DE102022121684B3

DE102022121684B3 - Verfahren und System zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen

Info

Publication number: DE102022121684B3
Application number: DE102022121684.5A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Monneron-Enaud; Michael Schlömann; Robert Kalke; Oliver Wiche
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2042-08-27
Also published as: WO2024042225A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen durch die Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) durch mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus und die zumindest teilweise Laugung von Lötzinn, wobei Fe(III) zumindest teilweise zu Fe(II) reduziert wird, und ein System und dessen Verwendung zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen durch die zumindest teilweise Laugung von Lötzinn, wobei Fe(III) zumindest teilweise zu Fe(II) reduziert wird, und die Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) durch mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus und ein System und dessen Verwendung zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen.
Das Recycling von Elektronikschrott ist derzeit eines der größten Probleme in der Abfallwirtschaft. Im Jahr 2017 wurden in Europa 3,8 Millionen Tonnen Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE) recycelt, aber im selben Jahr wurden 10,5 Millionen Tonnen neue Elektrogeräte auf den Markt gebracht (Eurostat 2020). Der Elektronikschrott umfasst Leiterplatten (printed circuit boards, PCBs) wie auch elektronische Komponenten (Widerstände, Transistoren, Integrierte Schaltkreise, Kondensatoren, etc.) enthaltend Kupfer und dazu zahlreiche weitere Elemente, die zum Teil im Vorkommen auf der Erde begrenzt und sehr wertvoll sind. PCBs sind jedoch der am schwierigsten zu recycelnde Teil, da sie aus verschiedenen kombinierten Stoffen in einem breiten Spektrum von Konzentrationen bestehen.
Um Elemente aus Leiterplatten gebrauchter Elektronikgeräte zu recyceln, werden die Geräte in unterschiedlichem Maße zerlegt, wobei die Leiterplatten entnommen werden, ein Vorgang, der im Englischen als „Dismantling“ bezeichnet wird. Die Leiterplatten werden anschließend i. d. R. durch Brechen oder/und Schreddern grob zerkleinert (Hagelüken 2006).
Im Anschluss an die Zerkleinerung können je nach Art der Anlage und des Elektro- und Elektronikschrotts Kupfer, Nickel, Zinn, Zink, Blei, Silber, Gold, Eisen, Aluminium, aber auch Platingruppen-Elemente (Pt, Pd, Ru, Rh, Ir) und andere Elemente pyrometallurgisch, zum Teil mit zusätzlichen hydrometallurgischen Schritten, zurückgewonnen werden.
Elektro- und Elektronikschrott kann auch hydrometallurgisch bearbeitet werden (Cui und Anderson 2016). Zu diesem Zweck wird er vorher ggf. durch Mahlen weiter zerkleinert. Bei der sogenannten Laugung können unterschiedliche Lösungen zum Einsatz kommen, beispielsweise Säuren, wie Schwefelsäure (H₂SO₄), Salzsäure (HCl), Salpetersäure (HNO₃) oder Aqua regia (Königswasser, HCl/ HNO₃), mit einem Oxidationsmittel, wie Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Sauerstoff (O₂), Eisen (III) (Fe(III)), Chlor (Cl₂), oder Salpetersäure (HNO₃), und ggf. zusätzlich Natriumchlorid (NaCl) (Cui und Anderson 2016).
Ein Spezialfall des hydrometallurgischen Recyclings ist die Biolaugung (Mishra et al. 2021). Hierbei bilden Mikroorganismen durch Oxidation von Fe(II) bzw. von Schwefel Fe(III) bzw. Schwefelsäure (H⁺), welche wiederum Metalle von den zerkleinerten Leiterplatten in Lösung bringen. Auch die Laugung durch von Pilzen oder Bakterien gebildete organische Säuren oder durch gebildetes Cyanid ist beschrieben worden. Die Metalle werden aus den Lösungen z. B. durch Solventextraktion, durch Sorption oder durch Fällung gewonnen. Die Biolaugung von zerkleinerten Leiterplatten kann in gerührten Bioreaktoren durchgeführt werden (Hubau et al. 2020) oder auch in Perkolationsreaktoren (Ilyas et al. 2010).
Nachteilig führen pyrometallurgische, hydrometallurgische oder biohydrometallurgische Prozesse, bei denen die Leiterplatten im Vorfeld als Ganzes zerkleinert werden, bei der Zerkleinerung zu Verlusten, speziell in Form von Staub beim Mahlen. Der beim Mahlen entstehende Staub kann die weitere Aufarbeitung erschweren. Weiterhin kann die Zerkleinerung zur Erwärmung führen und letztlich zur Freisetzung von bromierten Dioxinen oder Furanen, die aus bromierten Flammschutzmitteln in den Leiterplatten entstehen können (Luda 2011). Zudem führen alle diese Prozesse dazu, dass Elemente, die in den elektronischen Komponenten gegebenenfalls nur in geringer Konzentration vorkommen, durch all die anderen Stoffe gewissermaßen „verdünnt“ werden. Aus den entstehenden sehr komplexen pyrometallurgischen Zwischenprodukten oder Lösungen lassen sich in nur sehr niedriger Konzentration vorkommende Elemente mit vertretbarem Aufwand nicht gewinnen und gehen damit der Kreislaufführung verloren und landen in Schlacken oder zu deponierenden Rückständen.
Statt die kompletten Leiterplatten nach Zerkleinerung zu laugen, kann es daher im Hinblick auf die Gewinnung von wertvollen, in kleineren Konzentrationen vorkommenden Elementen sinnvoll sein, die elektronischen Komponenten vor einer vollständigen Zerkleinerung abzulösen. Dies kann durch Schmelzen des Lötzinns oder durch chemische Auflösung des Lötzinns erfolgen (Rocchetti et al. 2018).
WO 2011/130622 A1 bzw. US 2013/0276284 A1 beschreibt ein Verfahren zur Auftrennung der Bestandteile von Leiterplatten, insbesondere Edelmetallen, Basismetallen, Lötmetallen und elektronischen Bauteilen, wobei der Trennungsschritt das Auflösen des Lötzinns und die Abtrennung mindestens eines Bauteils oder Metalls von der Leiterplatte umfasst. Insbesondere offenbart US 2013/0276284 A1 das Lösen des Lötzinns mit mindestens einem Oxidationsmittel, ausgewählt aus 35 Oxidationsmitteln oder Gruppen von Oxidationsmitteln, darunter Ozon, Salpetersäure, Luft, Cyclohexylaminosulfonsäure, Wasserstoffperoxid, Oxon (Kaliumperoxomonosulfat), Tetramethylammoniumchlorit, Tetrabutylammoniumperooxomonosulfat, Peroxomonoschwefelsäure, Hamstoff-Wasserstoffperoxid, Peressigsäure, Natriumnitrat, Kaliumnitrat, Ammoniumnitrat, und deren Kombinationen. US 2013/0276284 A1 beschreibt zur Ablösung der Bauteile das Auflösen von Loten aus Blei oder Zinn oder beiden Metallen. Nachteilig werden Oxidationsmittel verbraucht und in bevorzugten Anwendungen zusätzlich Komplexbildner, organische Lösungsmittel und Passivierungsmittel für Edelmetalle benötigt.
