Circular Economy
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Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines bestehenden pyrometallurgischen Prozesses zur Rückgewinnung von Tantal und Niob aus metallurgischen Reststoffen mit vorwiegend niedriger Wertstoffkonzentration.
Zur näheren Erforschung der im vorliegenden Stoffsystem ablaufenden Reduktionsprozesse wurden in einem Elektrolichtbogenofen Schmelzversuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Als Reduktionsmittel diente Koks, welcher mithilfe einer Argon-gespülten Eisenlanze in die flüssige mineralische Schmelze eingebracht wurde. Während der Reduktionsbehandlung werden Refraktärmetalle wie Tantal und Niob in ihre Carbide überführt und anschließend in der erschmolzenen eisenbasierten Metallphase am Boden des Reaktors angereichert. Neben Tantal und Niob gelangt auch ein Teil des im Einsatzmaterial enthaltenen Titans als unerwünschtes Begleitelement in die Metallphase.
Sein Großteil verbleibt jedoch als Oxid in der Schlacke und wird dort hauptsächlich im Mineral Perowskit (CaTiO3) gebunden. Die erstarrten Schlackeproben wurden mit verschiedenen Methoden wie Röntgenfluoreszensanalyse, Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Röntgenanalyse untersucht, um die Bildung tantalhaltiger Mineralphasen zu verschiedenen Stadien des Reduktionsprozesses zu verfolgen.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass weniger die durch das Einblasen von Koks verursachte Reduktionsreaktion, sondern das Absinken der tantalreichen Eisentröpfchen in der flüssigen mineralischen Schmelze, gefolgt von ihrer Anreicherung in die Metallphase, für die Kinetik ausschlaggebend ist.
The quantification of the elemental content in soils with laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is challenging because of matrix effects strongly influencing the plasma formation and LIBS signal. Furthermore, soil heterogeneity at the micrometre scale can affect the accuracy of analytical results. In this paper, the impact of univariate and multivariate data evaluation approaches on the quantification of nutrients in soil is discussed. Exemplarily, results for calcium are shown, which reflect trends also observed for other elements like magnesium, silicon and iron. For the calibration models, 16 certified reference soils were used. With univariate and multivariate approaches, the calcium mass fractions in 60 soils from different testing grounds in Germany were calculated. The latter approach consisted of a principal component analysis (PCA) of adequately pre-treated data for classification and identification of outliers, followed by partial least squares regression (PLSR) for quantification. For validation, the soils were also characterised with inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP OES) and X-ray fluorescence (XRF) analysis. Deviations between the LIBS quantification results and the reference analytical results are discussed.
In Deutschland werden jährlich rund 20 Millionen Tonnen künstliche Mineralwolle für die Dämmung von Dächern und Fassaden sowie für Brandschutzprodukte verwendet. Um künstliche Mineralwolle aus Rückbaumaßnahmen in den Produktionsprozess zurückführen zu können, ist eine Trennung in Glas- und Steinwolle erforderlich, um eine Vermischung der beiden Produkte, die unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, zu vermeiden. Anstatt die Mineralwolle in spezielle Labors zu schicken, was zeitaufwendig und teuer ist, wurde das Potenzial eines tragbaren Nahinfrarot-Spektrometers (NIR) für den Einsatz vor Ort getestet. 140 verschiedene Mineralwolleproben wurden untersucht, um eine NIR-basierte Methode für die Vor-Ort-Unterscheidung zwischen Glas- und Steinwolle zu etablieren. Die Validierung der Methode mit Testproben und die Anwendung auf Materialien, die aus BigBags für Deponien entnommen wurden, haben gezeigt, dass die Methode präzise und robust ist. Als Referenzmethode wurde die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA) mit einer Kalibrierung auf der Grundlage der VDI 3492 verwendet.
