4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
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Zukünftig werden vermehrt P-Recyclate auf den Düngemittelmarkt kommen. Diese müssen ausreichend charakterisiert werden, um Sicherheit und Wirksamkeit beurteilen zu können. Mit dem Vortrag wurde der wissenschaftliche Beirat für Düngungsfragen des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft beraten.
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.
CFK-Abfälle werden trotz der bestehenden Verfahren zur Rückgewinnung der Carbonfasern zukünftig vermehrt anfallen. Für diese Abfälle wird nach technischen Lösungen der energetischen oder stofflichen Verwertung gesucht. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der CFK-Abfälle als Primärkohleersatz im Lichtbogenofen bei der Stahlherstellung.
CF Pyro: Stofflich-energetische Verwertung von carbonfaserhaltigen Abfällen in der Pyrometallurgie
(2021)
Despite its contribution to tackling climate change by lightweight design, growing CFRP production also results in a global waste generation of 62 kt/a. Accordingly, the energy-intensive production process of carbon fibers (CF) necessitates sustainable recycling solutions.
Herein we will give an overview of current recycling processes, discuss their limitations and present a novel approach for safe treatment of CF unsuitable for material recovery . Our project CF Pyro examines feedstock recycling in pyrometallurgical processes, focusing on reactivity of CF, process stability and prevention of hazardous WHO fiber release. Besides fundamental experimental breakthroughs, their broader impact on circular economy will be presented.
The increasing use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP), as lightweight materials essential for the transformation, demands for a safe treatment option of carbon fiber (CF) containing waste streams. Because of their low reactivity towards oxidation processes, CF can neither be treated in a conventional nor hazardous waste incineration plant. Even the extremely high temperature in a cement rotary kiln does not lead to full conversion. To increase the sustainability of CF, other processes need to be investigated. Opening other reaction pathways, using CF waste streams as secondary resource in pyrometallurgy to replace fossil carbon, can be a solution for a safe and sustainable treatment. To support the industrial application, experiments on different scales were conducted. Here, results of thermochemical investigations, reactivity studies, crucible experiments and pilot plat trials are reported.
The increasing use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP), as lightweight materials essential for the transformation, demands for a safe treatment option of carbon fiber (CF) containing waste streams. Because of their low reactivity towards oxidation processes, CF can neither be treated in a conventional nor hazardous waste incineration plant. Even the extremely high temperature in a cement rotary kiln does not lead to full conversion. To increase the sustainability of CF, other processes need to be investigated. Opening other reaction pathways, using CF waste streams as secondary resource in pyrometallurgy to replace fossil carbon, can be a solution for a safe and sustainable treatment. After first small scale experiments, CF containing waste streams were used as reductant in a semi-industrial scale electric arc furnace (EAF). First results and impressions are presented.
Obwohl der Leichtbau mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourceneffizienz liefert, stellt der wachsende Abfallstrom von aktuell 62 kt/a eine große Herausforderung dar. Weil die Produktion von Carbonfasern (CF) überwiegend auf fossilen Rohstoffen basiert und sehr energieintensiv ist, werden nachhaltige Recyclinglösungen dringend benötigt.
Hier geben wir einen Überblick über aktuelle Recyclingprozesse und diskutieren deren Limitierungen. Darüber hinaus zeigen wir eine Möglichkeit zur sicheren chemischen Nutzung von CF-haltigen Reststoffen auf, die nicht zur Wiederverwertung geeignet sind. Das Projekt CF Pyro untersucht deren Einsatz als Sekundärrohstoff in der Pyrometallurgie und setzt besondere Schwerpunkte bei der Reaktivität von CF, der Prozessstabilität und der Vermeidung von Emissionen gesundheitsschädlicher WHO-Fasern. Neben der Vorstellung von wichtigen fundamentalen experimentellen Erkenntnissen wird ihre Bedeutung für den Wandel zum zirkulären Wirtschaften diskutiert.
Lightweighting as a cross-cutting technology contributes significantly to achieve the European Green Deal goals. Based on, but not limited to, advanced materials and production technologies, the demand for natural resources and CO2 emmissions are reduced by lightweighting during production, as well as use phase. Therefore, lightweighting is a crucial transformation technology assisting in decoupling economic growth from resource consumption. In this manner, lightweighting contributes significantly as a key technology of relevance for many industrial sectors such as energy, mobility, and infrastructure, towards resource efficiency, climate action and economic strength, as well as a resilient Europe. To strengthen international partnerships, addressing global issues of today at the edge of science with high performance lightweight material based on carbon fibers, an overview about the BAM expertise in carbon fiber reinforced materials is given.
Phosphorus (P) fertilizers from secondary resources became increasingly important in the last years. However, these novel P-fertilizers can also contain toxic pollutants. Chromium in its hexavalent state (Cr(VI)) is regulated with low limit values for agricultural products due to its high toxicity, but the determination of Cr(VI) in these novel fertilizer matrices can be hampered by redox processes that lead to false results. Thus, we applied the passive sampler technique Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) for the determination of 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 in most cases 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) compounds which leads to overestimated Cr(VI) values. The results of certain types of P-fertilizers containing mobile Cr(III) or partly immobile Cr(VI), showed that optimization of the DGT method is required to avoid over- or underestimation of Cr(VI).
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.