Elektroaltgeräte als bedeutende Quelle von sekundären Metallen – Entwicklung eines neuen analytischen Verfahrens zur Bestimmung des Metallgehalts

Das weltweite Aufkommen an Elektroaltgeräten (EAGs) betrug im Jahr 2014 mehr als 48 Mio. Tonnen. Mit einer jährlichen Wachstumsrate von 4 bis 5 % sind EAGs der am schnellsten wachsende Abfallstrom und schon im Jahr 2018 wird diese Menge auf 50 Mio. t steigen (Baldé et al. 2015). Nachdem die Weltbevölkerung im Jahr 2014 ungefähr 7,266 Mrd. Menschen umfasste (Worldometers 2017), betrug das globale durchschnittliche EAG-Aufkommen 5,5 kg pro Kopf und Jahr. Das EAG-Aufkommen wird von mehreren in Wechselbeziehung zueinanderstehenden Faktoren beeinflusst. Zum einen besteht eine direkte Korrelation zwischen dem Bruttoinlandsprodukt pro Kopf (BIP) und der steigenden Nachfrage nach Gütern und Dienstleistungen, was in der Folge zu einem höheren Abfallaufkommen führt (Huisman et al. 2012). Zum anderen hat die intensive technologische Weiterentwicklung in Verbindung mit einer schnellen globalen Marktdurchdringung dazu geführt, dass elektronische Geräte nach sehr kurzer Zeit entsorgt werden. Ein weiterer, weniger signifikanter Faktor ist das Bevölkerungswachstum. Die Nutzung von Technologie und Zugang zum Internet ist zu einer Notwendigkeit für alltägliche Funktionen in der modernen Gesellschaft geworden und verstärkt somit die steigende Nachfrage nach elektronischen Geräten.

Elektrische und elektronische Geräte enthalten zahlreiche Materialien, die aufgrund deren Auswirkungen auf die Umwelt als Schadstoffe definiert sind. Beispielsweise enthält die Unterkategorie der Elektrokleingeräte folgende durchschnittliche Konzentrationen an Schwermetallen [in mg/kg]: 210 Cd, 130 Co, 800 Ni, 1780 Pb, 310 Sn (Fu et al. 2008). Neben Schwermetallen enthalten Elektrokleingeräte eine Vielzahl weiterer gefährlicher Bestandteile wie z. B. Flammschutzmittel (TBBPA, HBCD, TetraBDE usw.), organische Schadstoffe (BTEX, PAK, PCB etc.) und Flüssigkristalle (Salhofer und Tesar 2011). Ein Großteil sind flüchtige und reaktive Stoffe und ihre Entsorgung auf Deponien ohne vorherige Behandlung kann zu Umwelt- und Gesundheitsproblemen führen. Solche Materialien, die von Natur aus ein Gefährdungspotenzial darstellen und direkt aus EAGs stammen, werden als „primäre Schadstoffe“ definiert (vgl. Khanna et al. 2014). Darüber hinaus treten Emissionen bei der Behandlung von EAGs als Folge von sowohl formellen als auch informellen Recyclingtechniken auf. Diese Emissionen können als „sekundäre Schadstoffe“ klassifiziert werden. Bei der Zerkleinerung von EAGs wird unter anderem Staub freigesetzt, der Cadmium, Blei, PBDE, TBBPA und andere Stoffe enthält. Die (offene) Verbrennung und pyrometallurgische Verarbeitung führen zu heterogenen Emissionen, die zum Teil aus flüchtigen Substanzen bestehen.