Weiterhin beschreiben Jung et al. ein hydrometallurgisches Leiterplatten-Dismantling unter Verwendung von Salzsäure mit Sn⁴⁺ (Jung et al. 2017) und Zhang et al. ein hydrometallurgisches Leiterplatten-Dismantling unter Verwendung von Fluorborsäure mit H₂O₂ (Zhang et al. 2015), wobei nachteilig große Mengen an Oxidationsmittel benötigt werden.
Alternativ kann ein Leiterplatten-Dismantling durch „Abreißen“ der elektronischen Komponenten oder durch eine Zerkleinerung mit anschließender Sortierung durch komplexe Maschinen erfolgen. Nachteilig erlaubt die Teilzerstörung der Leiterplatten keine gute Trennung der abgelösten elektronischen Komponenten voneinander, sodass die Verdünnungseffekte nur reduziert, nicht aber vermieden werden.
Eine weitere Alternative besteht im Schmelzen des Lötzinns durch Erhitzen der gesamten Leiterplatte bei relativ hohen Temperaturen, insbesondere über dem Schmelzpunkt von üblichem Lötzinn von 220°C (reines Zinn 232°C). Nachteilig ist dieser Prozess wenig energieeffektiv und es können dabei toxische Gase, wie bromierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane, entstehen.
Alternativ kann ein Leiterplatten-Dismantling mikrobiell erfolgen. Traditionell wird die sogenannte Biolaugung zur Gewinnung von Metallen aus sulfidischen Erzen, wie sie in der Natur vorkommen, eingesetzt. Nachteilig ist, dass die Biolaugung eine geringe Reaktionskinetik aufweist (Johnson 2018), was häufig durch eine Erhöhung des Prozessvolumens kompensiert wird. Ein Beispiel ist die Biolaugung von Erzen auf Halden, bei der die Lösung wochen- oder monatelang durch die Halde laufen kann, was aufgrund von Tausenden Tonnen täglich verarbeiteter Erze wirtschaftlich ist.
Die Biolaugung konzentriert sich im Zusammenhang mit dem PCB-Recycling hauptsächlich auf die Rückgewinnung von Kupfer und Gold, auf das Upscaling und die Optimierung der Kupferextraktion, um die Raten und Erträge der Biolaugung zu verbessern. Hubau et al. beschreiben dazu einen zweiteiligen Reaktor, insbesondere einen kontinuierlichen 2,25-Liter-Reaktor, um die Produktion von biogenem Eisen (III) von der Laugungsreaktion zu trennen (Hubau et al. 2020), wobei beispielsweise eine Kupferrückgewinnung aus PCBs von 96 % nach 48 h erreicht wurde.
Hocheng et al. beschreiben eine Auflösung von verschiedenen Lötzinnen durch mikrobielle Aktivität unter Verwendung von Aspergillus niger und Acidithiobacillus ferrooxidans, wobei mit den reinen Lötzinnen gearbeitet wurde (Hocheng et al. 2014). Die Bioleaching-Lösung beider Arten (Aspergillus niger und Acidithiobacillus ferrooxidans) konnte SnAgCu- und SnCu-Lötzinn erfolgreich laugen, aber nur die Lösung von A. niger konnte SnPb-Lötzinn erfolgreich laugen.
Monneron-Enaud et al. beschreiben eine mikrobielle Fe(II)-Oxidation unter Verwendung einer von Acidithiobacillus ferrooxidans-dominierten Mischkultur, wobei die entstehende saure Fe(III)-Lösung zum Ablösen der Komponenten von nicht zerkleinerten Leiterplatten verwendet wird („Biodismantling“) und die Fe(II)-Oxidation und die Auflösung des Lötzinns in demselben Gefäß stattfinden (Monneron-Enaud et al. 2020). Eine rein chemische Kontrolle (Fe(III)) zeigte dabei eine verbesserte Laugung im Vergleich zur Biolaugung.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens und/oder eines Systems für ein verbessertes Trennen der Komponenten aus Lötzinn-haltigen Baugruppen, insbesondere eine Erhöhung der Reaktionskinetik bzw. eine Verringerung der Verfahrensdauer.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen umfassend die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Inokulums umfassend mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus und Animpfen eines Kulturmediums mit dem Inokulum, wobei der Fe(II)-oxidierende Mikroorganismus Fe(II) zu Fe(III) oxidiert,
b) Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium,
c) Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) durch den mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in einer ersten Vorrichtung, wobei ein Sauerstoff-haltiges Prozessgas in die erste Vorrichtung eingeleitet wird,
d) zumindest teilweise Trennung der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen durch eine zumindest teilweise Laugung von Lötzinn in einer zweiten Vorrichtung mit einem Redoxpotenzial im Bereich von 350 bis 450 mV (gegen Ag/AgCI),

In Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Reihenfolge der Schritte a), b), c) und d) durchgeführt. In alternativen Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Reihenfolge der Schritte a), b), c) und d) durchgeführt, wobei die Schritte c) und d) simultan erfolgen.
Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine zumindest teilweise Trennung der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen, insbesondere ein Dismantling von Leiterplatten. Unter dem Begriff „Dismantling“ wird im Sinne der Erfindung eine selektive, zumindest teilweise Laugung von Lötzinn einer Baugruppe verstanden, wobei Komponenten der Baugruppe getrennt und insbesondere elektronische Bauteile von einem Träger abgetrennt werden, aber keine wesentliche Laugung der Komponenten erfolgt. Bevorzugt erfolgt eine vollständige Trennung der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen, insbesondere eine vollständige Abtrennung elektronischer Bauteile von einem Träger.
Vorteilhaft ermöglicht dabei das erfindungsgemäße Verfahren eine Abtrennung von elektronischen Bauteilen mit Elementen, die an der Gesamtmasse nur einen geringen Anteil ausmachen, aber einen hohen Wert aufweisen, wie Seltenerd-Metalle oder Platingruppen-Elemente. Weiter vorteilhaft ermöglicht das Verfahren eine Erhöhung der Ausbeute und Anreicherung von Wertelementen, wie Seltenerd-Elementen, Platingruppen-Elementen, Zinn etc., aus Lötzinn-haltigen Baugruppen. Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Rückgewinnung mindestens eines Teils der in den Lötzinn-haltigen Baugruppen enthaltenen Wertelemente wie Gold, Silber, Kupfer und Zinn.
Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch die Abtrennung von Komponenten, die toxische Verbindungen enthalten.
