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15. Projektwettbewerbs des VCÖ

„Alles Chemie – nachhaltig und innovativ“

eingereicht vom

Projekt- Seminar Chemie des Jahrgangs 2018/20

Emil-von-Behring Gymnasium

28. März 2019

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Organisation

3 Theorie — Aufbereitung von Kupfer und Gold

3.1 Kupfer

3.2 Gold

4 Gefährdungsbeurteilungen

5 Versuche

5.1 Extraktion von Kupfer aus Elektroschrott

5.2 Versuchsreihe Gold

6 Ausblick

7 Quellen
8 Anhang

Einleitung

»Ich wurde von dem Bedürfnis angetrieben, mein Leben einem wichtigen und ehrbaren Ziel zu verschreiben.«

~Emil Adolf von Behring~[1]

Das Emil-von-Behring Gymnasium ist ein Naturwissenschaftlich-Technologisches und Sprachliches Gymnasium im östlichen Rand von Erlangen in der Metropolregion Erlangen-Nürnberg. Als Umweltschule steht Nachhaltigkeit besonders im Vordergrund, so werden beispielsweise regelmäßig Ökotage und Radfahraktionen veranstaltet. Auf der anderen Seite fallen aufgrund der als Medienreferenzschule verhältnismäßig hohen technischen Ausstattung große Mengen Elektroschrott an, was durch den nun verabschiedeten Digital-Pakt Bayern zukünftig noch mehr begünstigt wird.

Allgemein wird die stets zunehmende Digitalisierung der Gesellschaft künftig mehr Elektroschrott produzieren. Das P-Seminar „Recycling von Elektroschrott“ beschäftigt sich aktiv mit dem Problem und der experimentellen Erprobung von Lösungsansätzen durch Recycling. Ein weiteres Ziel des Seminars ist die Sensibilisierung der Schulfamilie mit dieser Thematik. In der Oberstufe deutscher Schulen belegen alle Schüler ein Projekt-Seminar, in dem für die Dauer von 1,5 Jahren an einem bestimmten Thema gearbeitet wird. Das P-Seminar mit dem Leitfach Chemie besteht aus 14 engagierten Schülerinnen und Schülern, die – aus dem naturwissenschaftlich- technologischen oder dem sprachlichen Zweig kommend – sich alle für das Thema „Recycling von Elektroschrott“ begeistern. Das Interesse daran hat vor allem ethische und moralische Gründe. Dazu zählt die verantwortungslose Verschwendung von wertvollen Rohstoffen in Elektrogeräten, welche sowohl schädlich für die Umwelt, als auch für uns Menschen ist, was beispielsweise in dem im Rahmen des Projekts vorgeführten Film ,,Welcome to Sodom´´ thematisiert wird. Des Weiteren soll der zukünftigen Ansammlung von Geräten entgegengewirkt werden.

Die Auseinandersetzung mit dieser zukunftsträchtigen Thematik wirkt sich motivierend aus, was durch die gemeinsame Arbeit an einem Projekt zusätzlich gesteigert wird.

Organisation

Wie bereits erwähnt handelt es sich beim Emil-von-Behring Gymnasium um eine Umweltschule. Als solche stand die Frage im Raum, wie man auch hier aktiv einen Beitrag leisten kann, um ein Bewusstsein für die Konsequenzen eines ungehemmten Gerätekonsums zu schaffen. Dazu wurden alle Schüler der 11. Jahrgangsstufe und interessierte Lehrer zu einer Schulvorführung von „Welcome to Sodom“, einem von zwei Österreichern produzierten Dokumentarfilm eingeladen. Der Film behandelt Europas größte Müllhalde mitten in Afrika und portraitiert die Verlierer der digitalen Revolution.

Da der Film zum Zeitpunkt der Schulvorstellung nicht im Handel erhältlich war, haben sich die Seminarteilnehmer direkt an Produzenten und Filmverleih gewendet und die Lizenz für einen Betrag von 107,00€ (inkl. Steuern) erworben (siehe Anhang Nr. 7).

