Aschen und Schlacken von heute als Rohstoffquelle für morgen

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In industriellen Prozessen und durch Müllverbrennung fallen allein in Deutschland jährlich mehr als sechs Millionen Tonnen Aschen, Schlacken und Stäube an. Allen diesen Stoffen ist ein hoher Anteil an wertvollen und seltenen Metallen gemein, nach denen in Industrie und Wirtschaft eine große Nachfrage besteht. Eine Wiedergewinnung dieser strategisch wichtigen Ressourcen gibt deutschen Unternehmen die Chance, wettbewerbsfähig zu produzieren, ohne auf außereuropäische Rohstoffquellen angewiesen zu sein. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts »ELEXSA« forscht das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung an effizienten Methoden zur Rückgewinnung.

Analysierung von Schlackenmaterial im Labor.
© CUTEC-Institut GmbH
Das Schlackenmaterial wird im Labor chemisch analysiert.
Im Projekt Elexsa sollen Rohstoffe rückgewonnen werden.
© Ralf Perret
Schlacke gilt als Rohstoffquelle für wirtschaftsstrategisch relevante Metalle.

Insbesondere im Feinanteil der Aschen, Schlacken und Stäube finden sich häufig Metalle wie Antimon, Zinn, Molybdän, Wolfram, Kobalt und Seltene Erden, die von der EU auf Grund ihrer begrenzten Verfügbarkeit als »critical raw materials« eingestuft sind. Damit liegt in den Reststoffen und Nebenprodukten von Fabriken und Produktionsstätten ein großes Wertschöpfungspotential, um die aktuelle und zukünftige Nachfrage aus Industrie und Wirtschaft zu bedienen. Dies belegt auch ein Gutachten des Umweltbundesamtes aus dem Jahr 2010. Besonders die Wachstumsbranchen wie beispielsweise Luft- und Raumfahrt oder Energietechnik, aber auch der High-Tech Sektor, der Smart-Phones, Katalysatoren oder Medizinprodukte produziert, sind auf die Seltenenerdmetalle (SEE) angewiesen.

»ELEXSA« setzt genau hier an. Ziel dieses Projekt ist es, bis Juni 2019 eine innovative Aufbereitungskette zu entwickeln und diese für die einzelnen Zielwertstoffe zu optimieren. Der Prozess soll in drei Stufen umgesetzt werden.

In drei Stufen zum Erfolg

Für den Feinanteil der betrachteten Stoffe liegen derzeit keine nennenswerten Recyclingkonzepte vor, da aktuelle Aufbereitungstechniken fast ausnahmslos auf gröberes Material ausgelegt sind. Zunächst erfolgt mittels elektrodynamischer Fragmentierung (EDF) eine selektive Auftrennung der angelieferten Materialen. Dabei werden Mehrkomponentensysteme mittels ultrakurzen Unterwasser-Hochspannungsimpulsen selektiv in ihre Einzelbestandteile aufgetrennt, anschließend wird das Feinmaterial separiert. Das Fraunhofer IBP konnte in früheren Projekten zeigen, dass durch eine vorangestellte elektrodynamische Fragmentierung Recyclingquoten signifikant erhöht werden können. Insbesondere von Schmelzen eingeschlossene Metallpartikel konnten mit EDF freigelegt und wiedergewonnen werden.
Im Anschluss wird das fragmentierte Material auf Korngrößen kleiner zwei Millimeter gesiebt, um so gezielt den Feinanteil bearbeiten zu können. Dieser wird nun in einen Reaktionsautoklaven gegeben. Dabei wird das Material wie in einem Schnellkochtopf thermisch behandelt und unter Druck gesetzt, um die teils schwerlöslichen Metalle aufzuschließen und zu extrahieren. Exakt eingestellte Prozessparameter wie Druck, pH-Wert und Temperatur sind die Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad.
Im dritten Schritt werden die gelösten Metalle selektiv wiedergewonnen. Die Forscher analysieren die nicht wiederverwertbaren Reste hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit, um so eine sichere Lagerung beziehungsweise Deponierung zu ermöglichen.

In vorangegangenen Projekten wurde bereits das Potential der einzelnen Prozesse aufgezeigt. »Mit der erfolgreichen Kombination der unterschiedlichen Aufbereitungsschritte soll durch »ELEXSA« ein Recyclingweg mit hohem Wirkungsgrad geschaffen werden, um die Wiedergewinnung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe effektiv umzusetzen«, erklärt Dr. Volker Thome vom Fraunhofer IBP die große Chance, die in diesem Forschungsvorhaben liegt.

Das Projekt »ELEXSA –Elektrodynamische Fragmentierung von Schlacken und Aschen mit nachfolgender hydrothermaler Extraktion wirtschaftsstrategischer Rohstoffe aus den Schlacke/Aschen-Feinfraktionen« wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 896.255,- Euro im Rahmen des Förderschwerpunktes »r4 – Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe« im Rahmenprogramm »Forschung für nachhaltige Entwicklung (FONA)« gefördert. ELEXSA trägt darüber hinaus zur erfolgreichen Realisierung der von der Bundesregierung ausgegebenen Ressourceneffizienzprogramme »ProgRess« und »ProgRess II« bei.

Ein starkes Team aus Forschung und Industrie

Für die erfolgreiche Umsetzung der Projektziele arbeiten sechs Partner aus Wissenschaft und Industrie zusammen. Das Fraunhofer IBP in Holzkirchen hat die Leitung übernommen, da es über ein umfangreiches und fundiertes Know-how im Bereich Recycling verfügt. Die Forscher beschäftigen sich bereits seit vielen Jahren mit der elektrodynamischen Fragmentierung, inklusive Prozesswasseranalytik. Die Sektion Mineralogie der Ludwig-Maximilians Universität München wird sämtliche Versuche zur Stofftrennung und der selektiven Rückgewinnung der Zielmetalle realisieren. Das Clausthaler Umwelttechnik-Institut produziert eine synthetische Schlacke aus Elektroschrott, um den Wirkungsgrad des Prozesses für diesen Stoffbereich ermitteln zu können. Zudem wird hier ein Großteil der Analytik des Eingangsmaterials und der gewonnenen Produkte durchgeführt. Um eine Arbeitsbasis zu haben, liefern die Simet GmbH, die thyssenkrupp MillServices & Systems GmbH sowie die Stadtreinigung Hamburg die notwendigen Materialen.

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