Weiterhin vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig, weist einen geringen Rohstoffverbrauch, insbesondere einen geringen Chemikalienverbrauch, wie Säuren und Basen oder Oxidationsmitteln (außer Luft oder Sauerstoff), auf, und die Notwendigkeit einer mechanischen Vorbehandlung, wie eine Zerkleinerung, der Baugruppen wird verringert.
Zweckmäßig kann das Verfahren im industriellen Maßstab durchgeführt werden.
Unter dem Begriff „Lötzinn-haltige Baugruppe“ wird eine Baugruppe umfassend mindestens zwei verschiedene Komponenten verstanden, welche durch Lötzinn verbunden sind.
In Ausführungsformen sind Lötzinn-haltige Baugruppen elektronische oder elektrische Baugruppen. Bevorzugt umfasst eine Lötzinn-haltige Baugruppe eine mit elektronischen Bauteilen versehene Leiterplatte oder mittels Lötzinn verbundene elektronische Bauteile oder Drähte. Unter dem Begriff „Leiterplatte“ oder auch Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung wird ein Träger für elektronische Bauteile verstanden, insbesondere bestehend aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen. Zweckmäßig umfasst der Begriff „Leiterplatte“ auch mittels 3D-Formstoffdrucker hergestellte Schaltungen.
In Ausführungsformen ist das elektrisch isolierende Material ein Polymer, bevorzugt ein Harz, besonders bevorzugt verstärkt mit Glasfasern und/oder mit flammhemmenden Zusätzen.
In Ausführungsformen ist die Lötzinn-haltige Baugruppe intakt oder gebrochen.
Unter dem Begriff „Lötzinn“ wird eine elektrisch leitende Metall-Legierung verstanden, umfassend mindestens ein Metall ausgewählt aus der Gruppe umfassend Blei, Zinn, Zink, Silber, Kupfer, Nickel, Bismuth und Antimon. Zweckmäßig dient Lötzinn dazu, verschiedene Metalle, z.B. Drahtkontakte elektronischer Bauteile mit den Kupferleiterbahnen, zu verbinden, weshalb der Schmelzpunkt des Lötzinns niedriger ist als der Schmelzpunkt der zu verbindenden Komponenten.
In Ausführungsformen ist das Lötzinn SnPb oder SnAgCu (SAC-Legierung), bevorzugt 96,5Sn-3,0Ag-0,5Cu (SAC305) oder 95,5Sn-4,0Ag-0,5Cu (SAC405).
Unter dem Begriff „Inokulum“ wird ein Mikroorganismenzellen-enthaltendes erstes Kulturmedium zum Animpfen eines zweiten Kulturmediums verstanden. Unter „Inokulation“ oder „Animpfen“ wird das Hinzufügen eines replikationsfähigen Objekts, insbesondere einer Zelle, zu einem Kulturmedium verstanden.
Unter einem „Kulturmedium“ wird eine wässrige Lösung zur Kultivierung von Mikroorganismen verstanden. In einer Ausführungsform ist das Kulturmedium eine wässrige Pufferlösung. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kulturmedium essentielle mineralische Nährstoffe.
Unter „essentiellen mineralischen Nährstoffen“ werden Stickstoffverbindungen, insbesondere Ammoniak, Ammoniumverbindungen und/oder Harnstoff; Phosphorverbindungen, insbesondere Phosphate; Schwefelverbindungen, insbesondere Sulfate; und Kalium-, Magnesium-, Calcium-, Eisenverbindungen und Verbindungen von Spurenelementen, insbesondere Bor, Cobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän und/oder Zink, verstanden.
In Ausführungsformen ist das Kulturmedium ein modifiziertes DSMZ-Medium 882, neben Eisen(II)sulfat bevorzugt umfassend 132 mg/L (NH₄)₂SO₄, 53 mg/L MgCl₂·6 H₂O, 27 mg/L KH₂PO₄, 197 mg/L CaCl₂·2 H₂O, und 1 mL/L Spurenelementlösung (62 mg/L MnCl₂·2 H₂O, 68 mg/L ZnCl₂, 64 mg/L CoCl₂·6 H₂O, 31 mg/L H₃BO₃, 10 mg/L Na₂MoO₄, 67 mg/L CuCl₂·2 H₂O) mit einem pH-Wert im Bereich von 1,2 bis 1,5.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Animpfen eines Kulturmediums mit dem Inokulum in Schritt a) einzelne Subkultivierungsschritte mit ansteigenden Kulturvolumina, wobei bevorzugt jeweils eine Verdünnung mit Kulturmedium mit einem Verdünnungsfaktor von 10 erfolgt.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium in Schritt b) unter autotrophen, heterotrophen oder mixotrophen Kulturbedingungen.
Unter dem Begriff „Autotrophie“ wird eine Kultivierung ohne Zusatz von organischen Substraten verstanden, wobei die Mikroorganismen organische Biomasse aus anorganischen Stoffen aufbauen. In Ausführungsformen erfolgt eine autotrophe Kultivierung durch eine chemische Stoffumsetzung von Kohlenstoffdioxid (Chemoautotrophie).
Unter dem Begriff „Heterotrophie“ wird eine Kultivierung unter Zusatz von organischen Substraten und essentiellen mineralischen Nährstoffen verstanden, wobei die Mikroorganismen unter Ausnutzug der in den organischen Substraten gespeicherten chemischen Energie organische Biomasse aufbauen.
Unter dem Begriff „Mixotrophie“ wird eine Kultivierung verstanden, bei der Mikroorganismen Energie weitgehend aus dem Umsatz anorganischer Verbindungen erhalten und gleichzeitig zum Biomasse-Aufbau auf organische Verbindungen zurückgreifen.
Unter „organischen Substraten“ werden organische Kohlenstoffquellen oder Elektronendonoren verstanden. In einer Ausführungsform sind organische Substrate ausgewählt aus Glucose, Hefeextrakt, Harnstoff und/oder Glutamat.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt ein getakteter oder kontinuierlicher Zusatz eines organischen Substrats in der Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Schritt b).
In Ausführungsformen erfolgt die Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium in Schritt b) in der ersten Vorrichtung oder in einem separaten Tank.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium in Schritt b) unter Mischen des Kulturmediums, bevorzugt unter Verwendung von Pumpen und/oder durch Einleitung eines Prozessgases.
In Ausführungsformen ist die innere Oberfläche der ersten Vorrichtung zumindest teilweise derart ausgebildet, dass der mindestens eine Fe(II)-oxidierende Mikroorganismus immobilisiert wird.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste Vorrichtung zumindest teilweise Glaskörper, Kunststoffkörper, insbesondere Rachid-Ringe; Aktivkohle, Sand oder andere Feststoffe. Vorteilhaft wird durch die Immobilisierung ein Großteil der Biomasse in der ersten Vorrichtung zurückgehalten.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium in Schritt b) mit einer Temperatur im Bereich von 10 °C bis 70 °C, bevorzugt 20 °C bis 40 °C.
