Teilprojekt 8: MiKa
Chemische Mobilisierung und Mikroalgen-basierte Bioadsorption von Seltenen Erden aus Kaolinit und anderen Wertstoffen
Hintergrund
Seltene Erden (SE) spielen eine tragende Rolle in Zukunftstechnologien, wie beispielsweise bei der Herstellung von Computern, Windkraftanlagen oder Elektroautos. Bisher etablierte Verfahren zur Produktion von SE sind energieintensiv und umweltschädlich. Da es in Europa keine relevanten, lokalen SE-Produktionsstätten gibt, besteht eine nahezu 100-%ige Importabhängigkeit. Die Sicherung der SE-Versorgung ist für den Technologiesektor in Bayern essentiell. Die Gewinnung von SE aus lokalen Rohstoffquellen hat daher großes Potential.
Aufgabenstellung
Das Ziel des Projekts war die Entwicklung und Optimierung eines SE-Anreicherungsverfahrens aus Reststoffströmen der Kaolinproduktion bei den Amberger Kaolinwerken. Das Verfahren sollte dabei durch die Anwendung verdünnter Säuren und die Anwendung von Algenbiomasse ressourcenschonend und nachhaltig sein.
Projektinhalt
Das Projekt MiKa zielte darauf ab, die Rohstoffversorgung mit SE in Bayern zu unterstützen und SE aus lokal vorhandenen Rohstoffquellen zu gewinnen. Zunächst wurde dafür ein neues chemisches Verfahren zur einfachen, umweltverträglichen und effizienten SE-Mobilisierung entwickelt. Anschließend wurde das so erhaltene SE-haltige Eluat in einen mikroalgenbasierten Adsorptionsprozess überführt, um die SE anzureichern.
Durchführung & Ergebnisse
Zur Entwicklung eines umweltschonenden SE-Anreicherungsprozesses wurden zunächst geeignete Ausgangsrohstoffe aus Reststoffströmen der Kaolinproduktion bestimmt. Hierbei zeigte vor allem der Aluminium-Silikat Reststoff „Rejekt1“ einen hohen SE-Anteil mit ca. 2,5 g/kg. Durch ein neuartiges, semikontinuierliches Verfahren mit verdünnten Säuren konnten. 1,4-1,8 g/kg aus dem Rohstoff gelöst werden. Zusätzlich lösten sich weitere Metalle wie z. B. Aluminium, Blei, Silicium oder Eisen. Die Konzentration dieser Störmetalle wurde durch eine chemische Konditionierung mit Natronlauge (NaOH) oder Kalilauge (KOH) gesenkt, wobei vor allem die Konzentrationen von Eisen und Blei erfolgreich reduziert werden konnte. Das SE-haltige Eluat konnte anschließend in einen mikroalgen-basierten Anreicherungsprozess überführt werden. Um geeignete Biomasse für den mikroalgen-basierten Anreicherungsprozess zu produzieren, wurde ein Screening mit 19 verschiedenen Grünalgen und Cyanobakterien-Stämmen durchgeführt. Dabei zeigten vor allem Cyanobakterien gute Metallbindungseigenschaften mit einer Adsorptionskapazität von ca. 0,5-0,7 mmol/g. Als aussichtsreichster Stamm wurde hierbei Synechococcus elongatus ermittelt, da dieser Stamm neben guten Adsorptionseigenschaften eine besonders schnelle Wachstumsrate aufweist, was eine spätere Produktion in industriellem Maßstab erleichtert. Relevante Parameter für den späteren Prozess (pH-Abhängigkeit, Adsorptionskinetik, Adsorptionsisotherme und Bindungsspezifität) wurden näher untersucht und beschrieben. Der entwickelte Prozess wurde an Realproben getestet. Für eine rentable Anwendung des Adsorptionsverfahrens ist eine weitere Optimierung der chemischen Konditionierung sinnvoll, um SE effektiver an die Algenbiomasse zu binden.
Beitrag zur Ressourceneffizienz
Das in diesem Projekt entwickelte Verfahren soll eine Alternative zu umweltschädlichen und energieintensiven industriellen Verfahren zur Gewinnung von SE darstellen. Die für die Gewinnung der SE eingesetzten Ausgangsrohstoffe stellen Reststoffströme aus der Kaolinproduktion dar, die normalerweise auf Halde auf dem Werksgelände der AKW gelagert und nicht weiterverwendet werden. Während der Kultivierung der Mikroalgen kann CO2 aus laufenden industriellen Prozessen gebunden werden. Der Einsatz verdünnter Säuren ist zu dem ressourcenschonender als konventionelle Prozesse. Durch den neu entwickelten Prozess können diese deponierten Reststoffe in eine neue Wertschöpfungskette überführt werden, wodurch auch die bisher deponierten Abfallmengen zur Gewinnung der SE aufgearbeitet werden. Die Endprodukte sollen anschließend gewinnbringend weiterverwendet werden können.
Kurzfilm
Ansprechpartner
Technische Universität München
Department Chemie
Prof. Dr. Thomas Brück
Prof. Dr. Tom Nilges
Weitere Kooperationspartner
Amberger Kaolinwerke Eduard Kick GmbH & Co. KG (92242 Hirschau)
CO2 Biomass UG (80992 München)
Abschlussbericht
Download Abschlussbericht Teilprojekt 8 (PDF)