Angewandte Kreislaufwirtschaft, Hochschule für Life Sciences FHNW

In der Biohydrometallurgie werden Mikroorganismen genutzt, um Säuren, Basen und Komplexbildner zur wässrigen Extraktion von Metallen aus Feststoffen zu bilden.

Desweiteren können Mikroorganismen eingesetzt werden, um Metalle aus der Flüssigphase durch Fällungsreaktionen zu entfernen. Wir nutzen diese natürlichen Prozesse zur Laugung von Rohstoffen aus Abfällen, der Behandlung von metallhaltigen Abwässern sowie der biologischen Sanierung von Altlasten. Ziel ist es hierbei immer, möglichst ressourceneffizient Stoffkreisläufe zu schließen.  

Die Grundlage für alle Prozesse bildet das Verständnis der sogenannten «Metall-Speziierung». Als "Metallspezies" bezeichnet man die spezifische Form, in der ein chemisches Element vorliegt. Die chemischen Eigenschaften (z.B. Löslichkeit) sowie die biologische Wirkung (z.B. Toxizität) verschiedener Metallspezies kann sehr unterschiedlich sein. Mikroben ändern die Speziierung von Metallen natürlicherweise. Wir nutzen diesen Umstand, um gezielt chemische Eigenschaften und biologische Wirkung von Metallen zu beeinflussen. Die Grundlage für das Verständnis der Speziierung bilden direkte Messungen mittels Massenspektrometrie (z.B. LC-MSn; GC-MS, LC-ICP-MS) und Spektroskopie (z.B. XAFS) sowie thermodynamische Modellierung.

Mikroorganismen verändern aktiv das sie umgebende Medium durch Bildung von Säuren und Komplexbildnern. Diesen Umstand nutzen wir, um mittels «Biolaugung» sogenannte kritische Rohstoffe aus Industrierückständen zurückzugewinnen (z.B. Gallium aus Rotschlämmen der Aluminum Produktion). Mittels Biolaugung lassen sich auch Metalle aus Altlasten ausgewaschen und anschließend wiedergewinnen. Außerdem setzen wir Mikroben ein, um Elemente aus Abwässern zu entfernen und dem Kreislauf wieder zuzuführen. Die Bildung unlöslicher Metallspezies auf Grund von mikrobiellem Stoffwechsel wird als «biologische Fällung» bezeichnet.

Sogenannte kritische Rohstoffe bezeichnen Elemente, denen eine hohe wirtschaftliche Bedeutung zukommt, aber deren Versorgung nicht gesichert ist. Industrieabfälle enthalten oft solche wertvollen Elemente. Die fraglichen Elemente können in Abfällen sogar höher konzentriert sein als in den Erzen, aus welchen sie ursprünglich gewonnen wurden.

Wir nutzen hydrometallurgische Methoden, um diese Elemente aus den Abfällen zu lösen und anschließend zurückzugewinnen. Wir entwickeln neue hydrometallurgische Verfahren zur Metallrückgewinnung basierend auf speziellen Filtrationsverfahren. Beispielsweise verwenden wir sogenannte «Nanofiltration», um geladene Ionen zu separieren und kritische Metalle zu konzentrieren und von Verunreinigungen zu trennen. Als Grundlage für das Verständnis der Prozesse dient wiederum die Metall-Speziierung. Für die Nanofiltration nutzen wir sowohl kommerziell verfügbare Membranen als auch unsere selbstgefertigten Membranen. Diese werden von uns Schicht-für-Schicht ("layer-by-layer") hergestellt. Mithilfe der Nanofiltration haben wir bereits kritische Rohstoffe aus verschiedenen Industrieabfällen zurückgewonnen, so z. B. aus Abfällen der TiO2-Produktion und aus Abfällen der Fotovoltaik.