7. – 12. Schuljahr

Timm Wilke und Klaus Ruppersberg

Jede Schule besitzt Elektronikschrott

Einfache Experimente zum Recycling von Gold aus Computern

In der fachdidaktischen Literatur wurden in den letzten Jahren zahlreiche Artikel zur Synthese von Gold-Nanopartikeln veröffentlicht, die nicht nur sehr schön anzusehen sind, sondern auch hohe Alltagsrelevanz besitzen und sich sehr gut als Einstieg in die Vermittlung des Themas „Nanotechnologie im Chemieunterricht eignen [1 – 3]. Der hohen Effektstärke und Gelingsi-cherheit bei kurzer Versuchsdauer steht allerdings die Anschaffung von Tetrachloridogold(III)-säure-Trihydrat („Goldsäure) gegenüber bereits ein Gramm dieser Chemikalie kostet etwa 100€. In vielen Schulen (und auch in Schülerlaboren und Hochschulen) führt dies dazu, dass von einer Bestellung abgesehen wird.
In diesem Beitrag soll daher eine andere kostengünstige Möglichkeit für die Beschaffung von Goldsäure vorgestellt werden, in der Elektronikschrott als Quelle dient. Über die Kosteneinsparung hinaus können die vorgestellten Experimente auch in einen kontextorientierten Unterricht eingebettet werden, der in Bezug auf Rohstoffe, Recycling und den Umgang mit vermeintlichem Müll zudem interessante Fakten und vielfältige Diskussionsmöglichkeiten beinhaltet.
Für die Gewinnung von Goldsäure werden in der gesamten, hier dargestellten Versuchsanleitung insgesamt 4mL Königswasser benötigt. Üblicherweise versucht man, derart hoch-konzentrierte Säuren im Chemieunterricht zu vermeiden, hier sind sie jedoch aus fachlichen Gründen nötig. Zur Gefahrenbegrenzung wird nur eine sehr geringe Menge eingesetzt, die bei entsprechender Ausbildung und Vorhandensein von üblichen Schutzeinrichtungen ein beherrschbares Risiko darstellt [4]. Darüber hinaus ist es ein pädagogisches Anliegen, die Schülerinnen und Schüler zur Urteilsbildung zu befähigen wenn ein Lehrerdemonstrationsexperiment mit 4mL Königswasser dazu beiträgt, ist ein wichtiges Ziel erreicht. Bezüglich der Arbeitsweise mit Königswasser und der entstehenden Produkte (nitrose Gase, naszierendes Chlor) sind die Angaben in der GESTIS-Stoffdatenbank zu beachten, u.a. ist eine Arbeitsweise am funktionierenden Abzug dringend vorgeschrieben [5].
Verwendung und Recycling von Metallen in Elektronik
Bereits 1965 beschrieb G. Moore, dass sich die Leistungsfähigkeit technischer Geräte durch Fortschritte bei der Komplexität integrierter Schaltkreise in regelmäßigen Abständen verdoppelt (Mooresches Gesetz) [6]. Eine wesentliche Konsequenz dieser heute noch gültigen Vorhersage ist allerdings, dass sie auch umso schneller veralten vor allem Geräte mit hoher Leistungsfähigkeit wie Smartphones, Laptops, Tablets und Computer sind hiervon besonders betroffen. Die Nutzungsdauer eines Smartphones beträgt heutzutage beispielsweise nur anderthalb bis zwei Jahre, die von Computern drei Jahre und die von Fernsehern sechs Jahre [7]. Diese Entwicklung wird in den kommenden Jahren durch die fortschreitende Digitalisierung eher noch zu- als abnehmen: Neben der Einführung immer neuer „Gadgets und „Wearables (Augmented Reality-Brillen, Smartwatches) sowie vernetzter Haushaltsgeräte (Smart Home) in den Industrieländern werden insbesondere Schwellen- und Entwicklungsländer vermehrt an der Digitalisierung teilhaben. In Zahlen ausgedrückt waren 2014 weltweit über 3,8 Milliarden eigenständige Geräte im Internet vernetzt. Bis 2020 sollen es weit mehr als 20 Milliarden sein, mit einem Marktvolumen von 1,71 Billionen US-Dollar [8].
