Woran wir forschen: Nachhaltigkeit & Recycling im Bereich Nichteisenmetallurgie und Reinststoffe
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Woran wir forschen: Nachhaltigkeit & Recycling im Bereich Nichteisenmetallurgie und Reinststoffe Univ.-Prof. Dr. Alexandros Charitos Institut für Nichteisenmetallurgie und Reinststoffe (INEMET) Alexandros.Charitos@inemet.tu-freiberg.de
Inhaltsverzeichnis
• Was sind Metalle?
• Kupfer, Platin, Seltene Erden… - Wozu brauchen wir Metalle?
• Wie wird aus dem Erz / Recyclingmaterialien ein Metall?
• Beispiele Primärproduktion und Recycling
• Trends und Entwicklungen → nachhaltige Lösungen gefordert
• Beispiele aus der Forschung am INEMET
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TU Bergakademie Freiberg | Professor Alexandros Charitos | CampusTag 2021 | 14.01.2021
Was sind Metalle?
• Die meisten der chemischen Periodensystem
Elemente sind Metalle.
• typische Eigenschaften:
metallischer Glanz
gute elektrische
Leitfähigkeit
gute Wärmeleitfähigkeit
gute Verformbarkeit
(Duktilität)
Metalle
Halbmetalle
Nichtmetalle
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TU Bergakademie Freiberg | Professor Alexandros Charitos | CampusTag 2021 | 14.01.2021
Kupfer, Platin, Seltene Erden… - Wozu brauchen wir Metalle?
• Metalle haben Entwicklung Begleitmetalle der Zink (Zn)- und Blei (Pb)- Metallurgie
der Menschheit Cadmium (Cd) und Tellurium (Te) bei CdTe
charakterisiert: Solarzellen
Kupfersteinzeit Gallium bei GaN LED Beleuchtung
Bronzezeit Bismuth (Bi) bei pharmazeutische Produkte
Eisenzeit Indium (In), Zinn (Sn) bei Indium-Zinn Oxid
LCD Bidlschirme
• Unser moderne Zinn (Sn) – Bismuth (Bi)
Lötverbindungen bei Handys
Gesellschaft wäre
Antimon* bei Sb2O3
undenkbar ohne die Flammschutzmitteln
Nutzung von Metallen. Blei (Pb) bei Blei-
Säure Batterien
• Ein Handy z.B. besteht u.a. *Antimon ist ein Halbmetall
aus Metallen, Plastik und
Glas.
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Quelle: Verhoef, Reuter, Gerard and Dijkema, "Process Knowledge, system dynamics and metal ecology," Journal of Industrial Ecology, pp. 23-43, 2004
Gold, Kupfer, Seltene Erden… - Wozu brauchen wir Metalle?
Rote Elemente Recyclingrate: < 1 % !
Bildschirm 5 Elektronik
• Kupfer (Cu), Silber
• Indium (In), Zinn (Ag), Gold (Au) &
(Sn) als „Touch screen“ Verkabelung & Tantalum (Ta)
Indiumzinnoxid Funktion Mikroelektronik
• Aluminium (Al) und • Nickel (Ni) und
Glass Mikrophone &
Silizium (Si) Vibration Seltene Erden
• Seltene Erden Das „Silicon • Si, Antimon (Sb),
Farben Chip“ Arsen (As),
Gallium (Ga), Sn &
Lithium-Ionen Batterie Blei (Pb)
• Lithium (Li) und
Kobalt (Co) als Akku Gehäuse Gehäuse
Lithiumkobaltoxid • Magnesium (Mg)
(+) und Nickel (Ni)
TU Bergakademie Freiberg | Professor Alexandros Charitos | CampusTag 2021 | 14.01.2021
Wie wird aus dem Erz ein Metall? Unser Forschungsbereich
• Mine: Erz-Produktion
(Cu < 1 wt.-%, Al: 20 wt.-%)
• Aufbereitung
• Mechanische Trennung von Gangart
• Zerlegung von Recyclingmaterialien
• Metallurgie
Recycling
• Trennung auch von mineralgebundenen
Elementen, z.B. Cu wird aus CuFeS2
gewonnen
• > 600°C: Pyrometallurgie (Kupfer, Blei)
• < 100°C: Hydrometallurgie (Aluminium,
Zink)
• Produkt-Auslegung
• Hier sollte man ans Recycling denken!
