4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
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Eingeladener Vortrag
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Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Da die Produktion der Fasern viel Energie benötigt ist deren Recycling anzustreben. Durch Bearbeitung und Handling während des Recyclings verkürzen sich die Carbonfasern (CF) analog zur Papierfaser. Zu kurze Fasern können nicht mehr in eine Flächenstruktur eingebracht werden und müssen daher aus dem Kreislauf ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt werden. Untersuchungen des Lehr- und Forschungsgebiets Technologie der Energierohstoffe (TEER) der RWTH Aachen University haben gezeigt, dass die Bedingungen für eine energetische Nutzung von CF-Abfällen in Abfallverbrennungsanlagen nicht geeignet sind. Zudem können CF Betriebsprobleme verursachen. Des Weiteren können bei einer unzureichenden thermischen Behandlung sogenannte WHO-Fasern entstehen, die als gesundheitsschädlich einzustufen sind. Eine Alternative können Hochtemperaturverfahren mit höheren Verweilzeiten sein. Es kommt die Herstellung von Calciumcarbid in Frage, bei der CF als Kohlenstoffträger und der Kunststoff als Energieträger genutzt werden. Eine weitere Verwertungsoption stellt die Stahlproduktionsroute dar. Erste Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und TEER am kleintechnischen Lichtbogen der BAM zeigen, dass CF-Abfälle potentiell als Reduktionsmittel und Energieträger eingesetzt werden können.
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 plant-available soil P species, we combined DGT with infrared and P K- and L-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. Additionally, also intermediates of the time-resolved hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be analyzed. Furthermore, infrared and XANES microspectroscopy make it also possible to analyze P compounds on the binding layer with a lateral resolution down to 1 µm2. Therefore, P species of a spatial soil segment (e.g. rhizosphere) can be mapped and analyzed.
Wastewater contains a diverse array of organic and inorganic compounds and its complex composition strongly depends on the location and the connected dischargers. However, municipal wastewater as a carrier of feces and urine generally contains considerable amounts of the main nutrients nitrogen and phosphorus. The latter is in the focus of the discussions about the recovery potential of wastewater due to the relatively high mass flows of phosphorus in wastewater and the finite nature and decreasing quality of phosphate rock reserves. But due to the presence of the whole periodic table of elements, wastewater might contain further valuable components of interest for recovery including those defined as critical raw materials by the European Commission. Phosphorus and most of the other critical raw materials are fixed in the sewage sludge and after incineration in the sewage sludge ash (SSA). This is accompanied by high concentration factors from wastewater via sludge to ash. However, the mass fractions of the majority of elements in sewage sludge are comparable to those of the earth crust, indicating no relative enrichment. Nevertheless, enrichment factors of 100 or higher are given for phosphorus, copper, zinc, cadmium, silver, tin, lead and the platinum group elements indicating an anthropogenic input. An economic value of sewage sludge was estimated to $460,-/t calculated on the basis of the respective market prices for high purity elements – a theoretical value. A German survey of sewage sludge ashes showed that the mass fractions and the mass flows of most of the elements present in SSA are probably too low for an economic recovery. In most cases the mass flows are rather small compared to the imports and the chemical forms are not suitable for recovery. An exception is phosphorus that is present in high mass fractions up to 13% and that bears a high substitution potential. If the application of P-recovery technologies lead to a further concentration of valuable elements e.g. as by-products in side streams of the process, it would probably make also the recovery of other elements of economic interest.
Eine entscheidende Problematik nach Inkrafttreten der neuen
Klärschlammverordnung ist, wie Phosphor nicht nur rückgewonnen,
sondern in den Markt eingeschleust und letztlich auch
in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Die Wege hierzu
sind noch weitgehend ungeklärt. Die DWA-Arbeitsgruppe KEK-
1.1 hat aus diesem Grund einen Workshop durchgeführt, um
rechtliche Anforderungen an Rezyklate, Aspekte der Rezyklatqualität
und -beschaffenheit sowie den aktuellen Markt für Rezyklate
zu diskutieren. Auf Basis dieses Workshops wurde ein
Arbeitsbericht erstellt, der sich schwerpunktmäßig mit dem Einsatz
von Rezyklaten zu Düngezwecken beschäftigt. Hierzu liegen
bereits Erkenntnisse vor, und es sind bereits Praxisbeispiele in
der Umsetzung.
