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May 07, 2024

Wissenschaftler entwickeln eine Mühle, um das Problem von E. zu lösen

Foto: Siddharth Kankaria/Research Matters Haben Sie sich jemals gefragt, was mit dem Telefon passiert ist, das Sie durch ein „intelligentes“ ersetzt haben, oder mit dem Desktop-Computer, den Sie vor Jahren weggeworfen haben? Nun, Sie werfen sie in den Mülleimer.

Foto: Siddharth Kankaria/Research Matters

Haben Sie sich jemals gefragt, was mit dem Telefon passiert ist, das Sie durch ein „intelligentes“ ersetzt haben, oder mit dem Desktop-Computer, den Sie vor Jahren weggeworfen haben? Nun, Sie werfen sie in den Mülleimer. Und das Gleiche gilt für unzählige andere auf der ganzen Welt, die allein im Jahr 2013 satte 50 Millionen Tonnen Elektroschrott erzeugten. Bis 2030 wird unser Elektroschrott voraussichtlich 1 Milliarde Tonnen pro Jahr erreichen – mehr als die Reismenge, die weltweit angebaut wird!

Lediglich 12,5 % des heute anfallenden Elektroschrotts (Elektroschrott) wird recycelt. Eine aktuelle indisch-amerikanische Studie greift dieses Problem im wahrsten Sinne des Wortes auf und schlägt eine elegante, einfache Methode zum Recycling von Elektroschrott vor: Zerkleinern in Nanopartikel. Unter der Leitung von Prof. Kamanio Chattopadhyay und Prof. D. Roy Mahapatra am Department of Materials Engineering and Aerospace Engineering des Indian Institute of Science in Zusammenarbeit mit Forschern der Rice University, USA, könnte die Studie das Recycling von Elektroschrott einfach, unkompliziert und einfach machen vollständig.

Die StEP-Initiative der Vereinten Nationen definiert Elektroschrott als alle elektrischen und elektronischen Geräte und deren Teile, die von ihrem Besitzer als Abfall entsorgt wurden, ohne die Absicht einer Wiederverwendung. Kühlschränke, Bildschirme/Monitore, Lampen, Waschmaschinen, Taschenrechner, Toaster, Mobiltelefone, Computer und mehr landen schließlich im „Elektroschrott“.

Eine große Herausforderung beim Recycling von Elektroschrott besteht darin, dass die in all diesen Geräten vorhandenen elektronischen Leiterplatten (PCBs) lebensgefährliche Schwermetalle wie Blei, Quecksilber und Arsen enthalten. Daher müssen sie über spezielle Kanäle recycelt werden, die diese schädlichen Chemikalien durch Zerlegen, Brechen und Raffinieren trennen.

„Die Komplexität des Recyclingprozesses und die benötigte Energiemenge sind weder wirtschaftlich noch umweltfreundlich“, betont Dr. Chandra Sekar Tiwary, Forscherin und Hauptautorin der Studie.

Heutzutage werden zwei gängige Methoden zum Recycling von Elektroschrott verwendet. Bei der ersten Methode wird der Elektroschrott verbrannt und zerkleinert, wodurch die organischen Polymere in PCBs zerstört werden und Metalle und Keramik übrig bleiben, die zurückgewonnen und recycelt werden müssen. Durch den Verbrennungsprozess werden giftige Chemikalien in die Luft freigesetzt und diese somit verschmutzt. Bei der zweiten Methode werden die PCBs in winzige Stücke zerkleinert und mit Hitze und Chemikalien behandelt, um Metalle zu extrahieren. Da die winzigen Teilchen etwa einen Zentimeter groß sind, können die entstehenden Metalle miteinander reagieren und daher nicht in reiner Form gewonnen werden, was das Recycling einschränkt. Der Bedarf an extremer Hitze und Chemikalien machen diesen Prozess ebenfalls teuer.

Die Forscher dieser Studie schlagen vor, die PCBs mithilfe einer Kryomühle, einer Niedertemperaturmühle, die am IISc selbst entwickelt wurde, in Partikel in Nanogröße zu zerkleinern. Bei dieser Zerkleinerung bei niedrigen Temperaturen werden keine gefährlichen Gase freigesetzt. Es verhindert jegliche chemische Reaktion zwischen Metallen und hält auch organische Polymere zurück, wodurch eine vollständige Trennung und Wiederverwendung von Polymeren, Oxiden und Metallen ermöglicht wird. Metalle werden recycelt und die organischen Polymere werden als Ausgangsmaterial für die Herstellung künstlicher Materialien wie Polymer-Nanokomposite verwendet. „Das Beste an unserer Lösung ist, dass wir nichts entsorgen und es zu 100 % verwenden, was sehr wichtig für die Umwelt ist“, bemerkt Dr. Tiwary.

Die Studie befasst sich auch mit zwei Methoden zum Recycling der pulverförmigen Form von PCB. Bei der ersten Methode wird das Pulver mit Wasser vermischt, wodurch sich zwei klar trennbare Schichten bilden – eine Schwimmschicht und eine Sedimentschicht. Wenn die Schwimmschicht mit Nanopartikeln weiter verdünnt wird, verteilen sich die Partikel gleichmäßig in der Lösung und bilden ein Kolloid. Dieses Kolloid kann zur Herstellung von Druckfarben und Farben auf Polymerbasis verwendet werden. Oxide von Mangan, Silizium, Blei, Zinn, Kupfer, Kobalt und Kalzium sowie Metalle wie Silber, Gold, Zinn, Blei, Kupfer, Aluminium und Nickel kommen in der Sedimentschicht vor und können in reiner Form extrahiert werden.

Bei der zweiten Wiederverwendungsmethode könnten die nanoskaligen Partikel zur Verstärkung von Polymeren und zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften verwendet werden. Dasselbe demonstrierte das Team, indem es diese Nanopartikel zu Epoxidharz, einem häufig verwendeten Polymer, hinzufügte. „Das Mischen von Nanopartikeln verbesserte die Festigkeit“, sagt Dr. Tiwary.

Die vorgeschlagene Methode verbraucht im Vergleich zum Verbrennen und Zerkleinern nur die Hälfte der Energie, nimmt im Vergleich zu chemischen Rückgewinnungsmethoden etwa ein Drittel der Zeit in Anspruch und führt zur Rückgewinnung von 100 % der Materialien und erzeugt keinen Abfall.

Diese Studie ist ein Durchbruch in unserem Bestreben, umweltfreundliche Wege zu finden, um der Bedrohung durch Elektroschrott ein Ende zu setzen. „Die beiden wichtigsten Herausforderungen dieses Jahrzehnts werden Umwelt und Energie sein. Abfall, insbesondere Elektroschrott, wird in der entwickelten Welt ein großes Problem darstellen, das eine Menge Elektroschrott erzeugen wird. „Ein Land wie Indien muss jetzt damit beginnen, daran zu arbeiten, sonst werden unsere Städte voller solcher Abfälle sein“, schließt Dr. Tiwary ab.