Versteckter Rohstoff: In den Abfällen industrieller Schleifprozesse verbergen sich unerschlossene Ressourcen des seltenen Metallrohstoffs Scandium, wie eine Studie enthüllt. Demnach enthalten die als Schleif- und Strahlmittel eingesetzten Granatsande knapp 100 Milligramm Scandium pro Kilogramm. Dieses Scandium bleibt auch nach mehrfacher Nutzung in den Sanden erhalten. Ein Recyceln dieser Sande zur Scandiumgewinnung könnte sich demnach lohnen, so die Forscher.
Scandium ist ein ebenso begehrter wie seltener Rohstoff. Dieses Übergangsmetall ist wegen seiner geringen Dichte sehr leicht, hat aber trotzdem eine hohe Zugfestigkeit. Es wird daher als Aluminium-Scandium-Legierung in der Luftfahrt eingesetzt, um Gewicht und damit Treibstoff zu sparen. In Feststoff-Brennstoffzellen senkt Scandium die Betriebstemperaturen und verlängert ihre Lebensdauer. Experten rechnen künftig mit einer Vervierfachung der Nachfrage für dieses silbrig-weiße Leichtmetall.
Scandium in Granatmineralen
Das Problem jedoch: Scandium bildet keine eigenen Lagerstätten, sondern kommt nur als Beiprodukt anderer Erze vor – und das nur in sehr geringen Mengen. Weltweit werden deswegen jährlich nur 15 bis 20 Tonnen Scandium gefördert, das meiste davon in China, Australien oder der Ukraine. Das Metall gilt daher in der EU als kritischer Rohstoff mit ungesicherter Versorgung. Deshalb wird intensiv nach neuen Wegen der Gewinnung des Hochtechnologiemetalls gesucht.
Eine mögliche Scandium-Quelle haben nun Franziska Klimpel von der Jacobs University Bremen und ihre Kollegen aufgedeckt. Ausgangspunkt ihrer Studie war die Erkenntnis, dass bestimmte Granat-Minerale Scandium enthalten können. „Die eisen- und magnesiumreichen Granat-Minerale Almandin (Fe3Al2(SiO4)3) und Pyrop (Mg3Al2(SiO4)3) können erhöhte Gehalte an Scandium aufweisen, weil das Scandium leicht in das Kristallgitter dieser Minerale aufgenommen wird“, erklären die Forschenden.
Verbrauchte Schleifsande im Visier
Das Interessante daran: Diese Minerale werden in Form von Granatsand häufig in der Industrie eingesetzt, weil ihre Härte sie zu einem guten Schleifmittel machen. Sie werden vorwiegend für das Sandstrahlen verwendet, aber auch für das Wasserstrahlschneiden und die Filtration. Typischerweise wird ein Granatsand dabei drei- bis zehnmal wiederverwendet, bevor seine guten Schleifeigenschaften nachlassen und er entsorgt wird.
An diesem Punkt kommt nun die Studie von Klimpel und ihrem Team ins Spiel: Sie haben untersucht, wie viel Scandium in frisch gefördertem Granatsand, in verkaufsfertigen Industrie-Granatsanden und in den für die Entsorgung gedachten „verbrauchten“ Schleifsanden enthalten ist. Dafür analysierten sie Proben aus Minen in Indien und Australien, aber auch in Deutschland verkaufte Granatsande und deren Abfallprodukte.
Potenzielle Sekundär-Ressource für Scandium
Das Ergebnis: Sowohl die frischen Granatsande als auch die industriell aufbereiteten Schleifsande enthalten knapp 100 Milligramm Scandium pro Kilogramm Sand. „Diese Scandium-Konzentrationen liegen signifikant über den Durchschnittswerten von rund 21,9 Milligramm pro Kilogramm für die kontinentale Erdkruste“, berichten Klimpel und ihre Kollegen. Gleichzeitig enthüllen diese Werte, dass auch die Weiterverarbeitung der Granatsande zu Schleifsand die Scandiumkonzentration nicht verringert.
Noch wichtiger aber: Auch wenn diese Schleifsande schon mehrfach wiederverwendet wurden und schließlich als Abfall entsorgt wurden, bleibt das Scandium in ihnen erhalten. „Damit kann industrieller Granatsand als potenzielle Sekundär-Ressource für Scandium eingestuft werden: Man könnte das Metall gewinnen, nachdem der Sand schon zum Schleifen und Schneiden gedient hat“, so die Forschenden.
Beitrag zur Versorgungsstabilisierung und Kreislaufwirtschaft
Im Prinzip könnte damit zumindest ein Teil des Scandium-Bedarfs in Europa durch das Recyceln abgenutzter Schleifsande gedeckt werden. Zwar würde das allein nicht ausreichen, um die Versorgungsengpässe zu beseitigen. Denn weltweit werden nur rund 1,2 Millionen Tonnen an Granatsand produziert, wie Klimpel und ihr Team erklären. Dennoch könnte die Gewinnung des Scandiums aus den entsorgten Schleifsanden dazu beitragen, die Kosten für Scandium in Europa zu senken und den Nachschub zu stabilisieren.
Nach Angaben des Forschungsteams enthält eine Tonne Granatsand Scandium im Gegenwert von etwa 132 US-Dollar. Eine Extraktion des Metalls aus frischen Sanden beziehungsweise die Förderung der Sande ausschließlich zur Scandiumgewinnung lohnt sich daher wirtschaftlich nicht. Bei den ohnehin zur Entsorgung vorgesehen Schleifsanden dagegen könnte dies dagegen schon anders aussehen. Zudem werden Bedarf und Preise des Scandiums in naher Zukunft voraussichtlich weiter stark steigen, so die Wissenschaftler.
Hinzu kommt: Wenn Granatsande wiederverwertet werden, trägt dies auch zur Kreislaufwirtschaft und Abfallvermeidung bei. „Die Nutzung von Abfallprodukten als sekundären Ressourcen gewinnt in der EU zunehmend an Bedeutung und sozialer Akzeptanz, weil eine Entwicklung hin zu einer Kreislaufwirtschaft angestrebt wird“, schreiben Klimpel und ihre Kollegen. (Scientific Reports, 2021; doi: 10.1038/s41598-021-84614-x)
Quelle: Jacobs University Bremen
