An vielen Küsten der Welt sind Berge weggeworfener Austern- und Muschelschalen ein alltäglicher Anblick – die Überbleibsel einer globalen Fischindustrie, die jedes Jahr Millionen Tonnen Abfall produziert. Gleichzeitig gibt es in felsigen Ablagerungen weit entfernt von der Küste eine ganz andere Art von Ressource – seltene Erden – im Überfluss. Diese Metalle sind stark nachgefragt, da sie für Technologien wie Windkraftanlagen, Elektrofahrzeuge und modernste Elektronik unerlässlich sind.
Die neue Forschung meines Teams untersucht einen interessanten Zusammenhang zwischen diesem Abfall und den dringend benötigten Seltenerdelementen. Wir haben herausgefunden, dass gewöhnliche Muscheln, insbesondere Austernschalen, Seltenerdelemente aus dem Wasser einfangen und festhalten können. Auf diese Weise verwandeln sich die Muscheln vom Abfall in ein potenzielles Werkzeug zur Beseitigung der Umweltverschmutzung im Zusammenhang mit der grünen Energiewende.
In Japan werden seltene Erden oft als „Vitamine der modernen Industrie“ bezeichnet, da sie wie Vitamine im Körper für viele moderne Technologien unerlässlich sind, jedoch nur in geringen Mengen benötigt werden. Bei der Gewinnung und Verarbeitung von Seltenerdmineralien kann es zu kontaminiertem Abwasser kommen, wodurch diese Elemente in die Umwelt gelangen können.
In unseren Laboren am Trinity College Dublin haben wir untersucht, ob Muschelabfälle zur Lösung dieses Problems beitragen können. Wir haben Austern-, Muschel- und Herzmuschelschalen an irischen Stränden gesammelt, sie gereinigt und in kleine Körner zerkleinert. Diese Fragmente wurden dann in Wasser gegeben, das Seltenerdelemente – insbesondere Lanthan, Neodym und Dysprosium – in Konzentrationen enthielt, die denen bei schwerer industrieller Kontamination ähneln.
Was dann passiert, ist mit bloßem Auge nicht sofort sichtbar, aber unter dem Mikroskop ist es auffällig – und schön. An der Oberfläche jedes Schalenkorns beginnt eine chemische Reaktion. Das Kalziumkarbonat, aus dem die Schale besteht, beginnt sich aufzulösen, während an seiner Stelle neue Mineralien mit Seltenerdelementen zu kristallisieren beginnen. Mit der Zeit bildet sich eine dünne Schicht, eine Art mineralische „Haut“, die das Korn umhüllt.
Mit einem hochauflösenden Mikroskop konnten wir diesen Vorgang im Detail beobachten. Winzige Kristalle erscheinen zunächst als nadelartige Strukturen, wachsen dann und verschmelzen zu einer zusammenhängenden Kruste. In manchen Fällen blockiert diese Kruste schließlich die weitere Reaktion, wodurch der Prozess effektiv zum Erliegen kommt.
Aber nicht alle Muscheln verhalten sich gleich: Austernschalen haben, wie sich herausstellt, eine einzigartige innere Struktur. Sie bestehen aus dünnen Schichten und porösen, kalkhaltigen Bereichen, die eine freiere Zirkulation von Wasser und gelösten Elementen ermöglichen. Dies bedeutet, dass die Reaktion nicht an der Oberfläche stoppt. Stattdessen setzt es sich nach innen fort und ersetzt nach und nach die gesamte Hülle.
Unter den richtigen Bedingungen kann 1 g Austernschalen bis zu etwa 1,5 g der in der Lösung vorhandenen Seltenerdelemente einfangen und einschließen. Anstatt einfach an der Oberfläche zu haften, werden diese Elemente Teil eines neuen, stabilen Karbonatminerals.
Von der Kontrolle der Umweltverschmutzung bis zur Ressourcenrückgewinnung
Viele bei der Wasseraufbereitung verwendete Materialien basieren auf Adsorption, dem Prozess, bei dem Verunreinigungen an einer Oberfläche binden oder dort „adsorbieren“. In diesem Fall handelt es sich jedoch um einen Prozess namens vollständige Mineralumwandlung, bei dem die Seltenerdelemente in feste Kristalle integriert werden. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie wieder in die Umwelt gelangen, weitaus geringer.
