TY - JOUR A1 - Steckenmesser, D. A1 - Vogel, Christian A1 - Böhm, L. A1 - Heyde, B. A1 - Adam, Christian T1 - Fate of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in sewage sludge carbonisates and ashes – A risk assessment to a thermochemical phosphorus-recycling process N2 - In the near future, phosphorus (P) recycling will gain importance in terms of decreasing primary resources. Sewage sludge (SSL) is an adequate secondary P-resource for P-fertilizer production but it is also a sink for heavy metals and organic pollutants. The present study is an investigation on thermochemical P-recycling of SSL. Various temperatures and amendments were tested regarding their performance to remove heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and simultaneous increase of the plant-availability of P. The investigations were carried out on two types of SSL originating from wastewater treatment plants with chemical P-precipitation and enhanced biological P-removal, respectively. The results show that thermochemical treatment with chlorine donors is suitable to remove the majority of heavy metals and that a combination of a gaseous chlorine donor (HCl) and sodium additives leads to both high heavy metal removal and high plant availability of P. Furthermore, plant experiments Show that almost all investigated thermochemical treatments can significantly reduce the bioavailability and plant uptake of heavy metals. Furthermore, PAHs are secondarily formed during low-temperature treatments (400–500 ° ), but can be significantly reduced by using sodium carbonate as an additive. KW - Fertilzer KW - Pollutant KW - Phosphorus PY - 2018 DO - https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.06.027 SN - 0956-053X VL - 78 SP - 576 EP - 587 PB - Elsevier Ltd. CY - Amsterdam AN - OPUS4-45341 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kratz, S. A1 - Adam, Christian A1 - Vogel, Christian T1 - Düngewirkung von P-Rezyklaten N2 - Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise in Vegetationsversuchen geprüft. Diese erlauben die es, unterschiedliche Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung zu betrachten und verschiedene Substrattypen und deren Eigenschaften im Hinblick auf Nährstofffixierung und -freisetzung zu berücksichtigen. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher in der Regel mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch bei der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um zu überprüfen, ob die düngemittelrechtlichen Vorgaben eingehalten werden. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist es jedoch schwierig, herkömmliche Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm zu übertragen. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind. KW - Abwasser KW - Agronomische Effizienz KW - Chemische Löslichkeit KW - Düngemittel KW - Extraktion KW - Klärschlamm KW - Pflanzenverfügbarkeit KW - Pflanzenwurzel KW - Phosphat KW - Phosphor KW - P-Recyclingdünger KW - Relative agronomische Effizienz (RAE) KW - Struvit KW - Vegetationsversuche PY - 2019 VL - 32 IS - 1 SP - 14 EP - 21 PB - Rhombos-Verlag CY - Berlin AN - OPUS4-47941 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Adam, Christian T1 - Breites Leistungsspektrum - Für die Phosphorrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm stehen aus technischer und ökonomischer Sicht verschiedene Verfahren zur Verfügung N2 - Die P-Rückgewinnung aus Teilströmen mit erhöhten P-Gehalten kann direkt in den Kläranlagenbetrieb integriert werden und führt dort in vielen Fällen zu betrieblichen und ökonomischen Vorteilen. Sie ist in der Regel auf Bio-P-Kläranlagen beschränkt, da hier die anaerobe P-Rücklösung initiiert und genutzt werden kann. Durch die reine P-Rücklösung durch Schaffung anaerober Bedingungen ist allerdings das Potential der Rückgewinnung auf 5 bis 15 Prozent der Zulauffracht limitiert. Die meisten Kläranlagen in Deutschland werden mit einer chemischen Phosphor-Fällung betrieben. Diese Anlagen können aus dem Klärschlamm Phosphat in ausreichend hoher Konzentration nur zurückgewinnen, indem zusätzlich anorganische Säuren wie Schwefelsäure zugeführt werden oder ein Aufschluss mit flüssigem Kohlendioxid stattfindet. Es wird angenommen, dass sich mit diesen