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Moleküle sortieren für den Rohstoff-Kreislauf von übermorgen

Die meisten Industrieländer sind „Wegwerfgesellschaften“. Das heißt, defekte Gebrauchsgegenstände werden massenhaft entsorgt und neue angeschafft. Aber unsere Ressourcen sind endlich. Das gilt nicht nur für Erdöl, sondern auch für viele andere Rohstoffe wie Edelmetalle oder Seltene Erden. Deshalb arbeiten Wissenschaftler des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und anderer Fraunhofer-Institute gemeinsam an Technologien, um Rohstoffe auf molekularer Ebene zu trennen und anschließend zu recyceln. „Molecular Sorting for Resource Efficiency“ heißt das ehrgeizige Projekt, das es möglich machen soll, mit speziellen Trennverfahren selbst minimale Spuren wertvoller Rohstoffe aus Abfallströmen herauszuholen.

In unserem Müll steckt ein Vorrat an kostbaren Rohstoffen. © C. Nöhren/ pixelio.de

Zurzeit werden weltweit jährlich etwa 60 Milliarden Tonnen an Rohstoffen – darunter Edelmetalle oder Seltene Erden – verbraucht, Tendenz steigend. Doch das Ende der Vorräte ist absehbar. Neue Technologien müssen entwickelt werden, um die kostbaren Wertstoffe zurückzugewinnen und auch in Zukunft ausreichend Rohstoffe für Industrie- und Konsumgüter zur Verfügung stellen zu können. Bisher ist das Recycling für viele Rohstoffe technisch sehr aufwendig und kostenintensiv oder stark umweltbelastend und daher nur bedingt durchführbar.

Alltagsgegenstände als Rohstoff-Vorrat

Viele Gegenstände unseres Alltags oder auch Abwässer, Verbrennungsrückstände und Schlacken stellen einen großen Vorrat an kostbaren Rohstoffen dar. Zum Beispiel bestehen Elektrogeräte, Batterien oder Katalysatoren unter anderem aus einer komplexen Mischung von Edelmetallen oder Seltenen Erden: Kupfer, Nickel oder Gold in Computerchips oder Handys, Silber und Cer1 in Katalysatoren, Kobalt in Batterien oder Neodym in Festplatten. Bis zu 60 verschiedene Rohstoffe können in kleinsten Mengen in den Gebrauchsgegenständen verarbeitet sein. Bis vor Kurzem wurde der Elektroschrott meist per Hand sortiert, eine Methode, die wir uns vor dem Hintergrund der Ressourcenknappheit nicht mehr lange leisten können. Schon jetzt sind mindestens 14 der Rohstoffe, die von der Industrie dringend benötigt werden, nicht mehr uneingeschränkt verfügbar, so eine Untersuchung der EU2. Deshalb sollen neue Trenntechniken entwickelt werden, die es zukünftig erlauben, dass die Rohstoffe auf molekularer Ebene getrennt, sortiert und dann wiederverwendet werden können.

Molecular Sorting: Recycling auf Molekülebene

Prozesskette des „Molecular Sorting“ zur Rückgewinnung von Rohstoffen aus Abfallströmen © Fraunhofer IGB
Im Projekt „Molecular Sorting for Resource Efficiency“ arbeiten sieben Fraunhofer-Institute gemeinsam an einer „Kreislaufwirtschaft der nächsten Generation“. In dem Forschungsvorhaben sollen neue, leistungsfähige Trennprozesse bis auf eine molekulare Ebene entwickelt werden, mit denen aus gebrauchten Produkten Rohstoffe wiedergewonnen werden können. Der Idealfall wäre es natürlich, eines Tages Waren ganz ohne den Einsatz von Primärrohstoffen produzieren zu können. Hierzu sollen Verfahren zur Verfügung stehen, mit denen Sekundärrohstoffe in Kaskaden immer weiter verwertet und in den Produktionsprozess zurückgeführt werden können. Solche Technologien müssen jedoch effizient, einfach zu integrieren und flexibel auf verschiedene Gruppen von Metallen anwendbar sein. Teil des Forschungsverbundes sind auch Wissenschaftler des Stuttgarter Fraunhofer IGB. Sie entwickeln Wiederverwertungsverfahren für Metalle – sowohl für Edelmetalle als auch für Seltene Erden und Schwermetalle. Dabei werden die Rohstoffe mit Hilfe verschiedener Technologien recycelt: Zunächst werden die Metalle mittels Bioleaching in Lösung gebracht, dann die gelösten Metallionen durch Adsorption und Membranfiltration aufkonzentriert, durch Elektrophorese getrennt und schließlich aus ionischen Flüssigkeiten galvanisch abgeschieden. Dabei sollen alle Verfahren letzten Endes in einen Gesamtprozess integriert werden. Dessen Machbarkeit wird in Form eines Demonstrators erprobt.

