Recycling von SE aus Leuchtstoffpulver - Phase I (Laborversuche zum Nachweis der Reinheit der aus Leuchtstoffpulver gewonnenen SE-Metalloxide nach dem CHEMBOX-Verfahren)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 484.14.14

Schlüsselwörter (Deutsch)

Recycling, Leuchtstofflampen, BLUBOX, Leuchtstoffpulver, seltenen Erden, Yttrium, Terbium, Europium, Trennverfahren, CHEMBOX, Metalloxide, Yttriumoxid, Terbiumoxid, Extraktion, Quecksilber, Quecksilberdestillation, Gips

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Beim Recycling von Leuchtstofflampen mit dem BLUBOX-Verfahren fällt Leuchtstoffpulver an, das einen hohen Anteil an seltenen Erden (Yttrium, Terbium, Europium), fortan SE genannt, enthält. Diese gehören zu den strategischen Rohstoffen der Zukunft, weil diese in vielen neuartigen Technologiebereichen und Industriezweigen unverzichtbar geworden sind. Bisher wurden die anfallenden Pulver in der Regel unterirdisch deponiert mit entsprechenden Kostenfolgen.

Die Firma Air Mercury AG kann im Labor mittels eines physikalisch-chemischen Trennverfahrens, genannt CHEMBOX-Verfahren, ca. 90% der im Leuchtstoffpulver enthaltenen seltenen Erden als vermarktungsfähige Metalloxide zurückgewinnen.

Das Laborverfahren ist bereits dokumentiert und bis zu Reinheitsgraden von 95 % bei drei SE-Metalloxiden (Yttrium-, Terbium- und Europiumoxid) getestet. Nun sollen im Labormassstab über das Verfahren der Selektivionentauschertechnologie bzw. alternativ mit Flüssig-Flüssig-Extraktion die SE-Metalloxide auf eine Reinheit von mind. 99 %, verbunden mit einem Endwert von 99,99 % aufgereinigt werden. Dies entspricht den vom internationalen Markt geforderten Reinheitsgraden für den Verkauf der SE-Metalloxide an die Industrie.

Ein weiterer positiver Umweltaspekt des Verfahrens besteht darin, dass das im Leuchtstoffpulver mit ca. 1000 mg/kg enthaltene Quecksilber in den Prozessschritten als Filterkuchen abgetrennt und aufkonzentriert wird. Der Filterkuchen kann in einer Quecksilberdestillationsanlage vom Quecksilber befreit und danach in der Baustoffindustrie als Recycling-Gips wiederverwertet werden.

Eine Pilotanlage für das CHEMBOX-Verfahren soll an einem geeigneten Standort in der Schweiz mit einem Durchsatz von ca. 25-50 kg/h bzw. 100-200 t/a gebaut werden, um damit das bei der Firma SOVAG anfallende Leuchtstoffpulver aus der BLUBOX sowie weitere SE-Metalle enthaltende Sekundärrohstoffe mit ähnlicher Zusammensetzung aus anderen Recyclinganlagen oder aus der Industrie zu verarbeiten.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1     Aus dem bereitgestellten Leuchtstoffpulver der BLUBOX sollen mittels Aufschluss- und Trennverfahren 95 %-ige SE-Konzentrate als Nitratlösungen produziert werden. (Meilenstein 1).

2     Aus den 95 %-igen SE-Konzentraten sollen im Labormassstab die SE-Metallnitrate Yttrium, Terbium und Europium mit einem Reinheitsgrad von 99 % (durch Flüssig-Flüssig-Extraktion) hergestellt werden. (Meilenstein 2). Dieses Ergebnis dient als Basis zur weiteren Aufreinigung auf über 99%, idealerweise über 99,9%.

3     Das Konzept für das Up-Scaling und die Realisierung einer Pilotanlage zur Rückgewinnung der SE-Metallnitrate Yttrium, Terbium und Europium mit Reinheitsgraden von >99% ist durch den Beauftragten 1 – Air Mercury AG - ausformuliert. (Meilenstein 3).

4     Ein Businessplan, welcher sämtliche Aspekte wie Erstellung und Betrieb der Pilotanlage, Kosten der Abfallentsorgung, Logistik der europaweiten Zulieferung, Lagerhaltungskosten, Markterlöse, usw. beinhaltet, ist dem BAFU zugestellt.