Verfahren mehr als 50 Prozent der Zulauffracht einer Kläranlage zurückgewinnen lassen. Der Aufschluss von Klärschlamm mit Schwefelsäure geht aber mit vergleichsweise hohen Umweltwirkungen sowie mit höheren Kosten im Vergleich zu anderen Phosphor-Rückgewinnungsverfahren einher. Ein sehr hohes Potential der Rückgewinnung von Phosphor (P) ist bei allen Verfahren gegeben, die als Rohstoff die Asche aus der Monoverbrennung verwerten. Der Aufschluss mit anorganischen Säuren ermöglicht die sichere Phosphor-Rückgewinnung von mehr als 80% Prozent des Kläranlagenzulaufs. Die Verfahren sind zum Teil großtechnisch umgesetzt oder es befinden sich großtechnische Anlagen im Bau. Auch thermochemische Verfahren wurden entwickelt und deren Einsatzbereitschaft im großtechnischen Maßstab erfolgreich demonstriert. In dem nachfolgenden Beitrag werden unterschiedliche praxiserprobte Verfahren zur Phosphor-Rückgewinnung unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten vorgestellt. KW - Abwasserreinigung KW - Bio-P-Kläranlage KW - Elimination KW - Fällmittel KW - Kläranlage KW - Klärschlamm KW - Klärschlammasche KW - Klärschlammverordnung KW - Monoverbrennung KW - Permeat KW - Phosphat KW - Phosphor KW - Phosphorrückgewinnung KW - Retentat KW - Struvit KW - Zentrat PY - 2019 VL - 32 IS - 1 SP - 4 EP - 13 PB - Rhombos-Verlag CY - Berlin AN - OPUS4-47942 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Vogel, Christian A1 - Sekine, R. A1 - Steckenmesser, D. A1 - Lombi, E. A1 - Herzel, Hannes A1 - Zuin, L. A1 - Wang, D. A1 - Felix, R. A1 - Adam, Christian T1 - Combining diffusive gradients in thin films (DGT) and spectroscopic techniques for the determination of phosphorus species in soils N2 - A wide range of methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Published research has shown that the diffusive gradients in thin films (DGT) technique has a superior correlation to plant-available P in soils compared to standard chemical extraction tests. In order to identify the plantavailable soil P species, we combined DGT with infrared and P K- and L2,3-edge X-ray adsorption near edge structure (XANES) spectroscopy. This was achieved by spectroscopically investigating the dried binding layer of DGT devices after soil deployment. All three spectroscopic methods were able to distinguish between different kinds of phosphates (poly-, trimeta-, pyro- and orthophosphate) on the DGT binding layer. However, infrared spectroscopy was most sensitive to distinguish between different types of adsorbed inorganic and organic phosphates. Furthermore, intermediates of the time-resolved hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be analyzed. KW - Phosphorus plant-availability KW - X-ray adsorption near-edge structure (XANES) spectroscopy KW - Infrared spectroscopy KW - Diffusive gradients in thin films (DGT) PY - 2019 DO - https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.01.037 SN - 0003-2670 VL - 1057 SP - 80 EP - 87 PB - Elsevier AN - OPUS4-47471 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Gentzmann, Marie A1 - Schraut, Katharina A1 - Vogel, Christian A1 - Gäbler, H.-E. A1 - Huthwelker, T. A1 - Adam, Christian T1 - Investigation of scandium in bauxite residues of different origin N2 - This paper focuses on the scandium speciation in bauxite residues of different origin. Insights into mineralchemical similarities and differences of these materials will be presented and links to their natural geological background discussed. The presented research should provide fundamental knowledge for the future development of efficient and viable technologies for Sc-recovery from bauxite residues derived from different bauxites and accumulating at different localities. In total, five bauxite residues were investigated which originated from Greece, Germany, Hungary and Russia (North Ural & North Timan) using a combination of different analytical tools. Those included: laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, X-ray absorption near Edge structure (XANES) spectroscopy, μ-Raman spectroscopy as well as scanning electron microscopy and electron microprobe analyses. X-ray fluorescence and inductively coupled plasma mass spectrometry were used to determine the overall chemical composition. The investigated