Die Behandlung von EAGs wurde zunächst hauptsächlich als Umweltproblem angesehen. In den letzten Jahren werden EAGs zunehmend auch unter dem Gesichtspunkt der Geopolitik und der Verteilung natürlicher Ressourcen betrachtet. Da die Bauteile von Elektro- und Elektronikgeräten aus einer Vielzahl an Metallen bestehen, wird zunehmend das Ressourcenpotenzial wahrgenommen. Einzelne Geräte, wie z. B. Mobiltelefone, können mehr als 20 verschiedene Metalle enthalten, von denen viele zur Kategorie der Edelmetalle, Platinmetalle oder der Metalle der „Seltenen Erden“ gehören (Schluep et al. 2009). Die höchsten Konzentrationen von Edelmetallen und Seltenen Erden sind in Leiterplatten enthalten, vor allem in PC-Motherboards und Leiterplatten aus Mobiltelefonen, integrierten Schaltkreisen, Festplattenlaufwerken, Schaltern und Verbindungssteckern.

Obwohl der Edelmetallgehalt in einem einzigen Gerät nur in der Größenordnung von bis zu einigen hundert Milligramm liegt, ergeben sich aufgrund der Gesamtmasse der EAG insgesamt signifikante Reserven an wertvollen Materialien in diesem Abfallstrom.

Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines analytischen Verfahrens zur Bestimmung der Materialzusammensetzung von EAGs. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein innovatives Materialidentifikationsverfahren basierend auf einfachen Tests zur Metallerkennung erstellt, um die Konzentrationen von Spurenelementen zu bestimmen. Zudem wird auch der Einfluss der technologischen Entwicklung auf die Änderung der Materialzusammensetzung von analysierten Bauteilen näher untersucht.

Der rechtliche Rahmen für die Entsorgung von EAGs in der EU beruht im Wesentlichen auf zwei Richtlinien: Richtlinie 2012/19/EU für Elektroaltgeräte, sog. WEEE-Richtlinie (Waste of Electrical and Electronic Equipment), und Richtlinie 2011/65/EU (RoHS) zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten, sog. RoHS-Richtlinie (Restriction of Hazardous Substances). Die Richtlinien traten 2003 bzw. 2006 in Kraft und haben seither den EAG-Recyclingmarkt in der EU, im Europäischen Wirtschaftsraum und darüber hinaus entscheidend geprägt. Die WEEE-Richtlinie regelt die Sammlung und Behandlung von EAGs und wurde seit ihrem Inkrafttreten im Jahr 2003 mehrmals novelliert. Die letzte Novellierung der WEEE-Richtlinie trat im Jahr 2012 in Kraft. Kernelemente der WEEE-Richtlinie umfassen die Einteilung der EAGs in relevante Unterkategorien zur Festlegung der Sammel- und Recyclingquoten sowie die Exporte von EAGs (vgl. Salhofer et al. 2016; Huisman et al. 2007).

Die Novellierung der WEEE-Richtlinie von 2012 sieht vor, ab August 2018 die derzeit relevanten zehn WEEE-Kategorien in sechs neue Unterkategorien zu überführen. Die neuen Kategorien sind: 1) Wärmeüberträger, 2) Bildschirme und Monitore, 3) Lampen; 4) Großgeräte, 5) Kleingeräte und 6) Kleine IT- und Telekommunikationsgeräte (keine äußere Abmessung beträgt mehr als 50 cm). Darüber hinaus wird die Sammelquote von Elektro- und Elektronik-Altgeräten auf 45 % der gesamten in Verkehr gebrachten Elektro- und Elektronikgeräte festgelegt. Die Sammelquote wird berechnet als Verhältnis des Gesamtgewichts der gesammelten EAGs zum durchschnittlichen Gewicht der Elektrogeräte, die in den drei vorangegangenen Jahren auf den Markt gebracht wurden. Recyclingziele werden für jede Unterkategorie einzeln festgelegt und liegen zwischen 55 und 85 %.

