Kohleasche als Rohstoff

Blitzverdampfen gewinnt seltene Erden aus Industrieabfällen

Robert Klatt

Das Flash Joule Heating (Blitzverdampfen) gewinnt aus Industrieabfällen Seltenerdmetalle, die als Rohstoffe für moderne Technologien benötigt werden.

Houston (U.S.A.). Moderne Technologien wie Halbleiter, Generatoren und Elektroautos benötigen als Rohstoffe Seltenerdmetalle wie Yttrium, Neodym, Terbium oder Dyprosium. Diese sind knapp und teuer. Kürzlich entdeckten Wissenschaftler der  Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) zwar ein großes Vorkommen in Südafrika, die meisten Seltenerdmetalle kommen aber noch immer aus China. Es ist deshalb entscheidend für die Versorgungssicherheit, dass bisher kaum verwendete Ressourcen ebenfalls genutzt werden.

Eine dieser ungenutzten Ressourcen ist die Asche von Kohlekraftwerken. Jährlich fallen davon etwa 750 Millionen Tonnen an. Wie Bing Deng von der Rice University erklärt, enthält diese Asche etwa 500 Teile Seltenerdmetalle pro einer Million Teile (ppm).

Besonders knappe Elemente in Asche von Kohlekraftwerken

Der Abfallstoff enthält im Vergleich zu den meisten Erzen damit deutlich weniger Seltenerdmetalle. Die besonders knappen Elemente Ytterbium, Neodym, Terbium, Europium und Dysprosium kommen in der Kohleasche aber öfter vor als in den chinesischen Erzvorkommen. Bisher konnten die seltenen Erden aber nur mithilfe von starken Lösungsmitteln und Säuren aus der Kohleasche gewonnen werden. Dies ist kostenintensiv und umweltschädlich und wird daher kaum genutzt.

Blitzverdampfen gewinnt Rohstoffe aus Kohleasche

Die Wissenschaftler um Deng haben nun im Fachmagazin Science Advances eine Lösung vorgestellt, mit der die seltenen Erden einfacher aus der Kohleasche gewonnen werden können. Beim Flash Joule Heating (Blitzverdampfen) wird die Kohleasche mit Ruß angereichert. Ein starker Stromstoß heizt sie anschließend auf 3.000 Grad Celsius auf. Zuvor hat Deng mit dieser Methode bereits Metalle als Elektroschrott abgetrennt.

Im Rahmen ihrer Studie erprobten die Forscher das Verfahren mit zwei gängigen Kohleaschen, deren Seltenerdgehalt bei 418 und 516 Milligramm pro Kilogramm lag. Zuvor führten sie außerdem Versuche mit Bauxitschlamm aus der Aluminiumgewinnung durch, der bis zu 1.000 ppm Seltenerdmetalle enthält. Um die Effizienz des Verfahrens vergleichen zu können, führten die Forscher überdies Versuche mit der gängigen Säure-Extraktion durch. Sie verwendeten dazu sowohl Salz- als auch Salpetersäure.

Ausbeute durch Blitzverdampfen verdoppelt

Die Menge der an extrahierbaren Seltenerdmetallen war beim Flash-Joule-Heating zwischen 170 und 230 Prozent höher als bei der Säure-Extraktion. Wie die Wissenschaftler erklären, liegt dies daran, dass die hohe und kurze Erhitzung die Metalle besser löst als chemische Verfahren. „Das Flash-Joule-Heating zerbricht das Glas, das diese Elemente umschließt, und wandelt die Seltenerd-Phosphate in Metalloxide um, die viel leichter löslich sind“, so James Tour.

Zudem enthalten seltene Erden, die über das Flash Joule Heating gewonnen wurden, weniger Verunreinigungen. Das Verfahren ist somit insgesamt deutlich effizienter und eignet sich zur Gewinnung von wertvollen Seltenerdmetallen aus Abfallstoffen wie Bauxitschlamm und Kohleasche.

Nutzung in der Industrie möglich

„Das Flash-Joule-Heating ist sehr energieeffizient und benötigt nur rund 600 Kilowattstunden pro Tonne – das entspricht Kosten von rund zwölf US-Dollar pro Tonne“, erklären die Forscher. Dies ist deutlich kostengünstiger als gängige Extraktionsmethoden. Gegenüber der Säure-Extraktion sind deshalb etwa zehnmal höhere Gewinnmargen möglich.

Überdies kann das Verfahren gut skaliert und in automatisierte Prozesse integriert werden. „Die kommerzielle Anwendung des Flash-Joule-Heatings auf mehrere Tonnen pro Tag könnte den Weg ebnen zu einer Seltenerdgewinnung aus Abfallstoffen in großem Stil“, konstatiert Deng.

Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abm3132

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