Freiberger Tagung „Aufbereitung und Recycling“
Nachdem die vorangegangene Tagung „Aufbereitung und Recycling“ als web-Konferenz stattgefunden hatte, konnte die Veranstaltung am 11. und 12. November 2021 wieder als Präsenzveranstaltung vor Ort in Freiberg durchgeführt werden – wenn auch mit begrenzter Teilnehmerzahl. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Hygienemaßnahmen trafen sich auf der hervorragend von der UVR-FIA GmbH in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie am HZDR (HZDR/HIF) und der TU Bergakademie Freiberg durchgeführten Veranstaltung rund 80 angemeldete Fachleute, die sich diese Gelegenheit der persönlich geführten Fachdiskussionen – während der Tagung wie auch während der Abendveranstaltung am ersten Konferenztag – nicht entgehen lassen wollten.
Dr. Henning Morgenroth, einer der beiden Geschäftsführer der UVR-FIA GmbH, eröffnete die Tagung mit einer kurzen Präsentation der Firma und einem Überblick über die aktuellen Arbeits- und Forschungsgebiete. Direkt im Anschluss startete Dr. Morgenroth in die Vortragsreihe des ersten Tages mit einem Bericht über die „Aufbereitung von Rohkaolin“. An einem Praxisbeispiel zeigte er auf, welche Untersuchungen am Rohstoff Kaolin durchgeführt werden müssen, um an einer Lagerstätte das Potenzial und die Qualität des Rohstoffes zu bewerten. Dr. Morgenroth ging anschließend auf die einzelnen Prozessschritte zur Herstellung der Produkte Quartz- bzw. Glassand und Kaolin ein, wie Aufschlämmen, Sieb- und Hydroklassierung, Attrition, Dichtesortierung sowie schwerpunktmäßig die Hochgradienten-Magnetscheidung.
Die „Optimale Ultrafeinsandrückgewinnung – AKA-SILT-System“ war Thema des Vortrags von Robert Claußnitzer, AKW Apparate + Verfahren GmbH. Um die Rückgewinnung von feinem Sand im Bereich von 0 – 150 µm zu maximieren und die Belastung von Schlammsedimentationsteichen zu reduzieren hat die AKW Apparate + Verfahren GmbH mit dem sog. AKA-SILT-System eine maßgeschneiderte technische Lösung entwickelt, die im Fein- bzw. Feinst-Bereich die Hydrozyklonierung mit der Entwässerung von kritischem Sandmaterial kombiniert und als zusätzliche Einheit in bestehende Anlagen installiert werden kann.
Nach diesem ersten Vortragsblock folgte die Verleihung des Heinrich-Schubert-Preises der Fakultät für Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik der TU Bergakademie Freiberg durch den Dekan der Fakultät für Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik der TU Bergakademie Freiberg, Prof. Dr.-Ing. Tobias Fieback, an Dipl.-Ing. Judith Miriam Friebel und Dr.-Ing. Paul Knüpfer. Die jeweils wegweisende Diplom- bzw. Doktorarbeit stehen thematisch wie auch methodisch in der Tradition der Arbeiten von Prof. Heinrich Schubert.
Judith Miriam Friebel hatte sich in ihrer Diplomarbeit zum Thema „Quantitative Bestimmung des Konzentrationsprofils der abgeschiedenen Verunreinigung in einem Anschwemmfilterkuchen mit Hilfe der Röntgencomputertomografie” mit der Methode der Phantoms zur Identifikation von spezifischen Partikelkonzentrationen in einer Matrix beschäftigt und damit eine wichtige Vorarbeit zu einem Forschungsvorhaben geleistet.
Dr.-Ing. Paul Knüpfer hat in seiner Dissertation zum Thema „Agglomeration von hydrophoben Partikeln in wässrigen Phasen“, die im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 920 (Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration) entstanden war, einen Modellansatz aus den Naturwissenschaften erfolgreich auf die Partikeltechnologie in der Aufbereitungstechnik übertragen und Wechselwirkungsmechanismen bei der Agglomeration feinster Partikel, insbesondere von nichtmetallischen Einschlüssen in Metallschmelzen, erforscht.
