Molecular Sorting – Rückgewinnung von Metallen

Das Recycling von Rohstoffen, insbesondere Sondermetallen, ist aufgrund ihres Werts (Edelmetalle), ihrer Verfügbarkeit (Seltene Erden) oder ihrer Toxizität (Schwermetalle) von hoher Bedeutung, sowohl für die industrielle Produktion als auch für die Umwelt. Prozess- und Abwasserströme, z. B. aus Laugungsbädern der Galvanikindustrie, oder auch Deponiesickerwässer können signifikante Mengen an gelösten Metallen enthalten. Auch bei der Aufarbeitung von Feststoffen wie Elektronikschrott oder von Aschen aus Verbrennungsprozessen kann das Lösen von Metallen (Leaching) in Bioreaktoren (Bioleaching) eine effiziente Methode darstellen, diese in eine wässrig Lösung  zu überführen. Anschließend sind weitere Prozesse, wie »Aufkonzentrierung«, »Trennung« und »Abscheidung« notwendig, um ein verwertbares Metall zu gewinnen. Die Ausgestaltung dieser Prozessschritte entscheidet über die Effizienz und Nachhaltigkeit des Prozesses.

Bedarf an neuen Technologien

Mit den heute verfügbaren Technologien ist eine ökonomische und ökologische Effizienz im industriellen Maßstab nur eingeschränkt möglich, insbesondere wenn die Konzentrationen der Metallionen in der Lösung nur gering sind. Es existieren zwar Technologien, einzelne Metalle gezielt aus einer Lösung abzutrennen, diese Technologien sind aber in der Regel sehr kostenintensiv, weder umweltverträglich noch universell einsetzbar. Zudem reicht ihre Trenngenauigkeit nicht aus, um eine Qualität wie die des Primärrohstoffs zu erzielen. Zur Schließung von Stoffkreisläufen innerhalb von Produktionen und im Recycling besteht daher ein großer Bedarf, neue Technologien zu entwickeln, die effizient, einfach zu integrieren und flexibel auf verschiedene Gruppen von Metallen anwendbar sind.

Prozessschritte und integriertes Gesamtkonzept

Aufbauend auf dem im IGB vorhandenen mikrobiologischen, trenntechnischen [1, 2] und elektrophysikalischen Know-how entwickelt das Fraunhofer IGB im Übermorgen-Projekt »Molecular Sorting« neue Technologien für die Rückgewinnung von Metallen. Hierzu werden die Technologien Bioleaching (um die Metalle in Lösung zu bringen), Adsorption und Membranfiltration (zur Aufkonzentrierung der gelösten Metallionen), elektrophoretische Trennung und die Anwendung ionischer Flüssigkeiten für elektrolytische Prozesse (zum Fraktionieren und galvanischen Abscheiden der Metalle) untersucht, weiterentwickelt und in einen Gesamtprozess integriert.

Als Referenzstoffe für die Entwicklung wurden die folgenden Stoffe exemplarisch ausgewählt:

• Edelmetalle: Gold, Silber, Kupfer, Palladium
• Seltene Erden: Neodym
• Toxische Metalle: Blei, Quecksilber.

Dabei waren sowohl wirtschaftliche Kriterien (wirtschaftliche Bedeutung, Reichweite) als auch ökologische Gründe (Toxizität, Verbreitung) ausschlaggebend.

Wechselwirkungen von metallischen Oberflächen mit Mikroorganismen werden in der Regel erst wahrgenommen, wenn sie über Biokorrosion Schäden verursachen. Die gleichen Prozesse können genutzt werden, um Metallionen aus Werkstoffen herauszulösen und einer Aufarbeitung zugänglich zu machen. Ohne die Hintergründe zu kennen, wendeten Menschen bereits vor Jahrhunderten mikrobiologische Verfahren an, um Metalle wie Kupfer aus natürlichen Vorkommen zu gewinnen. Im Themenbereich Bioleaching werden mikrobielle Populationen angereichert mit dem Ziel, sie in technischen Verfahren zur Rückgewinnung von Metallen aus industriellen Abfällen, Konsumgütern oder Prozesswässern anzureichern.

Für das Bioleaching wurden am Fraunhofer IGB zwei Verfahrensansätze entwickelt:

• Anaerobes Verfahren
• Aerobes Verfahren

Die Bioleachingverfahren wurden an metallischen Wertstoffen sowie an Altholz und Bahnschwellen erprobt und zunächst im Labormaßstab etabliert. Im ersten Verfahrensschritt wurden geeignete mikrobielle Mischpopulationen angereichert, mit denen erfolgreich Metallionen aus partikulärem Ausgangsmaterial solubilisiert wurden. Abb. 2 zeigt exemplarisch eine Mikropopulation aus verschiedenen Bakterienarten, die sich auf dem Ausgangsmaterial (Metallspäne) angesiedelt hat. Der Prozess der Metallauflösung wurde analytisch mittels ICP-Spektroskopie bewertet. Insbesondere aus Altholz und Bahnschwellen wurden erhebliche Mengen an Mangan, Nickel, Eisen, Kupfer, Zink und Titan gelöst. Eine Präzipitation der Metalle in der Suspension wurde ebenfalls nachgewiesen (Abb. 2B).

Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde die Konzeption für einen technischen Prozess erarbeitet. Diese sieht für das Bioleaching-Verfahren einen Festbettreaktor vor, der mit einer Biomasserückführung für eine ausreichend hohe Katalysatordichte sorgt.