In eigenständiger Organisation des P-Seminares wurde dieser dann an unserer Schule beworben (Durchsagen, Trailer im Pausenbereich und Elternbrief) und anschließend am Do, den 21.03.2019 in der schuleigenen Bibliothek gezeigt.

Abbildung 1:Filmvorführung “Welcome to Sodom”

Obwohl dem Team durchaus bewusst war, dass der Film seinen Fokus auf das Leben der Menschen in „Sodom“ richtet, hätte eine zusätzliche Beleuchtung chemischer Prozesse erfreut, da sich das Projekt-Seminar primär auf das Recyclen von Elektroschrott konzentriert.

In naher Zukunft ist noch der „Get rid of it day“ geplant, ein Tag an unsere Mitschüler entlastet werden sollen, indem wir ihnen die Möglichkeit bieten ihre alten, defekten und ungenutzten Elektrogeräte abzugeben und für eine sachgemäße Entsorgung bzw. Recycling kümmern.

Theorie — Aufbereitung von Kupfer und Gold

Kupfer

Elektrolyse- Verfahren:

Die Aufreinigung von Kupfer aus dem Elektroschrott stellt nur ein geringes Problem dar. Es werden zunächst die Kupferkabel in ein Gemisch von Wasserstoffperoxid (c =30%) und Schwefelsäure(c =25%) (m:v | 2 g : 4 ml ) gegeben.

Cu + H2SO4 + H2O2 CuSO4 + 2 H2O

Das hergestellte Kupfersulfat (CuSO4) kann wieder entweder mit einer Elektrolyse wieder reduziert werden. Zum Beispiel mit einem Eisennagel lässt sich wieder elementares Kupfer gewinnen:

3 Cu2+ + 2 Fe   2 Fe3+ + 3 Cu

Schmelzverfahren:

Eine weitere Methode zur Gewinnung von Kupfer ist das simple einschmelzen der Kupferkabel. Elementares Kupfer besitzt eine Schmelztemperatur von 1.085°C. Um diese Temperatur zu erreichen, wurde ein eigener Schmelzofen aus Schamottemörtel gebaut. Der Schamottemörtel-Kessel besitzt an den Seiten Einlässe, um dort mit einem Bunsenbrenner den Innenraum zu erwärmen, um so auf die benötigten 1.085°C zu kommen.

Gold

Die Gewinnung von reinem Gold ist ein aufwendiger Prozess und muss mithilfe von verschiedensten Säuren gewonnen werden.

Im Ersten Schritt wird die Kunststoffschicht zwischen dem Gold und der Platine mit Hilfe von Salzsäure (c =37%) und Wasserstoffperoxid (c =5%) (v:v | 1:1) entfernt. Zusätzlich gab es noch eine Versuchsreihe, in dem dieser Schritt mit Salpetersäure (c =65%) ausgeführt worden ist. Es erwies sich aber ersteres als bessere Methode.

Das elementare Gold geht im ersten Schritt dabei keine Reaktion mit dem Gemisch ein. Anschließend wird das Gold durch die Reaktion mit Königswasser [Salzsäure (c =37%), Salpetersäure (c =65%) (v:v | 3:1)] oxidativ aufgelöst. Als Produkte entstehen Stickstoffdioxid, welches entweicht, und Tetrachlorogoldsäure (HAuCl4):

HNO3 + 3HCl NOCl + 2 Clnasc. + 2 H2O

2 Au+ 2 NOCl + 3 Cl2 + 2 HNO3 2 HAuCl4 + 4 NO2

Abbildung 2: Strukturformel des Tetrachlorogoldsäure-Komplex

Dieser Schritt wird vollzogen, da sich das Gold in dieser Form weiter aufreinigen und leichter Verarbeiten lässt. So lassen sich z.B. Gold-Nanopartikel herstellen, wie es diesem Projekt bereits geschehen ist.

