Strategische Metalle - Eigenschaften, Anwendung und Recycling (eBook)

Prof. Dr. sc. nat.  Bernhard Adler, emeritiert, Lehrbeauftragter an der Hochschule Nordhausen. Er verfügt über langjährige Industrieerfahrung und hat als Honorarprofessor an universitären Einrichtungen Vorlesungen zur Atomistik, technischen Chemie und Analytik gehalten. Seine bisherigen Bücher befassen sich mit Spektroskopie, Computerchemie und Seltenen Erdmetallen. 

Inhaltsverzeichnis 5
1 Einleitung 9
2 Versorgungsbasis und Zukunftstechnologien 11
2.1 Kritikalität 11
2.2 Rohstoffbasis aus Bergbau und Urban Mining 13
2.3 Zukunftstechnologien 17
2.4 Rohstoffpreise für Metalle 19
3 Häufigkeiten und Eigenschaften der Metalle 22
3.1 Häufigkeiten der Metall-Elemente in der Erdkruste 22
3.2 Klassifizierung der Metalle 23
3.3 Eigenschaften der Metalle 26
3.3.1 Physikalisch-chemische Eigenschaften 26
3.3.2 Elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit 27
3.3.3 Optische Eigenschaften der Metalle 29
3.3.4 Magnetische Eigenschaften 32
3.3.5 Kristallstrukturen und Legierungsbildung 33
3.3.6 Eigenschaften von dünnen Schichten und Nanokörpern 34
3.3.7 Halbleitereffekte 36
3.3.8 Ausgewählte chemische Eigenschaften der Metalle 38
3.3.8.1 Spannungsreihe der Metalle 38
3.3.8.2 Pyrophore Metalle 42
3.3.8.3 Verhalten gegenüber Gasen 43
3.3.8.4 Spezifische chemische Eigenschaften der SE-Metalle 44
3.3.8.5 Das Reduktionsverhalten der Metalle 47
3.4 Toxizitäten der Industriemetalle 49
3.4.1 Toxizitätsmaße 50
3.4.2 Akute und chronische Toxizität 51
3.4.3 Gentoxizität 54
3.4.4 Ökotoxizität 55
3.4.5 Gefährdungspotenziale und Sicherheitshinweise 56
4 Metallische Rohstoffe – Mineralien, Bergbau und Anreicherung 59
4.1 Mineralien 59
4.2 Bergbau und Lagerstätten 62
4.3 Rohstoffanreicherungen 65
4.4 Rohstoffaufkommen und Fördermengen 65
5 Applikationen Strategischer Metalle 68
5.1 Keramik- und Glasmaterialien EA 68
5.1.1 Funktionskeramiken für elektrische Applikationen 69
5.1.2 Mischoxidkeramiken aus Zr und Y 70
5.1.3 Keramik- und Emaille-Pigmente 73
5.1.4 Poliermittel 75
5.2 Materialien für Laser- und Laserdioden 75
5.3 Leuchtstoffe 80
5.4 Photovoltaik 84
5.5 Bildschirme 87
5.6 Energiespeicher und Energiekonvertierungen 94
5.6.1 Stationäre H2-Speicher 96
5.6.2 Mobile elektrische Speicher 97
5.6.2.1 Lade- und Entladevorgänge 97
5.6.2.2 Lithium-Ionen-Batterie 98
5.6.2.3 NiMH-Akkus 101
5.7 Legierungen 102
5.7.1 Legierungen der Seltenen Erdmetalle 103
5.7.2 Spezielle SE-Legierungen für Hartmagnete 103
5.7.3 Spezielle SE-Legierungen für weiche Magnete 106
5.7.4 Silber-und Silberlegierungen 108
5.7.5 Gold-Legierungen 110
5.8 Katalysatormetalle 111
5.9 Leiterkarten 112
5.10 Kontrastmittel in der Medizin 113
5.11 Spezielle Metallapplikationen 115
5.11.1 Applikationen der Edelmetalle Platin und Palladium 115
5.11.2 Applikationen des Halbmetalles Selen 115
5.11.3 Applikationen der Refraktären Metalle Niob, Tantal und Wolfram 116
5.11.4 Applikationen vom Antimon 118
5.11.5 Applikationen vom Germanium 119
5.11.6 Applikationen vom Indium 120
6 Recycling als Rohstoffquelle 122
6.1 Metallische Rohstoffreserven 122
6.2 Gesetzliche Grundlagen 124
6.3 Aufkommen an WEEE 125
6.4 Materialverluste und Recyclingquoten 126
6.5 Rücknahme, Pfandsysteme und Upcycling 128
6.6 Aufarbeitung von ehemaligen Bergbau- und Hüttenhalden 129
