entdeckt 02/2015 - Uran, Plutonium & Co. - Recycling: Die Niere als Vorbild

entdeckt 02 .15 FORSCHUNG WWW.HZDR.DE RECYCLING – DIE NIERE ALS VORBILD // HZDR-Doktorand Oliver Zeidler hat gemeinsam mit der Firma Freiberger Compound Materials und der TU Bergakademie Freiberg ein Verfahren entwickelt, das das Recycling von Gallium bei der Herstellung elektronischer Bauteile um bis zu 20 Prozent steigern konnte. Obwohl heutzutage die meisten Computerchips und Solarzellen aus Silizium bestehen, gibt es ein Halbleitermaterial, das Elek- tronen schneller transportieren und Sonnenlicht viel effizienter in Strom umwandeln kann: Galliumarsenid. Die Verbindung aus Gallium und Arsen schlägt Silizium sowohl bei der Schaltge- schwindigkeit für Transistoren als auch bei der Energieausbeute von Solarzellen. Darüber hinaus ist der Werkstoff unverzichtbar, wenn es um den Bau von Leuchtdioden geht oder um Laser, die Informationen durch Glasfasernetze leiten. Weil sich das Galliumarsenid so großer Beliebtheit erfreut, wächst der Bedarf an Gallium rasant. Doch leider zählt das silberweiße Material mit dem typisch blauen Glanz zu den „seltenen Metallen“. Nicht etwa, weil es besonders rar ist – in der Erdkruste ist Gallium ähnlich häufig wie Blei anzutreffen –, sondern weil das Metall nur in einer sehr geringen Konzent- ration in den Erzen vorkommt. In vielen Fällen steht deshalb der technische Aufwand, der für die Anreicherung betrieben werden muss, einer breiteren Gewinnung im Wege. Aus diesem Grund, und weil das Metall kaum ersetzbar ist, läuft die Suche nach kostengünstigen Recyclingmethoden mittlerweile auf Hochtouren. Denn alleine bei der Herstellung von Galliumarsenid-Wafern, die als Ausgangsmaterial für die Chipproduktion dienen, sind etwa 60 Prozent des eingesetz- ten Galliums Abfall. Dabei wird der Werkstoff zu zylindrischen Kristallen gezüchtet und über einen mechanischen Trenn- prozess in millimeterdünne Scheiben geschnitten. Heute findet bereits fast die Hälfte des Abfalls, wie beispielsweise abgesägte Kristall-Enden oder defekte Scheiben, problemlos seinen Weg zurück in die Produktion. Schwieriger sieht es allerdings aus, wenn die Wafer-Oberflächen mit Wasser gerei- nigt oder mit einer ätzenden Beizlösung poliert werden. Dann landet das teure Metall in verschiedenen Abwässern, die auf unterschiedliche Art wiederaufbereitet werden müssen. Giftiges Arsin Besonders aufwendig ist die Aufbereitung von Beizlösungen. Das Metall lässt sich zwar durch den Einsatz von Elektrizität – also durch Elektrolyse – aus solchen Abwässern anreichern. Dafür ist allerdings eine Vorbehandlung nötig. Ohne diese würde durch die Elektrolyse ein extrem giftiges Gas entste- hen. Die Rede ist von Arsin, einer Verbindung aus Arsen und Wasserstoff, die die Nervenrezeptoren blockiert und den Sauerstoff-Transport im Körper verhindert. Will man das giftige Übel an seiner chemischen Wurzel packen, dann gilt es aber, einen ganz anderen Stoff aus dem Verkehr zu ziehen: Arsen- säure. Die Verbindung, die zusätzlich zum Wasserstoff auch Sauerstoff-Atome besitzt, ist der Ausgangsstoff für Arsin. Es entsteht, wenn sich Galliumarsenid in der ätzenden Beize löst. Chemiker gehen das Problem an, indem sie den pH-Wert in den Beizabwässern unter Zugabe von Kalkmilch – einer calcium- haltigen Suspension - erhöhen. Auf diese Weise sinkt die _TEXT . Tina Schulz RECYCLING – DIE NIERE ALS VORBILD DIFFUSION: Wasser trifft auf die Membran, die Harze quellen auf, die Poren werden geschlossen. Arsensäure passiert die Membran ungehindert und wird so vom Gallium getrennt (Aufnahme mit einem Auflicht-Mikroskop in 50-facher Vergrößerung).

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