Im Anschluss an die Präsentation der beiden ausgezeichneten Forschungsarbeiten folgten 5 Kurzvorträge der Posteraussteller, für deren Besichtigung und Diskussion ausreichend Zeit während der nachmittäglichen Kaffeepause gegeben war:
Ultrahigh Temperature Sensors based on Boron Carbide Composites (Ultrahochtemperatursensoren auf Basis von Borkarbid-Verbundwerkstoffen), präsentiert von Dr. Bing Feng, Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS (weitere Autoren: Dr. Hans-Peter Martin und Prof. Alexander Michaelis, beide ebenfalls vom IKTS)
DIGISORT und LOWVOLMON – Teile des greenBatt-Clusters, präsentiert von Alexandra Kaas und Christian Wilke, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik – MVT/AT, TU Bergakademie Freiberg (weiterer Autor: Urs A. Peuker, ebenfalls MVT/AT)
Developing methods to tackle analytical challenges in battery recycling materials using automated SEM and bulk analytical methods (Entwicklung von Methoden zur Bewältigung der analytischen Herausforderungen bei Batterierecyclingmaterialien unter Verwendung automatisierter SEM- und Bulk-Analysemethoden), präsentiert von Dr. Kai Bachmann, ERZLABOR Advanced Solutions GmbH und HZDR-HIF (weitere Autoren: Anna Vanderbruggen und Doreen Ebert, beide ebenfalls ERZLABOR und HZDR/HIF, sowie Robert Möckel, HZDR/HIF)
Erhöhung der Rohstoffeffizienz durch Nutzung von Reststoffströmen aus dem Senkerodieren für Prozesse der Additiven Fertigung, präsentiert von Dipl.-Ing Oliver Voigt, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik – MVT/AT, TU Bergakademie Freiberg (weiterer Autor: Urs A. Peuker, ebenfalls MVT/AT)
Mechanische Prozesse für das Elektrolyseur-Recycling, präsentiert von Dipl.-Ing. Martin Brünner, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik – MVT/AT, TU Bergakademie Freiberg (weitere Autoren: Dipl.-Ing. Malena Staudacher und Dipl.-Ing. Carlo Kaiser, beide ebenfalls MVT/AT
Nach der Mittagspause des ersten Vortragstages rückte der Blick auf die Primärrohstoffe in den Hintergrund, denn der Schwerpunkt der Tagung lag dieses Mal eindeutig auf der Aufbereitung von Sekundärrohstoffen bzw. Recyclingverfahren. Magdalena Heibeck, HZDR – HIF, berichtete über die „Experimentelle und numerische Untersuchung der Aufschlusszerkleinerung von Multi-Material-Strukturen zur Abschätzung der Recyclingfähigkeit“. Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, ein digitales Modell zu erstellen, das die Bewertung der Recyclingfähigkeit schon im Produktentstehungsprozess ermöglichen soll. Eine zunehmende Anzahl von Produkten bestehen aus Multi-Material Strukturen. Daher ist es wichtig, für eine nachhaltige Etablierung von Recycling-Lösungen auch Produkthersteller einzubeziehen, um den Einfluss von Konstruktionsentscheidungen auf das Aufschlussverhalten abschätzen zu können, wie auch Erfahrungen bei der Erstellung einer durchgängigen digitalen Kette vom Design über Fertigung bis hin zum Recycling zu sammeln.
Die „Aufbereitung mineralischer Komposite“ stand im Mittelpunkt des Vortrags von Raphael Sperberg, Gebr. Jehmlich GmbH, und Thomas Rösener, Schock GmbH. Sie präsentierten ein gemeinsames Projekt zu einem Verfahren, das mit einer maßgeschneiderten Anlage in den industriellen Produktionsprozess bei der Schock GmbH implementiert wurde.
Patric Van der Haegen, Eberhard Unternehmungen, berichtete in seinem Beitrag „EbiMIK, der Wendepunkt im Baustoffkreislauf“ über ein neues Verfahren zur Aufbereitung von Mischabbruch. Im August 2021 wurde ein dafür errichtetes Aufbereitungszentrum in Betrieb genommen, in dem ein auf 1 x 1 m vorzerkleinertes Haus vollständig in die Einzelbestandteile sortiert werden kann. Daraus werden homogene Sekundärrohstoffe mit definierten Eigenschaften hergestellt. Neben Betongranulat kann Leichtmineralik, Gips, FE, NE, Holz, Plastik, etc. separat zurückgewonnen werden. Mit dem neuen Verfahren werden Qualitätsbaustoffe hergestellt, die gleichwertig gegenüber Primärbaustoffen sind, d.h. der Mischabbruch kann werterhaltend und vollständig im Kreislauf gehalten werden.
