Gewinnung von Seltenerdmetallen aus Elektronikschrott
Chemieingenieur entwickelt nachhaltige Nanotechnologie zur selektiven Rückgewinnung von Metallen
Die Hersteller sind auf Seltene Erden wie Neodym angewiesen, um starke Magnete herzustellen, die in Motoren für elektronische Geräte wie Hybridautos, Flugzeuggeneratoren, Lautsprecher, Festplatten und In-Ear-Kopfhörer eingesetzt werden. Mineralvorkommen, die Neodym enthalten, sind jedoch schwer zu erreichen und kommen nur an wenigen Orten der Erde vor.
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Angesichts des steigenden Neodym-Bedarfs verschiedener Industriezweige hat man sich auf das Recycling der Elemente konzentriert, die in alten Computern und Leiterplatten (auch bekannt als Elektronikschrott) enthalten sind, um die Nachfrage zu decken. Doch die Trennung der wertvollen Elemente von anderen Mineralien und Bestandteilen, die im Elektroschrott zu finden sind, erweist sich als eine Herausforderung.
In einem kürzlich im Chemical Engineering Journal veröffentlichten Artikel beschreibt Amir Sheikhi, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen und biomedizinische Technik an der Penn State University, eine neue Nanotechnologie zur Abtrennung von Neodym mit Hilfe von pflanzlicher Zellulose, die in Papier, Baumwolle und Zellstoff enthalten ist. Patrictia Wamea, ein ehemaliges Mitglied von Sheikhis Labor, die im Mai ihren Abschluss als Master of Science gemacht hat, war Mitautorin der Arbeit und erhielt für ihren Beitrag im Herbst 2021 den jährlichen Best Paper Award des Penn State Department of Chemical Engineering.
Dabei binden haarige Zellulose-Nanokristalle, Nanopartikel, die aus Zellulosefibrillen gewonnen werden, selektiv an Neodym-Ionen und trennen sie von anderen Ionen, wie Eisen, Kalzium und Natrium, so Sheikhi. Die Nanopartikel werden als "haarig" bezeichnet, da an ihren beiden Enden Zelluloseketten angebracht sind, die wichtige chemische Funktionen erfüllen.
Zu diesem Zweck luden die Forscher die haarigen Schichten der Nanopartikel negativ auf, um die positiv geladenen Neodym-Ionen anzuziehen und sich mit ihnen zu verbinden, was zu einer Aggregation der Partikel zu größeren Stücken führt, die dann effektiv recycelt und wiederverwendet werden können.
"Das Verfahren ist in Bezug auf die Abscheidekapazität, die Selektivität und die Geschwindigkeit sehr effektiv", so Sheikhi. "Es kann Neodym in Sekundenschnelle abtrennen, indem es das Element selektiv von einigen der getesteten Verunreinigungen trennt."
Die derzeitigen Recyclingverfahren für Seltene Erden sind laut Sheikhi umweltschädlich. Sie verwenden oft stark säurehaltige Bedingungen, um die Elemente in chemischen Reaktionen zu extrahieren. Sheikhis Verfahren ist umweltfreundlich, da es auf Zellulose basiert, einem kostengünstigen erneuerbaren Rohstoff. Der herkömmliche Abbau ist gefährlich und teuer und hat durch den Tagebau schädliche Auswirkungen auf die Umwelt.
"Die Verwendung von Zellulose als Hauptbestandteil ist eine nachhaltige, kostengünstige und saubere Lösung", so Sheikhi. "Mit diesem Verfahren können die Vereinigten Staaten mit anderen Giganten wie China konkurrieren, wenn es darum geht, Seltene Erden zu gewinnen und sie unabhängig zu produzieren.
China ist laut Sheikhi der führende Exporteur von Neodym und exportiert mehr als 70 % des weltweiten Angebots an diesem Material.
Neben Elektroschrott können Seltene Erden wie Neodym auch aus Industrieabwässern, Bergbauabfällen und nicht mehr verwendeten Dauermagneten gewonnen werden. Sheikhi hofft, dass das auf Zellulose basierende Adsorptionsverfahren in Zukunft auch auf diese Quellen angewendet werden kann.
"Dieser Beitrag zum Recycling von Seltenen Erden wird sich strategisch und wirtschaftlich auf mehrere Branchen auswirken", so Sheikhi. "Je mehr Neodym wir recyceln, desto mehr können wir Elektro- und Hybridfahrzeuge und Windturbinen herstellen, was zu einer geringeren Belastung der Umwelt führt.
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