The challenge of the project ASHES is focused on the recycling of nutrients from residues of thermochemical processing of by-products of sugar cane industry (bagasse/straw) in Brazil to increase the energy efficiency of thermal conversion and to enable the recycling of process ashes as fertilisers. Dry lignocellulosic biomass (straw, bagasse) are combusted, gasified and subsequently combined with post-thermochemical treatment in the AshDec process to increase the plant availability of phosphorus. Different fertilizer formulations are granulated/pelletized and tested regarding their storage/handling characteristics.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including on-line-LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
Optimierung eines pyrometallurgischen Tantal- und Niob- Recyclingprozesses mithilfe von On-Line LIBS
(2018)
Die Entwicklung von Hochleistungselektronik zu immer kleineren Bauformen ohne Leistungseinbußen ist ohne den Einsatz von Technologiemetallen wie Niob und Tantal heute praktisch nicht mehr realisierbar. Besonders in technischen Geräten wie Smartphones und Tablets sind Tantal- und Niobkondensatoren aufgrund ihrer hohen Leistungsdichten bereits unverzichtbar geworden. Für die nachhaltige Produktion von Elektronik stellt jedoch vor allem das Tantalerz Coltan als sogenanntes „conflict mineral” ein großes Problem dar.
Um den Wirtschaftsstandort Europa unabhängiger von Primärrohstoffimporten aus Krisenregionen zu machen, ist die Entwicklung von effizienten Recyclingverfahren heute wichtiger denn je. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) findet daher zurzeit die Optimierung eines pyrometallurgischen Industrieprozesses zur Niob- und Tantalrückgewinnung statt, welchem hauptsächlich niedrigkonzentrierte metallurgische Rückstände aus der Tantal- und Niob- bzw. der Zinngewinnung als Einsatzstoffe dienen.
Zu diesem Zweck werden im kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM (480 kVA, max. Materialdurchsatz ca. 150 kg/h) Versuche mit einem neuen innovativen Messgerät durchgeführt, welches eine On-Line Analyse von Hochtemperaturprozessen ermöglicht. Der eingesetzte Prototyp nutzt das Verfahren der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS), um die chemische Zusammensetzung der Schlackephase noch im Schmelzbad und während eines Schlackeabgusses zu bestimmen. Nach einer Kalibrierung auf das vorliegende Stoffsystem ermöglicht dieser On-Line-LIBS Prototyp der BAM daher eine in-situ Bestimmung der Elementverteilung in der Schmelze. Die hier gewonnenen Daten sollen helfen, die aktuelle Prozessführung zu verbessern und die Tantal- und Niobausbeute noch weiter zu erhöhen.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
Recycling-Düngemittel auf Basis von sekundären Ressourcen (Gülle, Gärreste, Klärschlamm, Tiermehl etc.) gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung in der Landwirtschaft. Die in den Recycling-Düngemitteln enthaltenen P-Spezies weichen oft stark von denen in konventionell hergestellten Düngemitteln aus Rohphosphat ab, zudem enthalten Recyclingdünger oft mehrere verschiedene P-Formen. Die Pflanzenverfügbarkeit des P in ist ganz wesentlich von der enthaltenen P-Form abhängig. Derzeit gibt es außer zeitaufwendigen und kostspieligen Gefäß- und Feldversuchen keine zufriedenstellende Testmethode zur Analyse der P-Pflanzenverfügbarkeit von unterschiedlichen Recycling P-Düngemitteln. Die im europäischen Düngemittelrecht normierten chemischen Extraktionsmethoden (Wasser, Zitronensäure, Ameisensäure, neutral Ammoniumcitrat etc.) zeigen oftmals keine oder nur sehr geringe Korrelation zu der P-Aufnahme von Pflanzen in Gefäßversuchen mit Recycling-Düngemitteln (Kratz et al. 2010, Steckenmesser et al. 2017, Vogel et al. 2017). Eine grundlegende Schwäche chemischer Extraktionsmethoden liegt darin, dass es sich dabei um statische Methoden handelt, die nicht in der Lage sind, die im System Boden/Düngemittel-Bodenlösung-Pflanze stattfindenden dynamischen Prozesse wie P-Freisetzung und Entzug durch die Pflanzenwurzeln abzubilden.
Einen Lösungsansatz bieten hier sog. P-Senken-Methoden. Bereits in den 1950er Jahren wurden erstmals P-Senken zur Analyse des Boden-P angewendet (Chardon et al. 1996). In den darauffolgenden Jahrzehnten wurden verschiedene P-Senken auf der Basis von Eisenoxid-Papier entwickelt (Chardon et al. 1996). Jedoch konnten diese Ansätze auch nur begrenzt zur Bestimmung der P-Pflanzenverfügbarkeit des Boden-P eingesetzt werden. Mitte der 1990er Jahre wurde die DGT (engl. diffusive gradients in thin films) Methode entwickelt (Zhang et al. 1998). Bei der DGT Methode diffundiert P aus der Bodenlösung des angefeuchteten Bodens durch einen Membranfilter und die Diffusionsschicht und wird anschließend an einer Bindungsschicht absorbiert. Durch den Diffusionsgradienten wird das Gleichgewicht in der Bodenlösung permanent gestört, wodurch auch labiles P im Boden gelöst wird. Die stetige Entnahme von P aus der Bodenlösung über die Diffusions-/Bindungsschicht simuliert dabei den Entzug von P durch die Pflanzenwurzel. Die an die Bindungsschicht adsorbierte Menge an P korreliert stark mit der P-Aufnahme von Pflanzen (u.a. Mason et al. 2005, 2013; Menzies et al. 2005, Six et al. 2012). Im Gegensatz zu chemischen Extraktionsmethoden werden bei der DGT Methode Mischungen an Düngemittel und Boden für mehrere Tage inkubiert (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017), da ansonsten wasserlösliche P-Dünger den DGT Adsorber sättigen und wasserunlösliche P-Dünger unterschätzt werden. Ein bis zwei Wochen Inkubation sind ausreichend, damit sich pflanzenverfügbares P in die Mischungen bildet.
In letzter Zeit haben verschiedene Forschungsgruppen gezeigt, dass die DGT Methode auch eine sehr gute Korrelation mit der Pflanzenverfügbarkeit verschiedener Typen von (Recycling-)P-Düngemitteln aufweist (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017; Foereid 2017; Haarstad and Bavor 2017; Lemming et al. 2017). Bei Gefäßversuchen mit verschiedenen Recycling P-Düngemitteln konnte die DGT Methode den Ertrag bzw. die P-Aufnahme von Mais deutlich besser vorhersagen als herkömmliche chemische Extraktionsmethoden (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017).
Daher kann die DGT Methode im Vorfeld der Zulassung von neuen Düngermitteltypen als zuverlässige und robuste Methode zum Screening von Produktvarianten eines Düngemittelherstellers verwendet werden. Um dieses Messverfahren im Rahmen des Düngemittelrechts als Bewertungsinstrument für die Abschätzung der Pflanzenverfügbarkeit unterschiedlicher Düngemittel zu verwenden, muss es allerdings zunächst standardisiert werden. Zu diesem Zweck bietet sich der Einsatz eines „standardisierten“ Bodens bzw. Bodenrezepts an. Zur Kalibrierung der Methode im jeweiligen Labor könnten auch chemisch definierte P-Verbindungen mit bekannter Löslichkeit/Pflanzenverfügbarkeit als Referenz-substanzen verwendet werden.