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Rückgewinnung von kritischen Metallen

Es geht ums Mikrogramm

Das französische Start-up Magpie Polymers hat eine neue Technologie entwickelt, um winzige Spuren von Edelmetallen oder giftigen Metallen aus Abwässern zu filtern. Diese Methode soll effizienter sein als herkömmliche Verfahren.

„Wir sind keine Alchemisten!“ Das betonte Vladica Bocokić noch bevor er zu seinem Vortrag beim International Electronics Recycling Congress (IERC) ansetzte. „Wir können aus Abwässern kein Gold oder andere Edelmetalle machen – wir holen diese nur heraus“, sagte Bocokić, der bei Magpie Polymer die Abteilung Forschung und Entwicklung (F&E) leitet. Damit spielte er auf einige Zeitungsartikel an, die ihren Lesern dieses Wunder der Alchemie fettgedruckt in der Überschrift verkündet haben. Wunder wirken kann die neue Filtertechnologie von Magpie Polymers nicht, sie soll aber wesentlich selektiver und effizienter sein als die Ionenaustauscherharze, die üblicherweise bei der Behandlung von industriellen Prozess- und –Abwässern benutzt werden.

Hinter dem nasschemischen Verfahren steckt viel Komplexchemie: „Zwischen den Metallen und den Polymeren in Form von Kügelchen wird eine gezielte Bindung gebildet. Das ist ein großer Unterschied zur Ionenaustauscher-Chemie, die sich nur unspezifisch mit Metallen bindet“, erklärte der promovierte Chemiker Bocokić beim IERC, der im Januar in Salzburg stattgefunden hat. Dabei kommen nicht irgendwelche Polymere zum Einsatz, sondern patentierte Harze, die die Wissenschaftler von Magpie entwickelt haben.

„Stabile Phosphin-Oxide formen koordinierte Verbindungen zwischen unseren Harzen und den Zielmetallen. Dabei legen sie eine ausgeprägte Verbundfestigkeit und eine bemerkenswerte Selektivität an den Tag“, schildert Bocokić die Vorzüge dieser Oxide. Sie funktionieren selbst unter schwierigen Umständen, beispielsweise wenn große Mengen anderer Metalle vorhanden sind. Auch niedrige pH-Werte, hoch oxidierende Bedingungen und hoher Salzgehalt machen ihnen nichts aus. Ebenso wenig wie das aggressive Königswasser oder auch Aqua Regia – ein Gemisch aus konzentrierter Salzsäure und konzentrierter Salpetersäure im Verhältnis 3:1, das sehr oft zum Aufschluss der (Edel-)Metalle verwendet wird.

Anteil gebundener PGM beträgt 93 Prozent

Bei einem Experiment ließen die Wissenschaftler einen ihrer Harze gegen Ionenaustauscher antreten. Das sind Materialien, mit denen gelöste Ionen durch andere Ionen gleicher Ladung ersetzt werden. Die Ionen, die herausgelöst werden sollen, werden am Ionenaustauschermaterial gebunden, das seinerseits dafür eine äquivalente Stoffmenge von vorher gebundenen Ionen in die Lösung abgibt. Aus der Aqua-Regia-Lösung konnte das Magpie-Polymer circa 1 mol/kg Platinumgruppenmetalle (PGM) an sich binden. Der Ionenaustauscher konnte nur rund 0,7 mol/kg PGM aus der Lösung herausfischen. Das mag auf den ersten Blick keinen großen Unterschied machen, in der Welt der Chemie liegen dazwischen jedoch Welten.

Dieser Unterschied wird noch deutlicher, wenn man einen Blick auf die Selektivität dieser beiden Materialien wirft. Beim Magpie-Polymer betrug der Anteil der gebundenen PGM mehr als 93 Prozent, während der Ionentauscher lediglich 74 Prozent PGM aufwies. In absoluten Mengen heißt das, dass sich mehr als 0,9 mol PGM an das Magpie-Polymer binden und 0,5 mol PGM an das Ionenaustauscherharz.