Es ist auch möglich eine Elektrolyse zu vollziehen, um das Gold wieder zu reduzieren. Bei der Elektrolyse erhalten wir wieder elementares Gold und es entsteht Chlorgas als Nebenprodukt:

Red: 2 Au3+ + 6 e 2 Au
Ox: 6 Cl 3 Cl2 + 6 e

Redox: 2 Au3+ + 6 Cl 2 Au + 3 Cl2

Gefährdungsbeurteilungen

Bevor die ersten Experimente durchgeführt worden sind, muss eine Gefährdungsbeurteilung erfolgen. Diese wurde mit dem Programm DEGINTU (Gefahrstoffinformationssystem für den naturwissenschaftlich-technischen Unterricht der Gesetzlichen Unfallversicherung) der DGUV (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung) erstellt. Ein Beispiel hierfür ist die Versuchsbeschreibung und Gefährdungsbeurteilung des Versuchs mit dem Namen: „Vor- und Aufbereitung der goldhaltigen Platinen“. Diese wurde in die Versuchskategorie „Metalle und Salze“ eingeordnet und ist als Schülerversuch ab der 5. Klasse zugelassen.

Zuerst wurden die Geräte und Chemikalien, die für den Versuch benötigt werden, eingetragen.

Abbildung 3: Screenshots aus DEGINTU – Geräte und Chemikalien

Anschließend wurde eine Versuchsdurchführung erstellt.

Abbildung 4: Screenshots aus DEGINTU – Versuchsdurchführung

Nachdem die Geräte und Chemikalien eingetragen worden sind, ermittelt das Programm automatisch die Gefahren, die durch die Chemikalien bestehen und schlägt Schutzmaßnahmen vor. In diesem Fall besteht Gefahr von Verätzung durch Einatmen, Hautkontakt und Augenkontakt.

Um sich gegen diese Gefahren zu schützen, muss man eine Schutzbrille und Schutzhandschuhe tragen. Zudem muss der Versuch in einem Abzug durchgeführt werden und der Reaktionsraum ein geschlossenes System sein.

Abbildung 5: Screenshots aus DEGINTU – Gefährdungen und Schutzmaßnahmen

Es gibt keine besonderen Verhaltensregeln im Gefahrenfall.

Abbildung 6: Screenshots aus DEGINTU – Verhalten im Gefahrenfall

Zuletzt wurde noch angegeben wie die Chemikalien und den restlichen Elektroschrott entsorgen werden muss, welche Quellen für den Versuch verwendet wurden, in welchem Raum der Versuch stattfand und weitere Anmerkungen zum Versuch.

Abbildung 7: Screenshots aus DEGINTU – Entsorgung

Versuche

Extraktion von Kupfer aus Elektroschrott

Das Ziel dieses Projektes war es reines Kupfer aus schon benutzten elektrischen Geräten wie zum Beispiel Grafikkarten, Motherboards, Netzteilen und Ähnlichem zu gewinnen.

Um dies zu erreichen wurden verschiedene Methoden recherchiert, getestet und weiterentwickelt. Diese und ihre Ergebnisse werden im Folgenden genauer beschrieben und erläutert.

Als Voraussetzung für die Versuche musste zuerst das Kupfer von den restlichen Bestandteilen des PCs entfernt werden.

Anschließend werden die zwei vielversprechendsten Methoden, die bei der Recherche gefunden wurden durchgeführt und dokumentiert.

Der erste Versuch sollte als Ergebnis reines Kupfer an einer Platte liefern.

Der gesammelte Kupferschrott wurde in einem Behältnis mit 450 ml 50-prozentiger Schwefelsäure(H₂SO₄) und 400 ml Wasserstoffperoxid(H2O2) gegeben. Übernacht bildeten sich nun blaue Kupfersulfat-Kristalle.

Cu + H2SO4 + H2O2 CuSO4 + 2 H2O

Diese wurden mithilfe einer Elektrolyse wieder gespalten und an die Platte gehängt.