Einmal erfasst, könnten diese Elemente unterschiedliche Wege einschlagen. Das Material könnte möglicherweise weiterverarbeitet werden, um die Metalle zurückzugewinnen. Da sie in einer festen Phase konzentriert sind, könnten prinzipiell etablierte chemische Extraktionsmethoden zu ihrer Wiederverwertung genutzt werden. Möglicherweise könnten diese Abfallhüllen nicht nur zur Beseitigung der Umweltverschmutzung, sondern auch zur Rückgewinnung wertvoller Ressourcen verwendet werden, die andernfalls verloren gehen würden.
An Muscheln mangelt es nicht. Die Natur stellt sie kostenlos her. Die weltweite Muschelaquakultur produziert jedes Jahr große Mengen an Muschelabfällen, von denen ein Großteil auf Mülldeponien landet oder in Küstennähe gelagert wird. Zerkleinerte Schalen könnten in Filtersystemen, Behandlungsbetten oder durchlässigen Barrieren verwendet werden, wo kontaminiertes Wasser durch reaktives Material fließt. Diese Ansätze werden bereits häufig in der Wasseraufbereitung eingesetzt, beispielsweise zur Entfernung von Schwermetallen aus Meerwasser.
Die Herausforderung liegt in der Aufrechterhaltung der Effizienz. Einige Muscheltypen entwickeln schnell undurchlässige Beschichtungen, die ihre Wirksamkeit einschränken. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Austernschalen aufgrund ihrer Struktur besonders gut geeignet sind, diese Einschränkung zu überwinden.
Damit diese Technologie in größerem Maßstab funktioniert, wird es weniger auf die Suche nach neuen Materialien als vielmehr auf die Entwicklung von Systemen ankommen, die möglichst viel Wasser mit den aktiven Oberflächen in Kontakt bringen und gleichzeitig verhindern, dass diese Oberflächen mit der Zeit verstopfen oder weniger wirksam werden.
Dieser Ansatz allein wird den Bedarf an Abbau seltener Erden nicht verringern. Die weltweite Nachfrage nach diesen Materialien ist enorm und wächst sehr schnell. Das macht diese Lösung jedoch nicht unbedeutend. Es kann dazu beitragen, einen weniger verschwenderischen und „zirkuläreren“ Ansatz für kritische Materialien zu unterstützen, indem es eine Möglichkeit bietet, Seltenerdelemente aus Abfallströmen zu gewinnen, die Umweltverschmutzung zu reduzieren und möglicherweise einen Teil dessen zurückzugewinnen, was derzeit bei der Verarbeitung verloren geht.
Die Skalierung dieses Ansatzes vom Labor auf reale Anwendungen erfordert Tests unter komplexeren Bedingungen, da Industrieabwässer Gemische aus Metallen, variable Chemie und fließende Systeme enthalten. Es sind Pilotstudien erforderlich, um die Leistung und Haltbarkeit zu beurteilen und zu beurteilen, wie schnell Granatenfragmente eine seltenerdreiche mineralische Beschichtung entwickeln, die einer Panzerung gleicht und eine weitere Reaktion mit dem Wasser blockiert.
Auch praktische Fragen spielen eine Rolle: Wie viel Verarbeitung (Reinigung, Zerkleinerung) ist wirklich notwendig und kann dies im großen Maßstab kosteneffizient durchgeführt werden? Wenn die Rückgewinnung seltener Erden das Ziel ist, müssen effiziente Methoden entwickelt werden, um sie aus den neu gebildeten Mineralien zu extrahieren. Die Bewältigung dieser Herausforderungen wird darüber entscheiden, ob daraus eine realisierbare groß angelegte Lösung wird.
Juan Diego Rodriguez-Blanco, Ussher Associate Professor für Nanomineralogie, Trinity College Dublin
wird von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht.
Foto von Mitili Mitili auf Unsplash
