4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
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During iron and steel production, several by-products such as slags, dusts, and sludges are generated in addition to pig iron and steel as primary products. Especially for filter dusts and sludges containing zinc and lead from gas purification, there are still considerable recycling problems. However, the high heavy metal contents make landfilling of these dusts and sludges cost-intensive and ecologically problematic. In addition, the relatively high zinc and iron loads represent a valuable resource, which can make reprocessing of the material with recovery of the zinc and iron loads as secondary raw materials ecologically as well as economically attractive. Nevertheless, established recycling methods like the Waelz process fall short in regaining more than one valuable metal from the dusts and operate only under narrow ranges of material compositions, which makes it problematic to adapt these processes to new dust compositions as are to be formed in future steel work operations.
To tackle these problems, the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and Ferro Duo GmbH investigate innovative recycling methods for steelwork dusts and sludges in a joint project. This mainly focusses on regaining valuable metals such as iron as well as zinc from blast furnace sludge (BFS) and electric arc furnace dust (EAFD) by thermochemical treatment.
Therefore, mixtures of these materials are heated under inert atmosphere employing the carbon present in BFS as internal reducing agent. During the process, metallic iron is formed in the solid reaction product while zinc and other volatile heavy metals are evaporated. This paves the way for the generation of zinc as well as sponge iron as two separate products valuable for metallurgical processes. The process basically consists of heating a mixture of BFS and EAFD to temperatures between 700 and 1100 °C under inert (e.g., nitrogen) or reducing (e.g., CO) gas flow. When a suitable mixing ratio is applied, the carbon present in the BFS can be effectively used as reducing agent for iron and zinc present in both starting materials generating a solid residue with high metallic iron and low carbon content as well as a gas stream laden with zinc and other volatile heavy metals, that can be regained by off-gas treatment.
The project aims at testing this concept as a continuous process in a pilot plant established by Ferro Duo GmbH with BAM supplying comprehensive scientific support by lab- and small scale-experiments.
Additionally, considering the necessity to mitigate CO2 emissions and the resulting shift in compositions of steel work dusts and sludges, our research also investigates replacement of carbon present in the sludges by hydrogen as potentially carbon-neutral reducing agent. Here, the use of non-explosive forming gas as reducing agent for EAFD shows potential to give a product high in metallic iron while zinc and other heavy metals are effectively evaporated from the solid material making it possible to regain them from the exhaust gas stream.
Phosphorus recycling from sewage sludge will be obligatory in Germany from 2029. Phosphorus content determination in sewage sludge is crucial to assess the prescribed recycling rates. Currently, German law regards sample preparation using aqua regia digestion in a microwave or under reflux conditions as well as instrumental phosphorus determination by ICP-OES, ICP-MS, or photometric determination with ammonium molybdate as equivalent. However, it is questionable whether these methods are indeed equivalent regarding phosphorus quantification in sludges near the limit of 20 g/kg for mandatory recycling. To answer this question, 15 sewage sludges of 11 different wastewater treatment plants were investigated with all permitted method (digestion and measurement) combinations. Moreover, one sewage sludge was also examined in an interlaboratory comparison (ILC) with 28 participants. This study shows that the above-mentioned methods differ in some cases significantly but across all method combinations and sludges, phosphorus recovery was between 80 and 121% after normalization to the grand mean (average of 15 sludges between 85 and 111%). The ILC and the examination of 15 sludges produced largely similar results. There is a tendency to higher phosphorus recovery after microwave digestion compared to reflux digestion and ICP-OES measurements determine higher phosphorus contents than ICP-MS and photometric phosphorus determination. As a result, the authors recommend ICP-OES determination of phosphorus in sewage sludge after microwave digestion.
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.
Phosphorus (P) recovery is obligatory for all sewage sludges with more than 20 g P/kg dry matter (DM) from 2029 in Germany. Nine wastewater treatment plants (WWTPs) were chosen to investigate variations of phosphorus contents and other parameters in sewage sludge over the year. Monthly sewage sludge samples from each WWTP were analyzed for phosphorus and other matrix elements (C, N, H, Ca, Fe, Al, etc.), for several trace elements (As, Cr, Mo, Ni, Pb, Sn) and loss of ignition. Among the nine WWTPs, there are four which have phosphorus contents both above and below the recovery limit of 20 g/kg DM along the year. Considering the average phosphorus content over the year, only one of them is below the limit. Compared to other matrix elements and parameters, phosphorus fuctuations are low with an average of 7% over all nine WWTPs. In total, only hydrogen and carbon are more constant in the sludge.
