Circular Economy Metall-Kreislaufwirtschaft in der Steckverbinderindustrie (Teil 1)

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Mit einer neu entwickelten Trenn- und Sortiertechnik können Metall- und Kunststoffverbundschrotte nachhaltiger, kostengünstiger, energieeffizienter und CO₂-reduziert aufbereitet werden. Das Verfahren ist zukunftsweisend für die Kreislaufwirtschaft in der Steckverbinderindustrie.

Bei der Herstellung von elektrischen und elektronischen Bauteilen entstehen je nach Fertigungsstufe typische Produktionsabfälle. Hierbei handelt es sich bei den ersten Stufen meist um Band- und Stanzschrotte aus der Band- und Einzelteilfertigung. In den folgenden Bearbeitungsstufen fallen dann weitere Halb- oder auch Fertigprodukte an. Hierzu zählen unter anderem Kunststoffverbundmaterialien, elektrische Spulen, Schalter, Steckverbinder, Relais und Leiterplatten.

Durch entsprechende Vorgaben aus den verschiedenen Branchen treten in jeder Produktionsstufe weitere Abfälle in Form von Prüf- und Rückstellmustern auf. Werden Produkte aussortiert oder müssen aufgrund von Vorgaben zerstört werden, kommen zu den üblichen Schrotten noch komplett verpackte Artikel aus Lagerbereinigungen hinzu. Diese Produktionsabfälle enthalten neben Kupfer meist noch Edelmetalle wie Gold und Silber und stellen daher sehr wichtige Wertstoffe für die Rohstoffbeschaffung dar (Bild 1).

Beim Recycling von Metall (Sekundärmetall) wird im Vergleich zur Gewinnung von Rohmetall (Primärmetall) weniger Energie benötigt und weniger Kohlenstoffdioxid ausgestoßen [1]. Daher sollten diese Abfälle möglichst nachhaltig und klimaneutral zurückgewonnen werden, um den Rohstoffkreislauf zu schließen und den CO₂-Footprint des Herstellprozesses zu reduzieren.

Kupfer-Recycling: Aktuelle Aufarbeitungsmethoden (Stand der Technik)

Grundsätzlich spricht man beim Recycling von Kupfermaterialien in Verbindung mit Edelmetallen, Kunststoffen und/oder weiteren organischen Bestandteilen (z. B. Stanz-, Ziehöle, Lacke) von vier Stufen: Veraschen, Präparieren, Schmelzen und Raffinieren.

Allgemein versteht man unter Veraschen das gezielte Zerstören organischer Substanzen durch Erhitzen unter Sauerstoffeinfluss [2]. Dies geschieht bei den Recyclern in speziellen Öfen, die üblicherweise mit Gas betrieben werden. Dabei werden die Materialien bei moderater Temperatur verascht, um organische Bestandteile zu entfernen. Zurück bleibt das Edelmetall in konzentrierter Form.

Die veraschten Materialien werden anschließend zerkleinert und homogenisiert. Dies ist notwendig, um repräsentative Proben für die Analyse zu entnehmen [3]. Das erhaltene Gemisch mit festen Metallanteilen, den Gröben und der Asche kann den weiteren Prozessen zugeführt werden.

Schmelzbarer Anteil beim Kupfer-Recycling

Der schmelzbare Anteil wird nun in Induktionsöfen verarbeitet. Kupfer, Gold und Silber ergeben dabei eine homogene Schmelze, Reststoffe wie Schad- und Störstoffe sammeln sich zum Teil in der Schlacke und werden so aus dem weiteren Prozess entfernt. Aus den erschmolzenen Metallen werden Anoden gegossen, die zur Raffination benötigt werden.

Der Prozess wird mittels einer Elektrolyse der Anoden durchgeführt. Die reinen Metalle scheiden sich an der Kathode des Systems ab. Um optimale Ausbeuten bei der Raffination zu erzielen, spielen die Konzentrationen von Gold, Silber und Kupfer eine wesentliche Rolle, so dass hier oft noch Metall zugegeben werden muss.

Die Nachteile herkömmlicher Verfahren

Die Nachteile dieses energieintensiven Prozesses sind vielschichtig. Die Recyclingfähigkeit edelmetallhaltiger Produkte wird durch den tatsächlichen Metallwert des Materials in Abhängigkeit vom Edelmetallgehalt sowie den aktuellen Edelmetallpreisen bestimmt [4]. Die Aufarbeitung von gemischten Fraktionen, bei denen die attraktiven Metallinhalte oft nur einen Bruchteil der Gesamtmenge ausmachen, gestalten den Prozess komplexer und verteuern diesen unnötig.