In Ausführungsformen ist der Fe(II)-oxidierende Mikroorganismus ein Fe(II)-oxidierendes Bakterium oder Archaeon, bevorzugt Acidithiobacillus, Leptospirillum oder Ferroplasma, besonders bevorzugt ein Leptospirillum ferriphilum-Stamm oder ein Ferroplasma acidiphilum-Stamm.
In Ausführungsformen wird ein Kulturmedium oder ein Kulturmedium umfassend den mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in die erste Vorrichtung vor und/oder während des Schritts c) zugeführt.
In Ausführungsformen erfolgt die Oxidation in Schritt c) bei einer Temperatur im Bereich von 10 °C bis 70 °C, bevorzugt im Bereich von 20 °C bis 40 °C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 30 °C.
In Ausführungsformen ist das Sauerstoff-haltige Prozessgas in Schritt c) Luft, ein mit Sauerstoff angereichertes Luftgemisch oder ein mit Kohlendioxid und Sauerstoff angereichertes Luftgemisch.
Unter einem „Sauerstoff-haltigen Prozessgas“ wird ein Gas oder Gasgemisch enthaltend Sauerstoff mit einem Anteil von 21 Vol.-% bis 100 Vol.-% verstanden.
Unter „Luft“ wird ein Gasgemisch umfassend Stickstoff und Sauerstoff und in geringen Mengen, bevorzugt unter 0,1 Vol.-%, Kohlenstoffdioxid verstanden.
Unter einem „Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff angereicherten Luftgemisch“ wird ein Gasgemisch umfassend Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid mit einem Sauerstoff-Anteil im Bereich von 21 Vol.-% bis 100 Vol.-% und mit einem Kohlenstoffdioxid-Anteil im Bereich von 0,01 Vol.-% bis 20 Vol.-% in Bezug auf das Gesamtvolumen verstanden.
In Ausführungsformen wird die Zusammensetzung und Menge des eingeleiteten Prozessgases in Schritt c) dem Prozessverlauf angepasst.
In Ausführungsformen des Verfahrens ist das Sauerstoff-haltige Prozessgas in Schritt c) hergestellt aus technischen Gasen. In einer Ausführungsform wird die Zusammensetzung und Menge des eingeleiteten Prozessgases in Schritt c) dem Prozessverlauf angepasst.
In Ausführungsformen wird das Sauerstoff-haltige Prozessgas am Boden der ersten Vorrichtung oder von oben in die erste Vorrichtung eingeleitet. Vorteilhaft führt die Einleitung des Sauerstoff-haltigen Prozessgases am Boden der ersten Vorrichtung zur Durchmischung der Lösung in der ersten Vorrichtung.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird das Sauerstoff-haltige Prozessgas kontinuierlich oder diskontinuierlich eingeleitet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Anlagendruck der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung gleich.
Erfindungsgemäß wird in Schritt c) in der ersten Vorrichtung durch die Mikroorganismen Fe(II) zu Fe(III) entsprechend folgender Formel oxidiert: 4 Fe²⁺ + O₂ + 4 H⁺ => 4 Fe³⁺ + 2 H₂O
Erfindungsgemäß wird in Schritt d) in der zweiten Vorrichtung Fe(II) zu Fe(III) entsprechend folgender Formel reduziert: 4 Fe³⁺ + 4 e^- => 4 Fe²⁺ und Lötzinn, insbesondere Zinn und Blei, entsprechend folgenden Formeln oxidiert: Sn⁰ + 2 H₂O => SnO₂ + 4 H⁺+ 4 e^- oder Sn⁰ + H₂SO₄ => SnSO₄ + 2 H⁺ + 2 e^- Pb⁰ + H₂SO₄ => PbSO₄ + 2 H⁺ + 2 e^-.
Unter dem Begriff „Redoxpotenzial“ wird das Reduktions-/Oxidations-Potenzial einer Lösung gegen eine Silber-Silberchlorid (Ag/AgCI)-Elektrode verstanden. Die Messung des Redoxpotenzials erfolgt durch Aufbau eines Galvanischen Elements mit der Ag/AgCI-Elektrode und Messung der elektrischen Spannung.
Unter einer „zumindest teilweisen Trennung“ wird eine teilweise oder vollständige Trennung der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen verstanden, wobei Lötzinn zumindest teilweise gelaugt und damit gelöst wird und dadurch zumindest ein Teil der durch Lötzinn verbunden Komponenten voneinander getrennt wird und insbesondere elektronische Bauteile vom jeweiligen Träger abgetrennt werden. Bevorzugt erfolgt in Schritt d) eine vollständige Trennung der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen durch eine vollständige Laugung von Lötzinn.
Unter dem Begriff „Gesamteisenkonzentration (Gesamt-Fe-Konzentration)“ wird die Konzentration von Eisen in sämtlichen Eisenverbindungen bzw. die Summe sämtlicher Eisenionen in einer Lösung verstanden, insbesondere von Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen.
Unter dem Begriff „Pumpe“ wird eine Maschine verstanden, die Flüssigkeiten oder Suspensionen transportiert.
Erfindungsgemäß ist Schritt d) eine „indirekte Biolaugung“, d. h. ein Verfahren zur Laugung mindestens eines Metalls mittels eines Oxidationsmittels, wobei ein Mikroorganismus das Oxidationsmittel in Schritt c) recycelt, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 10 °C bis 70 °C, bevorzugt 20 °C bis 40 °C und mit einer Säurelösung. Erfindungsgemäß ist das Oxidationsmittels bzw. Laugungsmittel Fe(III).
Erfindungsgemäß erfolgt in Schritt d) die Trennung von Komponenten der Lötzinn-haltigen Baugruppen und insbesondere eine Abtrennung von elektronischen Bauteilen vom jeweiligen Träger. In Ausführungsformen erfolgt die Trennung in eine leere oder weitgehend leere Leiterplatte (Träger) aus Kupfer, ggf. Gold und elektrisch isolierendem Material sowie in elektronische Bauteile und partikuläre Feststoffe, insbesondere Gold (Au(0))-, Silber (Ag(0))- oder Kupfer (Cu(0))-Partikel, Blei(II)-sulfat (PbSO₄)-Partikel, Zinn(IV)-oxid (SnO₂)-Partikel, Silber-Jarosit-Partikel und/oder Zinn(II)-sulfat (SnSO₄)-Partikel. In Ausführungsformen geht Kupfer zumindest teilweise bei Schritt d) in Lösung.
In Ausführungsformen wird vor oder während Schritt c) eine Fe(II)-haltige Lösung in die erste Vorrichtung und/oder vor oder während Schritt d) eine Fe(III)-haltige Lösung die zweite Vorrichtung zugeführt.