In several WWTPs with chemical phosphorus elimination, phosphorus fuctuations showed similar courses like iron and/or aluminum. WWTPs with chamber flter presses rather showed dilution efects of calcium dosage. As result of this study, monthly phosphorus measurement is highly recommended to determine whether a WWTP is below the
20 g/kg DM limit.
The leaching behavior of scandium (Sc) from bauxite residues can differ significantly when residues of different geological backgrounds are compared. The mineralogy of the source rock and the physicochemical environment during bauxitization affect the association of Sc in the bauxite i.e., how Sc is distributed amongst different mineral phases and whether it is incorporated in and/or adsorbed onto those phases. The Sc association in the bauxite is in turn crucial for the resulting Sc association in the bauxite residue. In this study systematic leaching experiments were performed on three different bauxite residues using a statistical design of experiments approach. The three bauxite residues compared originated from processing of lateritic and karstic bauxites from
Germany, Hungary, and Russia. The recovery of Sc and Fe was determined by ICP-OES measurements. Mineralogical changes were analyzed by X-ray-diffraction and subsequent Rietveld refinement. The effects of various parameters including temperature, acid type, acid concentration, liquid-to-solid ratio and residence time were studied. A response surface model was calculated for the selected case of citric acid leaching of Hungarian bauxite residue. The investigations showed that the type of bauxite residue has a strong influence. The easily leachable fraction of Sc can vary considerably between the types, reaching ~20–25% in German Bauxite residue and ~50% in Russian bauxite residue. Mineralogical investigations revealed that a major part of this fraction was released from secondary phases such as cancrinite and katoite formed during Bayer processing of the bauxite.
The effect of temperature on Sc and Fe recovery is strong especially when citric acid is used. Based on the exponential relationship between temperature and Fe-recovery it was found to be particularly important for the selectivity of Sc over Fe. Optimization of the model for a maximum Sc recovery combined with a minimum Fe
recovery yielded results of ~28% Sc recovery at <2% Fe recovery at a temperature of 60 ◦C, a citric acid normality of 1.8, and a liquid-to-solid ratio of 16 ml/g. Our study has shown that detailed knowledge about the Sc association and distribution in bauxite and bauxite residue is key to an efficient and selective leaching of Sc
from bauxite residues.
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.
Analyseverfahren und Messhäufigkeit zur Bestimmung des Phosphorgehalts im Klärschlamm nach AbfKlärV
(2022)
Auf dem Betreiberforum der DWA-Plattform P-Rück wurden die Empfehlungen für den Vollzug der Phosphorrückgewinnungspflicht aus Klärschlamm vorgestellt. Diese Empfehlungen behandeln die Häufigkeit der Phosphoruntersuchungen im Klärschlamm, wo ein Jahresgang empfohlen wird und eine Empfehlung der Phosphorbestimmung über Aufschluss der Probe in der Mikrowelle und Messung mit ICP-OES. Untermauert wurden die Empfehlungen mit den Ergebnissen von Klärschlamm-Monitoring, Ringversuch und Analytikvergleich aus dem Vorhaben extraWERT.
For the European sewage sludge ash monitoring ash samples from sewage sludge incineration plants were requested from all over Europe. First results of the received samples regarding main and trace element contents were presented at ESPC4. Moreover, a list of all known European facilities for sewage sludge monoincineration was presented.
Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind.
Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet.
Rechtliche Vorgaben der Klärschlammverordnung und deren Auswirkungen auf die Phosphor-Rückgewinnung
(2022)
Im Abfalltechnik-Ausschuss der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) wurde eine Vollzugshilfe zur Klärschlammverordnung erarbeitet, die nach Verabschiedung durch die Umweltministerkonferenz Mitte Mai 2020 als LAGA-Merkblatt M-39 veröffentlicht wurde. Im vorliegenden vierten Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 werden verschiedene Aspekte der ab dem Jahr 2029 geltenden Regelungen aufgegriffen und damit einige Punkte des LAGA M-39 hinsichtlich der technischen Auswirkungen für den Kläranlagenbetreiber konkret ausgeführt.
