Was vielleicht schon übermorgen alles möglich ist

Kreislaufwirtschaft der nächsten Generation: Auf der IFAT 2014 in München informierte das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT über das eigens und mit Partnern entwickelte, so genannte Übermorgen-Projekt „Molecular Sorting“.  

Im Mittelpunkt steht hier die Stofftrennung auf molekularer bis hin zur atomaren Ebene von Metallen, mineralischen, biogenen, organischen und silikatischen Rohstoffen, wie sie als bunter Materialmix in vielen modernen Produkten und oft nur in Kleinstmengen vorkommen. So enthalten bekanntlich allein Mobiltelefone bis zu 60 verschiedene Rohstoffe – darunter fein verteilt viele Edelmetalle und Seltene Erden.

Koordinator des Projekts „Molecular Sorting for Resource Efficiency“ am Fraunhofer ICT in Pfinztal bei Karlsruhe ist Prof. Jörg Woidasky, der im Rahmenprogramm der IFAT zusammen mit Kollegen das innovative Aufbereitungskonzept anhand der drei Materialfraktionen Metalle, Glas, Holz sowie MVA-Schlacke vorstellte. Für jedes Molecular-Sorting-Verfahren wird dabei ein Ökobilanzmodell erstellt und die gewonnenen Informationen in mehreren Iterationsschleifen an die Entwickler zurückgeleitet.

Bioleaching und Elektrophorese

Beim „Bioleaching“ (mikrobielle Erzlaugung) wandeln Mi­kro­organismen den unlöslichen Metallanteil aus Erzen, mit Metallsalzen getränkten Althölzern oder Verbrennungsschlacken zu wasserlöslichen Salzen um. Spezielle Polymere oder nachwachsende Rohstoffe wie Keratin oder Lignin binden selektiv die gelösten Metalle oder Seltenen Erden. Mithilfe der Elektrophorese lassen sich die Wertstoffe in der Folge auftrennen – ein an sich nicht neues Verfahren. Es gibt bereits Methoden, um einzelne Metalle gezielt in einer Lösung anzureichern. Allerdings sind diese Verfahren meist teuer und nicht universell einsetzbar. Um Produktionskreisläufe zu schließen, sei die Entwicklung neuer, einfach zu integrierender, auf verschiedene Metallgruppen flexibel anwendbare Technologien notwendig.

Wie die Vorträge der Fraunhofer-Referenten weiter aufzeigten, konnten die Forscher im Labor Mikroorganismen aus Metallspänen-Ionen herauslösen und in Lösung bringen. Für die Anreicherung wurden funktionelle Polymere mit Phosphonat-, Imidodiacetat- und Mercaptan-Gruppen synthetisiert, die über besonders hohe Affinität zu Silber, Kupfer, Neodym und dem Schwermetall Blei verfügen. Zudem sei es gelungen, Keratin so zu modifizieren, dass es selektiv Gold mit hoher Kapazität bindet. Um die Metall­ionen zu trennen, nutzen die Wissenschaftler eine Free-Flow-Elektrophorese. Nach den bisherigen Versuchen bestätigte sich die Fraktionierung als machbar. Es gelte nun, die bereits entwickelten Verfahren auf weitere Metalle, insbesondere Seltene Erden und Edelmetalle, zu übertragen.

Eisenatome werden „herausgefischt“

Die Bestandteile von farbstofffreiem Glas, auch Ultra-Weißglas genannt, können ebenfalls auf molekularer Ebene stofflich getrennt werden. Damit beschäftigt sich das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg. Ultra-Weißglas ermöglicht eine maximale Lichtdurchlässigkeit. Es wird daher vor allem in der Photovoltaik, in Glasfaserkabeln oder Displays eingesetzt. Der Werkstoff muss demnach möglichst rein sein. Bereits geringste Kontaminationen beeinträchtigen die Qualität. Schon kleinste Mengen Eisen (0,1 Prozent) reichen aus, um die Lichtdurchlässigkeit erheblich zu senken.

Das Fraunhofer-Institut geht davon aus, dass weder die natürlichen eisenfreien Rohstoffquellen noch die Recyclingmenge etwa von ausgedienten PV-Modulen ausreichen, um den Bedarf an hochtransparentem Flachglas der kommenden Jahrzehnte zu decken. Eine alternative Rohstoffquelle könnte konventionelles Flachglas sein, das bislang meist zu billigem Behälterglas oder Mineralwolle downgecycelt wird. Doch der Eisengehalt des Glases, so die Erkenntnis, ist zu hoch. Als Lösung bietet sich an, das Eisen auf molekularer Ebene vom Glas zu trennen und die verbleibenden Eisen-Kleinstmengen so umwandeln, dass die Transmission nicht mehr beeinträchtigt wird. Das geschieht im Prozess der Glasschmelze bei etwa 1.500 Grad Celsius. Die Eisenatome werden dabei quasi „herausgefischt“.

