Maßgeschneiderte künstliche Minerale (EnAM)

SPP 2315:  Maßgeschneiderte künstliche Minerale (EnAM) - ein geometallurgisches Werkzeug zum Recycling kritischer Elemente aus Reststoffströmen

Die heutigen Megatrends lassen sich unter dem Schlagwort zusammenfassen: "Wie können wir als Gesellschaft effizienter werden, und nachhaltig mit den natürlichen Ressourcen umgehen?" Diese Frage umfasst sowohl die Herausforderung CO₂/Energie als auch die Herausforderung Rohstoffe/Recycling. Heute befindet sich die Recyclingtechnologie an einem Scheideweg. In den Industrieländern haben sich Ansätze etabliert, um die Elemente und Materialien wiederzugewinnen, die die Hauptmasse des Abfalls ausmachen. Uns fehlen aber Technologien, um die wesentlichen, seltenen Elemente einer modernen Gesellschaft zu adressieren, die in den Abfallströmen verloren gehen. Solche Elemente verleihen einem Produkt seine besondere Funktionalität und sind in Batterien, Kondensatoren, Magneten, elektronischen Schaltungen, Sensoren oder funktionalen Kompositstrukturen enthalten. Eine signifikante Senke für viele dieser Elemente sind pyrometallurgische Prozesse, da diese Prozesse traditionell auf die Qualität, Ausbeute und wirtschaftliche Bedeutung der Hauptmetallphase abzielen. Alle nicht funktionalen und die Materialqualität beeinflussenden Elemente wandern in die zweite flüssige Phase, die Schlacke. Letztere besteht aus Oxiden, Phosphaten, Carbonaten oder Sulfiden von Metallen. So wird die Schlacke zum Träger einer Vielzahl von wertvollen Elementen. Da ihre Konzentration gering ist, sind diese Elemente nach der Erstarrung dissipiert und in die anorganische Matrix integriert. Eine häufige Anwendung der Schlacke, was formal zur Recyclingquote beiträgt, ist als Füllstoff, Bindemittel oder Geopolymer im Bauwesen, wodurch die enthaltenen kritischen Elemente vollständig aus dem Stoffkreislauf entfernt werden. Das SPP 2315 EnAM adressiert die Schlackenphase als eine wichtige Quelle für kritische Technologieelemente. Wenn die Schlacke erstarrt, kann sie ein amorphes Gefüge bilden oder sie kann Kristalle erzeugen. Diese können als künstliche Mineralien bzw. Erze angesehen werden. So ist eine gezielte Kristallisation von definierten Mineralien potenziell in der Lage, verdünnte Elemente um Größenordnungen aufzukonzentrieren. Es kann erforderlich sein, weitere Spezies hinzuzufügen, um definierte Minerale zu bilden, was wiederum von der Thermodynamik des komplexen Mehrkomponentensystems Schlacke abhängt. Die Identifizierung eines EnAM-Kristalls ist der erste Schritt in der Verarbeitung. Er muss bis zu einer ausreichenden Größe (z.B. < 10 µm) kristallisiert und von der verbleibenden, teilweise amorphen Feststoffmatrix befreit werden. Die mechanische Abtrennung der EnAM-Partikel führt schließlich zu einem neuen künstlichen Erzkonzentrat. Die Schlackenaufbereitung ist wenig untersucht und es fehlen daher Prozessgesetze, z. B. Bruchgesetze oder Flotationsstrategien zur quantitativen Beschreibung und Modellierung. Zusammenfassend arbeitet das SPP 2315 an ganzheitlichen Trenn- und Konzentrations-konzepten, die es erlauben, in Zukunft mehr Elemente im Stoffkreislauf zu halten.

Projekte:

Untersuchung der Phasenbildung und Phasenkonstitution in den Systemen Li-Mg-Al-O und Li-Al-Mn-O unter besonderer Berücksichtigung von Spinell-Mischkristallen (Antragsteller Ludwig, Alfred ;  Schirmer, Thomas )

Entstehung kritischer Verbindungen in Recycling Schlacken - eine Studie der Chemie der Schmelze mit MD Simulation und der festen Produkte in einem mikropraeparativen Ansatz (Antragstellerinnen / Antragsteller Fittschen, Ursula ;  Merkert, Nina ;  Schirmer, Thomas )

Veröffentlichungen:
Schnickmann, A.; De Abreu, D.A.; Fabrichnaya, O.; Schirmer, T. Stabilization of Mn⁴⁺ in Synthetic Slags and
Identification of Important Slag Forming Phases. 2024, Preprint: arxiv.org/abs/2402.07702.

Schnickmann, A.; Hampel, S.; Schirmer, T.; Fittschen, U.E.A. Formation of Lithium-Manganates in a Complex
Slag  System  Consisting  of  Li₂O-MgO-Al₂O₃-SiO₂-CaO-MnO—A  First  Survey.  Metals  2023,  13,  2006,
doi:10.3390/met13122006.

Lourens,  F.;  Suhr,  E.;  Schnickmann,  A.;  Schirmer,  T.;  Ludwig,  A.  High-Throughput  Study  of  the  Phase
Constitution  of  the  Thin  Film  System  Mg-Mn-Al-O  in  Relation  to  Li  Recovery  from  Slags.  2023,  Prprint:
doi:10.48550/ARXIV.2312.04146.

Lourens,  F.;  Rogalla,  D.;  Suhr,  E.;  Ludwig,  A.  On  the  Influence  of  Annealing  on  the  Compositional  and
Crystallographic Properties of Sputtered Li-Al-O Thin Films. 2024, Preprint: doi:10.48550/ARXIV.2402.06553.

Schirmer, T.; Hiller, J.; Weiss, J.; Munchen, D.; Lucas, H.; Fittschen, U.E.A.; Friedrich, B. Behaviour of Tantalum
in  a  Fe-Dominated  Synthetic  Fayalitic  Slag  System  -  Phase  Analysis  and  Incorporation.  Preprints  2024,
www.preprints.org/manuscript/202402.0695/v1. doi: 10.20944/preprints202402.0695.v

Schnickmann,  A.;  Hampel,  S.;  Schirmer,  T.;  Fittschen,  U.E.A.  Application  of  Spray  Synthesis  and  Sol-Gel
Combustion  for  the  Preparation  of  Precursors  for  Slag  Reference  Materials.  2023.  Conference  paper  DXC,
submitted.

Schirmer,  T.  STOICHIOMETRIC  CALCULATION  OF  LITHIUM-CONTAINING  PHASES  BASED  ON  SPATIALLY
RESOLVED X-RAY ANALYSIS AND VIRTUAL COMPOUNDS. Advances in X-ray Analysis. 2022, 65.