Trotz der in der WEEE-Richtlinie genannten Maßnahmen zeigt die Praxis, dass immer noch große Mengen an EAGs global betrachtet ohne adäquate Behandlung entsorgt werden (Tran und Salhofer 2016; Baldé et al. 2015). Insofern bergen Schwermetalle und Flammschutzmittel in den EAGs ein erhebliches Gesundheits- und Umweltrisiko. Dieser Problematik sollte mit dem Inkrafttreten der RoHS-Richtlinie entgegnet werden, welche den Einsatz bestimmter gefährlicher Materialien bei der Herstellung von Elektro- und Elektronikgeräten reguliert. Von der RoHS-Richtlinie geregelte Materialien umfassen Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertiges Chrom, polybromierte Biphenyle, polybromierte Diphenylether und Phthalate.

Neben den angeführten Richtlinien stellt die Rohstoffinitiative „Sicherung der Versorgung Europas mit den für Wachstum und Beschäftigung notwendigen Gütern“ eine weitere wichtige Grundlage für die Ausrichtung der Recyclingbranche in der EU dar. Gegründet wurde diese Initiative von der Ad-hoc-Working-Group (Untergruppe) der Rohstoffversorgungsgruppe, und ihre Hauptaufgabe liegt darin, die Kritikalität von Rohstoffen in der EU zu beurteilen (Europäische Kommission 2017). Die geopolitischen und wirtschaftlichen Veränderungen haben dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Verfügbarkeit bestimmter Rohstoffe. Die Rohstoffe werden als kritisch beurteilt, wenn das Risiko für Versorgungsengpässe und deren Auswirkungen auf die Wirtschaft größer sind als bei den meisten anderen (Luidold et al. 2013). Die erste Liste der kritischen Rohstoffe (engl. Critical Raw Materials) wurde im Jahr 2011 erstellt und beinhaltete vierzehn Rohstoffe. Mittlerweile wurde die Liste zwei Mal aktualisiert, das letzte Mal im Jahr 2017, und wurde auf 27 kritische Rohstoffe erweitert, die in Abb. 1 als rote Punkte hervorgehoben sind.

Fokus der vorgestellten Forschungsarbeit waren die Bauteile, die ein erhebliches Rohstoffpotenzial aufweisen, aber aufgrund ihrer komplexen Zusammensetzung aus Sicht der Verwertungsprozesse nicht mit Monomaterialien wie Eisenmetalle oder Aluminium verglichen werden können. Aus praktischen Gründen werden diese Bauteile in Folge vereinfachend als „komplexe Bauteile“ bezeichnet. Der Materialstrom, der diese komplexen Bauteile enthält, resultiert hauptsächlich aus dem Zerlegungsprozess und der mechanischen Schadstoffentfrachtung. Obwohl komplexe Bauteile auch in den nachfolgenden Prozessschritten anfallen (beispielsweise als Outputmaterial aus dem Shredder), werden Bauteile in diesen Prozessen in der Regel zerkleinert und verformt, was eine anschließende Analyse erheblich erschwert.

Die Wirtschaftlichkeit der Vorbehandlung und die Recyclingeffizienz der Verwertung stehen in direktem Zusammenhang mit der Fähigkeit des Recyclingverfahrens, die Materialströme möglichst homogen zu trennen. Als allgemeine Regel für die Vorbehandlung gilt, dass die Rückgewinnungsrate eines bestimmten Metalls mit der zunehmenden Inhomogenität dieses Metalls im Ausgangsmaterialstrom abnimmt. Das bedeutet: Je komplexer die Materialzusammensetzung, desto geringer ist die Recycling-Effizienz (Chancerel et al. 2009; Hagelüken und Corti 2010). Schließlich bestimmt die Homogenität des Outputstroms aus der Vorbehandlung, in Kombination mit den aktuellen Marktpreisen, den Verkaufspreis dieses Outputstroms.