Meist enthalten diese Materialien organische Bestandteile wie Kunststoffe, Stanz , Ziehöle oder Emulsionen, die ein Veraschen unumgänglich machen. Durch diesen Prozessschritt entstehen neben den höheren Kosten pro kg Material 2.613 g CO_2e (CO₂-Äquivalente).

Weiterhin sind beim Schmelzen solcher gemischten Fraktionen oft Anteile an reinem Kupferlegierungsmetall (blank) enthalten, die nicht im Recyclingprozess aufgearbeitet werden müssten, sondern als blankes Metall direkt wieder in den Produktionsprozess der Halbzeugwerke einfließen könnten.

Dieser Metallanteil erhöht die Menge des Recyclingmaterials, verursacht neben zusätzliche Kosten auch 1.305 g CO_2e pro kg additivem Einsatzgewicht. Dieser erhöhte Anteil betrifft auch den nächsten Prozessschritt, die Elektrolyse (Raffination). Zusätzlich kann es nötig sein, die Metallkonzentrationen in den Anoden zu korrigieren, wodurch sich die Metallmengen abermals erhöhen.

In Summe sind wieder Kostensteigerungen und ein CO₂ Verbrauch von 3.306 g CO_2e pro kg zu verbuchen. Schad- und Störstoffe wie z. B. Eisen, Beryllium, Cadmium, Blei und Chrom führen zu weiteren Kosten durch entsprechende Zusatzgebühren, die von den Aufarbeitern erhoben werden. Teilweise werden Fraktionen, die bestimmte Schad- und Störstoff enthalten, gar nicht mehr zum Recyceln angenommen.

Hocheffizientes Metall-Recycling – Veredelung der Metallabfälle

Um die Nachteile der aktuellen Aufarbeitungsmethoden zu minimieren und sich dem Ziel des klimaneutralen Recyclings anzunähern, müssen die einzelnen Wertstoffströme vor dem eigentlichen Raffinieren entsprechend vorbereitet werden. Dabei zeigen die Erfahrungen für die verschiedenen Abfallströme in einer KFW-Studie, dass technische Innovationen wie im Bereich der Sortiertechnologie wichtige Impulse für das Recycling liefern können [5].

Dies trifft auch für die gemischten Metallabfälle aus der Produktion von Steckverbindern und Kontakten zu. Eine intelligente, sortenreine Trennung und Sortierung führt in diesem Zusammenhang zu einer Veredelung der Metallabfälle und stellt einen innovativen Meilenstein in der klimaneutralen Aufarbeitung von Nichteisen (NE)-Metallen und Edelmetallen dar.

Intelligente sortenreine Trennung und Sortierung

In Bild 2 ist die neue Technologie der intelligenten, sortenreinen Trennung und Sortierung, also die „Veredelung der Metallabfälle“, schematisch dargestellt. Nach der Prüfung des Materials im Wareneingang erfolgt nach einer eventuellen groben Vorsortierung der Schritt des Zerkleinerns, das so genannte Schreddern der Wertstoffe. In einem dritten und vierten Arbeitsgang wird das entstandene Mischgranulat aufbereitet (granuliert) und den erforderlichen Sortier- und Trennprozessen zugeführt.

Die dabei entstehenden sortenreinen Zwischenprodukte innerhalb der drei Gruppen Metall-, Kunststoffgranulat und Reststoffe können in optimierter Form den unterschiedlichen Recyclingprozessen zugeführt werden. Die Metallgranulate enthalten dabei die drei Fraktionen der edelmetallhaltigen Metalle, der reinen NE-Metalle und der Eisenmetalle.

Das Kunststoffgranulat kann je nach Reinheit als Recyclat weiterverarbeitet oder thermisch verwertet werden. Weitere Reststoffe wie Verpackungsmaterialien oder auch Schadstoffe können gezielt der Aufarbeitung oder Entsorgung zugeführt werden. Durch dieses hocheffiziente Metall-Recycling gestalten sich die Folgeprozesse energieeffizienter und nachhaltiger.

Zerkleinern / Trennen / Sortieren

Zerkleinern / Schreddern: Um ein optimales Trenn- und Sortierergebnis erzielen zu können, müssen die Metallmischfraktionen in einem ersten Arbeitsgang zerkleinert werden. Dies geschieht mit dem Schredder. Ein Schredder (englisch shredder), auch Hacker oder Häcksler genannt, ist ein mechanisches Gerät zum Zerkleinern unterschiedlicher Materialien.