5     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 3.1 bis 3.4.

6     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets.

7     Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung.

Projektziele (Deutsch)

Im Labormassstab soll der Nachweis erbracht werden, dass eine Rückgewinnung der SE-Metalloxide Yttrium, Terbium und Europium aus Leuchtstoffpulver mit Hilfe des CHEMBOX-Verfahrens im ersten Schritt bis zu einer Reinheit von mindestens 99% möglich ist. In weiteren Reinigungsschritten sollen darauf aufbauend höhere Reinheiten von 99,9 bis 99,99 % erreicht werden.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Mit der BLUBOX-Technologie werden Energiesparlampen und PC-Monitore rezykliert. Lampen und Monitore werden dabei geschreddert, wobei ein pulverförmiger Rückstand, das sogenannte Leuchtstoffpulver (LSP) übrigbleibt. Dieses Pulver weist hohe Konzentrationen (10-15%) von Metalloxiden aus Seltenen Erden {SE) auf. In diesem Projekt wurde ein Prozess vorgeschlagen, welcher es erlauben soll die das mit der BLUBOX gewonnene LSP aufzuarbeiten, um die Metalle als reine SE-Oxide oder SE-Salze herzustellen. Grundsätzlich haben SE sehr ähnliche chemisch­physikalische Eigenschaften und sind deshalb schwierig voneinander zu separieren. Die hohe Vergesellschaftung von verschieden SE in elektronischen Apparaten macht eine Trennung zusätzlich schwierig.

 

Das vom BAFU mitfinanzierte Teilprojekt (PHASE 1) zwischen Industrie und dem Paul Scherrer Institut konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Der Durchbruch gelang dank der Idee für ein neues Verfahren mittels Einsatz hydrometallurgischer Techniken, wie Laugung des LSP, Ausfällung, Extraktion mittels Komplexbildnern, Flüssig-Flüssigextraktion sowie Reduktionschemie (Ausnützung der Kationenladungsdifferenz bei bestimmten SE-Elementen). Ein Novum im entwickelten Prozess ist die gezielte Rückgewinnung von einzelnen SE-Elementen (Yttrium, Europium, Terbium) mit mehr als 99% Reinheit. Die Laborresultate zusammen mit der Option der Wiederverwendung von Chemikalien und Rückführung von SE-elementhaltigen Restlösungen in den Extraktionsprozessen, versprechen ein Recycling kommerziell relevanter SE-Elemente zu günstigen Kosten. Ein weiteres Plus ist, dass der Prozess auch einfach für andere SE-Zusammensetzungen und -Abfälle adaptiert werden kann.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Im Rahmen des von BAFU bewilligten Nachfolgeprojektes (PHASE II) wird das PSI zuerst genügend Leuchtstoffpulver für wissenschaftliche Zwecke innerhalb PHASE II und für zukünftige Projekte (Phase III; Pilotanlage) sicherstellen. In PHASE II werden danach Hochskalierungs-Versuche für die Extraktion von 99.9% reinem Yttrium durchgeführt mit Hilfe einer semi­automatischen Mixer-Settler-Anlage. Zudem werden Methoden erarbeitet, um den sehr niedrigen Quecksilbergehalt des Leuchtstoffpulvers mit umweltsicherer Wärmebehandlung weiter zu reduzieren (<10 ppm). Ausserdem soll die Patentierung des von uns erarbeiteten Prozesses in Betracht gezogen werden.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Der letzte anvisierte Projektteil (Phase III} beinhaltet Planung und Bau der Pilotanlage - sowie die Hochskalierung und Feinabstimmung der verschiedenen Prozessschritte. Die auf der Anlage hergestellten Muster aus 99.99% reinen Y-, Tb-, und Eu-Oxiden sollen mithelfen potenzielle Kunden, auch in verwandten Industriebereichen, Anlagenbetreiber und Investoren von der Qualität der Produkte zu überzeugen.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Das vom BAFU mitfinanzierten Teilprojekt (PHASE 1) zwischen Industrie und dem Paul Scherrer Institut zur Rückgewinnung von einzelnen Selten-Erden Elementen (Yttrium, Europium, Terbium) mit >99% Reinheit aus Leuchtstoffpulver von geschredderten Elektronikabfällen wurde erfolgreich abgeschlossen.