In Ausführungsformen wird Schritt c) kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben. In Ausführungsformen wird die entstehende Lösung hoher Fe(III)-Konzentration aus der ersten Vorrichtung in einen ersten Lagertank transferiert.
Bevorzugt wird Schritt c) als kontinuierlicher Prozess betrieben.
In Ausführungsformen wird Schritt d) als Fed-Batch-Verfahren oder kontinuierliches Verfahren durchgeführt. In Ausführungsformen wird die entstehende Lösung mit geringer Fe(III)-Konzentration aus der zweiten Vorrichtung in einen zweiten Lagertank transferiert. In Ausführungsformen wird eine Fe-haltige Lösung mit einem Redoxpotenzial im Bereich von 350 mV bis 400 mV gegen eine Silber-Silberchlorid-Elektrode vor oder während Schritt c) in die erste Vorrichtung und/oder eine Fe-haltige Lösung mit einem Redoxpotenzial im Bereich von 400 mV bis 450 mV gegen eine Silber-Silberchlorid-Elektrode vor oder während Schritt d) in die zweite Vorrichtung zugeführt.
Unter dem Begriff „Fed-Batch-Verfahren“, auch Zulauf-Verfahren, wird ein Verfahren verstanden, bei dem Chargenprozesse nacheinander durch eine Zufuhr (Zufütterung) an Edukten bis zum maximalen Füllstand betrieben werden.
In Ausführungsformen erfolgt Schritt d) durch Zufuhr von Fe(III) durch den Transfer mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der ersten Vorrichtung in einen ersten Lagertank und in die zweite Vorrichtung und Schritt c) durch Transfer mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der zweiten Vorrichtung in einen zweiten Lagertank und in die erste Vorrichtung durch mindestens eine Pumpe.
Unter dem Begriff „kontinuierliches Verfahren“ wird ein Verfahren verstanden, das kontinuierlich abläuft, d. h. ohne Unterbrechungen.
In Ausführungsformen erfolgt Schritt d) durch kontinuierliche Zufuhr von Lötzinn-haltigen Baugruppen und kontinuierliche Zufuhr von Fe(III) durch den Transfer mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der ersten Vorrichtung in den ersten Lagertank und in die zweite Vorrichtung und Schritt c) durch kontinuierlichen Transfer mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der zweiten Vorrichtung in den zweiten Lagertank und in die erste Vorrichtung durch mindestens eine Pumpe.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt eine kontinuierliche Abfuhr der aufgetrennten Komponenten.
In bevorzugten Ausführungsformen liegt das Redoxpotenzial in Schritt d) im Bereich von 400 mV bis 450 mV (gegen Ag/AgCI).
In Ausführungsformen ist die Lösung in Schritt c) und d) eine wässrige Lösung.
In Schritt c) steigt der pH-Wert in der ersten Vorrichtung und sinkt in Schritt d) in der zweiten Vorrichtung. Erfindungsgemäß variiert der pH-Wert der Lösung in Schritt c) und Schritt d) im Bereich von pH 0,5 bis 2.
Vorteilhaft konnte durch das erfindungsgemäße Redoxpotenzial im Bereich von 350 bis 450 mV (gegen Ag/AgCI) in Kombination mit dem pH-Wert im Bereich von 0,5 bis 2 die Passivierung des Lötzinns, d. h. die Bildung von SnO₂ auf der Oberfläche des Lötzinns, verhindert werden.
Überraschenderweise konnte durch die Verwendung einer Lösung mit einem pH-Wert im Bereich von 0,5 bis 2 die Auflösegeschwindigkeit des Lötzinns deutlich erhöht werden. Vorteilhaft konnte mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine vollständige Trennung der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen innerhalb von einem halben Tag erreicht werden.
Zweckmäßig werden die Bedingungen für Schritt d) so gewählt, dass nur das Lötzinn aufgelöst wird. In Ausführungsformen wird die der Reaktion zugeführte Stoffmenge an Fe(III) so gewählt, dass sie entsprechend den Reaktionsgleichungen für Schritt d) gerade für die Oxidation der für die Reaktion eingesetzten Stoffmengen an Zinn und an Blei im Lötzinn ausreicht. In Ausführungsformen wird die Reaktion zur Erreichung einer größeren Reaktionsgeschwindigkeit mit einem Überschuss an Fe(III) durchgeführt und die Dauer der Reaktion so begrenzt, dass eine möglichst selektive Laugung von Lötzinn, insbesondere Zinn und Blei, erreicht wird, und keine Überoxidation, d. h. keine Oxidation weiterer Metalle, insbesondere Kupfer, aus der Lötzinn-haltigen Baugruppe, erfolgt.
In Ausführungsformen liegt die Gesamt-Fe-Konzentration der Lösung in Schritt c) und Schritt d) im Bereich zwischen 20 mM und einer bezüglich des jeweiligen Fe(III)/Fe(II)-Verhältnisses gesättigten Eisen-Lösung.
Unter dem Begriff „gesättigt“ wird eine Lösung verstanden, welche einen maximalen Gehalt eines gelösten Stoffes in einem Lösemittel enthält. Lösemittel bezeichnet im Sinne der Erfindung anorganische und organische Flüssigkeiten, die andere feste oder flüssige Stoffe auf physikalischem Wege zur Lösung bringen können, Voraussetzung für die Eignung als Lösemittel ist, dass sich beim Lösevorgang weder der lösende noch der gelöste Stoff chemisch verändern.
In bevorzugten Ausführungsformen liegt die Gesamt-Fe-Konzentration der Lösung in Schritt c) und Schritt d) im Bereich von 250 mM bis 1400 mM, besonders bevorzugt im Bereich von 500 mM bis 1200 mM.
In Ausführungsformen erfolgt die Zugabe von Eisen(II)-sulfat in der ersten Vorrichtung vor Schritt b). Vorteilhaft wird das Eisen im Kreislauf geführt und muss nur ergänzt werden, wenn Eisen-Ausfällungen, insbesondere in Form von Jarositen, auftreten.
In Ausführungsformen erfolgt die Zugabe von Schwefelsäure (H₂SO₄). Vorteilhaft werden durch die Zugabe von H₂SO₄ Verluste an Sulfat in Lösung aufgrund einer Ausfällung von Blei(II)-sulfat (PbSO₄) und/oder Zinn(II)-sulfat (SnSO₄) und dadurch auftretende pH-Effekte kompensiert.
In Ausführungsformen erfolgt die Zugabe von Schwefelsäure in der ersten Vorrichtung und/oder in der zweiten Vorrichtung vor oder während Schritt d), bevorzugt in der zweiten Vorrichtung. Zweckmäßig erfolgt die Zugabe von Schwefelsäure bis zu einem pH-Wert im Bereich von 0,5 bis 2.
