Projekt 19521/01

Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur biochemischen Aufbereitung von Abwässern der Leiterplattenherstellung bei gleichzeitiger Rückgewinnung von Kupfer

Projektdurchführung

Universität BremenInstitut für Umweltverfahrenstechnik
Leobener Str., Gebäude UFT
28359 Bremen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aus der Leiterplattenherstellung resultieren Abwässer, die hochgradig mit Kupfer belastet sind. Bisherige Verfahren können die Kupferbelastung nicht unter die notwendigen Grenzwerte herabsenken, ohne das toxikologische Potenzial der Gesamtemission entscheidend zu reduzieren oder das Kupfer in reiner Form zurückzugewinnen. Im Vordergrund der Zielsetzung steht dementsprechend ein Verfahren zur gekoppelten Eliminierung und Wiedergewinnung des Wertstoffs Kupfer aus Abwassergemischen. Zur Einschätzung der ökonomischen und ökologischen Einsparpotenziale ist eine umweltrelevante Bewertung ebenfalls Gegenstand der Untersuchung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAm Institut für Umweltverfahrenstechnik wurde ein biochemisches Verfahren zur gekoppelten Eliminierung und Rückgewinnung von Kupfer aus Abwassergemischen entwickelt, wobei das im Abwasser gelöste Kupfer durch eine mikrobiell verbesserte Zementation in elementarer Form ausgefällt und somit als Wertstoff in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Im Rahmen von umfangreichen Grundlagenuntersuchungen an Modell- und Realabwässern konnte die Leistungsfähigkeit des Verfahrens bereits nachgewiesen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit des entwickelten biochemischen Verfahrens an real anfallenden kupferhaltigen Abwasserteilströmen untersucht, optimiert und demonstriert. Zum Erreichen der Zielstellung wurden im IUV zunächst verschiedene Versuche im Labor- und Technikumsmaßstab durchgeführt. Aufbauend auf den hieraus gewonnenen Erkenntnissen erfolgte nahezu parallel die Konzeptionierung der mobilen Versuchsanlage, deren Aufbau im Institut für Umweltverfahrenstechnik sowie die Inbetriebnahme direkt vor Ort bei den Kooperationspartnern. Die Untersuchungen sind an den bei den Kooperationspartnern NB Industrial Print GmbH und PW Gedruckte Schaltungen-Fertigungs GmbH real anfallenden Spülwässern und Prozessbädern sowohl im Batch- als auch im kontinuierlichen Betrieb durchgeführt worden. Eine umweltrelevante Bewertung dieses neuen Verfahrens erfolgt mit der im Institut für Umweltverfahrenstechnik entwickelten Methode zur Umweltbilanzierung.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse zeigen, dass die Anlagenleistung bezüglich Kupfereliminierung, Kupferaustrag bzw. -rückgewinnung und Kupferreinheit durch die Variation der Parameter Anströmgeschwindigkeit, Kupferausgangskonzentration, Größe der Eisenoberfläche und Vorbehandlung der Eisenkörper sowie mit und ohne Einsatz des Bakteriums Thiobacillus ferrooxidans beeinflusst werden kann.
Beim Einsatz der mobilen Versuchsanlage vor Ort bei den Kooperationspartnern zur Aufbereitung der real anfallenden kupferhaltigen Prozessbäder und Spülwässer konnte daher unter optimalen Parametereinstellungen ein Eliminierungsgrad von max. 99,99% sowie ein Kupferaustrag von bis zu 100% erreicht werden. Der erzielte Reinheitsgrad des ausgefällten Kupfers betrug bei allen Versuchen ohne Durchführung eines weiteren Aufbereitungsschritts maximal 90% und konnte durch mehrmaliges Spülen sowie Trocknung im sauerstofffreiem Milieu auf 99% gesteigert werden.
Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens ist dabei abhängig von der Einstellung der auf den Umsetzungsprozess an der Katalysatoroberfläche, den Eisenkörpern, genau abgestimmten Reaktions- und Stofftransportbedingungen. Insbesondere im Hinblick auf einen dauerhaften praxisrelevanten Einsatz des Verfahren im kontinuierlichen oder Sequencing-Batch-Betrieb kommt der Struktur des zementierenden Kupfers für die Prozessführung eine maßgebliche Bedeutung zu. Eine lockere und damit reaktionsfördernde Struktur der sich auf der Stoffaustauschfläche ausbildenden Deckschicht wird begünstigt durch
