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Katalysator-Recycling: Es geht auch hydrometallurgisch

Gibt es wirksame hydrometallurgische Methoden, mit deren Hilfe Platingruppen-Metalle (PGM) aus Abfällen wie alten Fahrzeug-Katalysatoren rückgewonnen werden können? Diese Frage stellten sich Zuzanna Wiecka, Ewelina Łopińska, Martyna Rzelewska-Piekut und Magdalena Regel-Rosocka. Die Ergebnisse ihrer Forschungen an der Universität Poznan (Polen) präsentierten sie am 20. Mai auf der (online)-Waste-to-Resources-Tagung.

Die von ihnen untersuchte Methode besteht aus zwei Schritten, in denen der Katalysator zunächst in einer schwachen Oxalsäure gelaugt wird, um die unedlen Metall-Ionen abzutrennen. In einem weiteren Schritt folgt der Einsatz von Chlorwasserstoff-/Salzsäure und Salpetersäure oder einer Mischung aus Salzsäure, Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid, die als eher oxidatives Mittel zur Rückgewinnung von PGM dienen sollen. Die Studie – vom polnischen Wissenschaftsministerium finanziell unterstützt – untersuchte während der ersten Phase den Einfluss der jeweiligen Dosierungen des Laugungsmittels und des Oxidanten auf den ausgefällten Metall-Ionen-Gehalt.

Aqua Regia oder Laugen-Mixtur?
In der zweiten Phase wurde erkennbar, dass sich je nach Laugungsmittel der Gehalt an Platin beziehungsweise Rhodium verändert. Liegt er unter Verwendung von Aqua Regia bei 2,8 beziehungsweise 0,25 Milligramm (mg), so führt der Einsatz von Salzsäure, Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid zu Werten von 3,8 beziehungsweise 0,35 mg. Auch bei Grundmetallen zeigen sich Unterschiede: Aqua Regia bewirkt ein Vorkommen von 39,7 mg Magnesium-Ionen und 17,9 mg Aluminium-Ionen, während die Mixtur zu 79,2 mg Magnesium-Ionen und 23,5 mg Aluminium-Ionen in Lösung führte. „Die demonstrierte Methode“, so das Fazit der Forscherinnen, „könnte genutzt werden, um Metalle aus Sekundärquellen rückzugewinnen und wiederzuverwenden.“

 

 

Ein erster vorbereitender Schritt
Auch in einem zweiten Projekt an der Universität Poznan konzentrierten sich die Forschenden Martyna Rzelewska-Piekut, Paweł Krawczyk, Zuzanna Wiecka und Magdalena Regel-Rosocka auf die Rückgewinnung von PGM. Sie gingen davon aus, dass der belgische Recyclingspezialist Umicore in großindustriellem Maßstab PGM aus Katalysatoren auf pyrometallurgischem Weg rückgewinnt. Da diese Methode energieintensiv und teuer sei, liege es nahe, sie durch die energetisch weniger aufwändige Hydrometallurgie zu ersetzen.

Während der hydrometallurgischen Auslösung von PGM durch Chlorwasserstoff-Säure oder Aqua Regia entstehen Chlorid-Komplexe, die auch Ionen anderer Metalle enthalten können. Nach Ansicht der polnischen Forschenden sind Carbonsäuren aber nicht stark genug, um direkt mit den in der Lösung enthaltenen Platingruppen-Metallen reagieren zu können. Doch sei die Lösung durch diese Säuren ein erster vorbereitender Schritt, durch den deutliche Mengen von Grundmetallen wie Aluminium, Zink, Magnesium und Eisen separiert werden. In einer weiteren Stufe lassen sich PGM und geringe Mengen anderer Metalle durch konzentrierte Säuren unter Zugabe starker Oxidantien auslaugen.

Zermahlen, Laugen, Extrahieren
Die Flüssig-flüssig-Extraktion gilt als eine der effektivsten Techniken zur Separation verschiedener Metall-Ionen aus verdünnten Abwässern. Ionische Phosphonium-Flüssigkeit kann hierzu als Extraktionsmittel verwendet werden. Im speziellen Fall schlugen die Forschenden ausgewählte Phosphonium-Salze – trihexyl(tetradecyl)phosphonium chloride (Cyphos IL 101) – vor, da sie eine größere thermische Widerstandsfähigkeit gegenüber ionischen Ammonium-Flüssigkeiten aufweisen und sich in Lösungen reaktionsträger als Ammonium-Kationen verhalten. Die experimentelle Phase, in der diese theoretischen Überlegungen in die Praxis umgesetzt werden sollten, umfasste folgende Schritte: das Zermahlen und Sieben der Katalysatoren, die Laugung mit organischen (Schwefelsäure) oder anorganischen Lösungen (Chlorwasserstoff-/Salzsäure) unter Zugabe von Wasserstoffperoxid, die Extraktion von Metall-Ionen mit einem speziellen Phosphonium-Salz und die Ablösung von Metall-Ionen aus den geladenen organischen Phasen durch Salpetersäure.

Zusammenfassend kamen die Wissenschaftler zu folgendem Ergebnis: Es hat sich erwiesen, dass Ameisensäure wirksam in einer ersten Stufe zur Laugung von Grundmetall-Ionen einsetzbar ist. Für die Laugung von PGM müssten allerdings strengere Bedingungen durch eine Mixtur aus HCl und H2SO4 und H2O2 gelten. Die Extraktion von Metall-Ionen durch diese Mischung empfiehlt sich, da Platin von Rhodium, Aluminium und Magnesium getrennt werden kann. Somit könnte die hydrometallurgische Rückgewinnung von Platingruppen-Metallen aus Katalysatoren oder Elektro(nik)-Schrott zu einer Alternative werden zu energieaufwändigen und kostspieligen Techniken der Pyrometallurgie.

www.put.poznan.pl [1]

(Erschienen im EU-Recycling Magazin 08/2021, Seite: 42, Foto: EU-R Archiv)

 

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