Rund sechzig verschiedene Metalle kann ein modernes Smartphone enthalten. Zu den bekanntesten Metallen zählen sicherlich Lithium in den Akkus, Kupfer in elektrischen Verbindungen und Drähten sowie Silizium für die Prozessoren. Alle Komponenten eines Smartphones sind für ihre Funktion auf bestimmte Elemente angewiesen. Einige davon haben nur begrenzte geologische Vorkommen; manche fallen nur indirekt als Nebenprodukt beim Abbau anderer Materialien an. Hinzu kommt, dass der Abbau von Metallen und ihren Erzen mit einem hohen Aufwand und einem gewissen Grad an Umweltverschmutzung verbunden ist.

Deshalb sind Kreislaufwirtschaften für wichtige Rohstoffe äußerst erstrebenswert, auch wenn sie den Abbau nicht vollständig ersetzen können. Vorbilder für gut funktionierende Kreisläufe sind Kupfer und Blei – mindestens die Hälfte der weltweiten Produktion dieser Metalle stammt aus Recyclingverfahren.In diesem Zusammenhang wird die Rückgewinnung von Elementen aus industriellen Abwässern oder natürlichen Gewässern zunehmend wichtiger. Eine Forschergruppe von der Yale University in New Haven um Menachem Elimelech hat nun untersucht, welche Elemente und Verfahren sich dazu am ehesten eignen.

Da eine Rückgewinnung aus Abwässern sehr aufwendig ist, lohne sich der Prozess nach Ansicht der Forscher nur unter bestimmten Voraussetzungen: Das Element sollte möglichst selten, gefragt und schwer abbaubar sein. Das treffe vor allem auf seltene Erden und Materialien für Batterietechniken (Lithium und Kobalt) sowie auf Germanium und Vanadium zu, berichten die Wissenschaftler im Journal „Nature Water“. Lohnen würde sich ein solches Verfahren allerdings nur, wenn das Abwasser eine ausreichend hohe Konzen­tration des jeweiligen Elementes aufweist. Als Beispiel nennen die Forscher die Rückgewinnung von Gallium aus den Abwässern von Anlagen zur Halbleiterproduktion.

Wie man Metall-Ionen voneinander trennt

Besonders aussichtsreich seien elek­trochemische Trennverfahren. Metalle liegen in wässriger Lösung meist als geladene Ionen vor, die entlang eines angelegten elektrischen Feldes je nach Ladung zum Plus- oder Minuspol wandern. Die Elektroden bestehen aus porösen Materialien, die Metall-Ionen spezifisch binden oder einlagern, solange eine Spannung anliegt. Nach der Ladephase wird das Abwasser durch eine Salzlösung ersetzt. Zum Entladen wird die angelegte Spannung umgepolt, wodurch die gebundenen Ionen freigesetzt werden und sich in der Salzlösung gezielt anhäufen. Die größte Schwierigkeit dieser Verfahren ist bisher, dass die Elektrodenmaterialien sich mit der Zeit zersetzen.

Eine weitere Möglichkeit, Ionen aus Lösungen anzureichern oder zu entfernen, sind Membranverfahren, wie sie zum Beispiel bei der Aufbereitung von Trinkwasser genutzt werden. Die Membranen bestehen meist aus Kunststoffen und haben kleine Poren, die für bestimmte Ionen durchlässig sind. Durch Druck, Strom oder Konzentrationsgefälle lässt sich steuern, welche Ionen die Membran in welcher Richtung passieren. So lassen sich bestimmte Ionen aus der Abwasser-Lösung aussieben. Kritisch für Membranverfahren sind die Selektivität und Transportgeschwindigkeit. Die Yale-Forscher um Elimelech erhoffen sich weitere Fortschritte durch neue Membranen aus Nanomaterialien, Flüssigkristallen oder porösen Gerüstverbindungen.

Die Rückgewinnung von Metallen aus festen Abfällen, also Schrott, hingegen ist längst gängige Praxis. Im Trend liegen derzeit Recyclinganlagen für Edelmetalle und Lithium-Ionen-Akkus. Ein Beispiel ist das in Hanau angesiedelte Technologieunternehmen Heraeus, das weltweit Anlagen zur Rückgewinnung von Edelmetallen aus allen erdenklichen Industriezweigen betreibt. Zwei weitere Anlagen in den Vereinigten Staaten und China in Kooperation mit der BASF wurden erst im vergangenen Jahr angekündigt. Allein in Europa werden bereits pro Jahr fünfzig Kilotonnen Lithium-Ionen-Akkus recycelt, Tendenz steigend. Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe könnten bis zum Jahr 2040 bereits vierzig Prozent des benötigten Kobalts und jeweils fünfzehn Prozent des Lithiums, Nickels und Kupfers für die Produktion neuer Lithium-Ionen-Akkumulatoren durch Recycling abgedeckt werden.