Wie seltene Erdenelemente aus Magneten wiederverwertet werden können
In dem Projekt NEO-CYCLE in Deutschland werden gemeinsam mit Forschern vom Fraunhofer IKTS und der TU Bergakademie Freiberg Technologien entwickelt, die es ermöglichen, seltene Erden wie Neodym aus Magneten zurückzugewinnen. Solche Magnete werden unter anderem in Elektrofahrzeugen und Windkraftanlagen eingesetzt, und dank dieser neuen Technologien können sie in Europa für andere Branchen, einschließlich der Pharmaindustrie und der Wasserstoffwirtschaft, wiederverwertet werden.
Bild: Fraunhofer IKTS
Wie in den letzten Jahren immer wieder in den weltweiten Schlagzeilen zu finden war, sind seltene Erden für die Fertigung unverzichtbar, werden jedoch oft durch komplexe Prozesse importiert, was unangenehme geopolitische Abhängigkeiten schafft. Ein Beispiel hierfür ist das seltene Erdenmetall Neodym, von dem 90 Prozent in China verarbeitet werden. Forscher am Fraunhofer-Institut für Keramiktechnologien und Systeme (IKTS) arbeiten in Zusammenarbeit mit ihrem Projektpartner TU Bergakademie Freiberg sowie weiteren Beteiligten daran, Recyclingmethoden zu verbessern, um seltene Erden aus alten Magneten zurückzugewinnen.
Die Forscher konzentrieren sich auf Neodym-Magnete, die das Fraunhofer-Team zu den stärksten Permanentmagneten der Welt zählt. Das Institut weist darauf hin, dass die Kombination aus Neodym, Eisen und Bor in Elektrofahrzeugen sowie in Windkraftanlagen und elektronischen Produkten wie Lautsprechern, Smartphones und Festplatten verwendet wird. Die weltweite Nachfrage nach Permanentmagneten steigt, wobei Schätzungen eine jährliche Wachstumsrate von bis zu 8,3 Prozent nahelegen. Wie die Forschungspartner betonen, ist es sehr wichtig, seltene Erden wie Neodym, die schwer zu beschaffen sind, im Inland zu recyceln – doch dies erfordert ebenfalls sehr komplexe Prozesse.
Die Wiederverwendung von Neodym für neue Magnete erfordert ein sehr hohes Reinheitsniveau. Laut Fraunhofer IKTS werden Magnete in Europa derzeit nach ihrer ersten Verwendung eingesammelt und nach China geschickt, um dort weiterverarbeitet zu werden.
In dem EU-Projekt NEO-CYCLE arbeiten 23 Partner daran, Verfahren zur Gewinnung wertvoller Rohstoffe innerhalb Europas zu entwickeln. Dr. Sandra Pavón, Leiterin der Abteilung für Hydrometallurgisches Recyceln und Rohstoffchemie am Fraunhofer IKTS, sagt: „Unser Ziel ist es, seltene Erden aus Elektroschrott zu gewinnen und sie in wertvollen Produkten wie grünen Düngemitteln sowie in der Herstellung von Arzneimitteln zu verwenden. Dadurch wird der Materialkreislauf geschlossen, die Umwelt geschützt und die globale Abhängigkeit von strategischen Ressourcen verringert“, erklärt sie.
Der Upcycling-Prozess ist für verschiedene Arten von Magneten möglich. Im Projekt NEO-CYCLE liegt der Fokus auf Festplatten (HDDs), also Festplatten aus aussortierten Computern und Laptops, die Neodym-Magnete enthalten. „Wir testen zwei Methoden zur Verarbeitung der Magnete – die chlorierte Festkörpertechnologie sowie elektrochemische Verfahren – um die am besten geeignete Technologie zu ermitteln“, erklärt Pavón.
Im Festkörperchlorierungsverfahren fügt der Projektpartner TU Bergakademie Freiberg anstelle von herkömmlichem Salzsäureammoniumchlorid zur aus Abfällen gewonnenen Neodym-Bor-Eisen-Mischung hinzu und wandelt diese in einem thermischen Prozess direkt in Metallchloride sowie eine hochreine Ammoniaklösung um. Die Methode ist bereits patentiert und wird für Leuchtstoffröhren eingesetzt. Derzeit prüfen Forscher, ob dieser Ansatz auch auf die Upcycling-Verarbeitung von Magneten angewandt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Metallchloride aus dem Magnetmaterial viel effizienter gelöst werden können, wodurch eine nahezu vollständige Extraktion der Metalle bei relativ geringem Chemikalienverbrauch erreicht wird.
In der zweiten getesteten Methode führen die Forscher pulverisierte Magnetabfälle in eine elektrochemische Zelle ein. Ein Elektrolyt, wie verdünnte Schwefelsäure, dient als Reaktionsmedium für die elektrochemischen Prozesse. Zunächst wird eine Borlösung aus den Magneten extrahiert, die anschließend konzentriert wird. Diese Lösung kann in der Chemie- und Pharmaindustrie verwendet werden.
Die Forscher am Fraunhofer IKTS trennen anschließend die aus den beiden Verfahren gewonnenen Produkte weitergehend mithilfe ihres Know-hows in der Metalltrennung und im Prozesswasseraufbereitung. Sandra Pavón und ihr Team verwenden ein selektives hydrometallurgisches Verfahren, um zunächst Neodym und Eisen zu extrahieren. Danach können die Metallsalze in reiner Form gewonnen werden. Die getrennten Stoffe werden von den Projektpartnern weiter aufgewertet und liefern sie nicht nur an die Chemie- und Pharmaindustrie, sondern auch an Branchen wie die Wasserstoffwirtschaft und die Düngemittelindustrie.
Das NEO-CYCLE-Projekt wird von der Europäischen Union im Rahmen des Horizon Europe-Programms finanziert. Das Projekt läuft vier Jahre und soll unter anderem eine Pilotanlage hervorbringen. Sandra Pavón fasst zusammen: „Der Prozess beginnt mit Produkten, deren Lebenszyklus abgelaufen ist. Am Ende können wir vier verschiedenen Industriezweigen wertvolle recycelte Rohstoffe liefern.“