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Seltene Erden – die große Recyclingherausforderung

Foto: nualaimages

Anzeige Seltenerdmetalle, einschließlich der Lanthanid-Serie, Scandium und Yttrium, sind kritische Komponenten, die in Permanentmagneten, Elektrofahrzeugen, Smartphones und vielem mehr verbaut sind. Mittlerweile kommen seltene Erden in nahezu allen Elektronikgeräten zum Einsatz. Zwar kommen seltene Erden, entgegen ihrer Bezeichnung, nahezu überall auf der Welt vor. Jedoch liegen sie nur in gewissen Regionen derart konzentriert vor, sodass sich die extrem aufwendige Minenarbeit lohnt, die nötig ist, um ihrer habhaft zu werden. Und diese Regionen sind typischerweise im Einflussbereich autokratischer Staaten – allem voran China – was die Lieferketten enorm von politischen Befindlichkeiten und Unwägbarkeiten abhängig macht. Bereits heute werden so viele elektronische Geräte hergestellt, dass mit Blick auf einige der 17 seltenen Erden bereits die Produktionskapazitäten am Limit sind. Soll die Digitalisierung so wie angedacht voranschreiten, müssen seltene Erden effektiv recycelt werden. Etwas, was technisch enorm aufwendig ist und bislang kaum passiert. So liegen die Recyclingraten für einige seltene Erden zum Teil deutlich unter 3 %.

Wie werden seltene Erden abgebaut?

Die Elemente, die den seltenen Erden zugerechnet werden, kommen natürlicherweise als Beimischungen in Erzen vor und müssen vor der Verwendung gereinigt werden. Der Abbau und die Abtrennung sind jedoch neben der Energie- und Abfallintensität eine immense Herausforderung, bei der häufig ganze Landstriche durch erhebliche Minenarbeit mit enormer Schadstoffbelastung verwüstet werden. Eine interessante Alternative zum Bergbau ist daher das Recycling von seltenen Erden. Aber auch hier sind die Kosten für die Dekonstruktion und Reinigung eine Einschränkung. Nur ein winziger Bruchteil der Produkte wird mit Blick auf die Rückgewinnung seltener Erden recycelt.

Worin bestehen die Herausforderungen?

Ein erheblicher Teil der Kosten für das Recycling von Seltenerdelementen ist mit ihrer schwierigen Trennung verbunden. Um die wirtschaftlichen Vorteile des Recyclings zu verbessern, sind effiziente Lösungen erforderlich, die gezielte Seltenerdelemente aus technologisch relevanten Gemischen gewinnen. Es wird erwartet, dass die Zugabe von recycelten Seltenen Erden als neue Quelle zur Lieferkette die Umweltverschmutzung und die Energiekosten im Zusammenhang mit ihrem primären Abbau und ihrer Trennung reduzieren wird. Darüber hinaus wäre eine neue inländische Quelle für Seltene Erden, im Sinne eines effektiven WEEE Full Service, ein positiver Beitrag zur Technologie und zu wettbewerbsfähigen Preisen. Nicht zuletzt, weil die Abhängigkeit von politisch volatilen Lieferketten dadurch gemindert werden könnte.

Warum ein effektives Recycling alternativlos ist

Seltene Erden sind wichtige Materialien in vielen Konsumgütern, wie Elektronik und Automobilen. Diese Elemente erzeugen im Abbau derzeit eine erhebliche Umweltbelastung. Trotz ihrer theoretischen Wiederverwendungsfähigkeit geht die klar überwiegende Mehrheit nach dem Lebenszyklus der Geräte im Müll verloren. Das Recycling entsprechender Produkte würde den Herstellern eine stetige, inländische Quelle für seltene Erden bieten und gleichzeitig den Abfall reduzieren. Derzeit sind das Haupthindernis für das Recycling von Seltenerdelementen die Kosten, die für die Reinigung der aus Verbrauchergeräten gewonnenen Mischungen erforderlich sind.

Ein möglicher Ansatz

Vor kurzem entdeckte eine Gruppe von Forschern der University of Pennsylvania ein Trennverfahren, das die Reinigung von recycelten Seltenerdelementen viel kostengünstiger machen könnte. Durch die Entwicklung einer neuen organischen Verbindung (H3TriNOx) zur Bindung von Seltenerd-Kationen bildete diese Gruppe 15 verschiedene Verbindungen. Studien zeigten, dass die „frühen“ Seltenerdverbindungen (die Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium oder Europium enthielten) es vorzogen, dimere Spezies zu aggregieren und zu bilden. Das Team beobachtete keine solche Aggregation für „späte“ Seltenerdverbindungen (mit Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Yttrium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium oder Lutetium).

Infolgedessen war der Löslichkeitsunterschied dieser Verbindungen groß genug, um eine effiziente Trennung für alle frühen / späten Seltenerdkombinationen durch einen einzigen Filtrationsschritt zu ermöglichen. Die Optimierung der Trennbedingungen wurde verwendet, um die Wirksamkeit spezifischer Kombinationen zu verbessern, insbesondere der Neodym/Dysprosium- und Europium/Yttrium-Paare. Diese Paare werden häufig in Permanentmagneten bzw. Kompaktleuchtstofflampen verwendet. Es wird erwartet, dass das TriNOx-Trennsystem zum Recycling dieser und anderer langlebiger seltenerdhaltiger Produkte beiträgt und eine billige und grüne neue Quelle für diese kritischen Rohstoffe bietet.

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