzeit ins Ausland schickt, um sie in Deponien zu entsorgen, stattdessen hier in der Schweiz recycelt werden“, meint Mougel. So könnten Lampenabfälle als urbane Minen für Europium dienen und die Schweiz unabhängiger von Importen machen.

In der Vergangenheit wurde Europium hauptsächlich als Leuchtstoff in Leuchtstofflampen und Flachbildschirmen verwendet, was zu hohen Marktpreisen führte. Da Leuchtstofflampen nun sukzessive aus dem Verkehr gezogen werden, ist die Nachfrage gesunken, sodass die bisherigen Recyclingmethoden für Europium wirtschaftlich nicht mehr rentabel sind. Effizientere Trennstrategien sind dennoch wünschenswert und könnten helfen, die Unmengen an günstigen Leuchtstofflampenabfällen zu verwerten, deren Gehalt an Seltenerdmetallen etwa 17-mal höher ist als in natürlichen Erzen.

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Weitere seltene Erden für Recycling erproben

Umso dringlicher erscheint es, seltene Metalle am Lebensende von Produkten zurückzugewinnen und im Kreis zu führen – doch die Rückgewinnungsrate von Seltenerdelementen liegt in der EU weiterhin unter ein Prozent. Im Prinzip ist jedes Trennverfahren für seltene Erden sowohl bei der Förderung aus Erzen als auch bei der Rückgewinnung aus Abfällen einsetzbar. Die Forschenden konzentrieren sich mit ihrer Methode aber bewusst auf das Recycling der Rohstoffe, weil dies ökologisch und ökonomisch viel sinnvoller sei. „Unser Recycling-Ansatz ist deutlich umweltfreundlicher als alle herkömmlichen Methoden zur Gewinnung von Seltenerdmetallen aus Mineralerzen“, sagt Mougel.

Die Forschenden haben ihre Technologie patentiert und sind daran ein Start-up namens Reecover zu gründen, um sie künftig zu vermarkten. Derzeit arbeiten sie daran, das Trennverfahren für weitere Seltenerdmetalle wie etwa Neodym und Dysprosium, die in Magneten vorkommen, anzupassen. Wenn das gelingt, will Perrin nach ihrer Doktorarbeit das Start-up aufbauen und das Recycling seltener Erden in der Praxis etablieren.

Originalpublikation: Perrin MA, Dutheil P, Wörle M & Mougel V. Recovery of europium from E-waste using redox active tetrathiotungstate ligands, Nat Commun 15, 4577 (2024); DOI: 10.1038/s41467-024-48733-z

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