Indium, Tantal, Gallium Flashcards
1
Q
Tantalum/Tantal
A
- Tantal kommt in der Natur nicht in freiem Zustand vor, sondern in Form von komplexen Oxiden und anderen Mineralien. Tantal-Mineralien sind oft mit Kassiterit (der Hauptquelle für Zinn) vergesellschaftet, und solche Erze sind eine weitere wichtige Quelle für Tantal.
- Im Jahr 2018, Minenproduktion 1890 Mg (USGS, 2020) deutlich geringer als Cu,Alu,Mag: 41 % aus der Demokratischen Republik Kongo, 23 % aus Ruanda, 14 % aus Brasilien
- Erzpreis basierend auf Ta2O5-Gehalt $158-173 pro Kilogramm (nicht Tonnen!) (2019)
2
Q
Indium
A
- Indium kommt als Spurenelement in einigen Zink-, Kupfer-, Blei- und Zinnmineralien vor, wird aber meist aus dem Zink-Sulfid-Mineral Sphalerit gewonnen. Ungefähr 95 % des weltweit produzierten raffinierten Indiums stammt aus der Verarbeitung von Zinkerzen. ( Nebenprodukt!)
- Die Konzentration von Indium in Zinkerzen liegt im Bereich von 20-200 Teilen pro Million (ppm) geringe Konz., bedarf energetische aufwendige Konzentrationsprozesse
- Im Jahr 2018 betrug die Raffinerieproduktion 741 Mg: 40 % China, 32 % Südkorea, 9 % Japan (keine Infos zum Abbau, da es Nebenprodukt ist)
- Der geschätzte durchschnittliche freie Marktpreis für Indium lag 2019 bei $160-232 pro Kilogramm
3
Q
Gallium
A
- Gallium ist normalerweise ein Nebenprodukt der Aluminiumproduktion Bauxit, viele Aluminiumprodukte mit Spuren von Gallium
- Im Jahr 2014 wurden weltweit 413 Mg Gallium extrahiert (raffiniert): 96 % aus China, 1,5 % aus Russland
- $145-155 pro Kilogramm 4N-Gallium (entspricht 99,99%=niedriger Grad, abhängig von der Reinheit) im Jahr 2020
4
Q
Verwendung
A
- Indium: 55% in LCD-Displays als ITO Layer (IndiumTinOxid)
- REE: 20% in Neodym-Eisen-Bor Magneten
- Gallium: 90% in EEE 65% in Integrierte Schaltungen
- Tantal: 30-45% in Kondensatoren
5
Q
- Fallstudie: Tantal-Rückgewinnung aus Kondensatoren
A
- Zielmetall: Tantal
- Ziel Komponenten: Kondensatoren
- Standardisierte Form und Farbe von Tantalkondensatoren, allerdings sitzen sie immer an unterschiedlichen Stellen in Geräten
Versuch: Die Kondensatoren wurden manuell, händisch von den Leiterplatten entfernt und es wurde der ökonomische Nutzen dieser Sortierung untersucht - Vergleich von Handy und Laptop Kondensatoren: Kondensatoren bei Laptop haben höheren Massenanteil, bei Handy haben manche keinen Ta-Kondensator; insg. ist die Trennung der Kondensatoren bei Laptops „sinnvoller“, da sie größeren Anteil ausmachen
- Logarithmische y-Achse! Mit Abstand ist Ta-Anteil am höchsten, danach Silber
- Tantalum5-10 g/kg printed circuitboard
- Das Silber im Kondensator wird i.d.R. nicht zurückgewonnen, weil Tantal über Slackoxidierung/chem. Reaktion zurückgewonnen wird. Der Verlust an Silber im Kondensator ist gleichzeitig der Verlust in der Rückgewinnung
6
Q
Tantal-Rückgewinnung - Vergleich mechanische & manuelle Behandlung
A
- Tantal aus Geräten, die mit anderem WEEE-Material verarbeitet wurden, geht i.d.R. verloren
- Ta-Kondensator-relevante Geräte werden aufgrund der hohen PCM-Konzentrationen in der verwendeten Leiterplatte i.d.R. separat aufbereitet (Handy, Laptop, Computer…)
7
Q
- Fallstudie: Rückgewinnung von Indium aus LCD-Displays
A
- Zielmetall: Indium
- Ziel Komponente: LCD-Panel
- Verwendung in Monitoren, Handys, TV, Laptops
- Entsorgung (Deponie, Müllverbrennung, Lager, Stapelung)
Recycling-orientierte Charakterisierung - Hohe Variierung im Produktdesign, am meisten Indium in großen Geräten (TV), aber da auch große Varianz
- Weiteres Problem: es wird verklebt und ist demnach sehr schwer zu separieren
8
Q
- Fallstudie: Rückgewinnung von Gallium aus integrierten Schaltkreisen
A
- Zielmetall: Gallium
- Zielkomponenten: Integrierte Schaltungen
- Landet in der Regel im integrated Smelter (integrierte Schmelzanlage) und geht dort über den Schlamm verloren
9
Q
Verwendung von Gallium
A
- Hauptverbrauch von Gallium im EEE-Sektor mit ca. 90 % des Gesamtverbrauchs.
- Hier wird ein großer Teil des eingesetzten Galliums für integrierte Schaltungen benötigt, die für die drahtlose Kommunikation (z. B. Mobiltelefone -4G, 3G, 2G, etc. oder WLAN) verantwortlich sind.