In Ausführungsformen umfasst das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt, wobei der weitere Schritt ausgewählt ist aus der Abtrennung der festen Komponenten von der Lösung in der zweiten Vorrichtung, der Trennung der abgetrennten Komponenten nach ihrer Partikelgröße nach Schritt d) und dem Spülen der festen Komponenten nach Schritt d).
In Ausführungsformen erfolgt die Abtrennung der festen Komponenten von der Lösung in oder nach der zweiten Vorrichtung durch mindestens eine Grobabtrennung für die entleerten oder weitgehend entleerten Träger, insbesondere Leiterplatten, eine Siebung zur Abtrennung elektronischer Bauteile oder eine Filtration oder eine Fliehkraftabscheidung zur Abtrennung einer Feinfraktion.
Unter dem Begriff „Siebung“ wird ein Verfahren zur Trennung von Festkörperpartikeln anhand der Partikelgrößen mittels genormter Lochsiebsätze verstanden.
Unter dem Begriff „Filtration“ wird ein Verfahren zur Trennung von Festkörperpartikeln, aus einer Flüssigkeit, Emulsion oder Suspension mittels eines Filtermediums, insbesondere Membranen, verstanden.
Unter dem Begriff „Fliehkraftabscheidung“ wird ein Verfahren unter Verwendung eines Hydrozyklons zur Abtrennung und/oder Klassierung von Feststoffpartikeln entsprechend deren Masse aus Suspensionen verstanden.
Bevorzugt werden aus der Feinfraktion der zweiten Vorrichtung die Komponenten des Lötzinns, insbesondere Zinn, Blei, Silber und/oder Kupfer sowie Gold zurückgewonnen.
In Ausführungsformen erfolgt die Trennung der aufgetrennten Komponenten nach ihrer Partikelgröße durch Siebung.
In Ausführungsformen erfolgt als mindestens ein weiterer Schritt das Spülen der festen Komponenten nach Schritt d). Bevorzugt erfolgt das Spülen der festen Komponenten, ausgewählt aus einer leeren Leiterplatte und/oder elektronischen Bauteilen. Vorteilhaft wird durch den Spülschritt die Ausbeute an partikulären Feststoffen, insbesondere Gold (Au(0))-, Silber (Ag(0))- oder Kupfer (Cu(0))-Partikel, Blei(II)-sulfat (PbSO₄)-Partikel, Zinn(IV)-oxid (SnO₂)-Partikel, Silber-Jarosit-Partikel (z.B. AgFe₃(SO₄)₂(OH)_e) oder Zinn(II)-sulfat (SnSO₄)-Partikel, erhöht, die an leeren oder fast leeren Leiterplatten und/oder elektronischen Bauteilen haften können.
In Ausführungsformen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin gelöstes Kupfer aus dem Flüssigkeitskreislauf entfernt. Vorteilhaft bleibt die Aktivität des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus durch die Entfernung von gelöstem Kupfer erhalten.
In einer Ausführungsform erfolgt die Entfernung von gelöstem Kupfer durch Solventextraktion.
Unter dem Begriff „weitgehend leere Leiterplatten“ wird eine Platte aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise umfassend Epoxidharz und Fiberglas oder Cellulosepapier und Phenolharz, und daran haftender, leitender Verbindungen verstanden, bevorzugt aus Kupfer und Gold. In Ausführungsformen sind die leitenden Schichten noch mit nichtleitenden Schichten abgedeckt.
In Ausführungsformen erfolgt die Rückgewinnung der Metalle aus den partikulären Feststoffen, insbesondere Gold, Silber, Kupfer, Blei und Zinn aus den Au(0)-, Ag(0)- oder Cu(0)-Partikeln, PbSO₄-Partikeln, SnO₂-Partikeln, Silber-Jarosit-Partikeln oder SnSO₄-Partikeln.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines Systems für das Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen umfassend

i. eine erste Vorrichtung, die zur Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus geeignet ist, wobei die erste Vorrichtung einen Einlass zum Einleiten eines Sauerstoff-haltigen Prozessgases umfasst,
ii. eine zweite Vorrichtung, die zur Laugung von Lötzinn und zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen geeignet ist,
iii. ein erstes Verbindungselement zum Verbinden der ersten Vorrichtung mit der zweiten Vorrichtung,
iv. ein zweites Verbindungselement zum Verbinden der zweiten Vorrichtung mit der ersten Vorrichtung, und
v. mindestens eine Pumpe für einen Transfer mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der ersten Vorrichtung in die zweite Vorrichtung und/oder mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der zweiten Vorrichtung in die erste Vorrichtung,

Zweckmäßig weisen die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung jeweils einen Einlass und einen Auslass auf.
Erfindungsgemäß verbindet das erste Verbindungselement den Auslass der ersten Vorrichtung mit dem Einlass der zweiten Vorrichtung.
In Ausführungsformen verbindet das erste Verbindungselement den oberen Teil der ersten Vorrichtung mit dem oberen Teil der zweiten Vorrichtung.
Erfindungsgemäß verbindet das zweite Verbindungselement den Auslass der zweiten Vorrichtung mit dem Einlass der ersten Vorrichtung.
In Ausführungsformen verbindet das zweite Verbindungselement den unteren Teil der ersten Vorrichtung mit dem unteren Teil der zweiten Vorrichtung.
Zweckmäßig wird durch das erste und zweite Verbindungselement ein Kreislauf gebildet. Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße System eine Kreislaufführung der Laugungsflüssigkeit, wodurch der Chemikalienverbrauch im Vergleich zu bestehenden Verfahren minimiert wird.
In Ausführungsformen sind die erste Vorrichtung und/oder die zweite Vorrichtung geschlossene Reaktoren. Vorteilhaft verringert ein geschlossener Reaktor das Risiko für Kontaminationen. Weiterhin vorteilhaft wird die Verdunstung der Lösung verhindert. Zweckmäßig weisen geschlossene Reaktoren mindestens ein Entlüftungselement auf. Vorteilhaft wird durch ein Entlüftungselement Druck abgelassen und/oder der Innendruck des Reaktors an den Außendruck angepasst.
Erfindungsgemäß umfasst das verwendete System mindestens eine Pumpe.
In Ausführungsformen umfasst das verwendete System mindestens einen Lagertank, bevorzugt zwei Lagertanks. In bevorzugten Ausführungsformen sind der erste und der zweite Lagertank mit der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung verbunden.
In Ausführungsformen umfasst das verwendete System eine Pumpe für den Transfer von mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der ersten Vorrichtung oder dem ersten Lagertank in die zweite Vorrichtung und eine Pumpe für den Transfer mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der zweiten Vorrichtung oder dem zweiten Lagertank in die erste Vorrichtung.
