Baustein der Kreislaufwirtschaft: Gewinnung von Zinkverbindungen aus Recyclingrohstoffen

Ein Gastbeitrag von Dr.-Ing. Sabina Grund, Projektleiterin in der Initiative Zink im Netzwerk der WVMetalle. 

Metallisches Zink ist vielen Menschen aus seinen gut sichtbaren Einsatzbereichen wie verzinktem Stahl und Zinkblech gut bekannt. Dass es aber darüber hinaus viele Bereiche gibt, in denen Zink in Form von Zinkverbindungen und damit quasi unsichtbar oder zumindest nicht als Metall erkennbar, aber dennoch zuverlässig seinen Dienst erfüllt, ist oft nur den Fachleuten bekannt. Dabei ist es Zinkoxid, das in der Wundschutzcreme Babys Po heilt und pflegt. Es ist Zinksulfid, das den Hinweis auf den nächsten Notausgang im Dunkeln zum Leuchten bringt. Und es ist Zinksulfat, das in kargen Gegenden als Bestandteil von Düngemitteln Getreide wachsen lässt. Zinkverbindungen sind fester Bestandteil unseres Lebens, und sie werden aus Recyclingmaterialien/Sekundärrohstoffen gewonnen.

Verwendung von Zinkverbindungen

Die bekannteste Zinkverbindung ist das Zinkoxid. Es gibt klassische Verwendungen wie die als Vulkanisator bei der Gummiherstellung oder auch in Medikamenten, Kosmetika und Wundcremes. Weitere Anwendungsbeispiele sind Wärmeleitpasten in der Elektronik oder der Einsatz als Katalysator in der chemischen Industrie. Immer wieder macht Zinkoxid auch auf Gebieten der Grundlagenforschung Schlagzeilen, wenn es beispielsweise darum geht, die LED-Technik noch effektiver zu gestalten. Darüber hinaus gibt es über 40 weitere Zinkverbindungen mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften.

Grundsätzlich zählt Zink zu den lebenswichtigen Spurenelementen. Mensch, Tier und Pflanze benötigen Zink, um gesund zu bleiben und sich gut zu entwickeln. Zinkmetall kann jedoch von Organismen nicht aufgenommen werden. Zinksulfat wird deshalb in zinkarmen Regionen dem Düngemittel als Spurenelement zugesetzt. Dadurch wachsen und gedeihen Pflanzen besser, Feldfrüchte enthalten mehr Zinkverbindungen, und Menschen und Tiere werden ausrechend mit Zink versorgt. Zinksulfat, Zinkoxid und Zinkchelat werden darüber hinaus in Nahrungsergänzungsmitteln eingesetzt, um Mangelerkrankungen zu verhindern oder zu bekämpfen.

Es gibt Dinge, die im Dunkeln leuchten, ohne dass eine als solche erkennbare Energiequelle zu entdecken ist. Die Sterne an der Wand im Kinderzimmer sind ein Beispiel dafür, aber auch die Leuchtstreifen, die im Notfall im Flugzeug den Weg zum nächstgelegenen Ausgang markieren. Die Leuchtstoffe in diesen Gegenständen erhalten ihre Energie tagsüber durch die natürliche Beleuchtung. Im Dunkeln geben sie diese Energie wieder ab, wobei erneut Licht erzeugt wird. Zinksulfid hat die Eigenschaft, Licht zu speichern und es wieder abzugeben. Es wird deshalb in vielen Bereichen eingesetzt, in denen es auf diese spezielle Eigenschaft ankommt.

Zinkchlorid ist als Lösung in verschiedenen Konzentrationen und Qualitäten erhältlich und für die unterschiedlichsten industriellen Anwendungen geeignet, unter anderem zur Kunststoffherstellung, zur Wasserbehandlung und für Katalysatoren. Zinkchlorid-Rohlösung dient aber auch als Rohstoff zur Herstellung von Flussmitteln und Zinkchlorid-Pulver. Diese Produkte werden vor allem in der Metalloberflächenveredelung benötigt, zum Beispiel zur Vorbehandlung in der Feuerverzinkung. Zinkchloridpulver findet Anwendung in der chemischen Industrie sowie der Wasser- und Oberflächenbehandlung und in Flussmitteln auf Basis von Zinkammoniumchlorid.

Rohstoffe der Zinkoxidgewinnung

Zinkoxid wird in Deutschland heute typischerweise aus einer breiten Palette von Recyclingmaterialien/Sekundärrohstoffen hergestellt. Dazu zählen Hartzink sowie Zinkober- und Unterschlacken aus der Stückverzinkungsindustrie mit Zinkgehalten von über 90 Prozent. Auch zinkhaltige Aschen und Krätzen aus verschiedenen Verfahren der Metallindustrie werden direkt zu Zinkoxid verarbeitet. Auf diese Weise ist für die Gewinnung von Zinkoxid kein zusätzlicher Abbau und Transport von Erzen erforderlich. Die Gewinnung von Zinkoxid unmittelbar aus Sekundärrohstoffen ist zudem mit einem weitaus geringeren Energieaufwand verbunden als die Gewinnung von Zink und nachfolgend von Zinkoxid aus Erzen. Die Zinkoxidgewinnung trägt damit wesentlich zur effizienten Nutzung natürlicher Ressourcen bei.

