Gegen das Rohstoffproblem: Seltene Erden können aus Abfällen gewonnen werden

Seltenerdmetalle sind für moderne Technologien heute unverzichtbar. Zu ihnen gehören etwa Ytrrium, Neodym, Dyprosium oder Terbium. Der Nachschub dieser Seltenen Erden ist knapp und teuer. Zudem kommen die meisten dieser Rohstoffe derzeit aus China, was eine gewisse Abhängigkeit begründet. Ein alternatives Verfahren könnte hier Abhilfe schaffen. Mit ihm können wertvolle Seltene Erden aus Abfallstoffen wie etwa der Asche von Kohlekraftwerke oder dem Baxitschlamm aus der Aluminiumgewinnung gewonnen werden.

Seltene Erden in industriellen Abfällen

Seltene Erden finden sich etwa in Magneten, Displays, Elektroautos, Halbleitern und Generatoren. Während die Seltenerdmetalle aktuell weitestgehend aus China importiert. Allerdings gibt es ungenutzte Quellen für Seltene Erden, deren Nutzung die Situation verbessern würde. Zu ihnen gehören vor allem die in Kohlekraftwerken produzierte Asche sowie der Bauxitschlamm, der bei der Gewinnung von Aluminium anfällt. In der Kohleasche, von der jährlich auf der ganzen Welt etwa 750 Millionen Tonnen anfallen, sind rund 500 Teile pro Million (ppm) an Seltenen Erden enthalten, so ein Team rund um Bing Deng von der Rice University. Dies ist zwar ein geringerer Gehalt als in den meisten Erzen, allerdings ist der Anteil der Elemente Neodym, Terbium, Europium, Ytterbium und Dysprosium in der Kohleasche deutlich höher als in vielen chinesischen Erzvorkommen. Die üblichen Verfahren für die Abtrennung von Seltenen Erden greifen jedoch auf Lösungsmittel und Säuren zurück – sie sind nicht nur umweltschädlich, sondern auch aufwendig und weniger effizient.

Flash-Joule-Heating löst die Seltenen Erden

Bing Deng hat mit seinem Team möglicherweise eine Alternative gefunden. Das Verfahren heißt „Flash Joule Heating“. Es handelt sich um ein ohmsches Blitzverdampfen, bei dem das Rohmaterial mit Ruß angereichert und anschließend mittels eines kurzen Stromstoßes auf mehr als 3.000 Grad erhitzt wird. Die ForscherInnen haben mit dem Verfahren bereits Metalle aus Elektroschrott verdampft und abgetrennt. Nun haben sie untersucht, inwieweit das Blitzverdampfen auch für die Extraktion von Seltenerdmetallen aus Kohleasche geeignet ist.

Dabei nutzte das Team zwei gängige Varianten der Kohleasche. Der Seltenerdgehalt dieser Aschen lag bei 418 und 516 Milligramm pro Kilogramm Material. Außerdem testeten die WissenschaftlerInnen das Verfahren mit getrocknetem Bauxitschlamm aus der Aluminiumgewinnung, der sogar bis zu 1000 ppm Seltenerdmetalle enthalten kann. Zum Vergleich nutzte das Team außerdem eine gängige Säure-Extraktion.

Beim Flash-Joule-Heating liegen die Seltenen Erden anschließend als lösliche Oxide oder sogar bereits in metallischer Form vor. Mittels einer nur 0,1 molaren, schwachen Salzsäure abgetrennt werden.

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Effizienter und kostensparend

In ihren Tests fanden die ForscherInnen heraus, dass die Ausbeute beim Flash-Joule-Heating um 170 bis 230 Prozent höher als bei den gängigen Verfahren. „ Das Flash-Joule-Heating zerbricht das Glas, das diese Elemente umschließt, und wandelt die Seltenerd-Phosphate in Metalloxide um, die viel leichter löslich sind„, so James Tour, der an der Untersuchung beteiligt war. Außerdem führte das Verfahren zu weniger Verunreinigungen. Das Flash-Joule-Heating erwies sich daher als effizientere Methode, um seltene Erden aus Abfallstoffen herauszulösen, als gängige Verfahren.

Die ForscherInnen gehen davon aus, dass die Gewinnung von Seltenerdmetallen aus Reststoffen mittels Flash-Joule-Heating praktikabler und vor allem lohnender bewerkstelligt werden könnte als bisher. „ Das Flash-Joule-Heating ist sehr energieeffizient und benötigt nur rund 600 Kilowattstunden pro Tonne – das entspricht Kosten von rund zwölf US-Dollar pro Tonne„, so das Team. Dieser Umstand könnte die Gewinnspanne um den Faktor zehn erhöhen. Der Prozess ist außerdem gut skalierbar und kann in automatische Prozesse integriert werden. „ Die kommerzielle Anwendung des Flash-Joule-Heatings auf mehrere Tonnen pro Tag könnte den Weg ebnen zu einer Seltenerdgewinnung aus Abfallstoffen in großem Stil„, so die ForscherInnen weiter.

via Rice University