- Das restliche Material wird meist für opto-elektronische Komponenten wie LED- oder Laserdioden für die Hintergrundbeleuchtung in Computern, TV, Mobiltelefonen oder Photodetektoren und Solarpanels verwendet
- Anteile von Gallium in LED von Smartphones, Mobiltelefonen und Tablets im Jahr 2012 als gering eingeschätzt Verbrauch 2012 etwa 350 t
10
Q
Gallium: UPgrading-Strategien- Thermische Behandlung IC
A
- Eine thermische Behandlung wurde auf drei verschiedene IC-Typen angewendet
- Proben wurden bei 250°C für 110 Minuten und erneut bei 550°C für 360 Minuten in einem Muffelofen erhitzt
- Kunststoffgehäuse wurden verbrannt und innen liegende Komponenten freigesetzt.
- Die thermische Belichtung ergab einzelne Module, die eindeutig trennbar waren (u.a. Kupferverbindungen, Metalplatte, Elektr. Module…)
11
Q
Zusammenfassung aller Fallstudien – Strategien
A
- Strategie: Vorsortierung der Geräte (manche Geräte haben deutlich höhere Konz.)
- Strategie: Selektives Trennen von Inhaltsstoffen (z.B. Veränderung des Designs)
- Strategie: Verbesserung der Trennschärfe (nicht immer alles schreddern)
- Strategie: Nachbehandlung von Rezyklaten (z.B. IC- Integrierte Schaltungen )
- Strategie: Nachbehandlung von Reststoffen
- Im Moment sind die Strategien sind geringfügig integriert, nur wenn es einen ökonomischen Gewinn gibt; im Moment noch zu teuer, auch weil die Abfallströme zu gering sind
- In der Schweiz gibt es einen Recyclingaufschlag (Advanced Recycling Fee) auf die Produkte, mit dem im Vorhinein die Kosten für Das Recycling abgedeckt werden, demnach kann die Regierung auch Anforderung an das Recycling stellen,
- pro Produkt müssten weniger als 1 Euro für ein Recyclingverfahren aufgeschlagen werden
12
Q
Konfliktmineralien
A
Die vier bekanntesten Konfliktmineralien, die zum Beispiel im U.S. Conflict Minerals Law kodifiziert sind, sind:
- Kolumbit-Tantalit (oder Coltan, die umgangssprachliche afrikanische Bezeichnung) ist das Metallerz, aus dem das Element Tantal gewonnen wird.
- Kassiterit ist das Haupterz, das zur Gewinnung von Zinn benötigt wird, das für die Herstellung von Zinndosen und dem Lot auf den Leiterplatten elektronischer Geräte unerlässlich ist.[15]
- Wolframit ist eine wichtige Quelle für das Element Wolfram.
- Gold wird in Schmuck, Elektronik und Dentalprodukten verwendet. Es ist auch in einigen chemischen Verbindungen enthalten, die in bestimmten Halbleiterherstellungsprozessen verwendet werden.
13
Q
Recycling Indium
A
- Indium
Neuer Schrott:
Das weltweit sekundär raffinierte Indium stammt ausschließlich aus Produktionsabfällen. Die Hauptproduktion von Indium wird in der ITO (zinndotiertes Indiumoxid) Dünnfilmbeschichtung auf Flachbildschirmen mit Flüssigkristallanzeige verwendet. Neuschrott wird hauptsächlich in ITO-Quellmaterial zur Herstellung von Dünnfilmen verwendet. 30 % des ITO werden auf den Subtrakt aufgebracht, der Rest wird zu Indiummetall zurückgewonnen. 70 % des Indiums wird aus den Ausgangstargets zurückgewonnen.
Altschrott: Nur 1 % wird weltweit recycelt, weil die Indiumkonzentration im Endprodukt gering ist, keine geeignete Technologie zur Verfügung steht oder die wirtschaftlichen Anreize im Vergleich zu den Recyclingkosten gering sind.
14
Q
Recycling Tantal
A
Neuschrott: Hauptquelle ist die Elektronikindustrie (Kondensatoren, Sputtering,…) Etwa 30 % des neuen Bedarfs an Tantal in einem Jahr wird aus Neuschrott gedeckt.
Altschrott: Die Eingangsrate liegt unter 1%. Das Recycling von tantalhaltigen Altteilen existiert, ist aber primär pre-consumer. Luftfahrtindustrie -> Turbinenschaufeln werden vorverwertet.
15
Q
Recycling Gallium
A
Neuer Schrott: Es wird für Herstellungsprozesse von Galliumarsenid (GaAs)- und Galliumnitrid (GaN)-Wafern verwendet, die Schätzungen zufolge die wichtigste Sekundärquelle des Metalls sind, wobei etwa 60 % Schrott erzeugt und in einem geschlossenen Kreislauf recycelt werden. Bei Gallium, das in der Dünnschicht-Photovoltaikproduktion, insbesondere in der CIGS-Technologie, verwendet wird, liegt die Materialausbeute unter der Annahme einer Sputterabscheidung typischerweise bei 30-60 %, was ebenfalls eine Materialrückgewinnung und ein Recycling ermöglicht.
Altschrott: Aus Post-Consumer-Schrott wird kein Gallium zurückgewonnen. Die niedrige Rückgewinnungsrate von Gallium ist auf die Schwierigkeit und die Kosten zurückzuführen, es in Gegenständen zurückzugewinnen, in denen es stark dispergiert ist.
