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  • mairec edelmetall precious metals recycling forschung entwicklung tantal rueckgewinnung

Forschung und Entwicklung

Wir von MAIREC entwickeln uns perma­nent weiter und sind immer auf der Suche nach neuen Ideen und Lösungen.

Wir entwickeln neue Verfahren, um noch mehr Roh­stoffe recyceln zu können und somit vor der Vernichtung zu retten. Dabei arbeiten wir intensiv mit Forschungs­instituten und Hoch­schulen zusammen.

Unsere Investitionen in Forschung und Entwicklung sind somit Investi­tionen nicht nur in die Zukunft von MAIREC, sondern auch in die Zukunft der nächsten Generation Mensch.

Mairec startet Forschungs­projekt zum Recycling von Tantal aus Elektronik­schrott

Das Technologie­metall Tantal wird aufgrund seiner beson­deren Fähig­keiten in zahl­reichen Anwendungs­gebieten genutzt. Sein hoher Schmelz­punkt von rund 3000 °C und seine Korrosions­beständig­keit machen es zu einem begehrten Werk­stoff in der Chemie­industrie und Medizin­technik. So werden mit dem grauen Metall chemikalien­beständige Gefäße und Leitungen beschichtet und medizi­nische Implantate und Instru­mente herge­stellt.

Das Haupt­anwendungs­gebiet liegt jedoch im Bereich Elektronik. Als namens­gebender Bestand­teil von Tantal-Konden­satoren ermöglicht es durch seine besonderen elektrischen Eigen­schaften die Konstruk­tion von Bauteilen, die bei geringem Volumen eine sehr hohe elektrische Kapazität besitzen. Sie werden daher in einer Vielzahl der Elektro­geräte eingesetzt und tragen maß­geblich auch zur deren Miniaturi­sie­rung bei.

Die Förderung von Tantal erfolgt zu großen Teilen aus der politisch instabilen „Große-Seen-Region“ in Afrika. Das Metall steht daher im Verdacht, teilweise zur Finanzierung kriegerischer Auseinander­setzungen in Zentral­afrika genutzt zu werden und das tantalhaltige Ausgangserz Coltan wird grundsätzlich als Konflikt­mineral eingestuft.

Ebenso proble­matisch ist das Recyc­ling von Tantal aus elektro­nischen Altgeräten. Da es im herkömm­lichen pyrometal­lurgischen Recycling nicht zurück­gewonnen wird, liegt die Recycling­rate von Tantal in diesem Bereich bei unter einem Prozent. Dieser Proble­matik stellt sich das Forschungs­vorhaben IRETA 2, das vom Ministerium für Bildung und Forschung mit rund 875.000 € im Rahmen der „KMU-Inno­vations­offen­sive Ressourcen- und Energie­effizienz“ geför­dert wird.

In dem zweijährigen Verbund­projekt entwickeln Partner aus Industrie und Forschung unter der Leitung von Mairec Wege, tantal­haltige Bauteile von Leiter­platten zu entfernen und diese anschließend weiter aufzu­bereiten. Dabei werden die Bauteile anhand optischer Merkmale automa­tisiert erkannt und mittels Laser präzise von der Leiter­platte abgetrennt. Über mecha­nische und chemische Aufbe­reitung soll am Ende der Prozess­kette markt­fähiges Tantal produziert werden.

Zusätzlich wird Silber, das in den Tantal-Konden­satoren ebenfalls enthalten ist, vom Tantal separiert und zurück­gewonnen. Das For­schungs­vorhaben leistet so einen wichtigen Beitrag zur Ent­wick­lung neuer Recycling­wege durch die kombi­nierte Nutzung modern­ster Techno­logien. So soll nicht nur ein Mehr­wert für Kunden gene­riert, sondern auch ein weiteres Metall vor der Verbrennung gerettet werden.