Für die Produktion dieser Geräte wird neben Kunststoff und Epoxidharz vor allem eine Vielzahl von Metallen verwendet. Diese umfassen einerseits reichlich vorhandene Metalle wie Aluminium und Zinn, reichen aber auch über kritische Metalle (Tantal, Indium) bis hin zu den Edelmetallen Kupfer, Silber und Gold. Selbst wenn hierbei pro Gerät teilweise nur wenige Mikrogramm benötigt werden, stellt die riesige Anzahl der Produkte in Kombination mit deren kurzer Nutzungsdauer die Produktion vor große Herausforderungen.
Das Recycling von Elektronikschrott gestaltet sich aus mehreren Gründen als schwierig: Insbesondere mit persönlichen Daten versehene Kleingeräte wie Smartphones, Tablets und Netbooks werden oftmals aufbewahrt statt entsorgt. Angesichts der geringen Mengen in einem kleinen Gerät fehlen Einsicht und Bewusstsein, dass das Recycling im großen Maßstab äußerst lohnend ist. Eine beachtenswerte Initiative, um dieser Haltung zu begegnen ist die geplante Herstellung der Olympia-Goldmedaillen des Jahres 2020, die ausschließlich aus Gold von recycelten Handys produziert werden sollen [9].
Auch das technische Vorgehen des Recyclingprozesses bietet bei der Vielfalt an unterschiedlichen Geräten und Metallen einige Herausforderungen. Bei einigen wenigen hochwertigen Materialien, wie etwa Prozessoren oder Goldsteckern, sind wertvolle (Edel-) Metalle direkt zugänglich und können chemisch von den Trägermaterialien getrennt werden. In den meisten Fällen sind die Zielmetalle allerdings schwer zugänglich (z.B. von Kunststoffen ummantelt) und müssen zunächst mechanisch vorbehandelt, d.h. geschreddert werden. Großtechnisch erfolgt hierzulande anschließend oftmals eine Pyrolyse der Materialien. Der größte Teil der verbleibenden anorganischen Rückstände besteht aus Metall bzw. Metalloxiden und wird elektrochemisch oder im Hoch- bzw. Schmelzofen aufbereitet (s. Versuchskartei).
Zur Wirtschaftlichkeit und zum Umfang, in dem Recycling betrieben wird, existieren im Internet viele interessante Quellen, die von den Schülerinnen und Schülern im Rahmen einer Projektarbeit oder eines Referats ausgewertet werden können [10, 11]. Anhand einer aktuellen Publikation des Umweltbundesamtes [12] können sie etwa erarbeiten, dass die Rücknahmequote von Elektronikschrott in Deutschland seit 2006 bei durchschnittlich 37% stagniert. Besonders interessante Lerngelegenheiten zur Förderung der Bewertungskompetenz bietet entsprechend die Frage, was mit dem restlichen Schrott passiert, dessen Aufarbeitung eben nicht wirtschaftlich ist. Da der Export in Länder ohne adäquate Recyclingmöglichkeiten verboten ist, wird dieser minderwertige Elektronikschrott leider oftmals als „funktionsfähige Gebrauchtware deklariert nach Afrika exportiert und dort aus Armutsgründen von Schrottsammlern unsachgemäß und ohne Schutz verbrannt. Eine anschauliche unterrichtliche Behandlung dieser Thematik wurde bereits in dieser Zeitschrift beschrieben [13].
