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Aufarbeitung von Kupferabfällen verbrauchter Ätzlösungen

Bei der Platinenherstellung mit Natriumpersulfat bleibt am Ende des Ätzvorgangs eine blaue Lösung übrig, die aus Kupfersulfat, Natriumsulfat und Resten an unverbrauchtem Natriumpersulfat besteht. Der Hersteller des Ätzmittels empfiehlt, das in der Lösung enthaltene Kupfer mit Natriumhydroxid auszufällen, abzufiltrieren und den Filterkuchen bei der örtlichen Sondermüllsammlung abzugeben. Diese Vorgehensweise hat jedoch einige Nachteile: Man benötigt nicht unerhebliche Mengen Natriumhydroxid, der Filtrationsvorgang kann (abhängig von der Ausrüstung) sehr lange dauern, der Filterkuchen muss zeitaufwändig getrocknet werden und zur Sondermüllsammelstelle gebracht werden. Weiterhin bringt man durch die Zugabe von Natriumhydroxid zusätzliche Salzlasten (Natriumsulfat) ins Abwasser. Um diese Probleme zu umgehen, wäre es viel eleganter, das in der Lösung enthaltene Kupfer zurückzugewinnen. Mit dem hier vorgestellten Versuch wurde eine Möglichkeit untersucht, diese Kupfersulfat-Abfälle durch Elektrolyse aufzuarbeiten und so das in der Lösung enthaltene Kupfer zurückzugewinnen.

Die Anforderung an die Elektrolyseapparatur war ein geringer Platzbedarf, die Fähigkeit, große Mengen auf einmal verarbeiten zu können und ein geringer Arbeitsaufwand. Es lagen 8 Liter verbrauchte Ätzlösung vor, die ursprünglich eine Konzentration von 200g/l Natriumpersulfat hatten. Als Anode diente ein Platindraht, der an einen isolierten Kupferdraht gelötet wurde, die Lötstelle wurde mit Heisskleber isoliert. Um eine langsame Abscheidung des Kupfers zu erreichen, wurde ein Stück kupferbeschichtetes Platinenmaterial mit den Abmessungen 5x10 cm als Kathode eingesetzt. Die Apparatur wurde mit einem 10V-Steckernetzteil betrieben.

Platinanode, Rührmotor, Kupferkathode auf einer Holzleiste montiert

Um möglichst einfach eine gute Durchmischung zu erreichen, wurde eine geeignete Rührvorrichtung benötigt. Hierfür wurde ein bürstenloser 6-cm-Lüfter von einem CPU-Kühlkörper verwendet, dessen Gehäuse und die Luftschaufeln am Motor entfernt wurden. Mit Heisskleber wurde ein Stück eines Plastikrohrs befestigt, in dessen Ende ein Schlitz gesägt wurde und ein Rührblatt aus einem Reststück Expoxidharz-Basismaterial eingesetzt wurde. Der Lüftermotor ist zwar eigentlich für eine Drehzahl von 3600 rpm ausgelegt. Da er aber bürstenlos arbeitet, stellt die geringe Drehzal kein Problem dar. Als langsamdrehender Rührmotor hat er zwar einen sehr ungünstigen Wirkungsgrad und wird etwas wärmer als sonst, wird aber nicht beschädigt und stellt somit eine sehr preisgünstige Lösung dar, ein großes Gefäß gleichmäßig zu durchmischen. Der ungünstige Wirkungsgrad fällt in dieser Leistungsklasse kaum ins Gewicht.

Als Rührmotor dient ein umgebauter bürstenloser PC-Lüfter

Die Überlegung der Elektrolyse war folgende: 8 Liter Ätzlösung sollten ursprünglich 1,6 kg Natriumperoxodisulfat enthalten haben (6,72 mol). Da ein Molekül Natriumpersulfat zwei Elektronen aufnimmt, sollten in der verbrauchten Ätzlösung (bei einer vollständigen Umsetzung) nun 6,72 mol Kupfersulfat enthalten sein. 1 mol Kupfersulfat benötigt 2 mol Elektronen, um als Kupfer abgeschieden zu werden. Zwei mol Elektronen sind 192971 Coulomb (Amperesekunden). Bei einem Strom von 200mA sollten also ziemlich genau 15 Tage benötigt werden, um die (theoretisch) 426g Kupfermetall abzuscheiden. Bei einem Wirkungsgrad des Steckernetzteils von 50% (es war eines mit herkömmlichem Trafo) würden in dieser Zeit 1,44 kWh Strom benötigt werden, was beim momentanen Strompreis Kosten in Höhe von ca. 35 Cent verursachen würde.