Wiederwertung von Altholz

Wie Diplom-Physiker Peter Meinlschmidt vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung am Wilhelm-Klauditz-Institut in Braunschweig in seinem Vortrag einleitend darstellte, nimmt bei Holz als nachwachsendem Rohstoff die Nachfrage nach qualitativ hochwertigem Frischholz für Möbel und Co. und Brennstoffen zu. Der Bedarf zur stofflichen und energetischen Nutzung könnte durch die verfügbaren Holzressourcen keineswegs komplett gedeckt werden. Für die europäische Holzwerkstoff- und die Papierindustrie werde es deshalb immer wichtiger, auch Industrierestholz (zum Beispiel Rückstände aus Säge- und Sperrholzfabriken) und Gebrauchtholz von alten Paletten, Verpackungen, Möbel oder Abbruchholz wiederzuverwerten.

In Deutschland werden den Informationen nach nur 33 Prozent der jährlich etwa acht Millionen Tonnen Holzabfälle weitergenutzt. In Italien beispielsweise sind es dagegen 89 Prozent. Als Grund für die geringe Wiederverwertungsquote führte Meinlschmidt die Altholzverordnung an. Diese schreibt vor, dass mit halogenorganischen Verbindungen beschichtetes Material oder mit Holzschutzmitteln behandeltes Holz nicht oder nur sehr eingeschränkt wiederverwendet werden darf. Trenntechniken auf molekularer Ebene könnten hier Abhilfe schaffen. Mittels Nahinfrarotspektroskopie, laserinduzierter Spektroskopie und Massenspektroskopie werden die vorhandenen Schadstoffe dabei in einem ersten Schritt gescannt, detektiert und sortiert. Danach erfolgt die Reinigung. Holz, das mit organischen Holzschutzmitteln behandelt ist, lässt sich hier mit überkritischen Fluiden reinigen. Zur Abtrennung beziehungsweise Anreicherung von Schwermetallen können sowohl nasschemische als auch Verbrennungsprozesse und Pyrolyseverfahren angewendet werden.

Aus dem gesäuberten Holz wiederum lassen sich Biokunststoffe, Zellulose, Basischemikalien und andere neue Produkte gewinnen. Die Entwicklungen sollen in eine „Holzkaskade“ münden, einen Demonstrator einer Sortieranlage für Altholz, mit der ein Großteil des heute nicht verwendeten Holzes weiter genutzt werden kann, bis es ganz am Ende der Kaskade thermisch verwertet wird. Hierfür haben die Fraunhofer-Forscher erste Grundlagen gelegt. Sie entwickelten Techniken, um die Deckschichten von lackierten Oberflächen und mit Folien beschichteten Span- und Faserplatten abzulösen. Darin ist der größte Teil der Kontaminationen konzentriert.

Rückgewinnung aus MVA-Schlacken

Bei der Rückgewinnung von Metallen, Glas- und Keramikteilen aus MVA-Schlacken kommt die „elektrodynamische Fragmentierung“ ins Spiel: Ultrakurze Blitze werden durch die Schlacke gejagt und diese in ihre Einzelteile zerlegt. Metalle, Glas und Keramik werden separiert. Die verbliebene Schlacke könnte als Zementersatz oder Ze­mentzusatzstoff zum eingesetzt werden. In Verbindung mit Wasser reagiert MVA-Schlacke ähnlich wie Zement.

Spezielle Trenn- und Sortierverfahren werden zugleich für die im Automobil- oder Windkraftanlagenbau immer häufiger eingesetzten Hybrid-Werkstoffe benötigt. Damit sich künftig möglichst alle Bestandteile dieser Mischbauteile wiederverwerten lassen, erarbeiten die Experten des Fraunhofer ICT Richtlinien für eine nachhaltige Werkstoff- und Produktgestaltung. Und nicht nur aus festen Abfällen lassen sich Wertstoffe gewinnen. Abgase enthalten ebenfalls Rohstoffe. Beispiel Müllverbrennungsanlagen: Hier werden sehr inhomogene Stoffe verfeuert. Dabei schlagen sich die enthaltenen Metalle wie Germanium oder Zink, aber auch der zunehmend knapper werdende Rohstoff Phosphor in der Asche nieder, die dann entsorgt wird.

Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden hat dazu spezielle keramische Filter entwickelt, über die bestimmte Inhaltsstoffe bei Temperaturen von über 850 Grad Celsius zunächst selektiv abgeschieden und anschließend nach einem Recyclingschritt möglichst als Reinprodukt wiedergewonnen werden. Die erhaltenen Metalle wie Germanium können zum Beispiel in der Halbleiterindustrie wiederverwendet werden. Recycelter Phosphor lässt sich in der Düngemittelindustrie nutzen.

www.ict.fraunhofer.de

(EUR0614S32)
Foto: O. Kürth