Metalle

Rohstoff

Abbildung 1 zeigt die Anteile der häufigsten Elemente in der Erdkruste. Sauerstoff und Silizium machen etwa 75 % aus. Die nächstgrößeren, wesentlich geringeren Anteile bilden die Metalle Aluminium und Eisen mit 8,1 % und 5 %.

Abbildung 1: Verteilung der häufigsten Elemente in der Erdkruste

Die eigentliche Vielfalt der Metalle wird erst bei einem Blick ins Periodensystem der Elemente deutlich. Die meisten Elemente des Periodensystems werden den Metallen zugeordnet. In der Natur treten reine Metalle sehr selten auf. Meist sind diese in der Atmosphäre nicht stabil und liegen in oxidierter Form vor. So müssen sie vor Gebrauch zu elementarer Form reduziert und anschließend vor Reoxidation geschützt werden. ^S.1

Metalle wurden von Menschen schon früh als Werkstoff, beispielsweise für Werkzeuge, Schmuck, Waffen oder auch als Zahlungsmittel in Form von Münzen, verwendet. Seit etwa 3.000 Jahren stellt vor allem Eisen einen der wichtigsten metallischen Werkstoffe dar. Hauptmerkmale von Eisen sind in diesem Zusammenhang die gute Verfügbarkeit und die Möglichkeit durch Legierungen und Wärmebehandlung viele nützliche und verschiedene Eigenschaften zu erzielen. In der neueren Zeit gewannen aufgrund der größeren Anwendungsmöglichkeiten auch seltenere Metalle aufgrund spezieller physikalischer Eigenschaften an Bedeutung. In Abbildung 3 ist die Entwicklung der Elementvielfalt in der Produktion schematisch dargestellt. ^S.5-6

Eine oftmals verwendete Eigenschaft, um Metalle von Nichtmetallen zu unterscheiden, ist die elektrische Leitfähigkeit. ^S.5 Daneben werden noch weitere Eigenschaften wie die Reflexionsfähigkeit des Lichts, die thermische Leitfähigkeit oder gute plastische Verformbarkeit unter mechanischer Beanspruchung zur Klassifikation von Metallen verwendet. ^S.1

Metalle lassen sich nach verschiedenen Kriterien unterteilen. Eine oftmals verwendete Unterscheidung ist die Einteilung nach Leichtmetallen (ρ < 4,5-5 g/cm³) und Schwermetallen (ρ > 4,5-5 g/cm³). Der Begriff der Edelmetalle ist ebenfalls geläufig und umfasst Gold, Silber und Platinmetalle. Auch die Klassifizierung von spezifischen Metallen als Buntmetalle wird häufig verwendet. Zu ihnen zählen beispielsweise Kupfer, Nickel und Blei. Buntmetalle sind farbig oder bilden farbige Legierungen. ^S.105

Eine vor allem in Bezug auf die Kreislaufwirtschaft zweckmäßige Einteilung ist die Unterscheidung nach Eisenwerkstoffen (Fe-Metalle) und Nichteisenmetallen (NE-Metalle). ^S.5

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  Abbildung 2: Metalle und Halbmetalle im Periodensystem der Elemente

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  Abbildung 3: Entwicklung der Elementvielfalt in der industriellen Produktion (eigene Darstellung nach )

Fe-Metalle

Eisen und Stahl

Der Begriff Fe-Metalle bezeichnet eisenhaltige Metalle. Eisen ist ein reines Element mit der Bezeichnung Fe (lat. Ferrum) im Periodensystem. Daneben gehören zu der Gruppe der Fe-Metalle aber auch eisenhaltige Legierungen, bei denen der Eisenanteil über 50% liegt, Eisen also den Hauptbestandteil bildet. Die wichtigsten Eisen-Legierungen sind Stahl und Gusseisen. Das wichtigste Legierungselement stellt Kohlenstoff dar. Je nach Kohlenstoffnateil werden die verschiedenen Eisenlegierugnen unterscheiden.