7 Recycling Logistik 130
7.1 Sammeln von Elektroaltgeräten 131
7.2 Demontage von EOL-Produkten 133
7.2.1 Demontage von Laptop-Geräten 134
7.2.2 Demontage von Bildschirm- und TV-Geräten 135
7.2.3 Demontage von Solarmodulen 136
7.2.4 Demontage von Abgaskatalysatoren 137
7.2.5 Demontage von medizintechnischen Geräten 137
7.2.6 Entnahme von Ta-Kondensatoren 138
7.2.7 Recycling von Akkus 139
7.2.8 Zukünftiges Recycling von E-Motoren 140
7.2.9 Demontage von Handys 140
7.2.10 Sammlung von Festplatten 141
7.2.11 Zerlegen von Glasfaserkabeln 141
8 Primäre und sekundäre Metallverhüttung 143
8.1 Pyrometallurgie 143
8.1.1 Metalle aus Metallschmelzen 143
8.1.2 Metallextraktionen durch Seigern 145
8.1.3 Extraktionen von Nd-Abfällen mit Mg oder Ag 146
8.1.4 Pyrolyse mittels Vergasungstechnik 148
8.1.5 Aufarbeitung von Armerzen und hochverdünntem Recyclinggut 149
8.2 Hydrometallurgie 152
8.2.1 Metalle aus Elektrolysen 152
8.2.2 Aufschlüsse mit Säuren 153
8.2.2.1 Aufschlüsse mit Schwefelsäure und Flusssäure 153
8.2.2.2 Saure Aufschlüsse zum Recycling glashaltiger SE-Materialien 154
8.2.2.3 Recyclingtechnologien für Pt- und Pd-Abfälle 155
8.2.2.4 Primär- und Sekundärgewinnung von Indium 156
8.2.2.5 Recyclingtechnologie von Cd-Te-Solarmodulen 157
8.2.2.6 Germanium – Herstellung und Recycling 158
8.2.2.7 Ga-Gewinnung und Recycling aus GaAs-Abfällen 159
8.2.2.8 Se- und Te-Gewinnung 160
8.2.2.9 Recycling von Se-Abfällen aus CIGS-Solarmodulen 161
8.2.2.10 Affination 163
8.2.3 Basische Aufschlüsse zur Metallgewinnung 163
8.2.3.1 Cyanidlaugerei zur Aufarbeitung von Ag- und Au- Materialien 163
8.2.3.2 Alkalischer Aufschluss bei SE-Rohstoffen 164
8.2.3.3 Alkalisch oxidierender Aufschluss zur W-Gewinnung 165
8.2.4 Verluste bei hydrometallurgischer Gewinnung 165
8.3 Extraktion mit Reaktantgasen 167
8.3.1 Extraktion mit Cl2 oder HCl 167
8.3.2 Extraktion mit Wasserstoff 171
8.3.3 Umsetzung durch Verbrennung von Recyclingmaterialien 172
8.4 Herstellung von Lithium 172
8.5 Hochreine Metalle 173
8.6 Recycling von Polystyrenabfällen 174
9 Recycling und Umwelt 176
9.1 Recycling als Klimaschutz 176
9.2 Ökotoxikologische Probleme bei der Abwasseraufarbeitung 177
9.2.1 Nanosilber im Abwasser 177
9.2.2 Gd-Ionen im Abwasser 177
9.2.3 Schwermetallionen aus Elektrolysebädern 179
9.3 Hg-Schadstoffentfrachtung beim Recycling von Leuchtstoffröhren 179
9.4 Schadstoffe bei Pyrolyseverfahren 180
10 Substitutionen Kritischer Elemente 181
10.1 Substitutionsmodelle 181
10.2 Substitutionsbeispiele für SE-Metalle 183
10.2.1 Statikspeicher für Kleinrechner 183
10.2.2 Reluktanzmotor 183
10.2.3 Substitution der Gd-Kontrastmittel 184
11 Elementanalytik 186
11.1 Probenahme und Probenvorbereitung 186
11.2 Spektroskopische Bestimmungsverfahren 186
11.2.1 Atomemissionsanalyse (AES) 188
11.2.2 ICP-Massenspektroskopie (ICP-MS) 189
11.2.3 Röntgenfluoreszenzanalyse RFA 190
11.2.4 Qualitative UV/VIS-Spektroskopie 191
11.2.5 IR-Spektroskopie 192
11.3 Quantitative Analytik, Reinheit und Konzentrationsmaße 194
11.3.1 Quantitative UV/VIS-Spektroskopie 194
11.3.2 Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) 195
11.3.3 Dotierung und Reinheit 196
11.4 Sensorik und analytische Schnellbestimmungen 197
12 Anhang 199
Tabellen 199
Wissenschaftlerverzeichnis 205
Glossar 208
Literatur 238
Index 247