Bakterien lösen Metall aus Abfällen

Mikrobielle Mischpopulationen auf Werkstoffpartikeln beim Bioleaching © Fraunhofer IGB

Für das sogenannte Bioleaching, die Biolaugung mit Hilfe von Mikroorganismen im Bioreaktor, werden Mischkulturen aus verschiedenen Bakterienstämmen eingesetzt, die sich in ihrem Stoffwechsel untereinander ergänzen. Diese Mikroorganismen wandeln den unlöslichen Metallanteil aus Abfällen in wasserlösliche Salze um.

Das entsprechende biotechnische Verfahren wurde am Fraunhofer IGB bereits im Labormaßstab etabliert: Dabei gelang es den Stuttgarter Wissenschaftlern, die Bakterien dazu zu bringen, auf den eingesetzten Metall- oder Holzspänen Biofilme zu bilden, Metallionen aus den Oberflächen herauszulösen und in Lösung zu bringen. Aus den eingesetzten Materialien wurden erhebliche Mengen an Mangan, Nickel, Eisen, Kupfer, Zink und Titan gelöst sowie deren Fällung in der Suspension nachgewiesen. An einer späteren Hochskalierung wird gearbeitet. Ebenso wird das etablierte Verfahren nun auch auf weitere Edelmetalle und Seltene Erden ausgeweitet.

Weiterverabeitung der Metalle mit Polymeren oder Keratin

Für den nächsten Recycling-Schritt, die Aufkonzentrierung der Ionen aus den in der Regel niedrig konzentrierten Metalllösungen, entwickeln die Fraunhofer-Forscher sowohl auf Polymerbasis als auch auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen spezielle Adsorbentien und testen deren Nutzbarkeit in Membranadsorbern. Dabei gelang es schon, Polymere mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen herzustellen, die eine besonders hohe Affinität zu Metallen wie Kupfer, Neodym, Silber oder Blei aufweisen und diese mit hoher Selektivität anreichern. Zudem konnte das Faserprotein Keratin aus Schafwolle so modifiziert werden, dass Silberionen effizient gebunden wurden. Die Adsorptionseigenschaften blieben auch beim Einbau in Membranadsorber erhalten.

Für den letzten Schritt der Wiedergewinnung von Metallen, der Abtrennung und Abscheidung, werden am IGB elektrophysikalische Verfahren wie die Elektrophorese und die galvanische Abscheidung weiterentwickelt. Es existiert mittlerweile ein Labor-Prototyp, mit dem die Metallionen nach dem Prinzip einer Free-Flow-Elektrophorese mit hoher Trennschärfe getrennt werden können. Das Verfahren ermöglicht auch die Trennung solcher Metallionen, die in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften sehr ähnlich sind und sich deshalb mit herkömmlichen Technologien nicht ausreichend trennen lassen. Bisher gelang es den IGB-Wissenschaftlern, die Metallionengemische Kupfer-Eisen, Neodym-Eisen und Eisen-Kupfer-Neodym nahezu vollständig zu trennen. Gegenwärtig beschäftigt man sich mit der Möglichkeit, das Verfahren auch auf weitere Stoffsysteme zu übertragen.

Recycling lohnt sich in der Welt von übermorgen auch wirtschaftlich

Existieren eines Tages machbare Recyclingkreisläufe, stellt sich jedoch die Frage, ob sich der ganze Aufwand auf dem Markt von übermorgen auch wirtschaftlich lohnen wird. Auch damit beschäftigt sich der Forschungsverbund der Fraunhofer-Institute und hat sich mit Hilfe dreier verschiedener Modell-Szenarien (siehe Link rechts oben) gedanklich in die Welt von 2030 versetzt: mit dem ersten Szenario „Ideal – Grüne neue Welt“, dem zweiten Szenario „Katastrophal – Nach uns die Sintflut“ und dem dritten Szenario “Neutral – weiter wie gehabt“. Das Ergebnis des Gedankenspiels ist, dass sich die Recycling-Technologien auch in den sehr unterschiedlichen Szenarien grundsätzlich sehr wohl wirtschaftlich durchsetzen können.

1 Cer: Metall der Seltenen Erden, Gruppe der Lanthanoide (Anm. d. Red.)

2"Bericht der Kommission an das Europäische Parlament, den Rat, den Europäischen Wirtschafts- und Sozialausschuss und den Ausschuss der Regionen über die Umsetzung der Rohstoffinitiative", Brüssel 24.06.13

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/molekuele-sortieren-fuer-den-rohstoff-kreislauf-von-uebermorgen/