In weiteren Ausführungsformen umfasst das verwendete System weiterhin ein drittes Verbindungselement zum Verbinden des zweiten Lagertanks mit der zweiten Vorrichtung und mindestens eine Pumpe, wobei die Pumpe für einen Transfer von mindestens einer Teilmenge der Lösung aus dem zweiten Lagertank in die zweite Vorrichtung geeignet ist.
In Ausführungsformen ist die erste Vorrichtung ein Festbettreaktor.
In Ausführungsformen ist die zweite Vorrichtung ein Fed-Batch-Reaktor oder ein kontinuierlicher Reaktor. In Ausführungsformen ist die zweite Vorrichtung ein Rührkesselreaktor oder ein Festbettreaktor, bevorzugt ein Festbettreaktor.
Unter dem Begriff „Rührkesselreaktor“ wird ein Behälter, bevorzugt ein zylindrischer Behälter, umfassend ein Rührwerk verstanden. In Ausführungsformen umfasst das Rührwerk einen Rührer mit Welle.
Unter dem Begriff „Festbettreaktor“ wird ein Reaktor oder Behälter verstanden, bei dem mindestens eine Lösung durch eine feste Schüttung oder Packung (das sogenannte Festbett) strömt. Das Festbett besteht bevorzugt aus den Lötzinn-haltigen Baugruppen und den daraus abgetrennten Komponenten.
In Ausführungsformen besteht die erste Vorrichtung und/oder die zweite Vorrichtung aus Stahl, bevorzugt Edelstahl; Glas, Keramik oder Kunststoff.
In Ausführungsformen umfasst das System zusätzlich einen Tank zur Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierendenMikroorganismus in Kulturmedium.
In Ausführungsformen ist der Tank zur Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium mit der ersten Vorrichtung verbunden.
Erfindungsgemäß umfasst die erste Vorrichtung und/oder die zweite Vorrichtung Mittel zur Messung der Temperatur, bevorzugt einen Temperatursensor und einen Temperaturregler.
Unter dem Begriff „Temperaturregler“ werden Elemente verstanden, die mithilfe eines Fühlers den Istwert der Temperatur erfassen und diesen mit dem Sollwert vergleichen, wobei über ein Stellglied die gewünschte Temperatur eingegeben werden kann.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Mittel zur Messung der Temperatur ein Thermometer für Kontaktmessungen mit einem Thermistor oder einem Thermoelement oder ein kontaktloses IR-Thermometer.
In Ausführungsformen umfasst die erste Vorrichtung Mittel zur Messung der Sauerstoffkonzentration, bevorzugt einen Sauerstoffsensor.
Unter dem Begriff „Sauerstoffsensor“ wird ein Mittel zur Messung der Konzentration von gasförmigem oder gelöstem Sauerstoff (O₂) verstanden.
In Ausführungsformen ist der Sauerstoffsensor eine Optode. Unter dem Begriff „Optode“ wird ein optischer Sensor umfassend einen chemischen Energiewandler zur Messung der Konzentration von Substanzen, insbesondere des Sauerstoffgehalts, verstanden.
Erfindungsgemäß umfassen die erste Vorrichtung und/oder die zweite Vorrichtung Mittel zur Messung des pH-Werts, bevorzugt einen pH-Wert-Sensor und einen pH-Wert-Regler.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste Vorrichtung und/oder die zweite Vorrichtung einen pH-Wert-Sensor mit integrierter Temperatursonde.
In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung jeweils einen pH-Wert-Sensor.
Erfindungsgemäß umfassen die erste Vorrichtung und/oder die zweite Vorrichtung Mittel zur Messung des ORP (oxidation reduction potential, Redoxpotenzial)-Werts, bevorzugt einen ORP-Wert-Sensor und einen ORP-Regler.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste Vorrichtung und/oder die zweite Vorrichtung einen ORP-Wert-Sensor und einen ORP-Regler.
In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung jeweils einen ORP-Wert-Sensor und einen ORP-Regler.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verwendung des Systems für das Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf das Biodismantling von Leiterplatten mittels einer Leptospirillum ferriphilum generierten Fe(III)-haltigen Lösung und soll dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.

1 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Systems umfassend eine erste Vorrichtung 1 und eine zweite Vorrichtung 2. Die erste Vorrichtung 1 umfasst einen Einlass für Sauerstoff-haltiges Prozessgas. Aus dem Auslass der ersten Vorrichtung 1 fließt die Lösung durch ein erstes Verbindungselement 3 in die zweite Vorrichtung 2. Aus dem Flüssigkeitsauslass der zweiten Vorrichtung 2 fließt die Lösung mit niedrigem Redoxpotenzial über ein zweites Verbindungselement 4 mittels einer Pumpe 5 wieder in die erste Vorrichtung 1. Die zweite Vorrichtung 2 hat zudem einen Feststoffeinlass 6 und Feststoffauslass 7, durch den die leeren Leiterplatten und die elektronischen Bauteile aus der zweiten Vorrichtung 2 entfernt werden. 2 zeigt ein Schema eines weiteren erfindungsgemäßen Systems umfassend eine erste Vorrichtung 1 und eine zweite Vorrichtung 2. Die erste Vorrichtung 1 umfasst einen Einlass für Sauerstoff-haltiges Prozessgas. Aus dem Auslass der ersten Vorrichtung 1 fließt die Lösung durch ein erstes Verbindungselement 3 in einen ersten Lagertank 8 und von dort mittels einer Pumpe 5a in Fortsetzung des ersten Verbindungselementes 3 in die zweite Vorrichtung 2. Aus dem Flüssigkeitsauslass der zweiten Vorrichtung 2 fließt die Lösung mit niedrigem Redoxpotenzial über ein zweites Verbindungselement 4 in einen zweiten Lagertank 9 und von dort mittels einer Pumpe 5b wieder in die erste Vorrichtung 1. Die zweite Vorrichtung 2 hat zudem einen Feststoffeinlass 6 und einen Feststoffauslass 7, durch den die leeren Leiterplatten und die elektronischen Bauteile aus der zweiten Vorrichtung 2 entfernt werden. Der Tank 11 wird zur Kultivierung der Mikroorganismen genutzt und ist mit der ersten Vorrichtung 1 verbunden. Ein Verbindungselement 10 ermöglicht die Umgehung der ersten Vorrichtung 1, um das Redoxpotenzial in der zweiten Vorrichtung 2 durch eine Pumpe 5c einzustellen.