Around 2.5 million tons of municipal sewage sludge (dry matter) are produced in Ger-many every year. The disposal or recycling of this mass often confronts plant operators with considerable problems. In addition to organic substances, sewage sludges also contain important inorganic nutrients that can be recycled. Due to the finite nature of phosphorus as a resource and in favor of natural material cycles, it makes sense to utilize the phosphorus bound in sewage sludge. Therefore, Phosphorus recycling from sewage sludge will be obligatory in Germany from 2029. However, the pollutants pre-sent in sewage sludge, such as heavy metals and organic trace pollutants, are prob-lematic. In many cases, the sewage sludge is incinerated, removing organic compo-nents, and leaving a mineral residue. Various processes exist for the reprocessing of sewage sludge ashes. Reliable analytics and process monitoring are required for all of them.
In this context, the first and most important task of BAM regarding new materials or processes is safety in technology and chemistry through validated and correct analyt-ics. Since there are no reference materials for sewage sludge ashes so far, it is not possible to make any statements about the extent to which the measured values of the comparative measuring methods are correct at all. Therefore, suitable, and representa-tive reference materials are indispensable for the validation of the measurement results and the quality assurance during the entire recycling process. Great care is required to select and prepare these reference materials. The reference materials must corre-spond in matrix to the samples that are to be investigated in the industrial process. An iron-rich and an aluminum-rich sewage sludge ash from mono-incineration plants were selected for this purpose. 10 kg of each sewage sludge ash were homogenized, char-acterized, and prepared. The main, minor and trace element compositions of the sew-age sludge ashes are determined by different measuring methods. The candidate ref-erence materials will be available as BAM-U200 und BAM-U201.
Der Vortrag stellt einige aktuelle Herausforderungen für die Prozessanalytik und mögliche Antworten vor.
Gepulste Raman-Spektrometer akkumulieren das Raman-Signal mit Hilfe schneller optischer Schalter im Picosekunden-Bereich, bevor langlebigere Fluoreszenzanregung entsteht. Damit lassen sich stark fluoreszierende Materialien untersuchen, die bislang nicht zugänglich sind. Eine weitere interessante Entwicklung ist etwa die Shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) die besonders für biologische Anwendungen interessant ist.
Flexible, modulare Produktionsanlagen stellen einen vielversprechenden Ansatz für die kontinuierliche Produktion von Fein- und Spezialchemikalien dar. In einem EU-Projekt wurde die Feldintegration eines Online-NMR-Sensormoduls als smartes Modul für die Prozesskontrolle vorangebracht. Dieses Modul basiert auf einem kommerziell erhältlichen Niederfeld-NMR-Spektrometer, welche zurzeit für die Anwendung im Laborbereich erhältlich ist. Für die Feldintegration wurde ein ATEX-zertifiziertes, explosionsgeschütztes Gehäuse entwickelt sowie Automationsschemen für den unbeaufsichtigten Betrieb und für die kalibrierfreie spektrale Datenauswertung erstellt.
Eine sehr gut anwendbare analytische Messtechnik zur Kontrolle der elementaren Zusammensetzung von verschiedensten Materialien ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS, engl. LIBS - Laser-induced Breakdown Spectroscopy). Bei der LIBS wird ein kurz gepulster Laser auf eine Probe fokussiert, um ein Leuchtplasma zu erzeugen. Das dabei erzeugte Atomemissionsspektrum ermöglicht eine qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung der Probe bezüglich praktisch aller Elemente des Periodensystems. In einem aktuellen Projekt wird diese Methode neben anderen zur Online-Analyse von Ackerböden für die ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) weiterentwickelt und bewertet.
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 vom BMBF unterstütze Forschungsinitiative BonaRes entwickelt Strategien um Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie zu nutzen. Das Projekt Intelligence for Soil (I4S) ist ein Teil dieser Initiative und beschäftigt sich mit der Entwicklung eines integrierten Systems zur ortsspezifischen Düngung. Ein Ziel dieses Projektes ist die Etablierung einer mobilen Sensorplattform zur Bodenkartierung. Aufgabe der BAM ist dabei das Installieren und die Optimierung eines RFA Sensors für die online Messung direkt auf dem Feld. Die RFA ist eine zerstörungsfreie Technik, die kaum Probenvorbereitung benötigt und einen schnelle Multielement Analyse ermöglicht. Das schnelle Kartieren des Bodens ermöglicht später eine ortsspezifische Düngung mit Nährstoffen wie z.B. K, Ca und P.
