Aufbereitung von Roh- und Reststoffen

Unsere primären Rohstoffe sind endlich und werden vielfach weder nachhaltig noch sozial verträglich in politisch instabilen Regionen abgebaut. Um eine wachsende Weltbevölkerung mit Rohstoffen versorgen zu können und die Abhängigkeit vom Import der Rohstoffe zu mindern, erarbeiten wir Verfahren, um Sekundärrohstoffe aus Produktions- und Abfallströmen für eine Wiederverwendung zurückzugewinnen – in einer den Primärrohstoffen gleichwertigen Qualität und mit vergleichbarem Prozessaufwand bzw. Kosten.

Die möglichst selektive Trennung ist ein grundlegender und entscheidender Schritt sowohl in der primären als auch der sekundären Rohstoffaufbereitung. Die Schritte der Stofftrennung sind bisher aufwendig und bestimmen daher wesentlich die Betriebskosten, aber auch die Nachhaltigkeit der Prozesse. Um dieses Problem zu lösen, entwickelt das Fraunhofer IGB Verfahren, welche die Energie- und Kosteneffizienz im Vergleich zu etablierten Prozessen erheblich steigern oder die selektive Trennung bestimmter Rohstoffe erst ermöglichen.

Rückgewinnung statt Entsorgung – Mehrwert generieren aus Abfallströmen

Für Eisenmetalle, Glas, Papier oder viele Kunststoffe sind heute bereits in großem Maßstab Recyclingverfahren etabliert. Doch für zahlreiche weitere Wertstoffe, insbesondere aus komplexen Bauteilen und Stoffmatrices, existieren – mangels geeigneter Aufbereitungsverfahren – bislang keine wirtschaftlichen Rückführungsprozesse. Ausgediente Elektronikprodukte etwa sind wahre Rohstofflager für Metalle und Seltene Erden. In einem Mobiltelefon stecken – zwar in kleinsten Mengen – mehr als 40 chemische Elemente, darunter Kupfer, Gold, Nickel, Zink, Palladium, Kobalt oder Neodym. Die Menge der Produkte macht die Aufbereitung der Rohstoffe aus solchen anthropogenen Lagerstätten wirtschaftlich lohnenswert, was der Begriff »Urban Mining« treffend zum Ausdruck bringt.

 

Rückgewinnung wertschöpfender Metalle für Hochtechnologie-Anwendungen

Das Recycling von Edelmetallen oder Seltenen Erden ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Prozess- und Abwasserströme, z. B. aus Laugungsbädern der Galvanikindustrie, oder Deponiesickerwässer enthalten, wenn auch teilweise in nur geringer Konzentration, insgesamt signifikante Mengen an Metallen. Auch Feststoffe wie Aschen aus Verbrennungsprozessen enthalten mitunter Metalle als Stoffgemische. In diesen Fällen kann es von Vorteil sein, Metalle zunächst in Lösung zu bringen (Leaching), bevor sie anschließend aufkonzentriert und abgetrennt bzw. als Feststoff abgeschieden werden können. Die Ausgestaltung dieser Verfahrensschritte entscheidet über die Effizienz und Nachhaltigkeit des Gesamtprozesses. In Fraunhofer-Projekten konnten wir neue Technologien entwickeln und vorhandene optimieren, sodass uns nun ein breites Portfolio und Erfahrung in der Integration zu Prozessketten zur Verfügung steht.

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Recycling von Phosphor- und Stickstoff-Nährstoffen als Dünger

Großer Handlungsbedarf besteht bei der Versorgung der Landwirtschaft mit Düngemitteln. Hier erarbeiten wir Prozesse, um wichtige Pflanzennährstoffe wie Phosphor und Ammonium aus Abwasser, Gülle, Gärresten und Klärschlämmen zurückzugewinnen. Dabei werden Verfahren erarbeitet und kombiniert, um die Nährstoffe so aufzuarbeiten oder zu pelletieren, dass sie direkt als hochwertige und anwendungsspezifische Dünger für die Landwirtschaft zur Verfügung stehen.

