Seltenerdmetalle aus Elektroschrott: Dieses Molekül hilft beim Recycling

Seltene Erden sind wichtige Rohstoffe, die vor allem in Hightech-Produkten wie Smartphones, Computern, Elektroautos und anderen Technologien zum Einsatz kommen. Sie sind sowohl in den USA als auch in der EU als sogenannte kritische Rohstoffe eingestuft – sie werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Umso wichtiger wird es werden, die begehrten Rohstoffe auch recyceln zu können. Forscher:innen haben nun eine Methode entwickelt, mit der das Recycling von Elektroprodukten zur Rückgewinnung Seltener Erden besonders einfach und effizient funktionieren könnte.

Das Recycling Seltener Erden ist komplex und kostenintensiv

Bisher ist die Gewinnung und Auftrennung der 17 Seltenerd-Elemente, die sich relativ ähnlich sind, sowohl aufwendig als auch teuer, was sowohl ihre Gewinnung aus Roherzen als auch ihr Recycling schwierig macht. „Bestehende Trennverfahren beruhen auf Hunderten von sogenannten Flüssig-Flüssig-Extraktionsschritten und sind ineffizient„, so Marie Perrin von der ETH Zürich. Das Recycling der Seltenen Erden ist so teuer, dass ihre Rückgewinnungsquote bei weniger als einem Prozent liegt.

Gemeinsam mit ihren Kolleg:innen hat Perrin sich deshalb auf die Suche nach einem chemischen Helfer gemacht, der die Abtrennung des Seltenerdmetalls Europium aus Elektroschrott oder aus Eisenerz erleichtern soll. „Unter den Seltenerdmetallen sticht Europium durch seine Seltenheit heraus, in gängigen Erzen liegt seine Konzentration nur bei 0,05 bis 0,1 Gewichtsprozent„, so die Forscher:innen. Die Rückgewinnung von Europium aus Elektroschrott wäre daher weitaus praktikabler. „Pro Tonne enthalten ausgediente Energiesparlampen rund 230 Kilogramm Seltenerdmetalle – 17-mal mehr als natürliche Erze„, erklärt das Team.

Recycling mittels eines einfachen Moleküls

Ein kleines anorganisches Komplexmolekül namens Tetrathiowolframat könnte eine Lösung für das Recyclingproblem sein. Dabei handelt es sich um eine Verbindung aus vier Schwefelatomen, die ihrerseits ein Wolframatom einschließen. Das Molekül ist in der Lage, Elektronenübertragungsreaktionen anzustoßen. Im Rahmen dieser Reaktionen wird der Reaktionspartner, bei dem es sich in der Regel um ein Metall handelt, reduziert.

Europium wiederum hat von allen Seltenerdmetallen das höchste Reduktionspotential, was zu der Annahme führt, dass es bevorzugt mit dem Tetrathiowolframat reagieren müsste. Dabei würde das Europium dann reduziert und sich von seiner Form als lösliches Ion in eine unlösliche kristalline Verbindung umwandeln, woraufhin es auch aus gemischten Seltenerd-Lösungen als erstes ausfallen müsste.

Effiziente Methode zur Rückgewinnung

Die ForscheR:innen haben diese Annahme dann in einem Experiment auf die Probe gestellt. Sie zerkleinerten dazu Energiesparlampen-Elektroschrott und lösten die Metallbestandteile mittels Säuren heraus. Diese Bestandteile wurden dann gefiltert und getrocknet, wodurch ein graues Pulver entstand, das aus verschiedenen Metallverbindungen bestand. Darunter war auch Europium und Yttrium im für diese Art Schrott typischen Verhältnis 13:1. Dieses Pulver wurde dann in eine Lösung mit Tetrathiowolframat gegeben.

„Dies führte zu einer unmittelbaren Farbveränderung (der Lösung) von leuchtend gelb zu dunkelrot. Unter Tageslicht und bei Raumtemperatur bildete sich dann sehr schnell ein goldbrauner Niederschlag„, berichten die Chemiker:innen von dem Ergebnis des Experiments. Das ausgefällte Material stellte sich als Komplexverbindung heraus, in der nur das Europium gebunden war. Dieses konnte somit mit einer Effizienz von 99,8 Prozent von dem Yttrium getrennt werden.

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Das Team geht davon aus, eine Methode gefunden zu haben, die ganz neue Möglichkeiten für das Recycling Seltener Erden eröffnet. Damit gewinnen wir Europium in wenigen einfachen Schritten – und das in Mengen, die mindestens 50-mal höher sind als mit bisherigen Trennmethoden, so Perrin. Bei dieser Methode könnten zudem viele der Vorbereitungsschritte entfallen, die beim Recycling seltener Erden derzeit noch erforderlich sind.

Auch für andere Seltene Erden verwendbar?

Das Verfahren wurde durch das Team bereits patentiert und soll nun bereit für die Praxis gemacht werden, um es auf den Markt bringen zu können. Außerdem arbeitet das Team daran, die Methode so anzupassen, dass mit ihr auch die Seltenen Erden Neodym und Dysprosium recycelt werden können. „Wir erwarten, dass dieser Ansatz für eine breite Palette von Quellen und Anwendungen von Seltenerd-Elementen interessant sein könnte“ schreiben die Forscher:innen.

via ETH Zürich