Ausführungsbeispiel 1:
Eine Kultur von Leptospirillum ferriphilum wird in einem Mackintosh-Medium mit 0,5 M FeSO₄ in einer ersten Vorrichtung 1 entsprechend 1, insbesondere einem Festkörperreaktor, angezogen (Mackintosh 1978). Nach weitgehend vollständiger Oxidation des Eisens in der Lösung wird sie mit einem 0,02-µm-Sterilfilter filtriert, um biogenes Fe³⁺ zu erhalten. Die Lösung wird mit dem vierfachen Volumen an Mackintosh-Medium und 0,5 M FeSO₄ gemischt, so dass das Eisen im Gemisch zu 20% als Fe(III) und zu 80% als Fe(II) vorliegt. Eine Leiterplatte (PCB) wird in einer zweiten Vorrichtung 2, insbesondere einem Festbettreaktor, in die Lösung gegeben und die Vorrichtung 2 mit Lösung und Leiterplatte bei 30°C unter Bewegung inkubiert. Nach 12 Stunden ist das „Dismantling“ der PCB abgeschlossen. Das heißt, die elektronischen Bauteile sind vom Träger herabgefallen. Die beim „Dismantling“ entstehende Lösung wird mit einem Zellulosefilter filtriert, um die elektronischen Bauteile, den leeren Träger und den Niederschlag aus der Lösung zu trennen. Wird die filtrierte Lösung erneut in der ersten Vorrichtung 1 Leptospirillum ferriphilum in einer Endkonzentration von 10⁸ Zellen/ml ausgesetzt, ist nach 10 Tagen das gesamte Eisen reoxidiert, so dass sich der Kreislauf schließt.
Zitierte Nichtpatentliteratur
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Bezugszeichen

1: erste Vorrichtung
2: zweite Vorrichtung
3: erstes Verbindungselement
4: zweites Verbindungselement
5: Pumpe(n)
6: Einlass für Feststoffe
7: Auslass für Feststoffe
8: erster Lagertank
9: zweiter Lagertank
10: drittes Verbindungselement
11: Kultivierungsvorrichtung

Claims

Verfahren zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Inokulums umfassend mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus und Animpfen eines Kulturmediums mit dem Inokulum, wobei der Fe(II)-oxidierende Mikroorganismus Fe(II) zu Fe(III) oxidiert, b) Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium, c) Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) durch den mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in einer ersten Vorrichtung (1), wobei ein Sauerstoff-haltiges Prozessgas in die erste Vorrichtung (1) eingeleitet wird, d) zumindest teilweise Trennung der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen durch eine zumindest teilweise Laugung von Lötzinn in einer zweiten Vorrichtung (2) mit einem Redoxpotenzial im Bereich von 350 bis 450 mV gegen eine Silber-Silberchlorid-Elektrode, wobei Fe(III) zumindest teilweise zu Fe(II) reduziert wird, wobei Schritt c) und Schritt d) in einer Lösung mit einen pH-Wert im Bereich von 0,5 bis 2 und einer Gesamt-Fe-Konzentration von mindestens 20 mM durchgeführt werden, wobei ein Transfer mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der ersten Vorrichtung (1) in die zweite Vorrichtung (2) und/oder mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der zweiten Vorrichtung (2) in die erste Vorrichtung (1) durch mindestens eine Pumpe (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fe(II)-oxidierende Mikroorganismus ein Fe(II)-oxidierendes Bakterium oder Archaeon ist, bevorzugt Acidithiobacillus, Leptospirillum oder Ferroplasma, besonders bevorzugt ein Leptospirillum ferriphilum-Stamm oder ein Ferroplasma acidiphilum-Stamm.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoff-haltige Prozessgas Luft, ein mit Sauerstoff angereichertes Luftgemisch oder ein mit Kohlendioxid und Sauerstoff angereichertes Luftgemisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium nach Schritt b) in der ersten Vorrichtung (1) oder einem Tank (11) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kulturmedium oder ein Kulturmedium umfassend den mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in die erste Vorrichtung (1) vor und/oder während des Schritts c) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fe-haltige Lösung mit einem Redoxpotenzial im Bereich von 350 mV bis 400 mV gegen eine Silber-Silberchlorid-Elektrode vor oder während Schritt c) in die erste Vorrichtung (1) und/oder eine Fe-haltige Lösung mit einem Redoxpotenzial im Bereich von 400 mV bis 450 mV gegen eine Silber-Silberchlorid-Elektrode vor oder während Schritt d) in die zweite Vorrichtung (2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) als Fed-Batch-Verfahren oder kontinuierliches Verfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt umfasst, wobei der weitere Schritt ausgewählt ist aus der Abtrennung der festen Komponenten von der Lösung in der zweiten Vorrichtung (2), der Trennung der abgetrennten Komponenten nach ihrer Partikelgröße nach Schritt d) und dem Spülen der festen Komponenten nach Schritt d).
Verwendung eines Systems für das Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen, umfassend i. eine erste Vorrichtung (1), die zur Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus geeignet ist, wobei die erste Vorrichtung (1) einen Einlass zum Einleiten eines Sauerstoff-haltigen Prozessgases umfasst, ii. eine zweite Vorrichtung (2), die zur Laugung von Lötzinn und zum Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen geeignet ist, iii. ein erstes Verbindungselement (3) zum Verbinden der ersten Vorrichtung (1) mit der zweiten Vorrichtung (2), iv. ein zweites Verbindungselement (4) zum Verbinden der zweiten Vorrichtung (2) mit der ersten Vorrichtung (1), und v. mindestens eine Pumpe (5) für einen Transfer mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der ersten Vorrichtung (1) in die zweite Vorrichtung (2) und/oder mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der zweiten Vorrichtung (2) in die erste Vorrichtung (1), wobei die erste Vorrichtung (1) und/oder die zweite Vorrichtung (2) Mittel zum Messen des pH-Wertes, der Temperatur und des Redoxpotenzials aufweisen.
Verwendung eines Systems für das Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin mindestens zwei Lagertanks (8,9) umfasst, welche mit der ersten und der zweiten Vorrichtung verbunden sind.
Verwendung eines Systems für das Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens zwei Pumpen (5a, 5b) umfasst, wobei eine erste Pumpe (5a) für einen Transfer von mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der ersten Vorrichtung (1) oder dem ersten Lagertank (8) in die zweite Vorrichtung (2) und eine zweite Pumpe (5b) für einen Transfer von mindestens einer Teilmenge der Lösung aus der zweiten Vorrichtung (2) oder dem zweiten Lagertank (9) in die erste Vorrichtung (1) geeignet ist.
Verwendung eines Systems für das Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin ein drittes Verbindungselement (10) zum Verbinden des zweiten Lagertanks mit der zweiten Vorrichtung (2) und mindestens eine Pumpe (5c) umfasst, wobei die Pumpe für einen Transfer von mindestens einer Teilmenge der Lösung aus dem zweiten Lagertank (9) in die zweite Vorrichtung (2) geeignet ist.
Verwendung eines Systems für das Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung (2) ein Rührkesselreaktor oder ein Festbettreaktor ist.
Verwendung eines Systems für das Trennen der Komponenten von Lötzinn-haltigen Baugruppen nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System zusätzlich einen Tank (11) zur Kultivierung des mindestens einen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismus in Kulturmedium umfasst.