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Forschung Biotechnologie im Einsatz für Gallium-Rückgewinnung aus Abwässern

Von Susanne Braun 2 min Lesedauer

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Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie am HZDR
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Das Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie und Freiberg Compound Materials haben eine Pilotanlage zur Gallium-Rückgewinnung aus Halbleiterproduktionsabwässern gestartet. Biotechnologische Prozesse setzen da an, wo klassische chemische Prozesse nicht mehr weiterkommen.

Im Projekt des HIF im Jahr 2021 agierten spezielle Peptidverbindungen in Form eines Filters als biologische Angel, um Gallium aus Industrieabwässern herauszulösen.(Bild: HZDR/Sahneweiß)
Im Projekt des HIF im Jahr 2021 agierten spezielle Peptidverbindungen in Form eines Filters als biologische Angel, um Gallium aus Industrieabwässern herauszulösen.
(Bild: HZDR/Sahneweiß)

In der Halbleiterfertigung wird ultrareines Wasser (UPW) bei Polier- und Ätzprozessen eingesetzt, weil es als Träger- und Spülmedium Rückstände von Chemikalien, Partikeln und Abtragungen zuverlässig entfernt, ohne selbst Verunreinigungen zu hinterlassen. Es verdünnt unter anderem Ätzchemikalien für eine präzisere Prozesskontrolle und verhindert nachgelagerte Schäden durch aggressive Substanzen. Wasser ist in diesen Prozessen wichtig – doch gleichzeitig ein Problem.

Bei der industriellen Verarbeitung von Rohstoffen wie Gallium verschwindet ein spürbarer Anteil dieser Ressource sprichwörtlich mit dem Wasser durch den Abfluss. Bei Rohstoffpreisen von rund 1.000 Euro pro Kilo, Tendenz steigend, ist die Menge an Gallium, die aufgrund der Polier- und Ätzprozesse verloren geht, ein Problem. Um dem entgegenzuwirken, hat ein Team des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) des HZDR eine Pilotlinie entwickelt, mit der die Abwässer von Freiberger Compound Materials wiederaufbereitet und das Gallium zurückgewonnen wird.

Auf der Spur des Galliums

Dem HIF des HZDR ist das Thema Abwasseraufbereitung zur Zurückgewinnung von Gallium nicht fremd, denn bereits 2021 wurde im Rahmen des Projekts Ecogain ein Proof of Concept fertiggestellt. Damals konnten die Forschenden zeigen, dass sich mithilfe von Peptiden Gallium selektiv aus hochkomplexen Industrieabwässern herauslösen lässt.

Die speziellen Biomoleküle wirkten wie eine Art biologische Angel: Sie banden gezielt Gallium-Ionen und ermöglichten so die Rückgewinnung des Metalls aus verdünnten Lösungen. Dieser Ansatz belegte eindrucksvoll, dass biotechnologische Verfahren eine ökologische Alternative zu klassischen chemischen Methoden sein können. Allerdings war der Ansatz noch auf den Labormaßstab beschränkt – Durchsätze im Milliliterbereich und hohe Kosten für die Peptidsynthese verhinderten eine direkte industrielle Anwendung.

Die nun gestartete Pilotanlage in Freiberg knüpft an diese Arbeiten an, setzt aber auf Siderophore, das sind kleine organische Moleküle mit metallbindenden Eigenschaften. Sie lassen sich deutlich wirtschaftlicher einsetzen und in größeren Mengen verwenden.

Inzwischen werden bereits 100 Liter Industrieabwässer pro Tag verarbeitet, in einem nächsten Schritt soll die Kapazität auf bis zu 2.000 Liter ausgeweitet werden. Damit entwickelt sich die Forschung von einem Laborversuch hin zu einem Verfahren im industriellen Maßstab. Ziel ist es, Gallium, das bei Ätz- und Polierprozessen verloren geht, effizient zurückzugewinnen und durch Recycling zwei bis fünf Tonnen des strategischen Metalls pro Jahr allein im deutschen Hightech-Sektor einzusparen. (sb)

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