Was steckt drin im Handy? Eine experimentell orientierte Unterrichtseinheit zum Thema Elektroschrott und urban mining

Transkript

1 Was steckt drin im Handy? Eine experimentell orientierte Unterrichtseinheit zum Thema Elektroschrott und urban mining Bernhard F. Sieve Elsa-Brändström-Schule, Hannover IDN - Fachgebiet Chemiedidaktik Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

2 Metalle - begehrte Ressourcen

3 Das erwartet Sie Experimentell orientierte UE für die SII zur Metallgewinnung / Metallrecycling am Beispiel der Elektroschrott-Problematik Vermittlung zentraler Konzepte der Elektrochemie und von analytischen Verfahren Schulung von Bewertungskompetenz / Förderung des nachhaltigen Umgangs mit begrenzten Ressourcen

4 Die Welt im Wandel - Ressourcen entscheiden Reller 2011 Meadows et al. 2008

5 Bedarfe an High-Tech-Metallen Metall Bedarf 2010 Bedarf 2030 Reserven Gallium 30 t! 603 t! 800 kt! Germanium 29 t! 220 t! 2500 t! Indium 234 t! 1911 t! 10 kt! Kobalt 13 kt! 27 kt! 7 Mt! Kupfer 1,4 Mt! 6,7 Mt! 480 Mt! Neodym 4 kt! 28 kt! 10 Mt! Platin 10 t! 340 t! 70 kt! Silber 5,5 kt! 15 kt! 270 kt! Tantal (Coltan) 560 t! 1450 t! 430 kt! Zinn 190 kt! 235 kt! 6,1 Mt! Metalle des EC14 (2013)

6 Bedarfe an High-Tech-Metallen EC 2012 Bernhard F. Sieve

7 Vorkommen von High-Tech-Metallen 97,3 % der REE aus China Die Zeit, Ausgabe 44, Oktober 2009

8 Anwendungen von High-Tech-Metallen Ga, In, Pt, Ru, Ti, Se, Te Ga, In, Eu Nd In, Sn, Li, Ag, Au, Ga, Ge, Eu Nd, Ce, Pt, La, Y, Eu, Dy, Co

9 Beispiel Handys 98 % der Jugendlichen zwischen 12 und 19 Jahren haben ein Handy, 72 % ein Smartphone; Tendenz steigend (MPFS 2013) 80 % der Jugendlichen haben einen eigenen Computer (MPFS 2013) 2013 wurden in Deutschland über 21 Millionen Smartphones verkauft (Statista 2013) über 83 Millionen Althandys lagern in Schubladen Mobilfunkanbieter locken mit neuen Verträgen (Nair 2011)

10 Der Einstieg sf/filme-online.php?film=8553

11 Probleme über Probleme Warum wird der Elektroschrott verschifft und dort verbrannt? Darf man das überhaupt? Welche Schäden verursacht dies an Mensch und Umwelt? Welche Metalle sind denn so wertvoll in diesen Geräten? Was ist da eigentlich drin? Was macht man mit den Metallen, mit der Asche? Lassen sich die daraus Metalle zurückgewinnen? Kann man die Metalle nicht unter kontrollierten Bedingungen wiedergewinnen? Wie erfolgt das Recycling von Altgeräten in Deutschland? Was kann man / können wir dagegen tun?

12 Was ist drin im Handy und Notebook? Erarbeitung der Bestandteile eines Handys (Materialien) Berechnung der Massen an Wertstoffen und des Geldwertes Recherche zu High-Tech-Metallen (Herkunft, Gewinnung, Bedarf) Für die Gewinnung von 1 g Gold sind in etwa 1 t goldhaltige Erze nötig; die gleiche Menge Gold lässt sich aus 41 Handys zurückgewinnen. Sieve, 2014, nach VDI-Nachrichten, 2012 Bernhard F. Sieve

13 Was ist drin im Handy und Notebook? Untersuchung des Innenlebens eines Handys / Notebooks Sortieren von Fraktionen (Kunststoff, Keramik, Metalle) Messen des Widerstandes

14 Was ist drin im Handy und Notebook? Versuch 1: Qualitative Analyse der Nichteisenmetalle Lösen der Metallfraktionen in verdünnter Schwefelsäure Nachweis von Al 3+ -Ionen mit Alizarin (1,2-Dihydroxyanthrachinon) Nachweis von Mg 2+ -Ionen mit Titangelb (Thiazolgelb) Nachweis von Zn 2+ -Ionen mit Kaliumhexacynanidoferrat(II)

15 Recycling von Elektroschrott Versuch 2 a: Verbrennen von Elektroschrott

16 Recycling von Elektroschrott Versuch 2 b: Nachweis von Metallionen in der Asche Lösen der Asche in konz. Salzsäure Nachweis von Al 3+ -Ionen, Zn 2+ -Ionen, Mg 2+ -Ionen (wie gehabt) Nachweis von Cu 2+ -Ionen mit Kaliumhexacyanidoferrat(III)

17 Recycling von Elektroschrott (Umicore Hanau) Wuppertal-Institut 2013 Bernhard F. Sieve

18 Das kommt raus aus t Elektroschrott wurden t Metalle zurückgewonnen t Cu, 5000 t Pb + Ni, 1000 t Ag, 30 t Au, 37 t Pt- Metalle, 3500 t anderer Metalle (Hagelüken 2011)

19 Der Hochofenprozess Versuch 3: Gewinnung von Garkupfer Gemisch aus Kunststoffschnipseln und

20 Raffination des Garkupfers Versuch 4: Kupferraffination

21 Recycling-Innovation: Fest/Gas-Reaktionen Problem: Recycling auf nasschemischem oder metallurgischem Wege ist teuer und belastet die Umwelt Idee: Fest/Gas-Reaktionen (chemische Transportreaktionen)

22 Das Prinzip van-arkel-de-boer-verfahren Reinigung von Ti, Zr, Cr, V Prinzip der Halogenlampe temperaturabhängige GG LeChatelier CC BY-SA: Alchemist-hp Bernhard F. Sieve

23 Die konkrete Recycling-Anwendung LCD-Bildschirme, OLED, Photovoltaik-Stacks, Touchscreens enthalten ITO-Glas (Mischoxid aus 90% In2O3 und 10% SnO2) Fest/Gas-Reaktion in der Erprobung Reaktionsrohr O2 In2O3 Cl2 In2Cl6 Cl2 ITO-Glas 800 C G < 0; K > C G > 0; K < 1000

24 Zusammenfassung Thema Elektroschrott ist geeignet um: Grundlagen der Metallgewinnung, zur Elektrochemie sowie zu analytischen Verfahren zu vermitteln eine mehrperspektivische Betrachtung zur Förderung der Bewertungskompetenz zu führen Schülerinnen und Schüler für einen bewussten Umgang mit den begrenzten Ressourcen zu sensibilisieren Fest/Gas-Reaktionen ermöglichen zusätzlich: vertiefte Einblicke in Gleichgewichtsbetrachtungen (thermodynamische Aspekte des chem. GG.)

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Bernhard F. Sieve