In Deutschland ist ab 2029 eine Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm verpflichtend. Ausgenommen sind Klärschlämme mit weniger als 20 g P/kg TM. Für die Phosphorbestimmung sind verschiedene Methoden nach Klärschlammverordnung als gleichwertig zugelassen: Der Königswasseraufschluss in der Mikrowelle und am Rückfluss sowie die Messung an ICP-OES, ICP-MS und die photometrische Bestimmung mittels Ammoniummolybdaten. An der BAM wurden die unterschiedlichen Methodenkombinationen aus Aufschluss- und Messmethode an 15 Klärschlämmen überprüft und in einem Ringversuch mit einem Klärschlamm getestet. Die Ergebnisse werden in diesem Vortrag zusammengefasst. Als Folge der Untersuchungen wird für die Phosphorbestimmung in Klärschlamm die ICP-OES-Messung nach Königswasseraufschluss in der Mikrowelle empfohlen.
Der Vortrag liefert eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse des extraWERT-Vorhabens mit Schwerpunkt auf den Umsetzungsfragen zur Klärschlammverordnung. Bei diesen Punkten handelt es sich um die Untersuchung von monatlichen Phosphorschwankungen in kommunalem Klärschlamm und die Gleichwertigkeit verschiedener Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm.
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.
Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind.
Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet.
Das Element Phosphor ist für Pflanzen, Tiere und Menschen essenziell. Um die Phosphorversorgung für Pflanzen in der Landwirtschaft zu gewährleisten, werden Phosphordünger eingesetzt. Die Nährstoffe werden hauptsächlich durch Wirtschaftsdünger (Gülle, Jauche, Stallmist) zurückgeführt. Zusätzlich werden in der konventionellen Landwirtschaft mineralische Phosphordünger eingesetzt, die vorwiegend aus dem fossilen Rohstoff Phosphorit gewonnen werden. Um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu reduzieren, sollen nährstoffhaltige Rest- und Abfallstoffe zur Phosphordünger aufbereitet werden. In Abwasserkläranlagen fällt phosphorreicher Klärschlamm als Abfallstoff an. Der größte Anteil des Klärschlammes wird in Steinkohlekraftwerken, Zementwerken oder in Monoklärschlammverbrennungsanlagen verbrannt. Die Klärschlammaschen aus den Monoverbrennungsanlagen enthalten bis zu 12 Gew.-% Phosphor und sind daher für die Düngerherstellung geeignet.
Ein geeignetes Verfahren zur Aufbereitung der Klärschlammaschen ist die thermochemische Behandlung im Drehrohrofen. Mit dem sogenannten AshDec®-Prozess, kann ein Phosphordünger hergestellt werden. Aktuell wird eine großtechnische Anlage in Altenstadt (Bayern) geplant, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Der zentrale Bestandteil ist die Phasenumwandlung von schlecht pflanzenverfügbaren Phosphaten in der Klärschlammasche (vorwiegend das Calciumphosphat Whitlockit und Aluminiumphosphat) zu gut pflanzenverfügbaren Calciumalkaliphosphaten im Produkt. Um dies zu erzielen, werden die Aschen mit Natrium- und/oder Kalium-Verbindungen gemischt und einer thermochemischen Behandlung bei 800-1000 °C zugeführt. Um die Pflanzenverfügbarkeit und Düngewirkung von Phosphaten abschätzen zu können, ist die chemische Extraktionsmethode mit neutraler Ammoniumcitratlösung geeignet.
In der Dissertation werden die (Phosphor-)Phasenreaktionen und die Prozessbedingungen des thermochemischen Verfahrens untersucht, um das Verfahren gezielt zu modifizieren und die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Die Zielphasen der thermochemischen Behandlung sind die Calciumalkaliphosphate CaNaPO4 und CaKPO4, und deren Mischphasen Ca(Na,K)PO4, welche in der Publikation 3.1 synthetisiert wurden. Für diese Calciumalkaliphosphate wurden die thermodynamischen Daten der Standardbildungsenthalpie, Standardentropie, Wärmekapazität und die Wärmemenge der Phasenumwandlung bestimmt (Publikation 3.1).
