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 - TY - CONF A1 - Adam, Christian A1 - Herzel, Hannes T1 - Phosphorus recovery in Germany – recent developments N2 - The recent developments of phosphorus recovery in Germany were presented. The funding program RePhoR was introduced with focus on the demonstration project R-Rhenania that is coordinated by BAM. T2 - Green Deal 2020 conference CY - Online-Meeting DA - 14.12.2020 KW - Phopshorus recovery KW - Waste water treatment KW - Recycling fertiliser PY - 2020 AN - OPUS4-51837 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Herzel, Hannes A1 - Dombinov, V. A1 - Vogel, Christian A1 - Willbold, S. A1 - Levandowski, G. V. A1 - Meiller, M. A1 - Müller, F. A1 - Zang, J. W. A1 - da Fonseca-Zang, W. A. A1 - Jablonowski, N. D. A1 - Schrey, S. D. A1 - Adam, Christian T1 - Soybean Fertilized by P-Phases from Bagasse-Based Materials: P-Extraction Procedures, Diffusive Gradients in Thin Films (DGT), and X-ray Diffraction Analysis (XRD) N2 - The Brazilian sugarcane industry produced around 173 million tons (Mt) of bagasse in 2018. Bagasse is a by-product of juice extraction for ethanol and sugar production and is combusted in order to generate power, producing up to 10 Mt of ash per year. This ash contains various concentrations of plant nutrients, which allow the ash to be used as a crop fertilizer. However, the concentration and extractability of phosphorus (P), an essential plant nutrient, are low in bagasse ash. To increase the P content, we co-gasified and co-combusted bagasse with P-rich chicken manure. The resulting ash was thermochemically post-treated with alkali additives (Na2SO4 and K2SO4) to increase the availability of P to plants. We aimed to: (i) investigate the effect of thermochemical post-treatment of co-gasification residue and co-combustion ash on P availability to soybeans, (ii) explore the potential of chemical extraction methods (citric acid, neutral ammonium citrate, formic acid, and Mehlich-I) and diffusive gradients in thin films (DGT) to predict the availability of P to soybeans, and (iii) identify the responsible P-phases using X-ray diffraction . We evaluated P availability to soybeans growing in Brazilian Oxisol soil in two independent greenhouse pot experiments. The positive effect of thermochemical treatment on P availability from gasification residue was confirmed through the observation of increased P uptake and biomass in soybean plants. These findings were confirmed by chemical extraction methods and DGT. The gasification residue contained whitlockite as its main P-bearing phase. Thermochemical post-treatment converted whitlockite into highly soluble CaNaPO4. In contrast, co-combustion ash already contained highly soluble Ca(Na,K)PO4 as its main P-bearing phase, making thermochemical post-treatment unnecessary for increasing P availability. In conclusion, increased extractability and availability of P for soybeans were closely connected to the formation of calcium alkali phosphate. Our findings indicate that this combined methodology allows for the prediction of P-fertilization effects of ash. KW - Sugar cane bagasse KW - Chicken manure ash KW - Thermochemical treatment KW - Nutrient KW - Plant availability PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-509735 DO - https://doi.org/10.3390/agronomy10060895 VL - 10 SP - 895 EP - 6 PB - MDPI AN - OPUS4-50973 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Vogel, Christian A1 - Hoffmann, Marie A1 - Taube, Mareike A1 - Krüger, O. A1 - Baran, R. A1 - Adam, Christian T1 - Uranium and thorium species in phosphate rock and sewage sludge ash based phosphorus fertilizers N2 - Phosphorus (P) is an essential element for all forms of life and is thus often applied as phosphate rock-based P-fertilizers in agriculture to enable continuous farming. However, these P-fertilizers contain also hazardous uranium (U) and thorium (Th), up to 660 and 220 mg/kg, respectively. On the contrary, novel P-fertilizers made from sewage sludge (ash) contain only low mass fractions of U and Th. In addition to the total