Rückgewinnung seltener Elemente aus elektronischen Bauelementen Susanne Seibt Hauptseminar AC V 17.01.2012

Gliederung Stoffkreislauf Lagerstätte und Herstellung von Reinelementen Produktion der Komponenten und der elektronischen Gegenstände Verbraucher Recycling Gesetzgebung Warum Recycling?? Recyclingkette Recyclingbeispiel Mobiltelefon Kosten und Einnahmen Fazit

Stoffkreislauf Quelle: Reller, A.; Bublies, T.; Staudinger, T.; Oswald, I.; Meißner, S.; Allen, M.; GA/A 2009, 18/2, 127-135 Lagerstätte -> Herstellung von Reinelementen -> Herstellung von Komponenten -> Herstellung von elektronischen Gegenständen -> Verbraucher (2 Jahre!!!!!) -> Müll -> Recycling?! Problem: Wie Stoffkreislauf ohne Lücken schließen?! Im Vortrag: Wie Recyclen??

Lagerstätte und Herstellung von Reinelementen Bild 1: Wo kommen Metalle überall vor, wo werden sie abgebaut? Bild 2: Welche Metalle kommen in elektron. Bauelementen überhaupt vor?? Polit. Unklarheiten: China!!! -> Vortrag Franzi / Tascha Quelle: Reller, A.; Vortrag Reichen die Rohstoffe für die Energiewende 2010, S.33 Metalle als Erze und Salze in der Erdkruste Mehr Abbau als Vorkommen → Rohstoffe werden weniger → Preise steigen Politische Unklarheiten in Abbaugebieten → Rohstofflieferungen nicht immer sicher

Produktion der Komponenten und der elektronischen Gegenstände Funktionen ↔ Aussehen Mehrere Funktionen in einem Gerät Technologische Neuheiten erobern neue Gebiete Alternativen für gesundheitsschädliche Vorgänger Zusammensetzung eines Mobiltelefons: 60% Plastik 10,6% Glassubstrate 0,15% Flüssigkristalle < 30% Metalle Funktion ändert sich genauso schnell wie Aussehen Immer mehrer Funktionen in 1 Gerät -> Handy!!! Technolog. Neuheiten in neuen Gebieten -> Autoradio mit Flüssigkristalldisplay Alternativen: Li-Batterien anstatt Cadmium -> auch Auto

Metalle im Mobiltelefon Quelle: Reller, A.; Bublies, T.; Staudinger, T.; Oswald, I.; Meißner, S.; Allen, M.; GA/A 2009, 18/2, 127-135 Genauer Cu, Ag, Au, Pt -> Abbaugebiete v.a. China, Peru, Chile und Russland Geringe Massenanteile aber Massenproduktion an Geräten -> viel Metall benötigt

Verbraucher → Urban Mines Schnellere Entwicklung der Technik → kürzere Lebenszeiten → E-Waste am schnellsten wachsende Abfallkategorie! Urban Mine: Jede dicht besiedelte Stadt in einem industrialisierten Land ist eine riesige Rohstoffmine Linke Bilderhälfte: kurze Lebenszeiten -> genau so gebaut dass sie nicht länger halten!! Frage: Was tun mit ausgedienten Elektrogeräten?? -> Second Hand? -> Zurück an Hersteller? -> selbst Entsorgen auf Mülldeponie? -> Aufheben? => Recyclen!!!!

Recycling Recycling bisher: Glas, Papier, Kunststoffe, Bauschutt → Problem: zu teuer bei in geringen Mengen enthaltenen Metallen nur ca. 30% des E-Waste wird recycelt → 50-80% des Elektroschrotts aus Industrieländern wird exportiert In Deutschland: jährlich 600.000t Elektroschrott → ~ 200.000t recycelt → 155.000t exportiert in Schwellen- und Entwicklungsländer viele Metalle nur in kleinen Mengen enthalten → gehen beim recyceln verloren Giftige Zusätze schaden Gesundheit und Umwelt Bereits bekannte Recycling Symbole Export durch Baseler Convention 1992 verboten -> geheime Wege über schlecht ettiketierte / nicht vollständig gefüllte Frachtkontainer Nur in kleinen Mengen enthalten -> können durch Wind + Wasser in Ökosphäre gelangen (Nanopartikel) -> keine Rückgewinnung möglich -> gehen verloren Giftige Inhalte: Arbeiter in Entwicklungsländern ohne Schutzkleidung -> Kontaminierung über Luft, Boden und giftige Dämpf

Gesetzgebung in EU: Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) und Restriction of Hazardous Substances (RoHS) In Deutschland: Elektro- und Elektronikgerätegesetz (ElektroG) WEEE: → alle EU Mitgliedsstaaten müssen bis 13.08.2005 funktionierendes E-Schrott-Recycling System haben → ab 12.2006 müssen mindestens 4 kg / Person pro Jahr recycelt werden RoHS: Hg, Cd, Cr und Pb dürfen nicht mehr in Produktion eingesetzt werden E-Schrott Recycling System: Herstellen müssen E-Schrott zurücknehmen + fachgerecht entsorgen Finanzierung durch Hersteller und damit Endverbraucher

