Faszination Technik Lithium mit einem Naturstoff aus dem Granatapfelbaum recyceln

Anbieter zum Thema

Technische Universität Clausthal

SCHMIDT-KUPPLUNG GmbH

Ruderer Klebetechnik GmbH

HEICO Befestigungstechnik GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie die Lithiumrückgewinnung aus Schmelzschlacken mit einem Naturstoff aus dem Granatapfelbaum effizienter wird.

Lithium-Ionen-Batterien durchdringen unseren Alltag: Sie versorgen etwa Notebooks, Smartphones, E-Autos und vieles mehr kabellos mit Strom. Der zunehmende Einsatz dieser Batterien verlangt nachhaltige Recyclingmethoden. Doch die Rückgewinnung von Lithium ist derzeit noch teuer und wenig ertragreich. Forschende der TU Clausthal haben mit dem Naturstoff Punicin und seinen Derivaten einen Weg gefunden, der – angewendet im Trennverfahren der Flotation – hohe Rückgewinnungsquoten von Lithium ermöglicht.

Ladung von einfach positiv bis zweifach negativ durch den pH-Wert einstellen

Punicin heißt die chemische Substanz, die 1994 aus den Blättern eines Granatapfelbaums isoliert und an der TU Clausthal in der Gruppe von Prof. Andreas Schmidt vom Institut für Organische Chemie in vielerlei Hinsicht umfassend erforscht wurde. Das Besondere an diesem einfachen Naturstoff (besteht aus einem Hydrochinon und einem Pyridiniumring) ist seine Schaltbarkeit: So kann seine Ladung von einfach positiv bis zweifach negativ durch den pH-Wert eingestellt werden. Unter Bestrahlung bildet das Punicin schon mit normalem Tageslicht Radikale, so dass es im Licht andere Eigenschaften hat als in der Dunkelheit. Die Einfachheit seiner Struktur eröffnet Möglichkeiten, das natürliche Punicin nach dem Baukastenprinzip chemisch zu verändern und eine Vielzahl an Derivaten herzustellen, etwa auch schaltbare oberflächenaktive Moleküle.

Rückgewinnungsraten von bis zu 92 Prozent

Die Technik der Flotation wird seit langer Zeit in der Erzaufbereitung angewandt. Nun wird es auch für das Lithiumrecycling genutzt, denn aus pyrometallurgischen Schlacken gewonnene künstlich erzeugte Lithiummineralien (sogenannte EnAMs – engineered artificial minerals) können damit gesammelt werden. Die Gruppe um Prof. Schmidt forscht im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 2315 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an Strukturoptimierungen und Mechanismen des Punicins, um so Lithium sowie weitere kritische Rohstoffe durch Abtrennung von wertlosen Materialien (Gangmaterialien) für das Recycling anzureichern.

Die Punicin-Sammler binden sich an die Oberfläche von Mineralpartikeln wie Lithiumaluminat und führen so dazu, dass die Oberflächen dieser Partikel wasserabstoßend werden. Dadurch werden die wertvollen Lithium-haltigen Mineralien durch Luftblasen an die Oberfläche transportiert, während Gangmaterialien nicht flotiert werden. Ein weiterer Clou: Durch die Möglichkeit, Eigenschaften der Punicine durch Licht in Kombinationen mit pH-Werten zu „schalten“, kann die Oberflächenwechselwirkung selektiver gestaltet und die Flotation verbessert werden. „Wir haben inzwischen über 50 verschiedene Punicine hergestellt, charakterisiert und im Lithiumrecycling getestet. Uns gelingen Rückgewinnungsraten von bis zu 92 Prozent, wenn die Parameter der Flotation mit neuen Punicinen optimiert sind“, erläutert Doktorand Max Fischer. Deshalb wird derzeit untersucht, Punicinderivate auch für die Rückgewinnung weiterer Lithium-EnAMs wie Lithiummanganaten sowie anderer werthaltiger Mineralien von Kupfer oder Tantal anzuwenden.

„Lithium-Recycling ist eine herausfordernde Aufgabe, die nur in Zusammenarbeit mit vielen Kolleginnen und Kollegen anderer Fachdisziplinen gelingen kann“, sagt Prof. Schmidt. Deshalb arbeiten die Forschenden aus der Organischen Chemie in diesem Projekt an der TU Clausthal mit den Gruppen von Prof. Ursula Fittschen (Institut für Anorganische und Analytische Chemie), Prof. Michael Fischlschweiger (Institut für Energieverfahrenstechnik und Brennstofftechnik), Prof. Alfred Weber und Dr. Annett Wollmann (Institut für Mechanische Verfahrenstechnik) sowie Dr. Thomas Schirmer (Institut für Geotechnologie und Mineralische Rohstoffe) sowie weiteren externen Forschenden von der TU Bergakademie Freiberg, der TH Nürnberg und der RWTH Aachen zusammen.

(ID:50571056)