Diese aufgezeigten Problematiken haben in den letzten Jahren auch das Interesse der aktuellen Forschung auf das Recycling von Rohstoffen aus Elektronikschrott gelenkt. Besonders erwähnenswert für interessierte Lerngruppen sind hierbei Ansätze aus der Biohydrometallurgie, wie etwa das sogenannte Bioleaching [14]. Bei diesem Verfahren werden die gewünschten Metalle, vornehmlich Kupfer, Gold und Nickel, mithilfe von Mikroben oxidiert. Die so erhaltenen löslichen Salze können anschließend mit Wasser extrahiert und aus der Lösung zurück gewonnen werden. Bislang findet dieses Verfahren insbesondere Anwendung als umweltfreundliche Alternative zur klassischen Verhüttung von Erzen, jedoch existieren Bestrebungen, diese Technologie auf das Recycling von Elektronikschrott anzuwenden [15, 16].
(Edel-)Metalle können jedoch auch mit gängiger Laborausstattung in einfachen Experimenten extrahiert werden: Nachfolgend wird exemplarisch das Recycling von Elektronikschrott vorgestellt. Je nach Intention der Lehrkraft können die Experimente primär zur Gewinnung von Goldsäure für anschließende Synthesen von Gold-Nanopartikeln durchgeführt werden oder als Grundlage für eine unterrichtliche Behandlung des Themenfeldes „Recycling von Elektronikschrott dienen.
Extraktion von Metallen aus Elektronikschrott
Für aussagekräftige Experimente genügen in der Regel wenige Teile Elektronikschrott (s.Abb.1) , die zumeist aus einem einzigen Computer erhalten werden können. Nach dem Ausbau der Platinen aus den jeweiligen Quellen werden die Bauteile entsprechend ihres Edelmetallgehaltes vorsortiert. Neben sichtbaren Goldkontakten bieten dabei die Ankaufpreise von entsprechenden Unternehmen eine zuverlässige Orientierung [17]. Insbesondere geeignet für das Recycling sind Arbeitsspeichermodule, Grafik- und Soundkarten und vor allem Prozessoren (s.Abb.2) , da in diesen Bauteilen vergleichsweise viel Gold verarbeitet wird und dieses zudem leicht zugänglich ist.
Im Vorfeld zur chemischen Extraktion der Metalle erfolgt eine mechanische Vorarbeit, um den Chemikalienverbrauch gering zu halten. Mit einem Seitenschneider werden die goldbeschichteten Bereiche abgetrennt. Eine verblüffend einfache Lösung bei gelöteten Steckverbindungen ist zudem eine Heißluftpistole, die das üblicherweise verwendete Weichlot innerhalb von wenigen Sekunden schmilzt (SMP: ca. 217 °C). Auf diese Weise lassen sich viele Teile des Mainboards in kurzer Zeit entnehmen und das Verbrennen der Leiterplatten sowie die Erzeugung entsprechender Pyrolysegase kann vermieden werden.
Nach der Vorbehandlung sollen in dem hier vorgestellten Versuch1 edle und unedle Metalle getrennt werden. Für Schulen bzw. den Chemieunterricht stellt die chemische Extraktion der Bestandteile eine praktikable Vorgehensweise dar, die mit geringem Materialaufwand durchgeführt werden kann. Für die Extraktion werden die vorbehandelten Ausgangsmaterialien in eine Lösung aus konzentrierter Salzsäure gegeben; die Zugabe von verdünnter Wasserstoffperoxid-Lösung erhöht dabei die oxidative Wirkung und fördert somit den Lösungsvorgang.
Versuch 1: Vor- und Aufbereitung der goldhaltigen Platinen
Versuch 1: Vor- und Aufbereitung der goldhaltigen Platinen
Geräte und Chemikalien
Zwei Bechergläser (150mL), zwei Messzylinder (50mL), Elektronikschrott*, Kunststoff-Zahnbürste oder -pinsel, Kunststoff-Pinzette, Filtriergestell, Trichter, Filter, Salzsäure (ω=33%, GHS5, GHS7), Wasserstoffperoxid-Lösung (ω=5%, GHS7)
*Hinweis
Es sollte beachtet werden, dass die Teile nicht älter sind als von Juli 2006, denn bis dahin durfte Lötzinn (Weichlot) bis zu 40% aus Blei bestehen. In diesem Fall bestünde die Gefahr, dass mit Salzsäure bleihaltige Lösungen entstehen. Seit dem 1. Juli 2006 darf nur noch bleifreies Lötzinn verwendet werden.
