Schätze im Produktionsabfall

Das Element Scandium gehört zu den technologiekritischen Rohstoffen und landet doch auf der Deponie – so etwa in Industrieabfällen der Weisspigment- und Aluminiumherstellung. Die von der EU geförderte paneuropäische Forschungskooperation SCALE will das wertvolle Scandium aus Industrieabfällen zurückgewinnen und neue europäische Lieferketten etablieren. Die Nordwestschweiz ist mit der Hochschule für Life Sciences FHNW (HLS) und ihrem Partner GETEC PARK.SWISS AG mit dabei. In einem Pilotversuch in den Industriehallen des Chemieparks testet der HLS-Chemiker Sebastian Hedwig, ob Scandium mittels Filtration aus stark sauren Prozessabwässern extrahiert werden kann. Die vielversprechenden Laborversuche an der HLS sollen damit ihre Praxistauglichkeit in einem grösseren Massstab beweisen und die Technologiereife vorantreiben. Denn bei dem Seltenerdmetall Scandium herrscht europaweit Handlungsbedarf.

Für nachhaltigere Flugzeuge und Brennstoffzellen
Scandium ist für viele Industriezweige wichtig, insbesondere für die Luftfahrtbranche, wo es die Stabilität und Schweissbarkeit von Aluminiumlegierungen verbessert und damit den Bau leichterer und treibstoffsparender Flugzeuge ermöglicht. Durch seinen Einsatz in Festoxidbrennstoffzellen ist es auch für die alternative Stromproduktion wichtig. «Man hat also ein Element mit grossem Potenzial, aber keine ausreichende Versorgung», sagt der Umweltbiotechnologe Markus Lenz von der HLS. Der Forscher ist mit seinem Team an dem von Horizon 2020 geförderten EU-Projekt SCALE beteiligt. SCALE steht für «Production of Scandium compounds and scandium aluminium alloys from European metallurgical by-products».

Europa besitzt keine gut verwertbaren natürlichen Scandium-Vorkommen, dafür viele Millionen Tonnen Abfälle aus der Aluminiumproduktion und der Herstellung des Weisspigments Titandioxid. «Diese Abfälle enthalten in geringen Mengen auch das wertvolle Scandium», erklärt Lenz. «Wenn sich europäische Länder diese sekundären Scandium-Quellen erschliessen, haben wir einen doppelten Gewinn. Abfälle werden nutzbringend aufbereitet und wir verschaffen der Luftfahrt- und Hightech-Industrie in Europa eine gewisse Unabhängigkeit.» Die Forschenden der HLS haben im SCALE-Projekt einen wichtigen Teilprozess entwickelt, bei dem das Ausgangsmaterial für die weiterführende Scandium-Produktion entsteht. Diese übernehmen dann Projektpartner in anderen Ländern Europas.

Eine gelungene Kooperation
«Für unsere Versuche haben wir Prozessabwasser aus der Weisspigmentherstellung in den Niederlanden bekommen. Aus diesem Abwasser müssen wir störende Stoffe entfernen und dann die Flüssigkeit so aufkonzentrieren, dass sie besonders viel Scandium enthält», erklärt Hedwig. An seinem Versuchsplatz im Chemiepark GETEC PARK.SWISS stehen mehrere kubikmetergrosse Kunststofftanks. Die braune saure Abwasserbrühe in einem der Tanks wirkt wenig umweltfreundlich: Sie ist korrosiv und enthält einen ganzen Cocktail an Metallen. Für GETEC PARK.SWISS ist der Umgang mit solchen Stoffen Alltagsgeschäft. Mit seiner Infrastruktur, den hohen Sicherheits- und Umweltstandards und dem Know-how der Mitarbeitenden ist der Chemiepark ein wichtiger Entwicklungspartner, der die Lücke zwischen Labor und Industrie schliesst. Die Scandium-Forschung der HLS entspricht zudem der Unternehmensphilosophie »Waste to Value» der GETEC PARK.SWISS AG, also Abfall als mögliche Ressource zu erkennen: Man beseitigt ihn und gewinnt etwas.

Mehrere Filterstufen halten Scandium zurück
Sebastian Hedwig hat seine Versuchsanlage so konzipiert, dass aus der sauren Abwasserbrühe eine klare, scandiumreiche Flüssigkeit entsteht. Das erreicht er mit einer mehrstufigen Filtration. Zuerst wird das säurehaltige Prozessabwasser vorbehandelt, dann folgt eine Mikrofiltration mittels speziellen Filterbeuteln. Diese sieben Partikel aus, die grösser als ein Mikrometer sind. Anschliessend werden mit einer Ultrafiltration noch jene Partikel entfernt, die kleiner als ein Mikrometer sind. Die letzte und wichtigste Stufe ist die Nanofiltration. «Das Spezielle an der Nanofiltration ist, dass sie nicht Partikel, sondern geladene Teilchen aussiebt», erklärt Hedwig. «Wir wissen, dass Scandium in einer Lösung immer dreifach positiv geladen ist. Eine Nanofiltrationsmembran lässt aber nur einfach geladene Ionen durch, sodass Scandium zurückgehalten wird.» Je grösser und je stärker ein Molekül geladen ist, desto weniger strömt durch die Membran und geht verloren. Mit dem mehrstufigen Filtrationsverfahren konnten die Forschenden unter Laborbedingungen bereits 60–70 Prozent des ursprünglichen Prozessabwassers abtrennen und erhielten ein Konzentrat mit mehr als doppelt so viel Scandium wie zu Beginn der Filtration. 

Der Aufbau der Testanlage und die Auswahl der geeigneten Materialien waren entscheidend für den Erfolg des Projekts. «Da wir mit einem Druck von 35 Bar arbeiten, konnten wir keine Kunststoffteile verwenden», erklärt HLS-Chemiker Hedwig. «Diese würden dem Druck nicht standhalten. Zudem müssen die Materialien über längere Zeit säureresistent sein und dürfen nicht korrodieren.» Die Pilotierung liefert wichtige Daten, um mögliche Schwachstellen des Prozesses auszumachen, die im Labormassstab nicht sichtbar wären. So zeigte sich bereits, dass etwa die Mikrofiltration im Pilotversuch weniger gut funktioniert und die Filter häufiger gewechselt werden müssen. Dennoch konnten die ersten Abwässer im Kubikmeter-Massstab erfolgreich behandelt werden. Dieses Konzentrat wird nun von anderen Projektpartnern zu einem reinen Scandiumprodukt veredelt. Durch die enge Zusammenarbeit europäischer Expertenteams wird also zum ersten Mal Scandium in greifbaren Mengen aus Europas Abfällen produziert.