Gewinnung von Zinkoxid

Bei der Gewinnung von Zinkoxid unterscheidet man drei Verfahrensweisen:

■    Beim direkten oder auch amerikanischen Verfahren wird oxidiertes Zink zunächst durch Kohlenstoff reduziert, verdampft und oberhalb der Schmelze unter Drucklufteinfluss zu Zinkoxid re-oxidiert.
■    Beim indirekten oder auch französischen Verfahren werden unterschiedliche zinkhaltige Rohstoffe geschmolzen, Zink wird verdampft und aus dem Dampf heraus oxidiert. Das Produkt (ZnO) wird auch als Zinkweiß bezeichnet.
■    Auch auf hydrometallurgischem Weg (nass-chemisch) kann man Zinkoxid gewinnen. Dazu werden Zinksalze durch Zusatz von Alkaliverbindungen aus zinkhaltigen Lösungen gefällt und aus der Lösung gefiltert. Durch Dehydrierung oder Kalzination entsteht dann Zinkoxid.

Welches der Verfahren zum Einsatz kommt, hängt von der Art der verwendeten Rohstoffe sowie vom gewünschten Reinheitsgrad des daraus erzeugten Zinkoxids ab. Standorte, an denen in Deutschland Zinkoxid aus Recyclingmaterialien gewonnen wird, sind unter anderem Grillo Zinkoxid GmbH und Norzinco GmbH, beide mit Sitz in Goslar.

Gewinnung von Zinkchlorid und-Lösungen

Zinkchlorid-Lösung wird in einer Konzentration von 35 bis 65 Prozent, in verschiedenen Qualitäten hergestellt und für vielfältige industrielle Anwendungen eingesetzt. Als Rohstoffe für die Herstellung von Zinkchlorid-Rohlösung durch hydrometallugische Verfahren setzt die TIB Chemicals AG verschiedene zinkhaltige Flüssigkeiten und Materialien ein: Zinkbeizen, Spülflüssigkeiten, gebrauchte Flussmittel, Filterstäube, Aschen, Filterkuchen, wässrige sowie flüssige Abfälle. Die Gewinnung von Zinkchlorid aus diesen Materialien leistet einen wertvollen Beitrag zu Energie- und Ressourceneffizienz: Es wird kein zusätzliches Zinkerz benötigt, um den Bedarf an dieser Stelle zu decken. Darüber hinaus ist die Gewinnung von Zink aus Sekundärrohstoffen auf hydrometallurgischem Weg energetisch günstiger als die Gewinnung von Zink aus Erzen. Zudem tritt hier die Metallgewinnung aus Abfällen an die Stelle einer Deponierung von Abfällen. Sie stellt somit einen wichtigen Baustein im Sinne einer Kreislaufwirtschaft dar.

Gewinnung von Zinksulfat

Messing ist mit 163.000 Tonnen in Deutschland in 2015 eines der Haupteinsatzgebiete für metallisches Zink. Nach Ablauf der Nutzungsdauer wird Messing mit dem Ziel des Kupferrecyclings in der Kupferindustrie als Sekundärrohstoff eingesetzt. Im Verlauf der Kupfergewinnung aus Altmessing fällt bei der Aurubis AG in Lünen zinkhaltiges Oxid, das sogenannte KRS Oxid, an, das einen großen Teil des Zinks aus dem Messingschrott enthält. Das KRS Oxid wiederum dient bei der Grillo-Werke AG in Duisburg als Rohstoff für die Herstellung von Zinksulfat.

Bleisulfat, das man als Nebenprodukt bei der Zinksulfat-Herstellung aus KRS Oxid gewinnt, wird in Duisburg vom Zinksulfat abgetrennt und zur Nutzung beziehungsweise weiteren Verarbeitung in die Kupferindustrie zurückgeführt. Weitere Begleitelemente des Zinks im KRS Oxid wie zum Beispiel Brom werden als Nebenprodukte der Zinksulfat-Herstellung gewonnen. Auch das Beispiel der Zinksulfat-Gewinnung macht deutlich, dass durch Recycling Ressourcen geschont werden und Energie gespart wird. Darüber hinaus ist aber auch deutlich, wie eng die Verfahren der Metallindustrie miteinander verzahnt sind, um Metalle in vorhandenen Mengenströmen möglichst optimal und umfassend nutzbar zu machen. Das Recycling von Kupfer- und Messingschrotten in der Kupferindustrie dient zwar primär der Kupfergewinnung. Es liefert aber gleichzeitig auch die Rohstoffe für die Gewinnung von Zink- und Bleisulfat, die dann allerdings in den darauf spezialisierten Anlagen anderer NE-Metallindustrien erfolgt.

Je komplexer moderne Produkte werden, desto komplexer sind die Materialströme zusammengesetzt, aus denen später die wertvollen Inhaltsstoffe zurückgewonnen werden sollen. Daraus ergeben sich zwei Notwendigkeiten: die vielfältigen metallurgischen Unternehmen in Deutschland zu erhalten, die auf das Recycling komplexer Stoffströme spezialisiert sind. Und dem späteren Recycling eines neuen Produkts durch ein entsprechendes Design Rechnung zu tragen.

Foto: Initiative Zink

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