Warum Recycling?? → Elektroschrott ist sehr metallreiche „Rohstoffmine“ → Urban Mine Quelle: Reller, A.; Vortrag Wir verfrühstücken Ressourcen 2010, S.6 aus 1t Erz → 1g Au → 41 Mobiltelefone Kalgold-Mine (Südafrika): aus 1t Gestein → 50g Au im Vergleich: aus 1t PC-Leiterplatten → 250g Au Frage: Warum sollte man dann eig recyclen? Wenn nicht nur durch gesetz vorgeschrieben?? Beispiel Gold: Gehalt in Handys + Gehalt ind PCs (Jahresproduktion) macht 4% des Jahresabbaus aus Aus Erz und Gestein weniger Gold als aus E-Waste

Recyclingkette für Konsumgüter Quelle: Hagelüken, C.; Edelmetallrecycling – Status und Entwicklung, Umicore Precious Metals Refining, S.2 Sammeln: -> dient zur Ausgangsstoffgewinnung -> ist abhängig von sozialen Faktoren nicht von Sammelmethoden -> Ziel: möglichst vollständige Erfassung relevanter Altgüter Sortieren / Zerlegen: -> Abtrennung der enthaltenen edelmetallhaltigen Komponenten -> Wiegen → welche Arbeitsschritte sind nötig aufgrund der enthaltenen Metalle → welchen Profit bringt recyclen -> Zerlegen: zerlegen der Teile um Fraktionen getrennt zu recyclen → nur wenn ökonomisch sinnvoll -> Schreddern: Probe wird kleingehackt um Materialaufschluss zu erhöhen Aufbereitung: -> Wirbelströmung -> Schmelzen: versch. Ausgangsmetallteile werden in einem Hochtemperaturofen verschmolten → Cu-reiches Material, Asche und Staub -> Probennahme: → Abrechnung mit Lieferanten → Information über optimale Prozessführung → ist Voranreicherung erforderlich? => bei Material mit >30% Au+PGM keine erforderlich Material Recycling: Umicore Verfahren

Verfahrensverlauf bei Umicore Quelle: Schluep, M. et. al. 2009, Recycling – From e-waste to resources, Nairobi: United Nations Environment Programme (UNEP) Sammeln Basismetall-Prozess: Pb, In, Se, Te, Bi, Sb, Sn, As -> H2S (Sulfidfällung) also Trennungsgang Edelmetall-Prozess: -> Schmelze: IsaSmelt-Ofen; ~1200° angereicherte Luft + Brennstoff wird mit Stab eingeblasen + Koks für chem. Reaktion der Metalle → Oxidation von Cu zu CuO; Gute Durchmischung Cu-Barren zu Leaching & Electrowinning → Alternativprozess von Umicore zu Elektrolyt. Aufschluss

Recyclingbeispiel Mobiltelefon → Umicore Belgien Rückgewinnung von 17 Metallen (Au, Ag, Pd, Pt, Rh, Ir, Ru, Cu, Pb, Ni, Sb, Bi, In, Se, Te, Ga, As) „Leaching and Electrowinning“ anstelle von Elektrolyse „Slurrification“ und „Leaching“ Sektor: CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O „Purification“ Sektor: abtrennen des CuSO4 und reinigen der Edelmetallphase „Electrowinning“ Sektor: IsaSmelt-Ofen -> Werkkupfer -> im Wasserbad granuliert, fein gemahlen und mit Schwefelsäure gelaugt → Edelmetalle verbleiben im Löserückstand → schneller als über Anodenschlamm Cu über Gewinnungselektrolyse CuSO4 = Kupfersulfat

Kupfer Regenerierung Schmelzmetallurgisch, elektrometallurgisch Cu-reicher Rohstoff in Flüssigmetall-Bad → Konz. > 70% Konzentrierte Masse wird oxidiert um restliche S-Ionen und Verunreinigungen zu entfernen → Rohkupfer mit Konz. > 98% Anschließend elektrometallurgische Veredelung Regenerierungsrate ~ 99% Endreinheit 99,99% Quelle: Weber, B.; Skript „Nebengruppen I“ 2010, S. 37 Normaler Cu-Aufschluss Normalpotentiale -> Cu unedler als Ag, Au, Pt -> bleiben in Anodenschlamm

Verfahrensverlauf bei Umicore Quelle: Schluep, M. et. al. 2009, Recycling – From e-waste to resources, Nairobi: United Nations Environment Programme (UNEP) -> Edelmetall-Raffinerie → Silber + Gold-Aufschluss