In seinem Vortrag über die „Einsatzmöglichkeiten von Laserinduzierter Breakdown-Spektroskopie (LIBS) bei der Verarbeitung von Erzen und Industriemineralien sowie im Recycling von Baustoffen“ stellte Eckhard Zeiger, SECOPTA analytics GmbH, die industrielle Implementierung verschiedener LIBS-Systeme vor und erläuterte deren Funktionen und Anwendungsmöglichkeiten im Stahlwerks-, Bergbau- und Recyclingbereich. Die SECOPTA-Systeme sind im 24/7-Betrieb ideal geeignet für die perfekte Prozesskontrolle, etwa bei der Überwachung von Qualitätsparametern, Verwechslungskontrolle, Herstellung kontrollierter Mischungen, Trenderkennung oder auch bei Recyclinganwendungen.
„Gewinnung von Gallium aus Produktionsabfällen der Halbleiterindustrie“ war Thema des Beitrags von Frank Haubrich, G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbH. Vor dem Hintergrund eines künftig steigenden Bedarfs an Galliumarsenid (GaAs)-basierten LEDs sowie Galliumnitrid (GaN) für Leistungs- und Optoelektronikbauelemente und für MSMA-Technologien, wurden innerhalb des Verbundprojektes EcoGaIN für die Gallium-haltigen Abfälle separate Aufbereitungstechnologien entwickelt. Sie ermöglichen es, Gallium wie auch die Begleitstoffe Arsen und Kieselsäure wieder in den Produktionsprozess der Halbleiterindustrie zurückzuführen. Die entwickelten Technologien konnten bereits in den Produktionskreislauf der am Verbundprojekt beteiligten Firmen integriert werden.
Robert Gerhard Merker, MMP (Mineralische Rohstoffe, Beratung, Aufbereitung, Recycling, Projekt-Unterstützung), präsentierte in seinem Vortrag „Salzschlacken-Aufbereitung – technische, wirtschaftliche und gesetzliche Aspekte“ den gegenwärtigen Stand der Aluminium-Salzschlacken-Aufbereitung als wichtigen Bestandteil der streng geregelten Prozesskette des Aluminiumrecycling-Kreislaufs. Im Mittelpunkt stand dabei das Konzept eines „Voll-Recyclings“ in Bezug auf technische, wirtschaftliche und rechtliche Herausforderungen sowie mit Blick auf bisher ungenutztes Potenzial – z.B. in Bezug auf die Verwertung bzw. Nutzung von anfallendem Wasserstoff in Form von grünem Wasserstoff als Energieträger der Zukunft sowie Methan.
In seinem Beitrag „Mit Laser OES von Post-Mortem Prozesskontrolle zu In-Situ Prozessmanagement“ präsentierte Alexander Schlemminger, QuantoLux GmbH, das Prozessoptimierungspotenzial dieses Messverfahrens. Mit diesem Verfahren kann für die Analyse heterogener Materialien kontinuierlich und in-situ eine große Menge an Daten erzeugt werden – eine wichtige Voraussetzung für AI- und simulationsbasierte Optimierungsmaßnahmen u.a. im Bereich der Ofensteuerung in der Zementindustrie oder bei der Stahlherstellung. Mit über 10 000 Messwerten in einer Minute wird eine so große Menge an Daten erzeugt, dass z.B. in der Stahlherstellung die Homogenisierung von physischen Proben der Schlackenzusammensetzung nach Abschluss der Behandlung im Schmelz-Reduktionsofen weitestgehend durch die Homogenisierung von Daten während des Schmelzprozesses ersetzt werden kann. Anhand dieser präzisen Analysewerte lassen sich weitere Produktions- und Verarbeitungsprozesse punktgenau und in-situ einstellen.
Der zweite Tag der Tagung war ausschließlich den verschiedenen Aspekten des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) gewidmet. LIB sind inzwischen ein fester Bestandteil in unserem Alltag – sei es in Smartphones, Notebooks, Digitalkameras, Werkzeugen, Unterhaltungselektronik. Besonders vor dem Hintergrund der Elektromobilität wird der Bedarf an LIB weiter rasant ansteigen, mit dem Ergebnis, dass aufgrund der begrenzten Lebensdauer eine immer größere Menge an Altbatterien anfallen. Damit wird Batterierecycling zu einer der Schlüsseltechnologien, um die in LIB enthaltenen Rohstoffe – u.a. Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan, Kupfer, Zinn, Graphit, Aluminium – zu sichern und der Wertschöpfungskette wieder zur Verfügung zu stellen.
