Bioleaching Alex Williams

Referat Abfalltechnik, ETH Zürich, FS 2013 Alex Williams Bakterielle Rezyklierung von metallhaltigen Abfällen Warum Metalle rezyklieren? In Zeiten von steigenden Rohstoffpreisen und der Endlichkeit geogener Ressourcen kommt der Rezyklierung immer grössere Bedeutung zu. Mit immer neuen Prozessen und Techniken kann die Effektivität teils enorm gesteigert werden. In der Zwischenzeit sind die Preise einzelner Metalle genügend hoch, dass es aus finanzieller Sicht lohnenswert ist, diese herauszuarbeiten. Verschiedenste Regierungen verlangen nach immer effizienteren Ressourcennutzungen und eine drastische Erhöhung praktisch aller Minieralressourcen unterstützen diese Entwicklung. Von 62 untersuchten Metallen hatten nur deren 18 eine Recyclingrate von höher als 50%. Dies ist besonders bei den seltenen Erden problematisch. Schätzungen zufolge wird deren Nachfrage bis 2030 nochmals deutlich erhöht. So glaubt man, wird Indium einen Zuwachs von bis zum achtfachen des heutigen Verbrauches durchleben (Dünnfilmbeschichtungen und Legierungen als Anwendungen). Was also tun? Sekundäre Lagerstätten erweisen sich als Goldgrube für sämtliche Materialien. Beispielsweise haben 40 alte Mobiltelefone derselbe Goldgehalt wie in einer Tonne Erz. Des weiteren befindet sich in der Flugasche einer Kehrichtsverbrennung die doppelte Menge Blei pro Kilogramm, als in dessen Erz. Bakterielle Rezyklierung Heutzutage sind sehr viele Verfahren zur Metallrückgewinnung bekannt. Dazu gehört auch die biologische Laugung (engl. „bioleaching“). Der Prozess, mit Bakterien Metalle zu lösen, ist keine neue Erfindung. Im Bergbau wurde diese Technik bereits erfolgreich Angewendet, was bedeutet, dass deren Erfahrung für die Abfallbearbeitung eingesetzt und die Prozesse adaptiert werden könnten. In industriellen Prozessen wird es immer wesentlicher, sich an natürliche biogeochemische Kreisläufe anzulehnen, um eine nachhaltige Entwicklung garantieren zu können. Das Potential solcher Biotechnologischen Vorgänge ist enorm, was bereits beim Kompostieren oder der Produktion von Biogas zu bestaunen ist. Die biologische Laugung lehnt sich an das Vermögen von Bakterien, feste mineralische Stoffe aufzulösen. Diese basiert auf hauptsächlich drei Vorgängen: • Redoxolyse: Die Redoxolyse stützt sich darauf, dass Metalle mikrobiell oxidiert oder reduziert werden können. Dabei wird die Mobilität des Metalls erhöht, womit dieses chemisch deutlich einfacher herauszuholen ist. • Acidolyse: Mit der Ausscheidung von Protonen durch Bakterien wird die Metallmobilität erhöht, indem sich die Protonen an der Metalloberfläche sorbiert und Metallionen ausgetauscht werden. • Komplexolyse: Mikroorganismen scheiden Chelatbilder aus, welche durch Ligandenaustausch an festen Oberflächen lösliche Metall-­‐Chelate bilden. Auch hier wird dabei die Mobilität des Metalls erhöht. 1 Referat Abfalltechnik, ETH Zürich, FS 2013 Alex Williams Bakterien oder Pilze die oben genannte Charakteristiken zeigen benötigen häufig Kohlenstoffe um ihre Wirkung zu entfalten. Beispiele hierzu wären folgende: • Aspergillus niger: Auch Schwarzschimmel genannt, ist ein Pilz, welcher auf der ganzen Welt vorkommt und normalerweise hauptsächlich verdorbene Lebensmittel befällt. A. niger benutzt Saccharose als Kohlenstoffquelle. • Acidithiobacillus sp.: Die bereits intensiv beim Bergbau genutzte Acidithiobacillus Bakterie bewohnen Gesteine und Bergwerke. Durch Oxidation können Metalle mit deren Hilfe gelöst werden, wobei sie auf Schwefelpulver angewiesen ist. • Pseudomonas putida: Das allgegenwärtige Pseudomonas Bakterium lebt im Boden und wird in vielen verschiedenen Bereichen der modernen Technik eingesetzt. Beim bioleaching ist es auf Glucose als Kohlenstoffquelle angewiesen. Anwendungsbeispiele Ein mögliche Anwendung für die biologische Rezyklierung ist die Wiederverwertung von Elektronik-­‐Schrott. Diese bieten sich als idealen Metall-­‐Spender an, da sie nach dem Verbrennungsvorgang die optimale Korngrösse für eine biologische Behandlung aufweisen. Hier sind die Werte von Kupfer, Blei, Nickel und Zink deutlich über dem wirtschaftlichen Grenzgehalt von Erzen. Pilze, wie der Aspergillus niger, wären in der Lage, Aluminium, Blei, Nickel oder Zink zu mehr als 95% zu mobilisieren, Zinn und Kupfer bis zu etwa 65%. Die erwähnten Acidihiobacillen würden Aluminium, Kupfer, Nickel oder Zink aus den Abfällen lösen. Um an das Gold heranzukommen, wäre der Einsatz von Blausäuren-­‐bildenden Bakterien von Nöten. Diese wären in der Lage knapp 70% des Goldes aus den Computer-­‐Leitplatten zu mobilisieren. Ein weiteres Anwendungsbeispiel wäre, das Lösen von Kobalt aus dem Schleifstaub. Dieses ist besonders für Legierungen von grosser Bedeutung und daher aus wirtschaftlicher Sicht interessant. Bekanntlich entstehen bei metallischen Schleifvorgängen grosse Mengen an Staubverlusten. Diese setzen sich beispielsweise aus 500g Eisen, 180g Aluminium, 106g Wolfram und 33g Kobalt zusammen. Mit Hilfe des Pilzes Trichoderma viride, welcher auf faulenden Pflanzen-­‐ bzw. Holzresten zu finden ist, war es möglich, nach drei Wochen 6% Kobalt aus dem Schleifstaub herauszulösen. Zukunft Sekundäre Rohstoffe werden in absehbarer Zukunft von grösster Wichtigkeit sein. So werden nebst chemischen und physikalischen Vorgängen, biologische Verfahren unausweichlich werden. Um sich an natürliche Kreisläufe anlehnen zu können, müssen Technologien optimiert und kombiniert werden. So werden Bakterien und Pilze über die Mikrobiologie zur Verfügung stehen, optimierte Prozesse aus Sicht der Verfahrenstechniker (zB. Batch Reaktoren) und aus Sicht der Abfallwirtschaft verschiedenste metallhaltige Rückstände. Diese effektive Kombination führt uns in eine nachhaltige Zukunft und ermöglicht uns eine vorteilhafte Kreislaufwirtschaft. Quellen •
•
•
http://www.its.sh.ch/fileadmin/41._ITS_Techno-­‐Ap_ro_Pr_si_Reller.pdf http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/4/cm/komplexe.vlu/Page/vsc/de/ch/4/cm/
komplexe/chelateffekt.vscml.html http://www.zora.uzh.ch/72928/1/Brandl_Umweltperspektiven12.pdf 2