Silber-Regenerierung Abtrennung von Gold und Platin-Gruppen-Metallen (PGMs) Regenerierungsrate ~ 90% Möbius-Verfahren Anodenschlamm auffangen in Anodensack -> man muss Silberkristalle von Kathode abstreifen um Kurzschluss zw. Anode und Kathode zu verhindern, da Feinsilber nicht in glatten Überzug sondern Kristalle an Kathode Anodenschlamm mit Schwefelsäure und Salpetersäure aufkochen und einschmelzen 95-97% reine Goldanoden gießen -> „Rohgold“

Gold-Regenerierung Abtrennung von Platin-Gruppen-Metallen (PGMs) Regenerierungsrate ~ 98% Wohlwill-Goldelektrolyse Anodenschlamm als Ausgangsmaterial zur Gewinnung der PGM Pt fällt aus durch Überspannung, da eig in Lösung weil Normalpot. Kleiner als Au PGM Regenerierung: komplexe hydrometallurgische Verfahren + Flotation

Kosten und Einnahmen Edelmetall-Abbau pro Mobiltelefon Quelle: Blass, V.D. et. al. 2006, End-of-life management of cell phones in the United States, Santa Barbara, CA; University of California Kosten und Einnahmen des Recycling-Prozesses Quelle: Blass, V.D. et. al. 2006, End-of-life management of cell phones in the United States, Santa Barbara, CA; Komponenten: am meisten Silber dann Gold dann Palladium Meistes Geld bringt (mit Abstand) Gold Insgesamt-Einnahme eines Handys bei 10 Cent / Handy -> lohnt sich erst bei größeren Mengen Aktion von Telekom: 2€ pro zurückgebrachtem Handy -> Zahlt drauf

Fazit Sammelquote erhöhen (s. Telekom) Stoffkreislauf noch nicht ohne Verluste schließbar Einnahmen bei Recycling zu klein um Prozess in jeder Menge rentabel zu machen Lagerung von E-Waste möglichst reduzieren → Second-Hand → Zurück an Hersteller Komponenten-Recycling?? Hinterfragen wo Metalle im Labor herkommen Ausblick: → Deutscher Preis für Rohstoffeffizienz 2011 an Saperatec für Recycling von Solarpaneln mit Hilfe einer Tensidlösung → Aktuelle Forschung: Recycling von Nickel-Metallhydridbatterien -> in Patentphase

Quellen Reller, A.; Bublies, T.; Staudinger, T.; Oswald, I.; Meißner, S.; Allen, M.; GA/A 2009, 18/2, 127-135 Oswald, I.; Reller, A.; GA/A 2011, 20/1, 41-47 Schreiter S.; Welt Online 2008, Urban Mining Reller, A.; Vortrag Reichen die Rohstoffe für die Energiewende 2010 Reller, A.; Vortrag Wir verfrühstücken Ressourcen 2010 Hagelüken, C.; Edelmetallrecycling – Status und Entwicklung, Umicore Precious Metals Refining Schluep, M. et. al. 2009, Recycling – From e-waste to resources, Nairobi: United Nations Environment Programme (UNEP) Blass, V.D. et. al. 2006, End-of-life management of cell phones in the United States, Santa Barbara, CA; University of California Weber, B.; Skript „Nebengruppen I“ 2010, S. 27-39 http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/4/cm/pse/bilder/pse0.gif http://www.netzpiloten.de/wp-content/uploads/2009/03/handys.png http://img.tomshardware.com/de/2007/05/12/digitalkamera-spiegelreflex-bridgekamera/intro.jpg http://eastvalley.typepad.com/.a/6a00d8341cb5e153ef0162fd090534970d-800wi http://www.efox-shop.com/images/3rd_gather/s/293/063013.jpg http://photos.techfieber.de/wp-content/uploads/2009/12/msi_netbook_U135.jpg http://www.mikrowelle.com/wp-content/uploads/2009/12/mikrowelle.jpg http://www.energieberater-wolf.de/images/solarzelle_sonne.gif http://moebelplus.de/artikellayout/infothekeninhalte/geschirrspueler_sort.jpg http://www.traderscity.com/board/userpix58/31215-Autoradio-7-Inch-Detachable-Auto-Radio-1din-With-Gps-Dvb-t-1.jpg http://www.kme.com/assets/uploads/oldkme/image/Press%20Center/campaign/comfort_de.png http://enviro.gbiportal.net/files/2011/07/e-waste.jpg http://www.re-log.ch/images/stories/kunststoff-zeichen%20re-log.jpg http://www.putzatelier.de/images1/recycling.gif http://www.clker.com/cliparts/g/k/k/U/5/w/recycling-symbol-green-hi.png http://www.badische-zeitung.de/wirtschaft-3/elektroschrott-einmal-deutschland-afrika-und-zurueck--38772144.html http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,679381,00.html

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit