4 Material und Umwelt
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The processing of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) represents a simple and robust way for the nanostructuring of solids that allows creating a wide range of surface functionalities featuring applications in optics, tribology, medicine, energy technologies, etc. While the currently available laser and scanner technology already allows surface processing rates at the m2/min level, industrial applications of LIPSS are sometimes hampered by the complex interplay between the nanoscale surface topography and the specific surface chemistry. This typically manifests in difficulties to control the processing of LIPSS and in limitations to ensure the long-term stability of the created surface functions. This presentation aims to identify some unsolved scientific problems related to LIPSS, discusses the pending technological limitations, and sketches the current state of theoretical modelling. Hereby, it is intended to stimulate further research and developments in the field of LIPSS for overcoming these limitations and for supporting the transfer of the LIPSS technology into industry.
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
In an interdisciplinary collaboration, restorers, art historians, and scientists examined Guilio Romano’s The Madonna with the Wash-Basin of 1525 (Dresden State Art Collections). Insights into the painting technique along with art historical comparisons provided the opportunity for a better understanding of the painting’s genesis, in particular concerning an early reworking of the background by the artist. A recovery and reconstruction of the earlier version of the background is now possible. The discovery of zinc in distinct passages of the painting, as well as the grey-black pigment stibnite and glass particles used as a supplement in paint layers are of special interest. The technological investigation initiated a discussion about the circumstances of the revision, as well as the painting’s relation to Vasari’s Lives of Artists.
Die Autoren zeigen dazu die gesetzlichen und energiepolitischen Rahmenbedingungen und Perspektiven auf, widmen sich in aktuellen Beiträgen zur Verfahrenstechnik der thermischen Abfallbehandlung sowohl den thermischen Hauptverfahren als auch der Abgasreinigung und gehen auf das Thema Wertstoffrückgewinnung ein. Ihr Fazit: Durch Anstrengungen, das stoffliche Recycling weiter zu optimieren, können künftig weitere Kreisläufe von Produkten und Materialien hochwertig geschlossen werden. Für manche Abfallströme wird dies aber aus verschiedenen Gründen nicht möglich sein – hier bleibt die thermische Abfallbehandlung unverzichtbar.
Die Zementindustrie erzeugt etwa 6-7% der globalen CO2-Emissionen und steht damit als Industriezweig vor dem Hintergrund einer anvisierten Klimaneutralität vor gewaltigen Herausforderungen. Der Prozess der Klinkerherstellung wurde über die vergangenen Jahrzehnte bereits kontinuierlich optimiert. Seit 1990 ist es der deutschen Zementindustrie gelungen, die spezifischen CO2-Emissionen der Zementproduktion u. a. durch den Einsatz alternativer, nicht fossiler Brennstoffe und durch Absenkung des Klinkergehalts im Zement um 20 % zu senken. Weitere konventionelle Minderungsstrategien versprechen jedoch nur noch wenig zusätzliche Reduktion. Im Falle des Portlandklinkers besteht die Schwierigkeit darin, dass zwei Drittel der CO2-Emissionen rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins (CaCO3) anfallen, die durch die beschriebenen Maßnahmen nicht weiter abgesenkt werden können. Vielmehr wird es erforderlich sein, noch zu entwickelnde oder zu optimierende Technologien anzuwenden und ggf. alle relevanten Ebenen wie Produktion, Weiterverarbeitung und Anwendung von Zement und Beton neu zu denken. Neben technologischen Ansätzen zur CO2-Abscheidung mit nachfolgender langfristiger Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) oder Verwertung (Carbon Capture and Utilisation – CCU) werden auch alternative Rohstoffe für die Zementproduktion und alternative Bindemittel in Betracht zu ziehen sein.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
extraWERT Forschungsvorhaben
(2022)
Die novellierte AbfKlärV (2017) beinhaltet die Verpflichtung zum P-Recycling ab einem P-Gehalt im Klärschlamm von 20 g/kg. Im Vortrag werden Ergebnisse des Forschungsvorhabens extraWERT zu diesem Themenkomplex vorgestellt. Es werden Untersuchungen zu P-Gehalten deutscher Klärschlämme und zu den zulässigen Analysemethoden dafür vorgestellt.