Holzleiste mit Anode, Kathode und Rührmotor über dem Exsikkator mit der Kupferlösung

Anode, Kathode und Rührmotor wurden auf eine Holzleiste befestigt, die über ein Unterteil eines großen Exsikkators befestigt wurde. Die Kupferlösung wurde in den Exsikkator gefüllt und die Apparatur eingeschaltet. Zunächst sah alles so aus, als ob es bestens funktionieren würde: Der Rührmotor drehte sich mit ca. 3 Umdrehungen pro Sekunde, an der Anode sprudelte frischer Sauerstoff auf und die Kathode färbte sich entsprchend dem frisch abgeschiedenen Kupfer ziegelrot. Nach ca. 2 Stunden zeigte sich jedoch, dass offentlichtlich noch erhebliche Restmengen an Natriumpersulfat in der Lösung enthalten waren: Die dünne Kupferauflage der Anode (35 µm) war stellenweise weggeätzt und der Stromfluss war unterbrochen. Aus diesem Grund wurde eine höhere Stromdichte verwendet. Anstatt der Kupferplatte wurde nun eine Kathode verwendet, die durch Verzwirbeln zweier 1,5mm^2 Kupferlitzen mittels einer Bohrmaschine hergestellt wurde. Um den Spannungsabfall des Elektrolysebads gering zu halten, wurde der Platindraht durch eine größere Platinelektrode ersetzt. Das Steckernetzteil wurde jetzt nur noch zum Betrieb des Rührmotors eingesetzt, die Elektrolyse erfolgte mit einem wesentlich stärkeren Labornetzteil, welches 3,0A bereitstellte (bei einer Badspannung von ca. 6 Volt)

Die neue Platin-Anode bietet eine größere Fläche

Mit dieser Konstruktion trat das Problem des Kathodenfraß zwar nicht mehr auf, jedoch dauerte es knapp zwei Tage, bis sich nennenswerte Mengen Kupfer an der Kathode abschieden. Offensichtlich mussten erst die Reste des noch vorhandenen Persulfats zersetzt werden. Dann ging es aber recht flott: Innerhalb von weiteren zwei Tagen schied sich eine sehr massive Kupferstange an der Kathode ab, die Lösung wurde zunehmend heller, bis sie nahezu farblos war. Es wurde noch ein weiterer Tag bei 0,5 Ampere elektrolysiert, um sicherzustellen, dass das zuvor in der Lösung enthaltene Kupfer quantitativ an der Kathode abgeschieden wurde. Die Kathode wurde abgetrennt, getrocknet und gewogen. Es konnten 384g Kupfer zurückgewonnen werden, was einem Marktwert von derzeit 1,15 EUR entspricht (im August hätte man dafür noch über 3 EUR gekriegt!) Weiterhin wurden das Natriumhydroxid für die Fällung gespart, dafür wären bei der vorliegenden Menge 540 Gramm notwendig gewesen, was bei einem Preis von 4 EUR/kg 2,16 EUR gekostet hätte.

Elektrolyse mit zusätzlichem Netzteil, fast fertig

Die nun farblose Lösung konnte bedenkenlos in den Ausguss geschüttet werden, da sie nun nur noch Natriumsulfat und Schwefelsäure enthielt. Bei weiteren Versuchen dieser Art zeigte sich, dass als praktikable Lösung zur Vernichtung von Persulfat-Resten der Abfall des Ätzbads zunächst ca. 1-2 Monate in einem Plastikkanister zusammen mit Kupfermetall (z.B. das aus der vorhergehenden Abfallaufbereitung) gelagert werden kann, so dass das Persulfat quantitativ abreagiert. Danach lässt sich die Lösung problemlos elektrolysieren.

Kupferkathode nach der Elektrolyse, 384g Kupfer konnten zurückgewonnen werden

Fazit:
Es ist mit einfachen Mitteln möglich, aus Persulfat-Ätzlösungen das darin enthaltene Kupfer zurückzugewinnen. Der dabei benötigte Strom ist weitaus günstiger als das als Fällungsmittel benötigte Natriumhydroxid. Desweiteren werden die in die Umwelt eingetragenen Salzlasten verringert und es muss kein Sondermüll entsorgt werden. Das erhaltene Kupfer ist kein Müll, sondern ein wertvoller Rohstoff, der im letzen Sommer einen Marktwert von zeitweise fast 9 EUR/kg erreichte.