Durchführung
Die sichtbaren, mit Gold beschichteten Bereiche werden mit einem Seitenschneider abgetrennt, gelötete Bestandteile mit einer Heißluftpistole gelockert und einer Zange herausgezogen. Die erhaltenen Teile werden nun in ein Becherglas gegeben, welches anschließend im Abzug mit gleichen Mengen (hier: je 50mL) konzentrierter Salzsäure und verdünnter Wasserstoffperoxid-Lösung gefüllt wird. Das mit einem Zettel versehene Becherglas (Gefahrenhinweis, Name, Datum) wird über Nacht im Abzug stehen gelassen (s.Abb.3).
Am nächsten Tag sollten sich die Goldbeschichtungen („Hauchgold) abgelöst haben, da die darunterliegenden Metallschichten in Lösung gegangen sein sollten. Ist dies nicht der Fall, so kann mit einer alten Zahnbürste vorsichtig nachgeholfen werden (Plastikpinzette zum Festhalten, Schutzbrille, Schutzhandschuh, Kittel!). Bevor die Lösung abfiltriert wird, werden große Platinenreste und sonstige makroskopische Festkörper mit der Plastikpinzette entnommen und entsorgt. Filterrückstand und Filtrat werden für die nachfolgenden Versuche2 und 3 verwendet. Abbildung4 zeigt die entwerteten Elektronikschrottteile sowie die erhaltenen Metalle.
Entsorgung
Die oben angefallenen Platinenreste werden sorgfältig mit Wasser abgespült und dann gemäß örtlich geltender Absprache mit dem zuständigen Entsorgungsträger entsorgt (Feststoffmüll oder Elektronikschrottsammelstelle).
Zur Gewinnung von Goldsäure werden die hauchdünnen Goldplättchen aus dem Filterrückstand nun in Königswasser gelöst aufgrund der geringen Mengen genügen an dieser Stelle kleinste Volumina im Bereich von wenigen Millilitern. Die erhaltene, intensiv gelbe Lösung wird nun anschließend in einer weiteren Filtration von den verbleibenden Feststoffen getrennt. Neben feinen Platinensplittern und Keramikresten verbleibt hier schwerpunktmäßig Silber, welches aufgrund der auftretenden Passivierung (Bildung einer Silberchlorid-Schicht) Königswasser widersteht.
Durch vorsichtiges Eindampfen der filtrierten Lösung im Abzug wird Tetrachloridogold(III)-säure-Trihydrat als gelb-orangener Feststoff erhalten. Hiermit können nun Gold-Nanopartikel wie bereits von [1 – 3] beschrieben synthetisiert werden. Da diese Synthese mit geringem Materialeinsatz auskommt, reicht die extrahierte Menge aus den in Abbildung1 dargestellten abgebildeten Ausgangsmaterialien für etwa vier bis zehn Durchführungen aus.
Unterrichtliche Einbindung und Fazit
Im bisherigen Verlauf wurden Experimente für Lehrkräfte zur Extraktion von Gold aus Elektronikschrott beschrieben, mit dem Ziel, Goldsäure für weitere Anschlussversuche zu gewinnen zum Beispiel für die Synthese von Gold-Nanopartikeln. Über diese Zielsetzung hinaus bietet das Themenfeld aber auch weitere vielfältige und lohnende Perspektiven für den Chemieunterricht. Die eingangs aufgezeigten Sachverhalte und die prognostizierte Entwicklung zielen auf ein gesellschaftlich relevantes Themenfeld, welches in der direkten Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler als „digital natives verankert ist. Ausdrücklich sei an dieser Stelle für weitere Anregungen auf die Veröffentlichungen von Sieve [13] und Menthe [20] verwiesen. Des Weiteren eignet sich die Thematik auch für die Anfertigung von Facharbeiten. Mit Blick auf die Experimente bietet sich an dieser Stelle als Alternative zu Versuch2 vor allem die Rückgewinnung von Kupfer durch Zementation an (s. Versuchskartei). Darüber hinaus kann die Gold-Suspension (s.Abb.4) auch durch einen geschickten Versuchsaufbau (z.B. durch Filtration) mechanisch von den Platinenresten getrennt werden.
