04.03.2021 - Iowa State University of Science and Technology

Reine und wertvolle Metalle aus Elektronikschrott zurückgewinnen

"Es ist, als wäre man ein Metallflüsterer. Wir sorgen dafür, dass die Dinge so laufen, wie wir wollen"

Inspiriert von der Arbeit der Natur, die in Höhlen stachelige Strukturen bildet, haben Ingenieure der Iowa State University eine Technologie entwickelt, die in der Lage ist, reine und wertvolle Metalle aus den Legierungen unserer alten Telefone und anderem Elektroschrott zu gewinnen.

Durch die kontrollierte Anwendung von Sauerstoff und relativ niedrigen Temperaturen können die Ingenieure ein Metall entmetallisieren, indem sie die reaktionsfreudigsten Komponenten langsam an die Oberfläche bringen, wo sie stalagmitenähnliche Stacheln aus Metalloxiden bilden.

Die am wenigsten reaktiven Komponenten verbleiben in einem gereinigten, flüssigen Kern, der von spröden Metalloxidspitzen umgeben ist, um eine so genannte 'Schiff-in-einer-Flasche-Struktur' zu schaffen", so Martin Thuo, Leiter des Forschungsprojekts und außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Iowa State University.

"Die Struktur, die entsteht, wenn das Metall geschmolzen wird, ist analog zu gefüllten Höhlenstrukturen wie Stalaktiten oder Stalagmiten", sagte Thuo. "Aber anstelle von Wasser verwenden wir Oxidation, um diese Strukturen zu erzeugen."

Startkapital der Universität und ein Teil eines Zuschusses des U.S. Department of Energy Small Business Innovation Research unterstützten die Entwicklung der Technologie.

Thuo merkte an, dass dieses Projekt das genaue Gegenteil der früheren Arbeit seiner Forschungsgruppe zur Entwicklung von hitzefreiem Lot ist.

"Mit hitzefreiem Lot wollten wir Dinge zusammenfügen", sagte er. "Mit diesem wollen wir die Dinge auseinanderfallen lassen."

Aber nicht einfach auseinanderfallen, egal wie. Thuo und die Ingenieure in seiner Forschungsgruppe wollen genau kontrollieren, wie und wo Legierungsbestandteile auseinanderfallen, oder dealloy.

"Es ist, als wäre man ein Metallflüsterer", sagt er. "Wir bringen die Dinge dazu, so zu werden, wie wir es wollen."

Die Ingenieure boten eine genauere Beschreibung in ihrem Paper: "Diese Arbeit demonstriert das kontrollierte Verhalten der Oberflächenoxidation in Metallen und ihr Potenzial für das Design neuer Partikelstrukturen oder die Reinigung/Dealloyierung. Durch die Abstimmung der Oxidation über Temperatur, Oxidationsmittelpartialdruck, Zeit und Zusammensetzung ermöglicht ein Gleichgewicht zwischen Reaktivität und thermischer Verformung noch nie dagewesene Morphologien."

Diese noch nie dagewesenen Formen und Strukturen könnten sehr nützlich sein.

"Wir brauchen neue Methoden, um Edelmetalle aus Elektroschrott oder gemischten Metallmaterialien zurückzugewinnen", sagte Thuo. "Was wir hier zeigen, ist, dass die traditionellen elektrochemischen oder Hochtemperatur-Methoden (über 1.832 Grad Fahrenheit) bei der Metallreinigung möglicherweise nicht notwendig sind, da die Reaktivität des Metalls genutzt werden kann, um die Trennung voranzutreiben."

Thuo sagte, dass die Oxidationstechnologie bei Temperaturen von 500 bis 700 Grad Fahrenheit gut funktioniert. ("Dies wird in einem Ofen eingestellt und bringt Metalle dazu, sich zu trennen", sagte er.)

Neben der Reinigung und Rückgewinnung von Metallen könnte diese neue Idee auch auf die Metallspeziation angewendet werden - die Fähigkeit, die Bildung und Verteilung bestimmter Metallkomponenten zu bestimmen. Eine Anwendung könnte die Herstellung komplexer Katalysatoren sein, um mehrstufige Reaktionen anzutreiben.

Nehmen wir an, Chemiker benötigen einen Zinnoxid-Katalysator, gefolgt von einem Wismutoxid-Katalysator. Sie beginnen mit einer Legierung, bei der das Bismutoxid unter dem Zinnoxid vergraben ist. Sie führen die Reaktion mit dem Zinnoxid-Katalysator durch. Dann erhöhen sie die Temperatur bis zu dem Punkt, an dem das Wismutoxid als Spitzen an die Oberfläche kommt. Und dann wird die Reaktion mit dem Wismutoxid-Katalysator durchgeführt.

Thuo führt die Entwicklung der neuen Technologie auf die Zusammenarbeit mit talentierten Studenten und zwei Mitarbeitern zurück.

"Wir haben auf dieser großen Idee sehr langsam aufgebaut", sagte er. "Und durch die Zusammenarbeit waren wir in der Lage, in diese Wissenslücke vorzudringen."

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