Bei der thermochemischen Behandlung von Klärschlammaschen wurden als Additive Natrium- und Kaliumsulfat bei verschiedenen Temperaturen getestet. Der Einsatz von Kaliumadditiven ist erwünscht, um den Marktwert des Produktes durch die Produktion eines Phosphor-Kalium-Düngers zu erhöhen. Zusätzlich wird eine möglichst geringe Prozesstemperatur angestrebt, bei der die erwünschten Calciumalkaliphosphate gebildet werden.
In den Publikationen 3.2 und 3.3 wird gezeigt, dass für Klärschlammaschen eine komplette Phasenumwandlung zu Calciumnatriumphosphaten ab 875 °C in Laborversuchen (Korundtiegel) mit dem Additiv Natriumsulfat erzielt werden kann. Der Einsatz von Kaliumsulfat erforderte notwendige Reaktionstemperaturen von über 1100 °C. Diese
unterschiedlichen Reaktionstemperaturen hängen mit den Schmelzpunkten von Natriumsulfat (890 °C) und Kaliumsulfat (1070 °C) zusammen. Um Kaliumsulfat in den Prozess bei niedrigen Temperaturen zu integrieren, wurden Natriumsulfat und Kaliumsulfat vor der Behandlung gemischt. Dies führte zu einer Schmelzpunkterniedrigung und resultierte in Reaktionstemperaturen zwischen 900 °C bis 1000 °C für die untersuchten Mischungen von Natrium- und Kaliumsulfat (Publikation 3.3).
Die Zusammensetzung der Calciumalkaliphosphate Ca(Na,K)PO4 war anders als erwartet. Bei der Phasenanalytik stellte sich heraus, dass bei geringem und mittlerem Anteil von Kaliumsulfat im Alkali-Additiv nur Calciumnatriumphosphate mit sehr geringen Kaliumgehalten gebildet wurden. Erst bei einem hohen Anteil von Kaliumsulfat in der Mischung der Alkalisulfate konnten kaliumhaltige Calciumalkaliphosphate nachgewiesen werden (u.a. (Ca0.9Mg0.1)(Na0.6K0.4)PO4). Dieser geringere Einbau von Kalium in die Calciumalkaliphosphate hängt mit den zusätzlich stattfindenden Reaktionen zwischen den Alkalien und den Silikaten zusammen. Es ist bekannt, dass die zugegebenen Alkalisulfate zuerst mit Silikaten und anschließend mit den Phosphaten reagieren. Silikate bauen bevorzugt Kalium ein, deswegen konnten erst kaliumhaltige Phosphate gebildet werden, wenn die Reaktion mit den Silikaten abgeschlossen war. Dies führte zu einem geringeren Kaliumanteil in den gebildeten Phosphaten im Vergleich zum Kaliumanteil der verwendeten Alkaliadditive. Das in Silikaten gebundene Kalium ist wahrscheinlich schlecht für die Pflanzen verfügbar. Dies könnte den Einsatz der produzierten Phosphor-Kalium-Dünger einschränken. Der bevorzugte Kaliumeinbau in Silikaten konnte auch in Kalkulationen mit den thermodynamischen Daten aus der Publikation 3.1 gezeigt werden.
Mittels Phasenanalytik vor und nach der chemischen Extraktion, konnte die Zugehörigkeit zu verschiedenen Modifikationen der Calciumalkaliphosphaten sicher bestimmt werden und eine ungefähre Zusammensetzung dieser Calciumalkaliphosphate abgeschätzt werden. So konnte nachgewiesen werden, dass die Modifikation vom CaNaPO4 ungefähr 10 % Magnesium einbauen kann. Wenn mehr Magnesium eingebaut wird, bildet sich die Phase (Ca,Mg)NaPO4, die eine vergleichbare Struktur wie die bekannte Phase (Ca0.72Mg0.28)NaPO4 aufweist. Dieses magnesiumreiche Calciumnatriumphosphat entstand vermutlich, wenn entweder erhöhte Anteile an Kalium eingebaut wurden (Ca0.8Mg0.2)(Na0.85K0.15)PO4 (Publikation 3.3) oder die Phasenumwandlung vom Calciumphosphat Whitlockit zum Calciumalkaliphosphat CaNaPO4 noch nicht abgeschlossen war (Publikation 3.2). Wenn mehr Kalium eingebaut wird, dann entsteht eine Phase (u.a. (Ca0.9Mg0.1)(Na0.6K0.4)PO4) ähnlich zu den Mischphasen aus der Publikation 3.1.