amount of U and Th in P-fertilizers, their mobility and bioavailability is important, which depends to a large extent on their chemical state, especially oxidation state and chemical bonding. Thus, we analyzed their chemical state in various P-fertilizers by U and Th L3-edge HERFD-XANES spectroscopy. Phosphate rocks and sewage sludge-based P-fertilizers contain mainly U(IV) compounds which have only a low bioavailability. In contrast, acidic treatment of phosphate rock to produce super phosphates lead to an oxidation to U(VI) compounds (including formation of uranium phosphates) with a strongly increased bioavailability. On the contrary, all analyzed P-fertilizers contain Th in form of strongly insoluble phosphates and oxides with a low bioavailability. Additionally performed water extractions and Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) experiments support these findings. KW - Phosphorus fertilizer KW - Sewage sludge KW - X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy KW - Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) KW - Extraction PY - 2020 DO - https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121100 SN - 0304-3894 VL - 382 SP - 121100, 1 EP - 6 AN - OPUS4-48872 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Adam, Christian A1 - Herzel, Hannes T1 - R-Rhenania - Modifiziertes Rhenania Phosphat aus Klärschlammasche für Bayern N2 - In Bayern wird Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserreinigung weitgehend verbrannt. Monoverbrennungsanlagen - ausschließlich für kommunalen Klärschlamm - gibt es in Altenstadt, München, Gendorf, Straubing, Neu-Ulm und zukünftig auch in Augsburg. Die Anlage in Altenstadt verbrennt jährlich ca. 55.000 t Klärschlamm-Trockensubstanz und produziert dabei rund 15.000 t phosphatreiche Aschen. Die Asche aus Altenstadt wird zurzeit überwiegend direkt landwirtschaftlich genutzt. Aufgrund der niedrigen Schadstoffgehalte ist diese Nutzung nach den düngemittelrechtlichen Regelungen gesetzlich zulässig. Um der Intention der neuen Düngeverordnung (26. Mai 2017) nach hocheffizienten, d.h. gut pflanzenverfügbaren Düngemitteln zu entsprechen, ist eine Aufbereitung der Klärschlammasche geplant. Im Rahmen des R-Rhenania Projektes errichten der Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage Altenstadt in Bayern Emter GmbH - und der Düngemittelhersteller sePura GmbH gemeinsam eine AshDec®-Demonstrationsanlage, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Das angewandte AshDec®-Verfahren schließt die Phosphate in der Klärschlammasche thermisch im Drehrohrofen auf und macht diese für Pflanzen vollständig verfügbar. Gleichzeitig werden Schadstoffe wie Arsen, Blei und Cadmium entfernt. Den thermischen Aufschluss kennt man bereits vom erfolgreichen, aber nicht mehr produzierten Düngemittel „Rhenania-Phosphat“, das auf der Basis von Rohphosphaten hergestellt wurde. Die geplante Anlage wird neben den Aschen aus Altenstadt zusätzlich die Aschen aus weiteren bayerischen Verbrennungsanlagen verwerten und für eine Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Asche ausgelegt sein. Der Projektpartner sePura plant den produzierten Dünger vollständig in Bayern zu verwerten. Dies verringert die Umweltbelastung durch lange Transportwege und fördert die Regionalität des Vorhabens. T2 - RePhoR Auftaktveranstaltung CY - Online meeting DA - 03.11.2020 KW - Klärschlammasche PY - 2020 AN - OPUS4-51608 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Wiesler, F. A1 - Hund-Rinke, K. A1 - George, E. A1 - Greef, J.-M. A1 - Holz, F. A1 - Hölze, L.E. A1 - Hülsbergen, K.