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Projektpartner:
Mairec Edelmetallgesellschaft mbH, Alzenau
Robot Technology GmbH, Großostheim
SLCR Lasertechnik GmbH, Düren
Smart Services VS GmbH, Seeheim-Jugenheim
SRH Hochschule Berlin GmbH, Berlin
Fraunhofer-Anwendungszentrum ARess

Dauer:
01.03.2020 – 28.02.2022

Ansprechpartner:
Florian Sauer (Projektkoordinator)
Head of Research & Development
Mairec Edelmetallgesellschaft mbH
Telefon +49 6023 9169-21
f.sauer@mairec.com

Mairec beteiligt sich an Forschungs­projekt zum Recyc­ling von Brennstoffzellen

Nachhaltigere, effizientere und umwelt­freundlichere Techno­logien zur Energie­wandlung wie Brenn­stoff­zellen werden im Zuge der Energie- und Mobilitäts­wende eine immer größere Rolle spielen. Schon heute kommen Brenn­stoff­zellen, vor allem Polymer-Elektrolyt-Membran-Brenn­stoff­zellen (PEMFC) in wasser­stoff­betrie­benen Auto­mobilen zum Einsatz.

Mit der steigenden Verbrei­tung dieser Techno­logie wird spätes­tens 2030 eine größere Menge dieses Brenn­stoffzellen­typs sein Lebens­ende erreicht haben. Aufgrund des hohen Anteils an wert­vollen Techno­logie­metallen und ökolo­gischen Betrach­tungen, ist ein effizientes Recycling von in PEM-Brenn­stoff­zellen enthal­tenen Materia­lien notwendig. Jedoch ist ein für Brenn­stoffzellen maß­geschnei­derter Recycling­prozess derzeit industriell nicht verfügbar.

Dieser Heraus­forderung stellt sich nun ein Konsor­tium unter Leitung der Fraunhofer-Einrich­tung für Wertstoff­kreis­läufe und Ressourcen­strategie IWKS.

Im Rahmen des Projekts „BReCycle“ erarbeitet das Konsor­tium, beste­hend aus den fünf Forschungs- und Industrie­partnern Fraunhofer IWKS, Proton Motor Fuel Cell GmbH, MAIREC Edel­metall­gesell­schaft mbH, Electro­cycling GmbH und KLEIN Anlagenbau AG, ein Kreislauf­wirtschafts­konzept speziell für PEM-Brenn­stoff­zellen.

Gefördert wird das Vorhaben inner­halb des 7. Energie­forschungs­programms „Innovationen für die Energie­wende“ des Bundes­ministeriums für Wirtschaft und Energie.

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Beispiel eines Brennstoff­zellen­stacks<br />© Proton Motor Fuell Cell GmbH

Ziel des Vorhabens ist es, ein nach­haltiges Verfahren zur Auf­berei­tung von Brenn­stoff­zellen zu entwickeln, mit dem hochwertige Material­fraktionen insbesondere aus der Elektroden­beschichtung generiert und die Polymer­membran abgetrennt werden können. Für den Recycling­markt von Brenn­stoff­zellen sind vor allem die wertvollen Edel­metalle wie Platin und Ruthenium von Bedeutung.

Auf diese Metalle sind auch derzeit verwendete allgemeine Recycling­prozesse für Edel­metalle ausgelegt, in denen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brenn­stoff­zellen derzeit größten­teils verarbeitet werden. Platin und Ruthenium, sowie weitere wertvolle und seltene Metalle, werden in pyro­metallur­gischen Metall­recycling­prozessen zurückgewonnen.

Jedoch entstehen beim pyro­metallur­gischen Recyc­ling von Brenn­stoff­zellen hoch­giftige Fluor­verbindungen aus der fluorierten Nafion-Membran, wodurch eine groß­formatige Umsetzung eine sehr aufwen­dige Abgas­reinigung voraussetzt.

Bislang existieren keine industriell effizient einsetzbaren Recycling­prozesse, welche vor der Schmelz­aufbereitung die Polymer­mem­branen ausreichend separieren und damit die Gefahr der Entstehung von Fluor­wasserstoff im Schmelzprozess unterbinden. Zudem gehen unedlere Metalle wie Stahl oder Aluminium im Prozess größtenteils verloren.

Im Projekt BReCycle soll ein neuer Ansatz entwickelt werden, der einen hohen Rück­gewinnungs­grad der eingesetzten Roh­stoffe sicherstellt und hinsichtlich Umwelt­verträglichkeit (insbesondere Energie­bilanz) und Wirt­schaftlich­keit überlegen ist.

