gagendta⁺ ist eine Prozesskette zur Gewinnung von Hightech-Metallen aus Elektro- und Elektronikaltgeräten (EAG). Die Zielmetalle Gallium (Ga), Germanium (Ge), Neodym (Nd) und Tantal (Ta) werden entlang der Prozesskette angereichert und in einem finalen Schritt als marktfähige Produkte gewonnen.

Stoffstrommanagement

Zu Beginn von gagendta⁺ stand die Frage: In welchen EAG und in welchen Stoffströmen aus ihrer Aufbereitung sind die Hightech-Metalle enthalten? Fraunhofer UMSICHT und die Fraunhofer Projektgruppe IWKS untersuchten dafür gemeinsam verschiedene Fraktionen der EAG-Aufbereitungsanlage des Projektpartners ALBA Electronics Recycling GmbH am Standort in Lustadt. Ergebnis der Untersuchungen war, dass einige Fraktionen, Bauteile und Komponenten der EAG hohe Mengen der Zielmetalle aufweisen. Auf diese Fraktionen, Bauteile und Komponenten wurde im weiteren Projektverlauf der Fokus gelegt.

Vorbehandlung

In den Leiterplatten der EAG sind hohe Mengen an Gallium, Germanium, Indium und vor allem Tantal zu finden. Die Hightech-Metalle liegen aber nicht gleichmäßig verteilt in der Leiterplatte vor, sondern sind in einzelnen elektronischen Komponenten (EC) konzentriert. Die Projektgruppe IWKS des Fraunhofer ISC trennt in einem Vorbehandlungsschritt diese EC vom Trägermaterial ab. Dabei setzen die Wissenschaftler das innovative Verfahren der Elektrohydraulischen Zerkleinerung (EHZ) ein, um gezielt und effizient Klemm-, Klebe- und Lötverbindungen zu zerstören. Die separierten EC werden im Nachgang sortiert. So entstehen sortenreine Fraktionen, wie z.B. eine Fraktion aus Tantalkondensatoren.

Thermo-chemische Stofftrennung

Die thermo-chemische Behandlung technologiemetallhaltiger Stoffströme findet unter sauerstofffreier Atmosphäre und bei Temperaturen von über 600 °C statt. Dabei werden Kunststoffe thermisch gespalten und verflüchtigt, während die Metalle im festen Produkt, dem Metallkonzentrat, verbleiben. Die Behandlung führt nicht nur zu einer Anreicherung der (Technologie-)Metalle, sondern bringt noch weitere Vorteile mit sich: Zum einen werden durch die Abtrennung der Kunststoffe die (Technologie-)Metalle aufgeschlossen und frei zugänglich gemacht. Zum anderen entstehen energiereiche Öle und Gase. Für deren effiziente Umwandlung in Strom und Wärme entwickelt die Firma Hubert Tippkötter GmbH eigens ein Blockheizkraftwerk.

Fraunhofer UMISCHT führte bislang Technikumsversuche mit verschiedenen Schredder­rückständen aus der mechanischen Aufbereitung von EAG sowie mit Leiterplatten, reinen Tantalkondensatoren, Glasfaserkabeln, LED-Lampen sowie LC-Displays durch und entwickelte das Verfahren zur thermo-chemischen Stofftrennung weiter. Für weitere Versuche im größeren Maßstab konstruierte die Firma KAUTZ Technologies GmbH eine Pilotanlage mit einem Durchsatz von 70 kg/h, die am Standort von Fraunhofer UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg betrieben wird.

Mechanische Rückstandsaufbereitung

Durch die thermo-chemische Behandlung werden die (Technologie-)Metalle aus komplexen Materialverbunden freigelegt und so für Klassier- und Sortierverfahren zugänglich gemacht. Die weitere mechanische Aufbereitung des Metallkonzentrats findet an der TH-Nürnberg und bei Fraunhofer UMSICHT statt. Mit Hilfe etablierter Verfahren wie Korngrößen- oder Herdsortierung konnte die Konzentration einiger Zielmetalle in mehreren Schritten bereits erfolgreich gesteigert werden. Im Fall von Tantal aus Leiterplatten entstand auf diese Art und Weiße bereits ein Konzentrat, das ohne weitere Behandlung als Rohstoff für die Primärherstellung einsetzbar ist.

Metallfraktionierung

Im letzten technischen Schritt der modularen Prozesskette, der Metallfraktionierung, soll die Gewinnung der Hightech-Metalle in Form eines marktfähigen Produkts erfolgen. Das Material aus den vorangegangenen Prozessschritten muss zunächst aufgeschlossen werden. Mittels Biosorption bzw. Biofällung und einer Reihe weiterer Behandlungsschritte sollen die Lösungen aufkonzentriert werden, sodass die Hightech-Metalle durch Elektrolyse in Reinform gewonnen werden können. An diesen Arbeitsschritten arbeiten das IGB und das IPA seit Beginn des Projekts zusammen. Für die Untersuchungen wurden zunächst Modelllösungen verwendet, die aus den reinen Metallen bzw. deren Oxiden hergestellt wurden. Anhand dieser Lösungen konnte das Prinzip des Verfahrens erfolgreich gezeigt und Gallium und Indium in verwertbarer Qualität abgeschieden werden. An der Aufbereitung des realen Materials aus dem vorhergehenden Prozessschritt für die elektrochemische Abscheidung wird derzeit noch gearbeitet.

Anforderungen für die Verwertung

Wie die bisher gewonnenen Metallkonzentrate und Metalle als direkter Einsatzstoffe für die Produktion am besten verwertet werden können, ist Bestandteil des weiteren Projektverlaufs. Denkbar ist der Einsatz der Hightech-Metalle in der Herstellung neuer Produkte und Metallerzeugnisse, genauso wie der Einsatz von Zwischenprodukten als Substitut von Primärrohstoffen in der Metallherstellung. Dafür gilt es, die Anforderungen an Reinheit und Eigenschaften der (Zwischen-)Produkte seitens der Industrie zu ermitteln. Darauf aufbauend wird die gagendta⁺ Prozesskette weiter optimiert.

Bewertung der Prozesskette

Um die ökologischen, ökonomischen und sozialen Effekte der innovativen Aufbereitung durch die gagendta⁺ Prozesskette bewerten zu können, bilanziert Fraunhofer UMSICHT die Verfahren der gesamten Wertschöpfungskette im Rahmen einer umfassenden Nachhaltigkeitsbewertung. Zusammen mit den Daten für die Anforderungen seitens Industrie und Wirtschaft an die Erzeugnisse wird die Prozesskette ergänzt und optimiert.