• Produktion – Nutzung – Sammlung - Zerlegung
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Quelle: Reuter, “Die Digitalisierung der Kreislaufwirtschaft: Wie recycelbar sind Smartphones?”, HZDR-Lehrerfortbildung, 16.2.2018, Freiberg
Beispiel Primärproduktion – Kupfer
Ständige Anreicherung des Wertmetalls bis eine hohe Reinheit erreicht wird
Kupfererz 0.5-1.25 % wt.-Cu Kupferkonzentrat (Cu-Fe-S) 20-30 wt.-% Cu
Kupferhütte Aufbereitung
Zerkleinerung Flotation
Kupferanoden
H2SO4 99.5 wt.-% Cu
Anodenofen +
Schmelzofen Kupfer-
Konverter Anodengieß-
inkl. E-Ofen elektrolyse
maschine
Schlacke Kupferstein Blisterkupfer Kupferkathoden
Restgehalt Cu: 45-74 % wt.-Cu 98 wt.-% Cu 99.99 wt.-% Cu
ca. 0.7 wt.-%
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Quelle: Schliesinger, King, Sole, Davenport, Extractive Metallurgy of Copper, 5th Edition, 2011
Beispiel Recycling – Blei-Säure Batterien
Gewinnung von Polypropylen,
weitere Plastik-Anteile und Komponenten wt.-%
Schwefelsäure
Blei Legierung 25-30
(Gitter, Pole)
Elektroden Pasten 35-50
(PbO2, PbSO4)
Schwefelsäure H2SO4 10-20
Polypropylen (C3H6)n 5-8
Mechanische Aufbereitung
Stein (MexSy)
Plastik 4-7
Cu, Ag, Sb, Sn,
Schlacke As
< 0.5 wt.-% Pb Andere Materialien < 3.5
Blei
Pb
Hochtemperatur-Metallurgie und Raffination
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Quelle: B. Blanpain, S. Arnout, M. Chintinne, D.R. Swinbourne: Handbook of Recycling, Reuter und Worrell Elsevier, 2014
Trends und Entwicklungen → nachhaltige Lösungen gefordert
Zero Waste – Recycling – Schadstoffentfernung – CO2 Minderung
˃ 50% : CO2
Ag, Al, Au, Co, 420
Cu, Ni, Sn, Pb
25-50%:Mg ppm
1-10%: Sb
˂ 1% 400
As, Dy, Eu,
Ga, Gd, In, La,
ppm
Li, Nd, Pr, Ta,
Tb, Y
Minderwertiges Produkt oder Abfall Recycling (Handy) Klimaänderung
Fayalitische Kupferschlacke (0.6 wt.-% Kupfer) Rot: < 1 % Recyclingquote CO2 Konzentration letzten 10 Jahren
Quelle: Miganei, Gock, Achimovicova, Koch, Zobel, Kähler, Quelle: Siehe Folie 5 Quelle: https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel
„New-residue-free processing of copper slag from smelter“, /upload/Konzentration_CO2_aktuell.jpg
Journal of Cleaner Production, pp. 534-547, 2017 9
TU Bergakademie Freiberg | Professor Alexandros Charitos | CampusTag 2021 | 14.01.2021
Forschung in Freiberg – Verwertung von Kupferschlacke
Glassphase für
Entstehen 2 nützliche
Glassfasernproduktion
Phasen:
• 2.2 t Schlacke/ t Cu (Baustoffsektor)
• Schlacke enthält
Oxide MxOy Fe (Eisen) für die
• Manche Oxide Stahlindustrie
(FeOx) geben Ihre
„O“ leichter ab als
andere (z.B. Al2O3)
• Mit „C oder bio-C“
und 1300°C…
TU Bergakademie Freiberg | Professor Alexandros Charitos | CampusTag 2021 | 14.01.2021 10Forschung in Freiberg – Recycling von Platinum Group Metallen (PGM)
• Überführung der PGM-Metalle in einer
wässrigen Lösung (Laugung) als Metall-
• PEMEC* Ionen
Elektrolysezellen • Zu 100 % für Pt und 91 % für Ru
können aus Wasser
H2 + O2 (mit
erneubarer Strom)
• Die Elektroden u.a.
enthalten u.a. Pt, Pd,
Ru
• Recyclingkonzept
gefordert!
12 mol/l HCl + H2O2, 75°C für 3 h
TU Bergakademie Freiberg | Professor Alexandros Charitos | CampusTag 2021 | 14.01.2021 11Forschung in Freiberg – Nutzung von Mikrowellen-Strahlung
• Anwendung bei
endothermen
Prozessen
Kalkproduktion:
CaCO3 → CaO + CO2
• C ist verbrannt um
benötigte Energie
bereitzustellen
• CO2 wird emittiert und
nicht verwendet
Mikrowellen-Ofen am INEMET
TU Bergakademie Freiberg | Professor Alexandros Charitos | CampusTag 2021 | 14.01.2021 12• Diplom Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie
• 10 Semester Studium → Dipl.-Ing.
Kooperationen und
Praktikumsmöglichkeiten mit
führenden Universitäten
weltweit
• Berufsfelder
Metallurgische und chemische Industrie: (Primär-Produktion und Recycling)
Betriebsingenieur, Entwicklungsingenieur auch in Leitungspositionen
Anlagenbau in Deutschland und weltweit
Universitäten und Forschungsinstitute / weitere Möglichkeiten im öffentlichen Dienst
• Arbeitgeber von INEMET-Absolventen - Beispiele
Saxonia Edelmetalle, Saxonia Galvanik, Befesa, Feinhütte Halsbrücke (in der Region)
Aurubis, Metso:Outotec (Deutschland), 5N (Kanada)
TU Bergakademie Freiberg | Professor Alexandros Charitos| CampusTag 2021 | 14.01.2021 13Woran wir forschen: Nachhaltigkeit &
Recycling im Bereich Nichteisenmetallurgie
und Reinststoffe
https://bildungsportal.sachsen.de/opal/aut
h/RepositoryEntry/462618640/CourseNod
e/101452326922124
Univ.-Prof. Dr. Alexandros Charitos
Institut für Nichteisenmetallurgie und Reinststoffe (INEMET)
Alexandros.Charitos@inemet.tu-freiberg.deSie können auch lesen