Er wird in der Regel eingesetzt, um Abfälle in Schnitzel zu zerhacken und das Schüttvolumen zu verringern [6]. In diesem Prozessschritt wird das Ausgangsmaterial (Bild 2) auf wenige Millimeter Größe zerkleinert und ermöglicht dadurch die bessere Weiterverarbeitung.

Neben dem Zerkleinern führt der Eintrag von mechanischen Kräften zum Auftrennen des Metall-Kunststoffverbundes, so dass Metall und Kunststoff nicht mehr zusammen haften, sondern im Kunstsoff-Metall-Mix schon „sortenrein“ vorliegen. Dies macht das darauffolgende Trennen und Sortieren erst möglich. In Bild 3 ist das Ergebnis des Schredderprozesses dargestellt.

Trennen / Sortieren: Beim Trennen und Sortieren von metallischen Wertstoffen fallen je nach Zusammensetzung der Materialien unterschiedliche Aufgaben an. Grundsätzlich kann man unterscheiden zwischen: stark öligen Schrotten, eisenhaltigen NE-Schrotten und Kunststoff-Metall-Verbund-Materialien.

Ölige Schrotte, eisenhaltige NE-Schrotte und Kunststoff-Metall-Verbunde

Stark ölige Schrotte, die mit Stanz-, Ziehöl, Drehemulsionen oder anderen organischen und brennbaren Flüssigkeiten behaftet sind, können nicht direkt in einer Schmelze verarbeitet werden. Die organischen Bestandteile führen in der Schmelze zu unkontrolliertem Abbrand mit starker Rauchgasentwicklung. Zusätzlich sind diese Gase meist giftig und die Schmelzöfen sind nicht auf derartigen Abbrand ausgelegt.

Von daher müssten diese Schrotte vor dem Schmelzen energieintensiv verascht werden. Um dies zu vermeiden, werden die Fluide am besten vor der Schmelze abgetrennt. Dies erfolgt unter anderem durch Zentrifugalkraft, hierbei kommen Separatoren wie Zentrifugen oder Dekanter in Frage. Eine weitere Möglichkeit ist die wässrige Reinigung der Materialien mit entsprechenden Reinigern.

Des Weiteren stört bei der Kupfer- und Edelmetallraffination das Element Eisen (Fe) massiv. Um eine homogene Schmelze zu erhalten, erhöhen sich die Ofentemperaturen aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Eisen extrem. Neben der Verunreinigung der Schmelze mit Eisen entsteht auch eine stark eisenhaltige Schlacke, die aus dem Prozess entfernt werden muss.

Magnetscheiden: Eisenfreie Kupfer- und Edelmetallraffination

Dieser Vorgang ist nicht gewünscht und aufgrund der erhöhten Schmelztemperaturen ein zusätzlicher CO₂-Booster für den Recyclingprozess. Von daher sollte die Kupfer- und Edelmetallraffination unbedingt eisenfrei sein. Der einfachste Weg, bestimmte Metalle vom Rest des Stoffstroms zu entfernen, ist das Magnetscheiden.

Bei diesem Verfahren werden ferromagnetische Metalle entfernt. Zu den bei Raumtemperatur (20 °C) ferromagnetischen Metallen gehören jedoch nur Eisen (Fe), Cobalt (Co) und Nickel (Ni). Diese drei Metalle können durch einen Elektromagneten aus dem Stoffstrom des Wertstoffabfalls entnommen werden [7]. Hierbei werden je nach Anforderungen unterschiedliche Magnete eingesetzt.

Die Trennung von Kunststoff und Metall bei Kunststoff-Metall-Verbund-Materialien erfolgt üblicherweise über die Dichteunterschiede der verschiedenen Stoffe. Dabei kommen unterschiedliche Techniken zum Einsatz. Beim Schwimm/Sink-Verfahren werden Stoffe bei der Wertstofftrennung durch ihr dichteabhängiges Verhalten in einem flüssigen Medium getrennt.

Das flüssige Medium ist in der Regel Wasser. Wasser besitzt bei 20 °C und Normaldruck eine Dichte von 0,998 g/cm³. Stoffe, die unter denselben Bedingungen eine höhere Dichte besitzen, schwimmen nicht auf dem Wasser und sinken zu Boden [7]. Eine weitere Methode zur Trennung von Materialien ist der sogenannte Trenntisch. Hierbei unterscheidet man zwischen Nass- und Trockentrenntisch.