Die vom BMBF unterstütze Forschungsinitiative BonaRes entwickelt Strategien um Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie zu nutzen. Das Projekt Intelligence for Soil (I4S) ist ein Teil dieser Initiative und beschäftigt sich mit der Entwicklung eines integrierten Systems zur ortsspezifischen Düngung. Ein Ziel dieses Projektes ist die Etablierung einer mobilen Sensorplattform zur Bodenkartierung. Aufgabe der BAM ist dabei das Installieren und die Optimierung eines RFA Sensors für die online Messung direkt auf dem Feld. Die RFA ist eine zerstörungsfreie Technik, die kaum Probenvorbereitung benötigt und einen schnelle Multielement Analyse ermöglicht. Das schnelle Kartieren des Bodens ermöglicht später eine ortsspezifische Düngung mit Nährstoffen wie z.B. K, Ca und P.
Influence of moisture and grain sizes on the analysis of nutrients in agricultural soils using LIBS
(2018)
Over the last few years, there has been a growing interest to apply spectroscopic methods to the agricultural field for better understanding of soil properties and for efficient, sustainable management of arable land. Within the project I4S (intelligence for soil), funded by the BMBF, an integrated system for site-specific soil fertility management is developed, consisting of different sensors like X-Ray fluorescence analysis (XRF), near-infrared spectroscopy (NIR) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). LIBS provides a fast and simultaneous multi-element analysis with little to no sample preparation, which makes it a suitable method for real-time analysis on the field.
The quantification of macro and micro nutrients in soils with LIBS is challenging due to matrix effects, different levels of moisture content and varying grain sizes. First studies revealed that the problems with matrix effects can be overcome by using well characterised soils as reference materials and chemometric tools like Partial Least Squares Regression(PLSR) for calibration.
The next step was to investigate the influence of moisture and grain sizes on the LIBS signal, which is a big issue when measuring directly on the field. The results showed that the LIBS signal decreases exponentially with increasing moisture content, as most of the laser energy is used for vaporising the water. With moisture contents of 30 % or higher almost no signal can be detected. This decrease is more severe for sandy soils than for clay soils. First tests of different grain size distributions indicate that the variation of the LIBS signal increases with growing amounts of larger grains. This results in a higher standard deviation, because of a poorer reproducibility of the plasma formation and plasma characteristic. With the help of chemometric tools the influence of moisture and grain sizes should be implemented in the calibration model for accurate analysis of nutrient composition in agricultural soils.
Over the last few years, there has been a growing interest to apply spectroscopic methods to the agricultural field for better understanding of soil properties and for efficient, sustainable management of arable land. Within the project I4S (intelligence for soil), funded by the BMBF, an integrated system for site-specific soil fertility management is developed, consisting of different sensors like X-Ray fluorescence analysis (XRF), near-infrared spectroscopy (NIR) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). LIBS provides a fast and simultaneous multi-element analysis with little to no sample preparation, which makes it a suitable method for real-time analysis on the field.
The quantification of macro and micro nutrients in soils with LIBS is challenging due to matrix effects, different levels of moisture content and varying grain sizes. First studies revealed that the problems with matrix effects can be overcome by using well characterised soils as reference materials and chemometric tools like Partial Least Squares Regression (PLSR) for calibration.
The next step was to investigate the influence of moisture and grain sizes on the LIBS signal, which is a big issue when measuring directly on the field. The results showed that the LIBS signal decreases exponentially with increasing moisture content, as most of the laser energy is used for vaporising the water. With moisture contents of 30 % or higher almost no signal can be detected. This decrease is more severe for sandy soils than for clay soils. First tests of different grain size distributions indicate that the variation of the LIBS signal increases with growing amounts of larger grains. This results in a higher standard deviation, because of a poorer reproducibility of the plasma formation and plasma characteristic. With the help of chemometric tools the influence of moisture and grain sizes should be implemented in the calibration model for accurate analysis of nutrient composition in agricultural soils.