Versuch 2: Gewinnung von Goldsäure
Versuch 3: Gold, das kracht: Knallgold
Versuch 2: Gewinnung von Goldsäure
Geräte und Chemikalien
Becherglas (150mL), 1mL Salpetersäure (ω=65%, GHS3, GHS5), 3mL Salzsäure (rauchend, GHS5, GHS7), Filterrückstand aus Versuch 1
Durchführung
Der feine Rückstand im Filterpapier aus Versuch1 wird mit einer Kunststoffpinzette und etwas demineralisiertem Wasser in ein 150mL-Becherglas überführt. Im Abzug wird nun der goldhaltige Rückstand (s. Abb.5linkes Bild+mittleres Bild) vorsichtig mit 3mL 37%-iger Salzsäure und 1mL 65%-iger Salpetersäure übergossen. Es entsteht eine gelbe Lösung, die zur Vermeidung von Verunreinigungen noch einmal abfiltriert wird. Im Anschluss wird die goldhaltige Lösung vorsichtig im Abzug eingedampft, bis Tetrachloridogold(III)-säure als gelb-orangener Feststoff erhalten wird (s. Abb.5rechtes Bild). Der sehr hygroskopische Feststoff wird sorgfältig in einem kleinen, beschrifteten Schnappdeckelgefäß gegen Exposition von Licht und Luftfeuchtigkeit verwahrt und zur Vermeidung von Knallgoldbildung (s.u.) vor Ammoniak und anderen Alkalien geschützt.
Entsorgung
Der Filterrückstand wird sorgfältig mit Wasser abgespült und im Feststoffmüll entsorgt.
Versuch 3: Gold, das kracht: Knallgold
Wer mit kolloidalem Gold umgeht, sollte über die Möglichkeit der unbeabsichtigten Knallgoldbildung (vgl. Abb.6 ) Bescheid wissen [18].
Generell sollten selbst hergestellte Lösungen nur für einen überschaubaren Zeitraum angefertigt werden, etwa der Vorrat für ein halbes Jahr, ein Semester, einen Unterrichtsabschnitt. Auf dem lesbaren Etikett sollten Inhalt, Mengenangabe, Datum und Namenskürzel stehen. Von der Verwendung von Schliffstopfen-Flaschen sollte bei Goldsäurelösungen abgesehen werden, da Resttropfen am Flaschenhals mit dem Ammoniak der Laborluft zu Knallgold reagieren könnten. Wer sich einmal die von Salmiakstaub weißen Vorratsflaschen in vielen Labors vor Augen führt, wird sicherlich zustimmen, dass auf diese Weise eine unbeabsichtigte Knallgoldbildung stattfinden könnte. Beim nächsten Öffnen zerreibt der Glasstopfen die am Schliff befindlichen Kristalle; dies könnte wie ein Zündmechanismus wirken und zu erheblichen Verletzungen an den Händen und im Gesicht führen.
Werden Goldsäurereste in den Schwermetall-Abfall gegeben, so ist dort auf einen pH-Wert im sauren Bereich zu achten, ansonsten könnte sich auch dort unbeabsichtigt Knallgold bilden.
