Recyclingverfahren für LED-Lampen Seltene Erden rückgewinnen

Wertvoll sind Chip und Farbkonverter

Das eigentliche LED-Bauteil hat nur einen sehr kleinen Anteil am Gesamtgewicht. Es besteht aus einer dünnen Halbleiterschicht auf einem Substrat (meist Saphir, Al2O3). Letzteres ist für das Recycling kaum interessant. Es zählt nur die Schicht selbst mit dem Hauptbestandteil Galliumnitrid, das allerdings nicht rein vorliegt, sondern vermischt mit anderen Elementen, vor allem Indium. Moderne Hochleistungs-LEDs bestehen aus vielen verschiedenen Schichten.

Die anderen für das Recycling interessanten Stoffe sitzen in der Konverterschicht, einem Leuchtstoff der in einer Matrix gebunden ist, die in der Regel aus Silikon besteht. Die vielfach verwendete Bezeichnung „Phosphor“ ist in diesem Zusammenhang missverständlich. Es handelt sich in diesem Fall nicht um das feuergefährliche Nichtmetall aus der 5. Gruppe, sondern um Verbindungen mit Metallen wie Strontium oder Yttrium, vielfach auch aus der Gruppe der Seltenen Erden (zum Beispiel Cer, Europium, Luthetium und andere), die in starker Verdünnung in ein Trägermaterial eingebaut sind. Sie haben den Zweck, das zunächst erzeugte blaue Licht in gelbes bzw. grünes und rotes Licht umzuwandeln, damit zusammen mit einem Anteil von nicht gewandeltem Blau weißes Licht entsteht. Es gibt dafür zahllose verschiedene Arten; intensive Forschung auf diesem Gebiet betreibt beispielsweise die Arbeitsgruppe „Tailored Optical Materials“ an der Fachhochschule Münster unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Jüstel.

Welche chemischen Elemente in einer LED-Lampe enthalten sind, lässt sich mittels Röntgenfluoreszenzanalyse feststellen (Bild 5). Das zu untersuchende Objekt wird bei dieser Methode mit breitbandiger Röntgenstrahlung angeregt, um anschließend die rückgestreuten, schmalbandigen Röntgenlinien zu analysieren. Deren Wellenlänge ist charakteristisch für das betreffende Element, ihre Intensität gibt Auskunft über dessen Konzentration. Auch eine örtliche Auflösung ist möglich (Bild 6).

Zerlegen mit Hochspannung

Die Aufgabe lautet, die einzelnen Teile voneinander zu trennen. Die Methode, die sich in den Versuchen gut bewährt hat, ist die sogenannte elektrohydraulische Fragmentierung. Das Verfahren selbst ist schon älter, doch es wurde erst jüngst für die Trennung von entsorgter Elektronik getestet – etwa bestückten Platinen oder Festplattenlaufwerken sowie auch bei Faser- und Schichtverbundwerkstoffen (CFK), glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) usw. Bei dieser Methode befinden sich die zu zerlegenden Objekte (die LED-Lampen) in einem mit Wasser gefüllten Behälter. Durch das Wasser wird eine starke elektrische Entladung (etwa 30 – 40 kV) geleitet. Die dadurch erzeugte mechanische Stoßwelle zerkleinert die Objekte. Sie brechen bei diesem Verfahren bevorzugt an mechanischen Schwachstellen auseinander, also an Material- oder Korngrenzen (Bild 4 rechts). Während einiger Minuten sind bis zu mehrere hundert Pulse möglich. Dann sind die verschiedenen Teile weitgehend voneinander gelöst (Bild 7). Nach dem Ablassen des Wassers können sie durch konventionelles Sieben und Sortieren einfach und sortenrein voneinander separiert werden. Vorteilhaft ist, dass die Methode ohne Chemikalien auskommt, keine Stäube entstehen und das Wasser nicht nennenswert verunreinigt wird. Das Verfahren läuft bisher im Labormaßstab, ist aber flexibel skalierbar und der gesamte Prozess lässt sich an beliebigen Orten installieren, beispielsweise für das Recycling von Altprodukten oder Produktionsabfällen direkt an den Produk­tionsstätten.

Die Wertstoffe werden auf diese Weise aufkonzentriert: von anfänglich zum Beispiel 0,003 % in der gesamten Lampe, auf im folgenden Schritt (LED-Panel) bereits 0,05 % sowie schließlich (LED-Chip) auf 0,4 % – zwei Größenordnungen höher (Bild 8). Der derzeit verwendete Behälter hat ein Volumen von etwa 30 Litern und fasst 20 bis 25 Lampen. Die erste Pilotanlage läuft am Standort Alzenau der IWKS-Gruppe, eine weitere bei einem mittelständischen Recyclingunternehmen.

Der nächste Schritt ist die Rückgewinnung der Elemente aus den separiert vorliegenden LED-Komponenten. Aus dem LED-Chip (Substrat mit aktiver Schicht) ist in erster Linie Gallium und Indium von Wert. Die Schicht ist etwa 5 µm dick. Pro LED ergibt das etwa 20 µg Metall. An dieser Stelle liegt im Moment noch eine große Herausforderung. Die derzeit verwendeten Verfahren sind noch lange nicht ausgereift. Ähnliches gilt für die Rückgewinnung der Seltenen Erden aus der Konverterschicht. Dazu ist die Trennung der Leuchtschicht von der sie umschließenden Silikonmatrix nötig. Die Konverterschicht sitzt nicht immer direkt auf dem LED-Chip, sondern bei einigen Lampentypen weiter entfernt auf der Innenseite des Glaskolbens (Remote Phosphor, Bild 9). Die Trennung von Leuchtschicht und Silikonmatrix erfordert chemischen Verfahren, die aber noch nicht ausgereift sind. Auf diesem Gebiet forscht die Firma CreaCycle in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV).

Lampen-Konstruktion kann Recycling erschweren

Insgesamt betrachtet, ist der größte Anteil von LED-Lampen recycelbar. Zum heutigen Stand können die großen Materialfraktionen mit der Methode der elektrohydraulischen Zerkleinerung sehr gut getrennt werden. Bezüglich der kleinsten Fraktion – der LED-Chips – steht die Recyclingtechnologie aber noch völlig am Anfang und die Prozesse sind noch deutlich zu unwirtschaftlich. Die Wirtschaftlichkeit wird auch stark von den aktuellen Weltmarktpreisen der besagten Metalle abhängen. Bei funktionierendem Recycling und der damit wachsenden Unabhängigkeit vom Import können diese jedoch nicht mehr exorbitant hoch steigen.

Auf Basis der gesammelten Erfahrungen ist der nächste logische Schritt das Erarbeiten von Richtlinien für zukünf­tige LED-Lampen, um den Aufwand für deren Wiederaufarbeitung auf ein Minimum zu reduzieren. Gerade in dieser Hinsicht verhalten sich die derzeitigen Lampen-Typen sehr unterschiedlich. Einige haben Konstruktionen, die das Recycling ausgesprochen schwierig machen, etwa wenn die Wandlerelek­tronik in Kunstharz vergossen ist. Dieses Vorgehen müsste in Zukunft möglicherweise verboten werden.

Gefragt werden „grüne“ Produkte in einem „Design for Recycling“ (DfR) sein. Vom IWKS wurde ein modulares Baukastenprinzip vorgeschlagen, mit dem sich die einzelnen Teile sehr einfach zusammensetzen und wieder zerlegen lassen. Das Ziel heißt: Ressourcen gebrauchen statt verbrauchen. Wenn dieser Prozess eines Tages voll eingespielt ist, werden die LED-Lampen wirklich umweltfreundlich sein.