291 - Schaltbare Polymere zur selektiven Metallrückgewinnung aus komplexen Lösungen

Herausforderung

Metalle wie Kupfer, Kobalt, Nickel oder seltene Erden sind unverzichtbare Rohstoffe – ihre Trennung und Rückgewinnung aus komplexen Mischungen, etwa in Altbatterien, Elektrogeräten oder Bergbauabwässern, gestaltet sich jedoch oft schwierig und ineffizient. Bisherige Trennverfahren wie Fällung, Ionenaustausch oder Membranfilter stoßen vor allem dann an Grenzen, wenn viele verschiedene Metallionen gemeinsam in einer Lösung vorliegen oder eine besonders hohe Selektivität gefragt ist. Hinzu kommen erheblicher Energiebedarf, hoher Materialeinsatz und in vielen Fällen erschwerte Rückgewinnung der gefilterten Metallionen.

Unsere Lösung

Ein Forschungsteam der TU Clausthal hat sogenannte "schaltbare Adsorptionsmaterialien" entwickelt – Polymere, die spezielle molekulare Bausteine (Punicine und Ylide) enthalten und deshalb wie intelligente Filter wirken. Diese Funktionseinheiten können durch äußere Reize, zum Beispiel Licht oder pH-Wert, „geschaltet“ werden: Sie ändern ihre chemische Affinität und selektive Bindungsfähigkeit zu bestimmten Metallionen. Dadurch wird es möglich, diese Metallionen – selbst aus komplexen Lösungen – gezielt aufzunehmen. Nach dem Adsorptionsvorgang lassen sich die gebundenen Metallionen durch einen erneuten „Schaltvorgang“ wieder aus dem Polymer lösen und zurückgewinnen. Das Adsorptionsmaterial kann danach wiederverwendet werden.

Vorteile

• Hohe Selektivität: Bestimmte Metalle werden gezielt erkannt und gebunden – auch aus komplexen Mischungen mit vielen verschiedenen Kationen und Anionen.
• Schaltbarkeit: Die Aufnahme und Abgabe der Metalle lässt sich reversibel und einfach steuern – durch Licht (auch UV) und/oder Anpassung des pH-Wertes.
• Wiederverwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit: Die Materialien sind robust, regenerierbar und lassen sich mehrfach nutzen, was Entsorgungs- und Materialkosten senkt.
• Breites Anwendungsspektrum: Von der Reinigung und Rückgewinnung kritischer Metalle aus Altbatterien, Elektronikschrott oder Bergbauabwässern bis zur Trinkwasseraufbereitung.
• Umweltfreundlichkeit: Es werden weniger Chemikalien benötigt, die Prozesse sind energiearm und tragen zur Kreislaufwirtschaft bei.

Entwicklungsstand

Die schaltbaren Polymere wurden im Labor erfolgreich synthetisiert, umfassend charakterisiert und in Modellversuchen mit künstlichen sowie realen Metallionenmischungen getestet. Je nach eingestellten Bedingungen (Licht, pH) konnten gezielt verschiedene Metalle selektiv aus dem Gemisch entfernt und wieder zurückgewonnen werden – etwa Kupfer, Eisen, Quecksilber, Silber, Bismut, Chrom, Cadmium und andere. Zudem werden unterschiedliche Polymerformen und Harztypen weiterentwickelt und an spezifische Anwendungsfelder angepasst.