Nass- und Trockentrenntisch, Windsichten

Bei einem Nasstrenntisch handelt es sich um ein nass-mechanisch arbeitendes Aggregat zur Dichtetrennung feiner und feinster Anteile [8]. Dabei erzeugt ein gleichmäßiger und kontinuierlicher Wasserfluss ein Wasserbett. Leichte Partikel (z. B. Kunststoffe) schwimmen auf während schwere Partikel (z. B. Metalle) auf den Boden absinken [9].

Der Trockentrenntisch arbeitet im Unterschied zum Nasstrenntisch mit Luft als Trennmedium. Er trennt die verschiedenen Materialien im Aufgabeprodukt entsprechend ihren unterschiedlichen spezifischen Gewichten (Dichte) in Schwerfraktionen und Leichtfraktionen sowie aufgrund der notwendigen Absaugung/Entstaubung der Maschine in eine zusätzliche Filterfraktion [10].

Als weitere Trenntechnik wird das Windsichten genutzt. Dies ist ein Verfahren zur mechanischen Auftrennung von Materialien. Dabei werden Unterschiede des Trägheits- und Schwerkraftverhaltens von Partikeln im Vergleich zum Strömungswiderstand in einem Gasstrom genutzt, um die Trennung zu erreichen.

Da das Verfahren auf physikalischen Größen basiert, spielt die Materialzusammensetzung bei diesem Trennungsverfahren für den Erfolg der Trennung keine Rolle. Vereinfacht betrachtet werden schwere Partikel mit hoher Dichte von leichteren Partikeln mit niedrigerer Dichte getrennt [7]. Allerdings verbleiben Restverunreinigungen der sortierten Materialien von 1 bis 3%, Schad- und Störstoffe sind nicht entfernbar, die Bearbeitungsmengen sind gering und es ist keine weitere Auftrennung von gemischten Metallfraktionen möglich.

Kombination verschiedener Trenntechniken und Sensoren

Um die bestehenden Nachteile der aktuell eingesetzten Sortiertechniken zu vermeiden, wurde eine neue Trenntechnologie entwickelt. Hierbei ermöglicht die Verknüpfung verschiedener Trenntechniken in Kombination unterschiedlicher Sensoren eine schnelle und optimale Sortierung der verschiedenen geschredderten Recyclingfraktionen.

Diese Trenntechnologie bietet folgende Vorteile:

• keine Kunststoffe / Öle / Emulsionen / organischen Bestandteile,

• kein Veraschen,

• keine Stör- / Schadstoffe,

• Trennung edel / unedel / blank,

• Metallfraktionen passend zum Folgeprozess edel / unedel / blank,

• Metallkonzentrationen optimiert,

• Sortenreinheit der Fraktionen und

• hoher Durchsatz.

Teil 2 stellt die neuartige Trenntechnologie anhand von Beispielen detailliert vor und bewertet die CO₂-Bilanzen im Vergleich zu klassischen Methoden. (kr)

Literatur

[1] Leifichemie, Recycling von Metall, www.leifichemie.de

[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Veraschen

[3] Daniel Giesen, Recycling von Gekrätz: Ein lukrativer und nachhaltiger Beitrag zur Kreislaufwirtschaft, Edelmetall Blog, C. Hafner, 09/2024

[4] Hagelüken, Ch. (o.J), Edelmetallrecycling – Status und Entwicklungen, 44. Metallurgisches Seminar, Heft 121 der Schriftenreihe der GDMB, 2010

[5] H. Wilts, R. Lucas, N. von Gries, M. Zirngiebl, Recycling in Deutschland – Status quo, Potenziale, Hemmnisse und Lösungsansätze, Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, Studie im Auftrag der KFW, November 2014

[6] https://de.wikipedia.org/wiki/Schredder_(Maschine)

[7] SKZ Kunststoffzentrum, Projekt plastic360, Modul 3 – Entsorgung und Recycling, https://www.skz.de/forschung/kreislaufwirtschaft/plastic360

[8] Thomé-Kozmiensky, K. J.; Goldmann, D.: Recycling und Rohstoffe, Band 5, TK-Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, Neuruppin, 2012

[9] https://sicontechnology.com/wetfloat/

[10] Thomé-Kozmiensky, K. J.; Goldmann, D.: Recycling und Rohstoffe, Band 2, TK-Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, Neuruppin, 2009

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