Recycling von Seltenerdmetallen

Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke

Unter dem Begriff Seltenerdmetalle (auch Seltenerdelemente, SEE) werden üblicherweise die 17 chemisch sehr ähnlichen Elemente der Lanthanoiden sowie Yttrium und Scandium zusammengefasst. Sie finden seit gut zwei Jahrzehnten immer breitere Anwendung vor allem in Hochtechnologien oder „grünen“ Technologien wie der Windenergie oder der Elektromobilität. Eine große Rolle spielen sie insbesondere für den Einsatz in Legierungen, Permanentmagneten, NiMH-Akkumulatoren, Katalysatoren sowie als Leuchtstoffe.

SEE werden aktuell zum überwiegenden Teil (ca. 85 %) in China gefördert und aufbereitet. Seit die Volksrepublik in den letzten Jahren teils drastische Exportbeschränkungen für SEE erließ, wurden große Anstrengungen unternommen, um auch andernorts entweder stillgelegte Minen wieder zu reaktivieren oder aber neue Förderprojekte aufzulegen. Dadurch nahmen sowohl die Preisvolatilität als auch die eigentlichen Preise wieder ab. Mittel- und langfristig bleibt die Versorgungslage der deutschen Industrie mit SEE jedoch angespannt.

Die Nutzung von SEE aus Abfällen würde daneben noch weitere Vorteile mit sich bringen. Der Abbau und die Aufbereitung von primären SEE aus Erzen ist mit einer hohen Belastung für Umwelt und Menschen verbunden. Zum einen sind für die zur Aufbereitung verwendeten hydrometallurgischen Verfahren große Mengen an Chemikalien notwendig – die SEE werden mit Hilfe starker Säuren in Lösung gebracht, anschließend durch den Einsatz weiterer Chemikalien selektiv abgeschieden und dann in ihre Oxidform überführt. Zum anderen enthalten viele SEE-haltige Erze gleichzeitig radioaktive Elemente wie Thorium und Uran, so dass spezielle Vorkehrungen zur Abtrennung und Lagerung des Abraums getroffen werden müssen. Hinzu kommt, dass primäre SEE sich nur als komplexe Mischung verschiedener dieser Elemente gewinnen lassen, der jeweilige Anteil SEE darin aber stark von Wirtsgestein und Abbauort abhängig ist. Dadurch entspricht der Mengenanteil einzelner SEE an der geförderten Gesamtmenge zumeist nicht dem tatsächlichen Bedarf dieser Elemente. So kommt es zu einer Überproduktion einiger SEE (z.B. Lanthan und Cer), während andere SEE knapp bleiben (z.B. Neodym). Das Recycling von SEE könnte dazu beitragen, dass tatsächlich die Elemente zur Verfügung stehen, an denen ein hoher Bedarf besteht, und gleichzeitig die benötigten Fördermengen verringern, wodurch auch die Umweltbelastungen durch Bergbau und Aufbereitung reduziert würden. Die Recyclingquote für SEE lag jedoch in den letzten Jahren bei unter 1 %, obwohl weltweit in Forschungslaboren vielversprechende Verfahren entwickelt werden. Bisher werden nahezu ausschließlich Abfälle recycelt, die noch während der Primärproduktion von z.B. SEE-haltigen Permanentmagneten anfallen.

Große Fortschritte hat es bereits beim Recycling von Leuchtstoffen gegeben, aus denen sich vor allem Europium, Terbium und Yttrium gewinnen lassen. Bei einfachen Leuchtstoffröhren können Glas, Metall- und Plastikkomponenten leicht vom Leuchtstoff getrennt werden, so dass dieser zumeist direkt wiederverwendet werden kann. Bei komplexeren Geometrien müssen die Leuchtstoffe bislang aufwendig wiedergewonnen werden. Dabei kommen üblicherweise dieselben hydrometallurgischen Aufbereitungsverfahren zum Einsatz wie bei der Gewinnung primärer SEE. Eine große Herausforderung stellt dabei im Augenblick noch die Abtrennung des z.B. in Energiesparlampen neben den SEE enthaltenen Quecksilbers dar. Auch für die Rückgewinnung von SEE aus anderen Leuchtmittelanwendungen wie Computermonitoren gibt es im Augenblick nur wenige Lösungsansätze.