Für das Phosphorrecycling aus phosphatreichem Abwasser haben wir neben Fällungsverfahren einen rein elektrochemischen Prozess entwickelt, der Magnesium-Ammonium-Phosphat als direkt einsetzbaren Dünger liefert.

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Recycling organischer Reststoffe zu Bodenverbesserern

Organische Reststoffe wie Klärschlamm, Gärreste oder Gülle sind reich an gelösten Nährstoffen, enthalten aber auch organisch gebundenen Phosphor, den wir enzymatisch mobilisieren und zurückgewinnen. Die zurückbleibenden nährstoffarmen organischen Fraktionen arbeiten wir anschließend über verschiedene Verfahren zu rein organischen Bodenverbesserern auf. Die Verluste an organischer Substanz im Boden können damit ausgeglichen und die Bodenfruchtbarkeit verbessert werden.

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Lösungsansätze

Trennung auf molekularer und atomarer Ebene

Um Sekundärrohstoffe in wirtschaftlich relevanten Größenordnungen zu gewinnen, bedarf es neben verbesserter auch gänzlich neuer Technologien zur Aufbereitung. In Abfallströmen liegen die zu gewinnenden Sekundärrohstoffe in aller Regel als Gemisch verschiedener, unterschiedlich konzentrierter Stoffe und wechselnder Zusammensetzung vor. Einen entscheidenden Vorteil bieten daher Methoden, mit denen sich Stoffe selektiv auf der kleinstmöglichen, der atomaren und molekularen Ebene auf- und abtrennen lassen.

Wesentliche Prozessschritte bei der Aufbereitung von Sekundärrohstoffen sind die Mobilisierung des Rohstoffs aus einer Feststoffmatrix in eine gelöste Form, was erst die selektive Trennung und ggf. Aufkonzentrierung und schließlich die Abscheidung als reinen Feststoff ermöglicht. Ein Schwerpunkt bei der Anreicherung bzw. Aufkonzentrierung von Sekundärrohstoffen stellt die Entwicklung von selektiven Adsorbern und deren höchst effizienter Einsatz in neuartigen Membranadsorbern dar, die Adsorption und Filtration in einem Schritt kombinieren. Zur Abtrennung entwickelt das Institut vor allem elektrophysikalische Verfahren wie die Elektro-Membranfiltration, die kapazitive Deionisation, die Elektrodialyse oder die Free-Flow-Elektrophorese sowie galvanische Verfahren zur Abscheidung weiter. Ein Alleinstellungsmerkmal unseres Instituts ist die Möglichkeit, die verschiedenen Verfahren zu kombinieren und in Prozessketten zu integrieren.

Nutzung biologischer Verfahren

Bei der Aufbereitung von Mineralien sind biologische Prozesse mitunter eine ebenso wirtschaftliche wie umweltfreundliche Alternative, etwa bei der biologischen Laugung (Bioleaching) von Metallen. Umgekehrt werden durch Bioakkumulation (Aufnahme und Speicherung von Metallen in Zellen) oder Biosorption (Adsorption an Mikroorganismen oder biologische Materialien) gelöste Metalle aus der wässrigen Lösung entfernt und aufkonzentriert, um sie für eine Wiedernutzung verfügbar zu machen. Bei der Biofällung werden in der wässrigen Phase gelöste Metalle durch Mikroorganismen als Katalysatoren gefällt und in einen Feststoff überführt. Für eine effektive Prozessführung setzen wir dabei immobilisierte oder suspendierte Biomasse ein. Auf diese Weise können Schwermetalle aus Lösungen mit wenigen mg/L stark aufkonzentriert und als Feststoffe mit Metallkonzentrationen im Bereich g/kg abgeschieden werden. 

Behandlung von Einzelströmen

Ein großes, bisher nur ansatzweise genutztes Potenzial, bietet die selektive Erfassung von Stoffen direkt aus einzelnen Produktionsstufen, noch bevor diese in einem Abfallstrom mit anderen Stoffen vermischt werden. Auch hierzu werden kompakte, effiziente Technologien benötigt, um die Prozesse in den Produktionsprozess integrieren zu können.