samples were found to exhibit a relatively homogenous distribution of Sc between the larger mineral particles and the fine-grained matrix except for Al-phases like diaspore, boehmite and gibbsite. These phases were found to be particularly low in Sc. The only sample where Sc mass fractions in Al-phases exceeded 50 mg/kg was the Russian sample from North Ural. Fe-phases such as goethite, hematite and chamosite (for Russian samples) were more enriched in Sc than the Al-phases. In fact, in Greek samples goethite showed a higher capacity to incorporate or adsorb Sc than hematite. Accessory minerals like zircon, rutile/anatase and ilmenite were found to incorporate higher mass fractions of Sc (>150 mg/kg), however, those minerals are only present in small amounts and do not represent major host phases for Sc. In Russian samples from North Ural an additional Ca–Mg rich phase was found to contain significant mass fractions of Sc (>500 mg/kg). μ-XANES spectroscopy was able to show that Sc in bauxite residue occurs adsorbed onto mineral surfaces as well as incorporated into the crystal lattice of certain Fe-phases. According to our observations the bauxite type, i.e. karstic or lateritic, the atmospheric conditions during bauxitization, i.e. oxidizing or reducing, and consequently the dominant Sc-bearing species in the primary Bauxite influence the occurrence of Sc in bauxite residues. In karstic bauxites, underlying carbonate rocks can work as a pH-barrier and stabilize Sc. This prevents the Sc from being mobilized and removed during bauxitization. Hence, karstic bauxites are more prone to show a Sc enrichment than lateritic bauxites. Reducing conditions during bauxitization support the incorporation of Sc into clay minerals such as chamosite, which can dissolve and reprecipitate during Bayer processing causing Sc to be redistributed and primarily adsorb onto mineral surfaces in the bauxite residue. Oxidizing conditions support the incorporation of Sc into the crystal lattice of Fe-oxides and hydroxides, which are not affected in the Bayer process. The genetic history of the bauxite is therefore the major influential factor for the Sc occurrence in bauxite residues. KW - Sc recovery KW - Scandium KW - Bauxite Residue KW - Red Mud KW - XANES PY - 2021 DO - https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2021.104898 SN - 0883-2927 VL - 126 SP - 104898 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-52123 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Herzel, Hannes A1 - Grevel, K.-D. A1 - Emmerling, Franziska A1 - Dachs, E. A1 - Benisek, A. A1 - Adam, Christian A1 - Majzlan, J. T1 - Thermodynamic properties of calcium alkali phosphates Ca(Na,K)PO4 N2 - Calcium alkali phosphates Ca(Na,K)PO4 are main constituents of bioceramics and thermochemically produced phosphorus fertilizers because of their bioavailability. Sparse thermodynamic data are available for the endmembers CaNaPO4 and CaKPO4. In this work, the missing data were determined for the low-temperature phase modifications of the endmembers CaNaPO4 and CaKPO4 and three intermediate Ca(Na,K)PO4 compositions. Standard enthalpy of formation ranges from - 2018.3 ± 2.2 kJ mol-1 to - 2030.5 ± 2.1 kJ mol-1 and standard entropy from 137.2 ± 1.0 J mol-1 K-1 to 148.6 ± 1.0 J mol-1 K-1 from sodium endmember b-CaNaPO4 to potassium endmember b0-CaKPO4. Thermodynamic functions are calculated up to 1400 K for endmembers and the sodium-rich intermediate phase b-Ca(Na0.93K0.07)PO4. Functions above 640 K are extrapolated because of the phase transition from low- to high-temperature phase. Impurities in the synthesized intermediate phases c-Ca(Na0.4K0.6)PO4 and c-Ca Na0.35K0.65)PO4 and one additional phase transition around 500 K impeded the determination of high-temperature thermodynamic functions. In general, data for phase transition temperatures agree with the previously reported phase diagrams. KW - Formation enthalpy KW - Heat capacity KW - Phase transformation KW - Bioceramics KW - Phosphorus fertilizer KW - Entropy PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-507640 DO - https://doi.org/10.1007/s10853-020-04615-5 VL - 55 SP - 8477 EP - 8490 PB - Springer AN - OPUS4-50764 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -