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Phosphor ist ein für alle Lebewesen essenzielles Element und kann in seinen Funktionen z. B. als Bestandteil der DNS und RNS sowie als Schlüsselelement beim Energiestoffwechsel (ADP/ATP) nicht ersetzt werden. Klärschlammaschen sind aufgrund ihrer hohen Gehalte an Phosphor (1525 % P2O5) geeignete Sekundärrohstoffe für die Herstellung von P-Düngemitteln. Aufgrund der schlechten Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors und der Gehalte an umweltrelevanten Schwermetallen sollten diese allerdings nicht direkt in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Im Mittelpunkt des EU-Projekts SUSAN steht die Entwicklung und Optimierung einer thermochemischen Behandlung von Klärschlammaschen, mit der die Düngewirkung der Aschen auf das Niveau konventioneller Mineraldünger (Thomaskali und Superphosphat SSP) angehoben wird und die Schwermetallkonzentrationen unter die Grenzwerte nach Düngemittelverordnungen europäischer Länder abgesenkt werden. Die sehr positiven Ergebnisse, die bisher im SUSAN-Projekt erzielt wurden, und die darauf basierenden ökonomischen Betrachtungen legen eine großtechnische Umsetzung des Verfahrens nahe.
Phosphorus (P) is an essential element for all living organisms and cannot be replaced. Municipal sewage sludge is a carrier of phosphorus, but also contains organic pollutants and heavy metals. A two-step thermal treatment is suggested, including mono-incineration of sewage sludge and subsequent thermochemical treatment of the ashes. Organic pollutants are completely destroyed by mono-incineration. The resulting sewage sludge ashes contain P, but also heavy metals. P in the ashes exhibits low bioavailability, a disadvantage in farming. Therefore, in a second thermochemical step, P is transferred into mineral phases available for plants, and heavy metals are removed as well. The thermochemical treatment was investigated in a laboratory-scale rotary furnace by treating seven different sewage sludge ashes under systematic variation of operational parameters. Heavy metal removal and the increase of the P-bioavailability were the focus of the investigation. The present experimental study shows that these objectives have been achieved with the proposed process. The P-bioavailability was significantly increased due to the formation of new mineral phases such as chlorapatite, farringtonite and stanfieldite during thermochemical treatment.
Die Herstellung hydrothermal erhärteter Granulate ist eine Möglichkeit zur Wiederverwertung von ziegelhaltigem Mauerwerkbruch, der derzeit aufgrund der heterogenen Zusammensetzung und hoher Feinanteile ein besonders hohes Verwertungsdefizit aufweist. Dabei ist die hydrothermale Erhärtung in einem Autoklav bei 200 °C und 1.6 MPa in gesättigter Wasserdampfatmosphäre eine Alternative mit geringerem Energieverbrauch im Vergleich zur thermischen Herstellung von Leichtgranulaten aus mineralischen Abfällen (Blähgranulate) oder Tonen und Schiefer (kommerzieller Blähton bzw. Blähschiefer), die bei Temperaturen von 1200-1300 °C im Drehrohrofen erfolgt.
Die Festigkeit der Hydrothermalgranulate entwickelt sich bei diesem Prozess durch die Ausbildung von Calciumsilicathydrat-Phasen (CSH), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln und hydratisiertem Kalk entstehen. Die so erzeugten Hydrothermalgranulate haben Rohdichten zwischen 1500 kg/m3 und 2000 kg/m3. Damit und auch durch andere Eigenschaften unterscheiden sie sich von den thermisch erhärteten Blähgranulaten bzw. Blähtonen. Ursache dafür ist letztendlich eine sehr unterschiedliche Gefüge- und Porenstruktur. Im vorliegenden Beitrag wird hauptsächlich über die Ergebnisse der Mikrostrukturuntersuchungen an Hydrothermalgranulaten zusammen mit ihren technologischen Eigenschaften, wie Kornfestigkeit, Rohdichte und Wasseraufnahme, berichtet.
Synthese hydraulischer Phasen in Papierasche und Braunkohlenflugasche durch hydrothermale Behandlung
(2015)
Reststoffe aus industriellen Filter- und Verbrennungsprozessen, die in ihren Hauptbestandteilen aus Si02- und CaO-reichen Mineralphasen bestehen, besitzen das Potential hydraulische Eigenschaften auszubilden. Das bedeutet, dass sie in Anwesenheit von Wasser oder alkalischen Lösungen festigkeitsbildende Phasen entwickeln. Oft bedarf es zunächst einer Aufbereitung um die hydraulischen Mineralphasen zu aktivieren. Hydraulische Phasen sind z.B. die Calciumsilikate Alit (C3S) und Belit (C2S). Sie unterscheiden sich vorrangig durch ihr Ca/Si-Verhältnis. Im Allgemeinen hydratisiert Belit langsamer als Alit und das Hydratationsprodukt weist nach 28 Tagen eine geringere Festigkeit auf. Zur Herstellung von Belit wird weniger Calciumoxid benötigt als zur Herstellung von Alit. Daher muss weniger CaC03 kalziniert werden und der C02-Ausstoß bei der Produktion verringert sich. Zur Synthese von hydraulisch aktivem Belit kann eine hydrothermale Aufbereitung dienen. Verschiedene Autoren nutzten diese Behandlung zur Aktivierung verschiedener Reststoffe, wobei sich CaO-reiche Asche aus der Energieerzeugung (z.B. Braunkohlenflugasche) als sehr geeignet erwies, Papierasche (PA) aus dem Papierrecyling besitzt ebenfalls einen hohen CaO-Gehalt und ist Bestandteil der aktuellen Bindemittelforschung auf Reststoffbasis. Die Untersuchung einer hydrothermalen Aktivierung fehlt bisher. Dieser Artikel soll einen Beitrag zur Klärung der folgenden Fragen leisten: Eignet sich Papierasche zur Belitsynthese durch hydrothermale Behandlung? Wie entwickeln sich die Mineralphasen im Vergleich zur Braunkohlenflugasche?
Morphology and structure of TixOy nanoparticles generated by femtosecond laser ablation in water
(2018)
In this work femto-second pulsed laser ablation in liquid (PLAL) procedure for the generation of titanium oxide nanoparticles (NP) is reported with the purpose of understanding morphology and structure of the newly generated NPs. Ablation duration was varied for optimization of NP generation processes between 10 and 90 min. Surface morphology of NPs as well as their size and shape (distribution) were analysed by various complementary electron microscopy techniques, i.e. SEM, TSEM and TEM. The crystalline structure of titanium oxide particles was investigated byXRD(two instruments operated in different geometries) and HR-TEM. Concentration of generated titanium oxide NPs in liquid was analysed by ICP-MS. A mix of crystalline (mainly anatase), partly crystalline and amorphous spherical titanium oxide NPs can be reported having a mean size between 10 and 20 nm, which is rather independent of the laser ablation (LA) duration. A second component consisting of irregularly shaped, but crystalline titanium oxide nanostructures is co-generated in the LA water, with more pronounced occurrence at longer LA times. The provenance of this component is assigned to those spherical particles generated in suspension and passing through the converging laser beam, being hence subject to secondary irradiation effects, e. g. fragmentation.
A femto-second pulsed laser ablation in liquid (PLAL) procedure for the generation of titanium oxide nanoparticles (NP) is reported with the purpose of understanding morphology and structure of the newly generated NPs. Ablation duration was varied for optimization of NP generation processes between 10 and 90 min. Surface morphology of NPs as well as their size and shape (distribution) were analysed by various complementary electron microscopy techniques, i.e. SEM, TSEM and TEM. The crystalline structure of titanium oxide particles was investigated by XRD(two instruments operated in different geometries) and HR-TEM. Concentration of generated titanium oxide NPs in liquid was analysed by ICP-MS. A mix of crystalline (mainly anatase), partly crystalline and amorphous spherical titanium oxide NPs can be reported having a mean size between 10 and 20 nm, which is rather independent of the laser ablation (LA) duration. A second component consisting of irregularly shaped, but crystalline titanium oxide nanostructures is co-generated in the LA water, with more pronounced occurrence at longer LA times. The provenance of this component is assigned to those spherical particles generated in suspension and passing through the converging laser beam, being hence subject to secondary irradiation effects, e. g. fragmentation.
A model system was used to simulate the properties of tribofilms which form during automotive braking. The model system was prepared by ball milling of a blend of 70 vol.% iron oxides, 15 vol.% molybdenum disulfide and 15 vol.% graphite. The resulting mixture was characterized by X-ray powder diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and various transmission electron microscopic (TEM) methods, including energy dispersive X-ray spectroscopy (EDXS), high resolution investigations (HRTEM) with corresponding simulation of the HRTEM images, diffraction methods such as scanning nano-beam electron diffraction (SNBED) and selected area electron diffraction (SAED). It could be shown that the ball milling caused a reduction of the grain size of the initial components to the nanometer range. Sometimes even amorphization or partial break-down of the crystal structure was observed for MoS2 and graphite. Moreover, chemical reactions lead to a formation of surface coverings of the nanoparticles by amorphous material, molybdenum oxides, and iron sulfates as derived from XPS.