a) den Einsatz des Bakteriums Thiobacillus ferrooxidans,
b) die Einstellung einer an die Kupferkonzentration und Größe der Eisenoberfläche angepassten Anströmgeschwindigkeit sowie
c) eine chemische Vorbehandlung der eingesetzten Eisenkörper.
Der Einsatz des Bakteriums Thiobacillus ferrooxidans hat den Gesamtprozess stets beschleunigt.
Bei einem großen Verhältnis von Kupferausgangskonzentration zu Eisenoberfläche kommt es bei Einstellung hoher Anströmgeschwindigkeiten zu einer festen Kupferanlagerung auf der Eisenoberfläche, was zu einer Terminierung der Reaktion führen kann. Hingegen bildet sich bei einer geringeren Anströmgeschwindigkeit eine lockere Kupferanlagerung aus. Der Prozess der Kupferablösung wird anscheinend ebenfalls günstig beeinflusst durch eine auf der Eisenkörperoberfläche gebildeten Oxidschicht, die durch eine chemische Vorbehandlung der Eisen-Körper mit einem Oxidationsbad entsteht.
Für den zukünftigen Einsatz des entwickelten biochemischen Verfahrens unter praxisrelevanten Bedingungen sollte berücksichtigt werden, dass
· im zu behandelnden Abwasser vorhandene oberflächenaktive Substanzen (z. B. Tenside) die aktive Stoffaustauschfläche vermindern und somit den Prozess der Zementation verlangsamen.
· dreiwertiges Eisen (Fe3+), welches durch die Oxidation von zweiwertigem Eisen (Fe2+) entsteht, auch ein Teil des Kupfers wieder zurücklöst. Dies ist für die Prozessführung von Bedeutung, wenn der Einleitgrenzwert für Kupfer von 0,5 mg/L (WHG §7a, Anhang 40) erreicht werden soll.
· eine hohe im Reaktor eingestellte Sauerstoffkonzentration zwar zur Ausbildung einer Eisenoxidschicht und somit zur besseren Kupferablösung führt, jedoch auch zur Bildung von Fe3+ beiträgt.
Parallel zur Demonstration der mobilen Versuchsanlage wurde eine Bewertung sowie ein Vergleich hinsichtlich ökologisch/ökonomischer Aspekte eines in der Leiterplattenindustrie eingesetzten konventionellen und des neu entwickelten Abwasseraufbereitungsverfahren zur Grenzwerteinhaltung und/oder Wertstoffrückgewinnung mit Hilfe des Methodenkonzepts durchgeführt. Die gewonnenen Ergebnisse verdeutlichen, dass das mit dem neu entwickelten Aufbereitungsverfahren aus dem Abwasser zurückgewonnene Kupfer zwar eine hohe Umweltrelevanz besitzt, jedoch aufgrund des hohen Reinheitsgrads als Wert-stoff wieder in den Stoffkreislauf zurückgeführt werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· Vortrag: Kupferrückgewinnung aus Abwässern - eine Bremer Innovation wird mobil; Umweltverfahrenstechnisches Seminar des IUV am 27.03.2003
· Posterpräsentation: Kupferrückgewinnung aus Industrieabwasser durch biochemisch optimierte Zementation; 21. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen; München; 02. - 04.04.2003
· Fachpublikation: Kupferrückgewinnung aus Industrieabwasser; Zeitschrift wwt/awt, Sonderheft zur Achema 2003; 5/2003; HUSS-MEDIEN GmbH, Berlin
· Posterpräsentation: Kupferrückgewinnung aus Industrieabwasser durch biochemisch optimierte Zementation; ACHEMA 2003; Frankfurt; 19. - 23.05.2003
· Vortrag: Biotechnologische Kupferrückgewinnung aus Abwässern der Leiterplattenfertigung; UM-TECH; Bremerhaven; 13.06.2003


Fazit

Beim Einsatz der mobilen Versuchsanlage vor Ort bei den Kooperationspartnern zur Aufbereitung der real anfallenden kupferhaltigen Prozessbäder und Spülwässer konnte unter optimalen Parametereinstellungen ein Eliminierungsgrad von max. 99,99% sowie ein Kupferaustrag von bis zu 100% erreicht werden. Der erzielte Reinheitsgrad des ausgefällten Kupfers betrug bei allen Versuchen ohne Durchführung eines weiteren Aufbereitungsschritts maximal 90% und konnte durch mehrmaliges Spülen sowie Trocknung im sauerstofffreiem Milieu auf 99% gesteigert werden.