Noch eindrucksvoller wirkt zum Beispiel die Anwendung der Magpie-Materialien zur PGM-Filtration aus der Silber-Salpetersäurelösung, die in der elektrolytischen Silberraffination vorkommt. In dieser Lösung findet man hohe Konzentrationen an Silber und Kupfer (bis 130 und 50 g/l von jedem Metall) und Spuren von PGM (0,01 bis 0,2 g/l), die jedoch eine wesentliche Verunreinigung für Silber darstellen. Nach der Filtration durch das Magpie-Polymer enthält die Lösung keine PGM mehr (<0,001 g/l). Silber und Kupfer und auch andere Nicht-Platinoide wie Blei bleiben praktisch unberührt. Bis zu einer PGM-Ladung von 50 bis 60 g PGM per Liter Magpie kann diese Salpetersäurelösung praktisch PGM-verlustfrei behandelt werden.

Lohnende Rückgewinnung

Die ersten Entwicklungsschritte der neuen Filtertechnologie hat der niederländische Wirkstoffchemiker Steve van Zutphen 2007 an der renommierten École Polytechnique in Paris getan. Ein paar Jahre später stieß sein Kollege Etienne Almoric hinzu. Beide haben sich zusammengetan und 2011 Magpie Polymers als Spin-off der französischen Eliteschule gegründet. Der Name Magpie bedeutet im Deutschen übrigens Elster.

Pro Monat produziert das Unternehmen eigenen Angaben zufolge über 1 Tonne an Polymeren. „Ein Liter dieses patentierten Materials kann fünf bis zehn Kubikmeter Abwasser behandeln und zwischen 50 und 100 Gramm Edelmetalle wie Gold, Palladium, Platin oder Rhodium zurückgewinnen“, sagt Magpie-Mitbegründer und Chief Operating Officer (COO) Almoric. Wirtschaftlich lohnt sich die Rückgewinnung, denn je nach Metallsorte hat diese Menge einen Wert von 1.000 bis 3.000 Euro. Laut Almoric bleibt maximal ein Milligramm des gefilterten Metalls pro Liter im gefilterten Abwasser. „Das ist bedeutend weniger als bei herkömmlichen Verfahren.“

Da die Polymere so modifiziert werden können, dass sie sich den speziellen Eigenschaften der Metalle anpassen, können mit dem Filterungsprozess nicht nur die Metalle der PGM zurückgewonnen werden. „Unser Prozess kann auf die jeweiligen Wünsche maßgeschneidert werden“, sagt Bocokić. In Anlagen in Südfrankreich würden beispielsweise auch Gallium oder Indium zurückgewonnen werden. Zudem erlaube der maßgeschneiderte Prozess die Rückgewinnung von nahezu 100 Prozent der Metalle aus Prozess- und Abwässern.

Neben dem Einsatz als Filter für wertvolle Metalle ist auch ein Einsatz zum Beseitigen von Verunreinigungen mit manchen giftigen Metallen möglich. „Die selektiven Polymere erlauben nicht nur eine Anpassung an die individuelle Abwasserzusammensetzung, sondern auch einen Einsatz als Filter für Quecksilber oder Uran“, sagt Magpie-COO Almoric.

Magpie liefert seine Produkte derzeit hauptsächlich an Kunden in Europa, an Unternehmen der Metallgewinnung und -Raffination, sowie an mehrere  Oberflächenbearbeitungsfirmen. Die Gründer können sich aber auch gut einen Einsatz im Bergbau vorstellen, wo ihre Polymere ebenfalls Edelmetalle aus Abwässern gewinnen könnten. Tatsächlich läuft bereits seit einigen Wochen in Südafrika die Pilotphase eines Projekts mit einem großen PGM-Produzenten. Auch für Recyclingbetriebe, die Leiterplatten oder Platinen zerkleinern und in ein Säurebad geben, um so die wertvollen Metalle abzulösen, könnte dieses Verfahren interessant sein, um aus den Lösungsrückständen noch das letzte Quäntchen an Metallen herauszufiltern.

„Wir werden keine bestehenden Verfahren ersetzen“, betont F&E-Leiter Bocokić. Er sieht die Technologie eher als eine „willkommene Ergänzung“, um Verluste zu vermeiden und selbst kleinste Spuren von Metallen zurückzugewinnen. „Bei steigenden Rohstoffpreisen zählt jedes Gramm an verschwendetem Edelmetall“, betont Almoric.

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