Forschung: Wie sich Seltene Erden aus Magneten upcyceln lassen

Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS und der TU Bergakademie Freiberg feilen im Projekt NEO-CYCLE an einer Technologie, mit der sich Seltene Erden wie Neodym nun auch in Deutschland aus Magneten zurückgewinnen lassen. Solche Magnete werden u.a. in Elektrofahrzeugen und Windturbinen gebraucht.

Bild: Fraunhofer IKTS

Seltene Erden sind in der Produktion essenziell, sie müssen allerdings aufwendig importiert werden, was geopolitische Abhängigkeiten schafft. Das Selten-Erd-Metall Neodym etwa wird zu rund 90 Prozent aus China eingeführt. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS haben sich deshalb gemeinsam mit ihrem Projektpartner TU Bergakademie Freiberg und weiteren Akteuren das Ziel gesetzt, Recycling-Methoden zu verbessern, um Seltene Erden aus alten Magneten zurückzugewinnen.

Im Fokus dabei: Neodym-Magnete, die das Fraunhofer-Team zu den stärksten Permanentmagneten der Welt zählt. „Die Verbindung aus Neodym, Eisen und Bor wird in Elektrofahrzeugen verbaut, ebenso in Windenergieanlagen oder elektronischen Produkten wie Lautsprechern, Smartphones und Festplatten“, schreibt das Institut. Der weltweite Bedarf an Permanentmagneten steige. Schätzungen zufolge betrage die jährliche Wachstumsrate bis zu 8,3 Prozent. „Daher ist es wichtig, schwer verfügbare Seltene Erden wie Neodym zu recyceln, was aber sehr komplex ist.“

Denn um Neodym für neue Magnete wieder nutzen zu können, muss eine sehr hohe Reinheit gegeben sein. Laut dem Fraunhofer IKTS werden Magnete in Europa daher bislang kaum recycelt, „sondern meist gesammelt, nach China geschickt und dort wieder aufbereitet“.

Im EU-Projekt NEO-CYCLE entwickeln insgesamt 23 Partner Verfahren, mit denen sich wertvolle Rohstoffe auch in Europa extrahieren lassen. Für das Fraunhofer IKTS ist vor allem Dr. Sandra Pavón, am Institut Gruppenleiterin für hydrometallurgisches Recycling und Rohstoffchemie, involviert: „Wir möchten Seltene Erden aus Elektroabfällen rückgewinnen und sie für hochwertige Produkte wie grünen Dünger oder zur Herstellung pharmazeutischer Produkte nutzen. So erzielen wir einen Kreislauf aus Materialien, schonen die Umwelt und fördern zudem die globale Unabhängigkeit von strategischen Ressourcen“, teilt sie mit.

Möglich ist der Upcycling-Prozess für verschiedene Magnete. Im Projekt NEO-CYCLE liegt der Fokus auf Hard Disk Drives (HDD), also Festplattenlaufwerken aus entsorgten Computern und Laptops, welche Neodym-Magnete enthalten. „Wir testen zwei Aufbereitungsverfahren für Magnete, die Feststoffchlorierung sowie elektrochemische Verfahren, um anschließend die optimale Technologie zu identifizieren“, erklärt Sandra Pavón.

Bei der Feststoffchlorierung wird beim Projektpartner TU Bergakademie Freiberg der Neodym-Bor-Eisenmischung aus den Abfällen statt herkömmlicher Salzsäure Ammoniumchlorid zugesetzt und in einem thermischen Prozess direkt zu Metallchloriden und hochreiner Ammoniaklösung umgesetzt. Das Verfahren ist bereits patentiert und wird schon für Leuchtstofflampen eingesetzt. Nun testen die Forschenden, ob dieser Ansatz auch für das Upcycling von Magneten anwendbar ist. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Metallchloride deutlich effizienter aus dem Magnetmaterial lösen lassen, wodurch eine nahezu vollständige Extraktion der Metalle bei vergleichsweise geringem Chemikalienverbrauch erreicht wird.

Im zweiten getesteten Verfahren bringen die Forschenden pulverisierte Magnetabfälle in eine elektrochemische Zelle ein. Ein Elektrolyt wie verdünnte Schwefelsäure dient dabei als Reaktionsmedium für die elektrochemischen Prozesse. Aus den Magneten wird so zunächst eine Bor-Lösung extrahiert, welche später aufkonzentriert wird. Die Lösung kann in der Chemie sowie der Pharmaindustrie genutzt werden.

Anschließend trennen die Forschenden des Fraunhofer IKTS die erhaltenen Produkte der beiden Verfahren weiter auf und bringen dabei ihre Expertise in der Metallseparation und Prozesswasseraufbereitung ein. Sandra Pavón und ihr Team nutzen dafür ein selektives hydrometallurgisches Verfahren, um zunächst Neodym und Eisen zu extrahieren. Danach lassen sich die Metallsalze in ihrer reinen Form gewinnen. Die separierten Stoffe werden durch die Projektpartner weiter aufgewertet und neben der chemischen und pharmazeutischen Industrie auch Branchen wie der Wasserstoffwirtschaft sowie der Düngemittelindustrie bereitgestellt.

Das Projekt NEO-CYCLE wird von der Europäischen Union im Rahmen des Programms Horizon Europe gefördert. Es läuft insgesamt vier Jahre und soll u.a. eine Pilotanlage hervorbringen. Sandra Pavón resümiert: „Am Anfang des Verfahrens stehen Produkte, die ihren Lebenszyklus abgeschlossen haben, am Ende können wir gleich vier verschiedene Industriezweige mit wertvollen, recycelten Rohstoffen versorgen.“