Eine Vielzahl an Forschungsarbeiten im universitären und industriellen Bereich ist für das Recycling gesinterter Permanentmagnete zu verzeichnen. Insbesondere geht es dabei um die Rückgewinnung von Neodym – und in geringerem Umfang auch Praseodym und Dysprosium – aus Nd-Fe-B-Permanentmagneten. Einfach ist es im Fall großer Magnete, wie sie in Windkrafträdern und Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugen verbaut werden, da diese direkt wiederverwendet werden können. Die entsprechenden Produkte haben jedoch üblicherweise eine lange Lebensdauer im Bereich von 15 Jahren, weswegen davon auszugehen ist, dass in naher Zukunft nur geringe Mengen solcher Abfälle zur Verfügung stehen werden. Eine große Rolle spielen daneben Permanentmagnete aus Elektro- und Elektronikgeräteabfällen. Aus diesen lassen sich die Magnete jedoch nur schwer separieren, und anschließend müssen entweder die Magnetwerkstoffe oder sogar die einzelnen SEE aufbereitet und extrahiert werden. Wie auch bei den Leuchtstoffen basieren gängige Verfahren dafür auf hydrometallurgischen Ansätzen. Daneben gibt es weitere Ansätze, mit deren Hilfe der aktuelle Bedarf an großen Mengen umweltschädlicher Chemikalien umgangen werden soll. Erforscht wird zum Beispiel die Trennung von Nickelschutzschicht, Magnetmatrix und weiteren Phasen durch eine Hydrierung mit Wasserstoff unter Atmosphärendruck. Ein anderes Verfahren besteht in der Gewinnung von SEE mittels Flüssigmetallextraktion, wobei in der Regel geschmolzenes Magnesium zum Einsatz kommt.

Eine zunehmende Zahl an Arbeiten beschäftigt sich neben der Weiterentwicklung der eigentlichen Recyclingprozesse mit der Quantifizierung von Stoffströmen sowie des Potenzials einzelner Recyclingrouten. Für jedes Anwendungsszenario muss separat betrachtet werden, ob ein Recycling überhaupt sinnvoll ist, oder ob dadurch andere ökonomische Werte verloren gehen, indem sich beispielsweise andere Metalle nicht mehr rückgewinnen lassen. Eine große Herausforderung stellen in dieser Hinsicht auch komplexe Multimaterialsysteme dar, die z.B. sowohl SEE in Leuchtstoffen als auch in Permanentmagneten enthalten. Die Stoffströme für eine Rückgewinnung dieser Elemente müssten dabei getrennt gestaltet werden. Eine solche Aufarbeitung wäre aber aufgrund des derzeit üblichen Produktdesigns und der oftmals nur sehr geringen Gehalte an SEE schwierig und aufwendig.

Aufgrund der regen Forschungsaktivität ist davon auszugehen, dass in den nächsten Jahren neue kostengünstige und effiziente Recyclingprozesse für SEE zur Verfügung stehen werden, die helfen könnten, die enormen Auswirkungen der Primärförderung auf Umwelt und Gesellschaft zu verringern. Insbesondere kann damit eine Überproduktion von Lanthan und Cer vermieden werden. Dennoch lässt die stetige Zunahme der Nutzung von SEE erwarten, dass zumindest mittelfristig lediglich ein kleiner Teil des gesamten Bedarfs – insbesondere an kritischen Elementen wie Neodym – mittels Recyclings wird gedeckt werden können. Komplementär zum Ausbau des SEE-Recyclings werden daher auch weiterhin Anstrengungen zur Verringerung des Bedarfs an diesen Elementen, z.B. durch Substitution oder deren effizientere Nutzung, notwendig sein.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

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