In den Publikationen 3.4 und 3.5 wurden keine Klärschlammaschen untersucht, sondern Biokohlen aus Modellklärschlämmen (Publikation 3.5) und Biomasseaschen (Publikation 3.4) aus der Vergasung oder Verbrennung einer Mischung aus Zuckerrohrbagasse und Hühnertrockenkot. Die thermochemischen Produkte der Biokohlen bzw. Biomasseaschen enthielten das gewünschte CaNaPO4 und hatten eine hohe Düngewirkung in Pflanzenwachstumsversuchen mit Sojapflanzen bzw. Gräsern.
Dust deposition is an important source of phosphorus (P) to many ecosystems. However, there is little evidence of dust-derived P-containing minerals in soils. Here we studied P forms along a well-described climatic gradient on Hawaii, which is also a dust deposition gradient. Soil mineralogy and soil P forms from six sites along the climatic gradient were analyzed with bulk (X-ray diffraction and P K-edge X-ray absorption near edge structure)
and microscale (X-ray fluorescence, P K-edge X-ray absorption near edge structure, and Raman) analysis methods. In the wettest soils, apatite grains ranging from 5 to 30 μm in size were co-located at the micro-scale with quartz, a known continental dust indicator suggesting recent atmospheric deposition. In addition to colocation with quartz, further evidence of dust-derived P included backward trajectory modeling indicating that dust particles could be brought to Hawaii from the major global dust-loading areas in central Asia and northern Africa. Although it is not certain whether the individual observed apatite grains were derived from long-distance transport of dust, or from local dust sources such as volcanic ash or windblown fertilizer, these observations offer direct evidence that P-containing minerals have reached surface layers of highly-weathered grassland soils
through atmospheric deposition.
The diffusive gradients in thin-films (DGT) technique shows in many publications a superior correlation to the amount of plant-available phosphorus (P) in soil. However, this technique cannot give information on the plant-available P species in soil. Therefore, we combined DGT with solution 31P nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. This was achieved by using a modified DGT device in which the diffusive layer had a larger pore size, the binding layer incorporated an adsorption material with a higher capacity, and the device had a larger exposure area. The spectroscopic investigation was undertaken after elution of the deployed DGT binding layer in a NaOH solution. Adsorption tests using solutions of known organic P compounds showed that a sufficient amount of these compounds could be adsorbed on the binding layer in order for them to be analyzed by solution 31P NMR spectroscopy. Furthermore, various intermediates of the hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be also analyzed over time.
The use of highly water-soluble phosphorus (P) fertilizers can lead to P fixation in the soil, reducing fertilization efficiency. Waste-derived, low water-solubility sources can potentially increase sugarcane’s P uptake compared to triple superphosphate by reducing adsorption to the soil.
Aims:We aimed to test struvite, hazenite, and AshDec® for their agronomic potential as recycled fertilizers for sugarcane production in a typical tropical soil.We hypothesize that these sources can reduce P fixation in the soil, increasing its availability and sugarcane’s absorption.
Methods: In a greenhouse pot experiment, two consecutive sugarcane cycles, 90 days each, were conducted in a Ferralsol. The recovered sources struvite, hazenite, AshDec®, and the conventional triple superphosphate were mixed in the soil in three P doses (30, 60, and 90 mg kg–1), aside a control (nil-P). At both harvests, sugarcane number of sprouts, plant height, stem diameter, dry mass yield, shoot phosphorus, and soil P fractionation were investigated.
Results: At 90 days, struvite and hazenite performed better for dry mass yield (70.7 and 68.3 g pot–1, respectively) than AshDec® and triple superphosphate (59.8 and 57.4 g pot–1, respectively) and for shoot P, with 98.1, 91.6, 75.6, and 66.3 mg pot–1, respectively. At 180 days, struvite outperformed all treatments for dry mass yield (95.3 g pot–1) and AshDec® (75.5 mg pot–1) for shoot P. Struvite was 38% and hazenite 21% more efficient than triple superphosphate in P uptake, while AshDec® was 6% less efficient. Soil had higher labile P under struvite, hazenite, and AshDec® than triple superphosphate by the end of the first cycle, while only the later increased nonlabile P by the end of the experiment (180 days).
Conclusions:Waste-derived P sources were more efficient in supplying P for sugarcane and delivering labile P in 180 days than triple superphosphate.