Im folgenden Kapitel wird die methodische Vorgehensweise der Analyse komplexer Bauteile aus EAGs beschrieben, die im Rahmen einer Masterarbeit am Institut für Abfallwirtschaft der Universität für Bodenkultur Wien entwickelt und durchgeführt wurde (Jandric 2017). Das angewendete analytische Verfahren nützt die komplementäre Anwendung einer einfachen Materialidentifikationsanalyse für über 80 unterschiedliche Bauteile aus EAGs sowie ein innovatives Verfahren mittels ICP-OES-Analyse für die Bestimmung des Spurenelementgehalts in z. B. Kondensatoren. Die Ergebnisse zur ICP-OES-Analytik sind in Jandric (2017) zu finden und werden in diesem Beitrag nicht explizit dargestellt.

Die Zielbauteile für die Analyse wurden aufgrund der Verfügbarkeit ihrer Materialzusammensetzungen in der wissenschaftlichen Literatur und ihrer wirtschaftlichen Bedeutung ausgewählt. Grundlage für die Analyse waren die folgenden Bauteile: Festplattenlaufwerke, Netzteile aus PCs, Leiterplatten, optische Laufwerke, Netzteile für Drucker, aktive Lüfter und Aluminiumkondensatoren. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse für die ersten drei Bauteiletypen vorgestellt (Festplattenlaufwerke, Netzteile aus PCs und Leiterplatten).

In einem ersten Schritt wurde eine manuelle Tiefenzerlegung der Bauteile vorgenommen. Das Ziel der Analyse bestand darin, die Zielbauteile in einzelne Materialien zu zerlegen und so zu trennen, dass sie identifiziert und homogenen Materialgruppen zugeordnet werden konnten (z. B. Kunststoffe, Kupfer, Eisenmetalle usw.). Die komplexen Bauteile wurden zunächst in Einzelteile zerlegt, die in einem nächsten Schritt mechanisch getrennt wurden, um den Anteil an Materialverbunden so niedrig wie möglich zu halten. Schließlich wurden die Materialien nach verschiedenen Kriterien, wie Funktion, Farbe, Dichte und magnetische Eigenschaften kategorisiert.

Nachdem die komplexen Bauteile zerlegt waren, wurden die einzelnen Bauteile gekennzeichnet und in einem weiteren Schritt mittels einfacher Materialidentifikationsanalyse beschrieben (siehe Abb. 2). Die Teile wurden in zwei Ebenen organisiert. Auf der ersten Ebene werden die Teile nach ihrer Funktion klassifiziert (z. B. Gehäuse, Schrauben, Leiterplatte). Die zweite Ebene ist nach den Materialien kategorisiert. Wenn möglich, werden die Teile der ersten Ebene (Funktionsebene) in einzelne homogene Materialgruppen zerlegt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, die potenziellen Änderungen in der Materialzusammensetzung komplexer Bauteile zwischen Gerätetypen genau zu lokalisieren wie auch die Veränderung der Materialzusammensetzung über die Jahre zu verfolgen.

Der Magnettest wird verwendet, um magnetische von nichtmagnetischen grauen Metallen zu unterscheiden. Die magnetischen Fraktionen umfassen Eisenmetalle, Nickel und Ferrit. Es ist ziemlich einfach und wichtig, Ferrit von den anderen Metallen zu trennen, da Ferrit eine keramische Verbindung aus Eisenoxid (Fe₂O₃) ist. Ferrite werden gewöhnlich als Kern in Transformatoren oder als Permanentmagnete verwendet.

Der Nickel-Test wird verwendet, um Eisen- und Nickelfraktionen zu unterscheiden. Da beide Metalle magnetisch sind und eine ähnliche Dichte haben, müssen zusätzliche Tests durchgeführt werden, um sie voneinander unterscheiden zu können. Zu diesem Zweck wird ein Tropfen 10%iger Ammoniak, gefolgt von einem Tropfen Dimethylglyoxim, auf ein Wattestäbchen getropft, welches für 15 bis 20 s gegen die Oberfläche des Metalls gerieben wird. Verfärbt sich das Wattestäbchen rosa oder rot, ist dies ein Zeichen für das Metall Nickel. Wenn sich die Farbe des Wattestäbchens nicht ändert, handelt es sich um eine Eisenmetallfraktion.