Zahlreiche Alltagsgegenstände, die oft achtlos im Hausmüll entsorgt werden, enthalten recyclingfähige Metalle wie etwa Kupfer und Gold. Durch anschauliche und einfache Experimente wird aufgezeigt, dass diese Metalle zurückgewonnen werden können. Die Gewinnung von Gold aus Elektronikschrott ist zudem ein besonders illustratives Beispiel, das einen kritischen Blick auf die Ver(sch)wendung eines seltenen Metalls wirft. Das Beispiel liefert somit auch einen Anknüpfungspunkt, Fragestellungen zu unserem alltäglichen Konsumverhalten aus ethischer, ökologischer, ökonomischer und nachhaltiger Perspektive zu betrachten. Nicht zuletzt werden hoch motivierende Experimente mit Gold-Nanopartikeln ermöglicht.
Literatur
[1]Heinzerling, P.; Boymans, N.; Schneider, J.: Goldrubinglas von alchemistischer Glaskunst bis zur chemischen Nanotechnologie. CHEMKON 19/4(2012), S.163 – 170
[2]Marmé, N.; Aupperle-Pauls, A.; Pauls, F.; Knemeyer, J.-P.: „Zwerge aus dem Minilabor. CHEMKON 21/4(2014), S.181 – 187
[3]Schwarzer, S.; Abdelaziz, R.; Elbahri, M.; Wilke, T.: Wenn ein Wassertropfen zum Nanolabor wird Gold-Nanopartikel aus dem Tropfenreaktor, CHEMKON 23/4(2016), S.188 – 190
[4] Obendrauf, V.: Magisches Gold „Oberflächliche Versuche mit dem Gelben Metall. Chem. Sch. 2(1998), S.9 – 13
[6]Moore, G.: Cramming More Components onto Integrated Circuits, Electronics (1965), S.114 –117
[7]Schmalz, D.: Produktlebenszyklus (2011), siehe auch: http://www.vorlesungen.info/node/1229 (29.03.2017)
[9]Stern: Japan plant Innovation: Die nächsten Olympia-Goldmedaillen bestehen aus (2017), siehe auch http://www.stern.de/digital/technik/olympia-2020--die-goldmedaillen-bestehen-aus-elektroschrott-7313146.html (29.03.2017)
[11]Schapp, J.: Modernste Technologien in der Wiederaufbereitung von edelmetallhaltigen Rückständen. In: Karl J. Thomé-Kozmiensky und Daniel Goldmann (Hrsg.): Recycling und Rohstoffe. Neuruppin, TK-Verlag 2014
[12]Wagner, J.; Lange, U.; Günther, M.: Analyse der Datenerhebung nach ElektroG über das Berichtsjahr 2013 zur Vorbereitung der EU-Berichtspflicht 2016, S.4 – 15
[13]Sieve, B.: Metalle begehrte Ressourcen in einer globalisierten Welt, UC 25(2014) Nr.143, S.20 – 27
[14]Nick, S.; Ruppersberg, K.; Peper-Bienzeisler, R.: Bioleaching: Kleine Helfer im Bergbau. CHEMKON 24/2(2016), S.93 – 94
[15]Ilyas, S.; Lee, J.-C.: Biometallurgical Recovery of Metals from Waste Electrical and Electronic Equipment: a Review. ChemBioEng Rev. 1/4(2014), S.148 – 169
[16]Doidge, E.; Carson, I.; Tasker, P.; Ross, J.; Morrison, C.; Love, J.: Angew. Chem. Int. Ed. 55/40(2016), S.12436-12439
[18]Steinhauser, G.; Evers, J.; Jakob, S.; Klapötke, T.; Oehlinger, G.: A review on fulminating gold, Gold Bulletin 41/4(2008), S.305 – 317
[19]Hammer, M.: Das Gold, das kracht (2009), s. auch: http://sciencev1.orf.at/news/154577.html (29.03.2017)
[20]Menthe, J.; Baumann, S.; Sprenger, S.: Das Ökohandy eine echte Alternative? In: UC 27(2016) Nr.152, S.23 – 27