Fe-Metalle sind magnetisch und können deshalb gut bei der Aufbereitung von Nichteisenmetallen (NE-Metallen) getrennt werden. Dabei gehören Eisen und Eisen-Legierungen zu den ferromagnetischen Stoffen. Zu diesen gehören unter anderem auch Cobalt und Nickel sowie Legierungen dieser Elemente weshalb sie teilweise fälschlicherweise den Fe-Metallen zugeordnet werden. ^{S.107 S.899}

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  Abbildung 2: Periodensystem der Elemente

NE-Metalle

NE-Metalle Aluminium Kupfer

Rohstoff

Nichteisenmetalle (NE-Metalle) bezeichnen alle Metalle außer Eisen, beziehungsweise Metalle, in denen Eisen nicht als Hauptelement (über 50%) vorhanden ist. Die Nichteisenmetallindustrie produziert und verarbeitet vorrangig die Metalle Kupfer, Aluminium, Blei und Zink , aber auch Edelmetalle (siehe auch Metalle) werden vielfältig verwendet. Wichtige Einsatzgebiete für NE-Metalle sind die Elektronik- und Elektrotechnik, der Maschinen- und Fahrzeugbau, aber auch der Bausektor. In Abbildung 1 sind die verschiedenen Anteile der Sektoren an der Verwendung von NE-Metallen in Deutschland dargestellt.

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  Abbildung 1 Verwendung von NE-Metallen in Deutschland. Stand 2020

Die Eigenschaften von Nichteisenmetallen sind sehr speziell für ihre einzelnen Einsatzgebiete und können schlecht durch andere Stoffe/Materialien ersetzt werden. Kupfer wird zum Beispiel aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit in der Elektrotechnik eingesetzt, wohingegen Aluminium wegen seines geringen Gewichts für den Luftfahrt- und Leichtbausektor wichtig ist. Trotz der deutlich höheren Produktionsmengen von Fe-Metallen zeigt Abbildung 2, dass der Metallwert pro kg bei Nichteisenmetallen deutlich höher als bei Eisen ist, wodurch die Nichteisenmetalle von hoher Bedeutung im wirtschaftlichen und technischen Sektor sind.

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  Abbildung 2 Metallwert wichtiger Gebrauchsmetalle (Eigendarstellung nach Bargel), Stand 2018

Recycling von NE-Metallen

Die Primärproduktion von Produkten aus NE-Metallen ist einer der energieintensivsten Industriebereiche, wohingegen durch den Einsatz von Sekundärrohstoffen der Energie- und Materialeinsatz im Vergleich zur Primärrohstoffen gesenkt werden kann. In Deutschland werden schon heute über 50 % der Gesamtproduktion an Nichtmetallen aus Sekundärrohstoffen hergestellt. Nichteisenmetalle lassen sich praktisch unbegrenzt und ohne deutliche Qualitätseinbußen einschmelzen und weiterverarbeiten. Die sekundären NE-Metalle werden zum einen als Eigen- oder Neuschrotte aus Produktionsabfällen und Nebenprodukten von Gießereien gewonnen. Zum Anderen fallen sie als Altschrotte an und werden als Siedlungsabfälle auf Wertstoffhöfen gesammelt und anschließend sortiert und weiterverarbeitet. Das Recycling von Siedlungsabfällen ist mit einem höheren Aufwand verbunden, da die Metalle meistens nicht als Reinstoffe, sondern als Legierungen vorliegen. Die Siedlung- und Produktionsabfälle werden zuerst vorbehandelt und zu Vorstoffen verarbeitet. Dabei werden zuerst die gröberen Störstoffe abgetrennt. Danach werden die Vorkonzentraten mit metallischen Hauptkomponenten angereichert. Im dritten Schritt werden die restlichen Störstoffe und Verunreinigungen abgetrennt und die Vorstoffe in Legierungen unterteilt. Die einzelnen Produkte werden dann in der Sekundärproduktion eingesetzt.

Proben im MassLab

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  Meatballs

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  Mischschrott

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  Aluminiumschrott

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  Aluminiumschrott

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  Kupferschrott

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  Kunststoffe

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  Kunststoffe

Weiterführende Links

Das Umweltbundesamt gibt einen Überblick über die wichtigsten Metallen im Rahmen der stoffstromorientierte Sekundärrohstoffwirtschaft. Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) und die Deutsche Rohstoffstoffagentur (DeRA) veröffentlichen regelmäßig aktualisierte Rohstoffsteckbriefe. []

Proben im MassLab

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  4-08-018

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  4-08-034

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  4-08-044

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  1-12-001

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  2-12-005

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  2-12-004

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  3-12-001

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  3-12-007

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  4-12-001

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  4-12-008

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  4-12-010

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  4-12-014

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  4-12-015