Der Schwimm‑/Sink-Test wird durchgeführt, um die nichtmagnetischen Metalle zu unterscheiden. Zu diesem Zweck wurde eine Natriumpolywolframatlösung mit einer Dichte von 3,1 g/cm³ verwendet. Aluminium- und Magnesiummetalle, deren Dichte 2,8 g/cm³ nicht übersteigt, schwimmen auf der Oberfläche der Lösung auf. Das Blei, das eine Dichte von 10,6 g/cm³ hat, sinkt jedoch schnell in der Lösung ab. Dieser Test zeigt zufriedenstellende Ergebnisse, solange die Stücke nicht zu klein sind. In dem Fall kann es vorkommen, dass die Oberflächenspannung der Lösung verhindert, dass ein dichteres Metall absinkt.

Der Säuretest wird durchgeführt, um Magnesium von Aluminium zu unterscheiden. Zu diesem Zweck wurde ein sehr einfacher Test mit Apfelessig durchgeführt. Es wurden wenige Tropfen Essig direkt auf die Oberfläche des Metalls getropft. Das Magnesium reagiert unmittelbar im Kontakt mit dem Essig. Im Gegensatz dazu zeigt Aluminium keine sichtbaren Anzeichen einer Reaktion.

Darüber hinaus ermöglicht dieses vereinfachte Vorgehen die Ergänzung der Ergebnisse mit Daten aus der Literatur für Bauteile, deren genaue Materialidentifikation den Umfang der Analyse übersteigen würde, was für Leiterplatten, Magnete, Platten von Festplattenlaufwerken und ähnliche Bauteile meistens der Fall ist.

Als Hauptvoraussetzung für weitere Prozessoptimierung benötigen die Vorbehandlungsunternehmen möglichst präzise Daten über die Materialzusammensetzung der EAGs und, wenn möglich, praktikable, zuverlässige und kostengünstige Analysemethoden für die Eingangscharakterisierung. Auf diese Weise wäre eine Optimierung und Effizienzsteigerung des gesamten Recyclingprozesses möglich, womit das Potenzial des Materialeinsatzstroms einfacher abgeschätzt werden kann.

Die Ergebnisse der manuellen Tiefenzerlegung und anschließenden einfachen Materialidentifikationsanalysen zeigen, dass sich diese Vorgangsweise gut für die Analyse komplexer Bauteile aus EAGs eignet. Mit dieser Methode können mehr als acht verschiedene Basismetalle oder mehr als zehn verschiedene Materialien identifiziert werden. Darüber hinaus ist es mittels dieses Verfahrens möglich, die Änderungen der Trends in der Materialzusammensetzung von komplexen Bauteilen darzustellen und genau zu bestimmen. Die komplexen Bauteile sollen nach dem Herstellungsjahr geordnet und als Summe ihrer Teile betrachtet werden. Dieses Analyseverfahren schafft eine zuverlässige Struktur in der variablen Materialzusammensetzung der komplexen Bauteile.

Nach der Auswertung der Ergebnisse konnte festgestellt werden, dass die Kosteneffektivitätsmaßnahmen (z. B. dünnere Magnete oder kleinere Bauteile) der Hersteller einen viel höheren Einfluss auf die Trends der Materialzusammensetzung aufweisen, als die Folgen der Technologieentwicklung (z. B. Datenspeichereffizienz, Entwicklung von integrierten Schaltungen und Entwicklung von Lese‑/Schreibköpfen).

Letztlich lässt sich aus der Anwendung der einfachen Materialidentifikationstests auch ableiten, dass eine umfassendere Methode bzw. eine Kombination von verschiedenen Tests zur Unterscheidung von gelben/roten Metallen in EAGs, d. h. Bronze, Messing und Kupfer, die Gesamteffizienz der vorgeschlagenen Materialzusammensetzung noch erhöhen würde.