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Production of Scandium compounds and Scandium Aluminum alloys from European metallurgical by- products

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Das flüchtige Scandium aus industriellen Nebenprodukten gewinnen

Forschende entwickeln Technologien zur Gewinnung von Scandium aus metallurgischen Abfällen, die der EU eine zuverlässige Versorgung mit diesem wertvollen Seltenerdmetall begünstigen könnten.

Klimawandel und Umwelt
Industrielle Technologien

Aufgrund seiner Knappheit und begrenzten Produktion ist Scandium derzeit eines der teuersten Elemente auf dem Markt. Dieses weiche, silbrige Übergangsmetall wird seit Jahrzehnten zur Herstellung von Festoxid-Brennstoffzellen mit hoher Lichtintensität sowie von Al-Sc-Legierungen für hochwertige Sportgeräte und 3D-Druckanwendungen verwendet. Die Versorgung mit Scandium ist jedoch auf Einfuhren aus Asien und Russland beschränkt.

Industrieabfälle in Schätze verwandeln

Das EU-finanzierte Projekt SCALE unternimmt die ersten Schritte zum Aufbau einer geschlossenen Lieferkette für Scandium in Europa. Die Verwendung industrieller Nebenprodukte, die heute meist entsorgt und gelagert werden, trägt zu dem von der EU verfolgten Konzept der Kreislaufwirtschaft bei. „Bauxitrückstände aus der Aluminiumoxid-Herstellung und saure Abfälle aus der Titandioxid-Pigmentproduktion enthalten Spuren von Scandium, die mit einem praktikablen Extraktionsverfahren genutzt werden könnten“, erklärt Efthymios Balomenos, leitender Berater beim griechischen Energie- und Aluminiumunternehmen MYTILINEOS und Projektkoordinator. Diese Mineralkonzentrate werden dann mit fortschrittlichen Raffinationstechnologien zu reinen Scandium-Verbindungen verarbeitet. Die reinen Scandium-Verbindungen werden wiederum als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Aluminium-Scandium-Vorlegierungen eingesetzt. SCALE hat bahnbrechende Technologien entwickelt, um sowohl die Hindernisse bei der Metallgewinnung als auch bei der Produktion zu überwinden. Außerdem wurden die Raffinationstechnologien optimiert, um die Verarbeitungskosten zu senken und den Einsatz schädlicher Reagenzien zu vermeiden. Bisher wurden bei der Gewinnung von Scandium aus Bauxitrückständen und sauren Abfällen aus der TiO2-Produktion im Pilotmaßstab erhebliche Fortschritte erzielt. Unter Verwendung von 10 Tonnen Bauxitrückständen und 2 m3 sauren Abfällen erhielten die Forschenden Scandium-Konzentrate mit einem Scandiumgehalt von bis zu 25 Gew.-%. Darüber hinaus wurde ein neuartiges Scandium-Raffinationsverfahren entwickelt, das eine effiziente und flexible Produktion von Scandium(III)-oxid (Sc2O3) und Scandium(III)-fluorid (ScF3) ermöglicht und den Einsatz herkömmlicher gefährlicher Chemikalien wie Fluorwasserstoffgas überflüssig macht. Zudem erprobten die Forschenden in einer Pilotanlage die Herstellung von leistungsstarken Aluminium-Scandium-Vorlegierungen. Durch die aluminothermische Reduktion von ScF3 oder die Co-Elektrolyse von Aluminium und Sc2O3 in geschmolzenem Salz konnten sie auf metallisches Kalzium verzichten, ein sehr teures und schwer zu produzierendes Reagenz. Die im Rahmen von SCALE geleistete Arbeit wird in zwei Folgeprojekten im Rahmen von EIT RawMaterials fortgesetzt, die voraussichtlich zur Schaffung einer Lieferkette für Scandium in Europa führen werden. Das erste dieser Projekte zielt darauf ab, ein Scandium-Raffinerieverfahren auszugestalten, bei dem saure Abfälle als Primärrohstoff und Sc2O3 als Produkt gewonnen werden. Das zweite Projekt wird sich auf die weitere Optimierung und Skalierung der Scandium-Extraktion aus Bauxitrückständen konzentrieren.

Das Potenzial von Aluminium-Scandium-Legierungen ausschöpfen

Aluminium-Scandium-Legierungen stellen eine neue Generation von Hochleistungslegierungen dar, die im Vergleich zu allen anderen Aluminiumlegierungen überlegene Eigenschaften aufweisen. Geringe Mengen an Scandium erhöhen die Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Korngröße und Rekristallisationsbeständigkeit des Metalls. Wichtig ist, dass das Element die höchste Steigerung der Zugfestigkeit pro Atomprozent bietet als jedes andere Legierungselement, wenn es zu Aluminium hinzugefügt wird. „Flugzeughersteller könnten damit zum Beispiel Flugzeuge bauen, die ein leichteres Aluminiumgerüst haben und weniger Treibstoff verbrauchen“, so Balomenos. „Die Verwendung von Scandium in Fahrradrahmen hat eine Gewichtsreduzierung von 12 %, eine 50%ige Erhöhung der Streckgrenze und eine 25%ige Verbesserung der Ermüdungslebensdauer im Vergleich zu den meistverkauften Aluminium-Fahrradrahmen gezeigt.“

Schlüsselbegriffe

SCALE, Scandium, Bauxitrückstände, Säureabfälle, Sc2O3, Aluminium-Scandium-Vorlegierung, ScF3, MYTILINEOS

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21 Oktober 2020