Dr. Hans-Georg Jäckel, Institut für Aufbereitungsmaschinen und Recyclingsystemtechnik (IART) der TU Bergakademie Freiberg, thematisierte in seinem Beitrag zur „Konzeption zur thermischen Vorbehandlung von Li-Batteriezellen für Anwendungsfälle aus der Elektromobilität“ die Problematik einer mechanischen Aufbereitung von Li-Batterien. Die darin enthaltenen Elektrolytkomponenten (Lösungsmittel, Leitsalze, Additive) verdampfen bei Umgebungstemperatur und bilden mit der Umgebungsluft zündfähige Gemische. Bislang werden diese leicht entzündlichen Lösungsmittel im kontinuierlichen Betrieb der Aufbereitungsanlage abgetrennt, woraus hohe Anforderungen an den Brand- und Explosionsschutz, speziell an die Kapselung der relevanten Anlagenteile resultieren. Der neue dezentrale Ansatz des IART zielt darauf ab, insbesondere die leicht verdampflichen Lösungsmittel (< 30 °C) im Zuge einer Niedrigtemperatur-Vorbehandlung bereits vor der eigentlichen Aufbereitung abzutrennen. Dr. Jäckel präsentierte in seinem Vortrag die Ergebnisse entsprechender erster Untersuchungen mit einer Laboranlage.
Herausforderungen und Ergebnisse bei der „Erzeugung und Aufbereitung einer Schwarzmassefraktion aus Lithium-Ionen-Batterien“ standen im Mittelpunkt des Vortrags von Tony Lyon, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik (MVT/AT) der TU Bergakademie Freiberg. Bei der mechanischen Aufbereitung der LIB werden nach dem Aufschluss der Batterien u.a. auch die in den Beschichtungen der Anoden- und Kathodenfolie enthaltenen Aktivmaterialien als Stoffkonzentrate angereichert. Diese sogenannte Schwarzmasse enthält neben den wesentlichen Bestandteilen Graphit und Lithium-Mischoxid auch Additive, Binderbestandteile, Reste des Elektrolyten inklusive des Leitsalzes und dessen Abbauprodukte und Verunreinigungen, wie z.B. Kupfer. Mit Hilfe von gezielt eingesetzten Sortierverfahren – Magnetscheidung, Heterokoagulationstrennung oder Trennung nach der Dichte – können die einzelnen Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften voneinander getrennt werden. Ziel ist dabei eine Reinheit der Stoffkonzentrate von nahezu 100 % zu erreichen, damit diese wieder verwendet werden können.
Johanna Köthe, Institut für Aufbereitung, Deponietechnik und Geomechanik (IFAD) der TU Clausthal, berichtete in ihrem Vortrag „Entwicklung hydrometallurgischer Recyclingverfahren von Lithium-Ionen-Batterien am IFAD der TU Clausthal“, über eine Vielzahl von Projekten, die seit den 2000er Jahren in Kooperation mit Unternehmen wie auch Hochschulen durchgeführt wurden. Betrachtet wurden pyrometallurgische wie auch hydrometallurgische Recycling-Routen – immer unter Berücksichtigung der sich verändernden Bestandteile der verschiedenen Zellgenerationen. Im Mittelpunkt der derzeit insgesamt 7 Forschungsprojekte, an denen das IFAD aktiv beteiligt ist, steht die Entwicklung von Recyclingprozessen im Rahmen einer zirkulären Batterieproduktion. Die Referentin hob davon vier im greenBatt Cluster des Bundesministeriums für Bildung und Forschung angesiedelte Projekte hervor, die sich mit der Aufbereitung von Schlacken aus der pyrometallurgischen Route (Projekt PyroLith), der Aufbereitung von Schwarzmasse aus einer mechanischen Vorbehandlung bis hin zur Laugung (Projekt LOWVOLMON), der Raffination von Laugungslösungen zur Erzeugung von Metallsalzen mit battery-grade Qualität (Projekt EVanBatter) und des Recyclings von Festkörperbatterien (S2taR) beschäftigen.
Aktuelle Untersuchungsergebnisse „Zur Aufbereitung der Schwarzmasse von Lithium-Ionen-Batterien mittels Magnetscheidung“ präsentierte Stephan Stuhr, UVR-FIA GmbH, Freiberg. Die Untersuchungen wurden anhand einer pyrolysierten Schwarzmasse mit den Aktivmaterialien NMC (Li(NiMnCo)O2), LCO (LiCoO2) und Graphit durchgeführt. Bei der Pyrolyse als thermischem Deaktivierungsverfahren findet zwischen den Aktivmaterialien carbo-thermische Reduktion statt und es entstehen unter dem Verbrauch von Graphit die Pyrolyseprodukte NiO, MnO, CoO sowie metallisches Ni und Co. Anhand der Größenordnungen der magnetischen Suszeptibilität (Trennmerkmal) können NMC, NiO, MnO und CoO als schwachmagnetisch, das metallische Ni und Co als starkmagnetisch und der Graphit sowie LCO als nichtmagnetisch klassifiziert werden. Mithilfe der Nassmagnetscheidung war es möglich, ein Graphitkonzentrat mit einem Wertstoffgehalt von 95 – 97 Ma.-% Kohlenstoff bei einem Wertstoffausbringen des Kohlenstoffs von 60 – 80 % zu erzeugen – und damit dem bei diesem Prozess üblichen Verlust des Wertstoffes Graphit erfolgreich entgegenzuwirken.