Gleichzeitig sollen Aspekte des kreislauf­gerechten Produkt­designs (Design for Recycling bzw. Design for Circularity) untersucht und umgesetzt werden, um die Recycling­fähigkeit von Brenn­stoff­zellen zu erhöhen sowie den Einsatz von Sekundär­werkstoffen im Sinne des Ressourcen­schutzes zu forcieren und darauf basierend neue Geschäfts­modelle zu entwickeln.

Das Recycling­verfahren selbst soll sowohl für komplette Brenn­stoff­zellen­module als auch für einzelne Kompo­nenten ausgelegt sein. Dazu wird zunächst ein Prozess zur Vorzerle­gung entwickelt, um Bauteile wie elektrische Anschlüsse oder Kabel zu entnehmen.

Zur weiteren selektiven Zerkleine­rung kommt die elektro­hydrau­lische Zerklei­nerung (EHZ) zum Einsatz. Dabei werden die vorzerklei­nerten Baugruppen in einen mit Wasser gefüllten Reaktor gegeben und mittels Schockwellen (durch elektrische Entladung erzeugte Druck­wellen) material­selektiv zerkleinert. Insbesondere soll hier die platin­haltige, katalytisch aktive Schicht auf den Elektroden vom Kunststoff abgetrennt werden.

Die so zerkleinerten Materialien können anschließend über einfache physikalische Trenn­verfahren wie Sieben und Filtern in die Material­fraktionen Katalysator­pulver und Graphite sowie Polymer und Metalle aufgetrennt werden.

Für die Trennung der Polymer­membran von der Metall­fracht wird eine Identifi­zierung mittels IR-Sensorik und entsprechender bauteil­selektiver Ausschleu­sung im Verfahren getestet. Die erhaltenen Metall­fraktionen können anschließend über etablierte metallur­gische Aufbereitungs­verfahren effizient aufbereitet werden.

Durch die angestrebte starke Aufkonzen­tration der verschie­denen Wertstoffe wie Platin, Ruthenium und andere Metalle aus der kata­lytisch aktiven Schicht wird beispiels­weise bei einer nach­geschalteten nasschemischen Aufbereitung ein deutlich effizienterer Einsatz an Chemikalien benötigt. Die Einsparung von Prozess­schritten durch die spezifische Aufbereitung zuvor separierter Wertstoffe bewirkt einen signifi­kanten ökolo­gischen und insbesondere ökono­mischen Vorteil gegenüber anderen Prozessen.

Der Projektansatz zielt auf eine hohe Reinheit aller generierten Fraktionen ab, indem der material­selektive Aufschluss des Produkts eine effektivere Separation der Fraktionen ermöglicht. Die Zielfraktion ist das aufkonzen­trierte Edelmetall, welches dann erneut der Edel­metall­verwertung zugeführt werden kann.

Nach Abschluss des Projekts werden die gewonnenen Erkenntnisse sukzessive bei den beteiligten Industrie­partnern in die Verarbeitungs­prozesse für PEM-Brenn­stoff­zellen einfließen. Die Ergebnisse aus der Verfahrens­entwicklung dienen außerdem als Basis für weitere Forschungs­arbeiten, um eine Rück­nahme- und Recycling­lösung einschließlich der Realisierung spezifischer neuer Anlagen­module etablieren zu können.

Parallel sind in diesem Zeitraum innovative Circular-Economy Geschäfts­modelle gemeinsam mit allen Projekt­partnern entsprechend der gewonnenen Erkennt­nisse und der Markt­situation weiter zu konkretisieren.

Projektpartner:
Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS, Alzenau & Hanau
Proton Motor Fuel Cell GmbH, Puchheim
MAIREC Edelmetallgesellschaft mbH, Alzenau
Electrocycling GmbH, Goslar
KLEIN Anlagenbau AG, Freudenberg

Dauer:
01.03.2020 – 28.02.2023

Ansprechpartner:
Florian Sauer
Head of Research & Development
Mairec Edelmetallgesellschaft mbH
Telefon +49 6023 9169-21
f.sauer@mairec.com

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