(Zum Versuchsaufbau siehe Anhang Nr. 6)

Die zweite Methode bestand darin, dass Kupfer in einem Ofen zu schmelzen. Um dies zu ermöglichen wurde ein Schmelzofen aus Schamottemörtel selber gebaut. Die Anleitung wurde von verschiedenen Youtube-Videos zusammengestellt und danach umgesetzt (siehe unten). Um den Schmelzofen zu isolieren wurden Schamotteplatten auf die Öffnung gelegt.

Abbildung 9: Gebauter Schmelzofen

Der Tiegel mit dem Kupfer wurde durch einen Gasbrenner auf 2100 °C erhitzt.

Das Problem bei dem Schmelzofen war, dass dieser das Kupfer nur teilweise geschmolzen hat und es nicht ausreichte, dieses in eine Form zu gießen.

Versuchsreihe Gold

Die Zielsetzung bezüglich der Experimentierreihe zur Goldextraktion aus Elektroschrott besteht darin, das in den Platinen verarbeitete Gold als Endprodukt in reiner und elementarer Form vorliegen zu haben. Zu diesem Zweck wurden die im Folgendem erläuterten Versuche durchgeführt und analysiert.

Da das zu extrahierende Gold die Kontakte der Platinen bildet, muss dieses vor der weiteren Verarbeitung von diesen gelöst werden. Da die beste Methode um dies zu erreichen anfangs noch unklar war, wurden zwei verschiedene Möglichkeiten im direkten Vergleich getestet. Zur Vorbereitung beider Versuche wurden Bereiche mit Goldkontakten großflächig von den Platinen abgetrennt.

Versuch 1:

(siehe Anhang 1)

Die vorbereiteten Platinen wurden mit Salpetersäure (65%) vollständig übergossen und im Abzug stehen gelassen.

Nach einer Woche war eine grüne Färbung der Flüssigkeit zu beobachten. Zwar lag ein Großteil der Goldkontakte nicht von den Platinen gelöst vor, ließ sich allerdings mit Pinzetten von diesen entfernen.

Um das Gold von der Lösung zu trennen, wurde der Ansatz nach Entfernen der restlichen Platinen filtriert. Dabei blieben als Rückstände nicht nur das reine Gold, sondern auch Plastikpartikel zurück. Auch die Ablösung vom Filterpapier gestaltete sich als schwierig.

Versuch 2:

(siehe Anhang 2)

Anstelle von Salpetersäure wurden Salzsäure (37%) und Wasserstoffperoxid (5%) im Verhältnis 1:1 gemischt und zur Ablösung verwendet.

Im Gegensatz zum obenstehenden Versuch lagen hier deutlich mehr Goldkontakte in der Lösung schwimmend vor. Ebenfalls positiv zu bemerken ist, dass der Filterrückstand kaum mit Plastikpartikeln verschmutzt war. Einen weiteren Vorteil dieser Methode stellte die leichte Ablösung des Goldes vom Filterpapier dar.

Abbildung 10: Filterrückstand nachi Goldablösung

Vergleich und Fazit der Platinenaufbereitung:

Abschließend zu sagen ist, dass Versuch 2 im Hinblick auf unser Ziel, reines Gold zu erhalten, deutlich effizienter ist. Aufgrund der Reinheit des Produktes aus Versuch 2 eignet sich dieses besonders für das sofortige Einschmelzen (Versuch 4), wohingegen das Produkt des 1. Versuches so verunreinigt ist, dass ein anderes Verfahren zur Weiterverarbeitung genutzt werden muss (Versuch 3).

Abbildung 11: Aufarbeitung des abgelösten Goldes

Weiterverarbeitung:

Versuch 3:

(siehe Anhang 3)

Um die Nebenprodukte im Filterrückstand zu entfernen, wurde das Produkt aus Versuch 2 in Königswasser (3:1 konzentrierte Salzsäure und konzentrierte Salpetersäure) gelöst, da die Säurezusammensetzung stark genug ist, um das enthaltene Gold zu lösen. Nach einer Woche lag das Gold als Tetrachloridogold(III)säure in der mittlerweile grünlich gefärbten Flüssigkeit vor.