Im Vortrag „Der COOL-Prozess – ein selektives Verfahren für das ganzheitliche Recycling von Lithium-Ionen-Batterien“ von Robert Mende, Institut für Technische Chemie der TU Bergakademie Freiberg stand die Aufbereitung von sogenannten Schwarzmassen unterschiedlicher Zusammensetzung im Mittelpunkt, mit dem Ziel der vollständigen Mobilisierung von Lithium. Mithilfe einer selektiven Laugung mit überkritischem CO2 in Wasser konnte neben Lithium auch ein signifikanter Anteil des enthaltenen Aluminiums mobilisiert werden, während die ebenfalls enthaltenen Wertmetalle im festen Rückstand verbleiben und so einer weiteren Aufbereitung zur Verfügung stehen. Mit dem vorgestellten Verfahren konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, Sekundärrohstoffe mit Primärproduktqualität – wie z.B. Lithiumcarbonat (Li2CO3) – als hochqualitative Ausgangsstoffe für die Industrie zu gewinnen.
Derzeit liegt der Schwerpunkt des Recyclings eher auf den wertvollen Metallen wie Kobalt, Nickel und Lithium, während andere Komponenten wie Elektrolyt, Separator oder Graphit eher verloren gehen. Um sich dem Ziel der Kreislaufwirtschaft, den Rohstoffkreislauf zu schließen, weiter anzunähern, ist es erforderlich, neue und umfassendere LIB-Recyclingverfahren zu entwickeln. Vor diesem Hintergrund zeigte Martin Rudolph, HZDR – HIF, Freiberg, in seinem Vortrag über „Aktuelle Erkenntnisse bei der flotativen Aufbereitung von Schwarzmasse und Entwicklungen bei der Schwarzmassecharakterisierung mit den Methoden der Prozessmineralogie und Aufschlussanalytik“, inwiefern und unter welchen Bedingungen durch Einsatz der Flotation bei der Schwarzmasseaufbereitung eine effizientere Abtrennung von Graphit und Lithiummetalloxiden erzielt werden kann.
Im letzten Vortrag der Tagung berichtete Philipp Engels, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) Nachhaltige Produktion & Life Cycle Engineering, TU Braunschweig, über die „Bedeutung des Graphitrecyclings aus ökobilanzieller Sicht“. Aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit ist Graphit ein essenzielles Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien und damit einer der Schlüsselrohstoffe für die Elektromobilität. Die Produktion von natürlichem Graphit trägt dabei zu den Treibgasemissionen bei. Würde es gelingen, ein effizientes Recyclingverfahren für Graphit zu etablieren, hätte dies einerseits einen positiven Einfluss auf die Ökobilanz und würde andererseits die Rohstoffabhängigkeit von Ländern wie z.B. China reduzieren. In diesem Zusammenhang präsentierte Engels abschließend das laufende Forschungsprojekt „ecoLiga – Recycling und Resynthese von Kohlenstoffmaterialien aus Lithium-Batterien: Rückgewinnung, Aufbereitung, Wiedereinsatz und angepasstes Zelldesign“. Dieses Projekt, an dem u.a. das IWF mit einer begleitenden Nachhaltigkeitsbewertung der Prozesse beteiligt ist, beschäftigt sich mit der Möglichkeit der Mobilisierung von Batteriekomponenten zur Schließung von Stoffkreisläufen und der Erschließung der Kohlenstoffmaterialien auf der Grundlage eines Design for Recycling.
Zum Abschluss der Tagung hatten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer wie alljährlich die Möglichkeit, mit Dr. Henning Morgenroth die UVR-FIA GmbH und mit Dr. Martin Rudolph auch das Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) – hier insbesondere das im September 2021 neu eröffnete Metallurgie-Technikum – zu besichtigen.
Die nächste Tagung „Aufbereitung und Recycling“ soll am 10. und 11. November 2022 stattfinden. Beiträge können bis zum 31. Juli eingereicht werden. Weitere Informationen sind unter https://www.uvr-fia.de/tagungsinformationen/ abrufbar.