-J. A1 - Martin, S. A1 - Severin, K. A1 - Spielvogel, S. A1 - Geiger, P. A1 - Nawotke, C. A1 - Kehlenbeck, H. A1 - Schenkel, H. A1 - Adam, Christian A1 - Bloem, E. A1 - Frank, D. A1 - Goldbach, H.E. A1 - Heene, M. A1 - Kratz, S. A1 - Kruse, A. A1 - Möller, K. A1 - Pinnekamp, J. A1 - Schoumans, O.F. A1 - Vogel, Christian A1 - Wulf, S. T1 - Recyclingphosphate in der Düngung – Nutzen und Grenzen N2 - Weltweit werden etwa 80–85 % aller abgebauten Rohphosphate für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Bei noch steigendem Bedarf an Phosphor (P) geht man derzeit davon aus, dass die weltweiten P-Reserven noch über 200 Jahre ausreichen. Um den P-Vorrat langfristig abzusichern, sollte der in Reststoffen enthaltene Phosphor möglichst umfänglich genutzt werden. Dieser Forderung trägt das von der Bundesregierung 2012 erstmals beschlossene Deutsche Ressourceneffizienzprogramm ProgRess Rechnung. Rohphosphat wird auch seitens der Europäischen Kommission aufgrundseiner ökonomischen Bedeutung und des unsicheren Angebots als „kritischer Rohstoff“ eingestuft. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung in der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 in Deutschland eine verpflichtende technische Rückgewinnung von Phosphor für Abwasserbehandlungsanlagen ab einer Ausbaugröße von 100.000 Einwohnerwerten (12 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) bzw. ab einer Ausbaugröße von über 50.000 Einwohnerwerten (15 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) vorgeschrieben. Die Verordnung enthält keine Vorgaben hinsichtlich der anzuwendenden Technologie bei der Phosphorrückgewinnung. Ausgenommen von der Rückgewinnungspflicht sind Klärschlämme mit niedrigen Phosphorgehalten (weniger als 20 Gramm Phosphor je Kilogramm Klärschlamm-Trockenmasse). Auch die im Jahre 2017 verabschiedeten neuen Rechtsvorschriften für die Düngung verlangen zukünftig einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgang mit Nährstoffen bei der landwirtschaftlichen Erzeugung und schränken die P-Zufuhr insbesondere auf hoch versorgten Böden ein (Düngeverordnung vom 26. Mai 2017). Dies wird zu einem mehr am Pflanzenbedarf orientierten und ggf. vermehrt überbetrieblichen Einsatz von wirtschaftseigenen Düngern führen. Um den politischen und gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, müssen einerseits wirksame und kosteneffiziente technische Verfahren zum P-Recycling (weiter)entwickelt werden. Andererseits müssen die Recyclingprodukte die Anforderungen für eine direkte Verwendung in der Landwirtschaft oder als Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln erfüllen. In dem vorliegenden Standpunkt wird zunächst der potenzielle Beitrag von Reststoffen zur Deckung des P-Bedarfs in der deutschen Pflanzenproduktion geschätzt. Für die wichtigsten Reststoffe werden technische Verfahren zur P-Rückgewinnung bzw. Aufarbeitung skizziert. Auf Basis der Anforderungen der Landwirtschaft bzw. der Düngemittelindustrie an die P-Recyclingprodukte werden deren Herstellungsverfahren bewertet. Schließlich wird der Regelungs- und Forschungsbedarf formuliert. KW - Phosphor KW - Düngemittel KW - Diffusive Gradients in thin films (DGT) PY - 2020 SP - 1 EP - 19 PB - Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) CY - Berlin AN - OPUS4-51011 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Vogel, Christian A1 - Sekine, R. A1 - Huang, J. A1 - Steckenmesser, D. A1 - Steffens, D. A1 - Huthwelker, T. A1 - Borca, C. A1 - Pradas del Real, A. A1 - Castillo-Michel, H. A1 - Adam, Christian T1 - Effects of a nitrification inhibitor on nitrogen species in the soil and the yield and phosphorus uptake of maize N2 - Phosphorus (P) resource availability is declining and the efficiency of applied nutrients in agricultural soils is becoming increasingly important. This is especially true for P fertilizers from recycled materials, which often have low plant availability. Specific co-fertilization with ammoniumcan enhance P plant availability in soils amended with these P fertilizers, and thus the yield of plants. To investigate this effect, we performed a pot experiment with maize in slightly acidic soil (pH 6.9) with one water-soluble (triple superphosphate [TSP]) and two water-insoluble (sewage sludge-based and hyperphosphate [Hyp]) P fertilizers and anammoniumsulfate nitrate with or without a nitrification inhibitor (NI). The dry matter yield of maize was significantly increased by the NI with the Hyp (from 14.7 to 21.5 g/pot) and TSP (from 40.0 to 45.4 g/pot) treatments. Furthermore, P uptake was slightly increased in all three P