Um aus der Goldsäure wieder elementares Gold zu gewinnen wurden zwei verschieden Versuche getestet.

  1. Mit Hilfe eines Verfahrens aus dem redoxchemischen Bereich, der Elektrolyse, wurde versucht, das Gold anzureichern. Dazu wurde eine Galvanische Zelle aufgebaut. Die Donator- Halbzelle beinhaltete eine Zinkplatte in Zinksulfat-Lösung. Die Akzeptor- Halbzelle bestand aus der besagten Säure und einer kleinen Goldplatte. Diese wurden durch ein Kabel sowie einem Stromschlüssel, getränkt mit Kaliumhydrat- Lösung, verbunden.

Da nach einer Woche war keine Anreicherung zu beobachten war, lässt dies auf eine zu geringe Konzentration an Gold in der Lösung rückschließen.

  1. (in Anlehnung an Anhang 4)
    Durch die Zugabe von Glucose und das anschließende Erhitzen in einem Mikrowellenofen konvertierte die Goldsäure zu elementaren Goldnanopartikeln. Diesen lassen sich durch einen Laser sichtbar machen und dadurch nachweisen.

Da Goldnanopartikel vielfältige Verwendungen finden, wie beispielsweise in diversen Schulversuchen, lässt sich dieses Verfahren als erfolgreich werten.

Abbildung 12: Hergestellte Goldnanopartikel

Versuch 4:

(siehe Anhang 5)

Um die Goldflocken, welche in Versuch 2 extrahiert wurden, in kompakterer Form vorliegen zu haben, müssen diese eingeschmolzen werden. Um die Schmelztemperatur von Gold (1064°C) zu erreichen, werden die Goldflocken umgeben von temperatursteigernder Aktivkohle in einem Mikrowellenofen verflüssigt (Aktivkohle- Suszeptor- Tiegel- Element). Um eine bessere Tropfenbildung zu unterstützen werden den Flocken Natriumcarbonat und Dinatruimtetraborat-Decahydrat (Borax) zugefügt.

Eine deutliche Verschmelzung des Goldes war zu erkennen, was auf das Erreichen der Schmelztemperatur schließen lässt.

Abbildung 13: Schmelzen von Gold im AST- Element

Ausblick

Im weiteren Verlauf des Projekts soll sowohl der chemische Aspekt des Recyclings als auch die wirtschaftlichen, gesellschaftlichen und sozialen Zusammenhänge vertieft und genauer beleuchtet werden. So soll zum Beispiel ein neuer Schmelzofen gebaut werden, um Kupfer und Gold zu schmelzen. Des Weiteren sind noch zusätzliche Versuche zum Lösen von Gold aus den Platinen, wie mit Hilfe von Iod geplant. Außerdem sollen die bereits durchgeführten Experimente weiter optimiert werden. Dazu wurde bereits Kontakt zu außerschulischen Experten hergestellt. In diesem Zusammenhang sind auch verbesserte Elektrolyse- und Galvanisierungsprozesse Ziele, die in nächster Zeit verfolgt werden sollen.

Quellen

  1. K. Koch, Einfache Experimente zum Verständnis einer komplexen Welt, Chemietage VCOe, Linz, 2016
  2. B. Sieve, Metalle – begehrte Ressourcen in einer globalisierten Welt, Unterricht Chemie 143, Friedrich Verlag GmbH, 2014
  3. B. Sieve, Elektroschrott und Metallrecycling, 2015
  4. T. Wilke, O. Bodensiek und K. Ruppersberg, Gold aus Elektronikschrott, Chemie in unserer Zeit 52, Wiley-VCH Verlag GmbH und Co. KGaA, Weinheim, 2018
  5. T. Wilke und K. Ruppersberg, Jede Schule besitzt Elektroschrott, Unterricht Chemie 161, 2017

Anhang

  1. Quelle: https://geboren.am/person/emil-adolf-von-behring