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entdeckt 02/2015 - Uran, Plutonium & Co.

FORSCHUNG// DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 30 31 Löslichkeit der Calcium-Ionen ebenso wie die von Arsensäure. Mit dem Feststoff, der dabei entsteht, kann Arsen gefahr- los aus der Flüssigkeit verbannt werden. Der Nachteil der Methode ist, dass sich das Volumen der Flüssigkeit durch die Zugabe der für die Behandlung nötigen Chemikalien deutlich vergrößert. Damit sinkt die Konzentration von Gallium in der Lösung so weit, dass eine anschließende Anreicherung unwirt- schaftlich ist. Um die Arsensäure auszuschalten und dadurch Gallium effektiver recyceln zu können, bedarf es deshalb einer ganz anderen Lösung. Eine „ausgezeichnete“ Idee Für die Idee gab es im Dezember 2014 den mit 10.000 Euro dotierten Deutschen Rohstoffeffizienz-Preis. Effizient an der Forschung ist vor allem eines: Unterschiedliche Arten von Produktionsabwässern können nun in einem einzigen Schritt und ohne den aufwendigen Einsatz von Chemikalien aus dem Abwasser entfernt werden. Die Recyclingquote für Gallium- abfälle lässt sich damit von bisher 45 auf bis zu 65 Prozent verbessern. Der HZDR-Ingenieur Oliver Zeidler, der seit 2012 am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie promoviert, hat dafür ein spezielles Dialyseverfahren entwi- ckelt. Entstanden ist es in Zusammenarbeit mit der Firma Frei- berger Compound Materials (FCM) und der TU Bergakademie Freiberg. Der großgewachsene Leipziger zieht als Vergleich ein ganz bestimmtes Organ heran: „Ähnlich wie eine Niere die Harnsäure über eine Membran aus dem Blut filtert, kann Arsensäure aus den flüssigen Rückständen entfernt werden.“ Das Verfahren funktioniert nach dem einfachen Prinzip der Diffusion: Teilchen tendieren dazu, sich gleichmäßig im Raum zu verteilen. Ist ihre Konzentration an einem Ort höher als an einem anderen, setzen sie sich in Bewegung, um diesen Unterschied auszugleichen. Das geht ohne Energiezufuhr und ist deshalb besonders sparsam. Doch wie gelingt es nun, die Arsensäure vom Gallium zu trennen? Die Lösung ist, wie bei der Niere, eine selektive Membran, die nur bestimmte Stoffe aus der Ausgangslösung filtert. Dabei muss die Membran besonders eines sein, nämlich säureresistent. Denn sollen alle Abwässer gleichzeitig behandelt werden, ist es notwendig, die Rückstände unter Zugabe von Königswasser – einer extrem sauren, chlorhaltigen Säuremischung – aufzulösen. Gegensätze ziehen sich an Für die Dialyseanlage verwendet Oliver Zeidler spezielle ionen- selektive Membranen mit einer Schicht aus positiv geladenen, funktionellen Gruppen. Folglich können nur negativ geladene Ionen wie die Arsensäure die Membran ungehindert passie- ren. Und die positiv geladenen Gallium-Ionen? Die verwandeln sich durch das Königswasser in negativ geladene Gallium- chlorid-Komplexe. Der Trick dabei ist, dass solche Komplexe nicht besonders stabil sind. Nimmt die Konzentration der Chlor-Verbindungen in der Umgebung ab, dann zerfallen sie und setzen die positiv geladenen Gallium-Ionen frei. Das passiert genau in dem Moment, in dem die Komplexe aus der chlorhaltigen Ausgangslösung durch die Membran in die chlorfreie Waschlösung wandern. Gallium und Arsensäure werden auf diese Weise voneinander getrennt und die Bildung des giftigen Gases Arsin verhindert. Mithilfe von Transportmodellen, die die Prozesse an den Membranen vorhersagen können, ist es dem Werkstoffwis- senschaftler gelungen, seine Ergebnisse an einer Testanlage zu demonstrieren. Das Verfahren ist vielversprechend: Einmal in die Praxis umgesetzt, könnte es gelingen, jährlich bis zu zweieinhalb Tonnen an Gallium mit einem Marktwert von etwa einer halben Million Euro in der Wafer-Herstellung einzusparen. DIALYSE: 2014 erhielt die Recyclingmethode den „Deutschen Rohstoffeffizienz-Preis“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Foto: BGR | Uppenkamp _Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie am HZDR Prof. Christiane Scharf | Oliver Zeidler c.scharf@hzdr.de | o.zeidler@hzdr.de KONTAKT

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