treatments with the NI, but not significantly. Olsen-P extraction and P K-edge micro-X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy showed that apatite-P of the water insoluble P fertilizers mobilized during the plant growth period. In addition, novel nitrogen (N) K-edge micro-XANES spectroscopy and the Mogilevkina method showed that the application of an NI increased the fixation of ammonium in detectable hot spots in the soil. Thus, the delay in the nitrification process by the NI and the possible slow-release of temporarily fixed ammoniumin the soil resulted in a high amount of plant available Ammonium in the soil solution. This development probably decreases the rhizosphere pH due to release of H+ by plants during ammoniumuptake, whichmobilizes phosphorus in the amended soil and increases the dry matter yield of maize. This is especially important for water-insoluble apatite-based P fertilizers (conventional and recycled), which tend to have poor plant availability. KW - Fertilzer KW - Phosphorus recovery KW - Ammonium KW - Nitrification inhibitor KW - XANES spectroscopy KW - Diffusive gradients in thin films (DGT) PY - 2020 DO - https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136895 SN - 1879-1026 VL - 715 SP - 1 EP - 8 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-50477 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Vogel, Christian A1 - Hoffmann, Marie A1 - Krüger, O. A1 - Murzin, V. A1 - Caliebe, W. A1 - Adam, Christian T1 - Chromium (VI) in phosphorus fertilizers determined with the diffusive gradients in thin-films (DGT) technique N2 - Phosphorus (P) fertilizers from secondary resources became increasingly important in the last years. However, these novel P-fertilizers can also contain toxic pollutants such as chromium in its hexavalent state (Cr(VI)). This hazardous form of chromium is therefore regulated with low limit values for agricultural products even though the correct determination of Cr(VI) in these fertilizers may be hampered by redox processes, leading to false results. Thus, we applied the novel diffusive gradients in thin-films (DGT) technique for Cr(VI) in fertilizers and compared the results with the standard wet chemical extraction method (German norm DIN EN 15192) and Cr K-edge X-ray Absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy. We determined an overall good correlation between the wet chemical extraction and the DGT method. DGT was very sensitive and for most tested materials selective for the analysis of Cr(VI) in P-fertilizers. However, hardly soluble Cr(VI) compounds cannot be detected with the DGT method since only mobile Cr(VI) is analyzed. Furthermore, Cr K-edge XANES spectroscopy showed that the DGT binding layer also adsorbs small amounts of mobile Cr(III) so that Cr(VI) values are overestimated. Since certain types of the P fertilizers contain mobile Cr(III) or partly immobile Cr(VI), it is necessary to optimize the DGT binding layers to avoid aforementioned over- or underestimation. Furthermore, our investigations showed that the Cr K-edge XANES spectroscopy technique is unsuitable to determine small amounts of Cr(VI) in fertilizers (below approx. 1% of Cr(VI) in relation to total Cr). KW - Phosphorus fertilizer KW - Sewage sludge ash KW - Diffusive Gradients in thin films (DGT) KW - Chemical extraction KW - XANES spectroscopy PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-509578 DO - https://doi.org/10.1007/s11356-020-08761-w SN - 0944-1344 VL - 27 SP - 24320 EP - 24328 PB - Springer AN - OPUS4-50957 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Adam, Christian A1 - Herzel, Hannes T1 - Modifiziertes Rhenania Phosphat auf Klärschlammasche für Bayern N2 - Es wurde das Projekt R-Rhenania MODIFIZIERTES RHENANIA PHOSPHAT AUS KLÄRSCHLAMMASCHE FÜR BAYERN mit seinen Inhalten und der Projektstruktur vorgestellt. T2 - 6. P-Rück-Kongress: Phosphor - ein kritischer Rohstoff mit Zukunft CY - Online meeting DA - 25.11.2020 KW - Phosphorrückgewinnung KW - Klärschlammasche PY - 2020 AN - OPUS4-51667 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -