Circular Economy
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Hydrothermale Herstellung von Filter- und Speichermaterialien aus SiO2- und CaO-reichen Reststoffen
(2019)
Aus SiO2- und CaO-reichen Sekundärrohstoffen können in einem hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess poröse Körnungen (Hydrothermalgranulate HTG) hergestellt werden. Die Erhärtung der HTG erfolgt dabei in einem Autoklav bei ca. 200 °C und 1,6 MPa Sattdampf ähnlich dem Prozess der Kalksandsteinherstellung. Festigkeit und Gefüge der HTG entwickeln sich durch die Ausbildung von Calciumsilicathydraten (CSH-Phasen), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln (SiO2) und Kalk (CaO) entstehen. SiO2-Lieferant ist ziegelhaltiger Mauerwerkbruch, der als Hauptmineralphase Quarz enthält. Papierasche kann mit ihren Anteilen an Freikalk und anderen reaktive Calciumverbindungen als Kalkersatz dienen. Über die Mischungszusammensetzung und die Reaktionsbedingungen werden die Eigenschaften der Reaktionsprodukte gezielt gesteuert. Die HTG haben Rohdichten kleiner als 2000 kg/m³. Ihr Gefüge ist durch ein eher ungeordnetes System an Mesoporen und kleinen Makroporen mit Porenweiten kleiner 100 nm gekennzeichnet. Diese Porenstruktureigenschaften legen eine Anwendung der HTG als Filter- oder Speichermaterial nahe. Sie können natürliche Rohstoffe, wie Bims, Lavasand und fluviale Sande, aus Primärrohstoffen hergestellte Produkte, wie Blähton, Keramik und Aktivkohle, sowie erdölbasierte Kunststoffadditive ersetzen, wobei die typischen Filter- und Speichereigenschaften der herkömmlichen Produkte nahezu erreicht werden. Dadurch wird einerseits für Reststoffe, die gegenwärtig ein hohes Verwertungsdefizit aufweisen, eine hochwertige Wieder- bzw. Weiterverwertungsmöglichkeit geschaffen und die Abfallmenge vermindert. Andererseits erfolgt eine Schonung von knapper werdenden natürlichen mineralischen Rohstoffen und Erdöl. In einem Forschungsprojekt werden derzeit die technischen Möglichkeiten der hydrothermalen Herstellung von leichten porösen Körnungen aus Mauerwerkbruch, Kalk und Papierasche sowie die Anwendung der HTG als Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserreinigung und als Wasserreservoir in Substraten von Pflanzwänden und zur inneren Nachbehandlung hochfester Betone systematisch untersucht. Der Beitrag berichtet insbesondere über die experimentelle Entwicklung der hydrothermalen Synthesestrategie, die nachfolgende Charakterisierung der HTG und die Beziehungen zwischen Gefügekennwerten und technischen Eigenschaften der Körnungen.
Mineralische Bauabfälle stellen in den Industrienationen den größten Abfallstrom dar. Allein in Deutschland fallen jährlich mehr als 50 Mio. Tonnen Bauschutt an, der hauptsächlich aus Beton- und Mauerwerkbruch besteht. Dabei nehmen die Verwertungs- und Recyclingquoten bei den bereits etablierten herkömmlichen Einsatzgebieten für aufbereitete Bau- und Abbruchabfälle mit zunehmender Heterogenität des Materials ab. Ein höherwertiges Recycling mit dem Ziel das aufbereitete Material beispielsweise in Betonprodukten einzusetzen erfolgt heute in Deutschland lediglich im Rahmen von Pilotprojekten. So können die groben Körnungen des Betonbruchs als rezyklierte Gesteinskörnung im Beton eingesetzt werden. Besonders eingeschränkte Verwertungsmöglichkeiten liegen für Mauerwerkbruch vor, einem Gemisch aus Beton, Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton, Mörtel, Natursteinen und anderen mineralischen Bestandteilen. Die Ursache hierfür ist neben der heterogenen Zusammensetzung des Materials auch dessen feine Kornverteilung, die durch den bei der mechanischen Aufbereitung zwangsläufig anfallenden Feinkornanteil von 30 bis über 40 Prozent bedingt ist.
Defizite in der Verwertung bestehen also besonders bei heterogenen feinkörnigen Gemischen. Hier müssen Ansätze gefunden werden, um eine hochwertige Wiederverwertung zu ermöglichen. Dafür ist eine möglichst gute Trennung der einzelnen Materialfraktionen ein bewährter Ansatz. Während Metalle mittels Band- und Wirbelstromabscheidern und leichte Fremdbestandteile über Windsichtung und Dichtesortierung ausgetragen werden können, ist eine Trennung der Materialien Ziegel, Mörtel und Beton, insbesondere für die feinen Fraktionen, derzeit technologisch und wirtschaftlich nicht umsetzbar.
Ein rohstoffliches Recycling dieser heterogen zusammengesetzten Abfälle unter Nutzung ihrer chemisch-mineralogischen Zusammensetzung ohne eine vorherige Trennung in die einzelnen Materialfraktionen bietet sich als Alternative an. Ergebnisse zur Herstellung von Leichtgranulaten aus Mauerwerkbruch und Tonen in einem thermischen Prozess ähnlich der Blähtonherstellung wurden bereits mehrfach veröffentlicht. Diese Recycling-Granulate (RCG) könnten unter anderem als leichte Gesteinskörnung für Betone verwendet werden.
Jährlich fallen ca. 250 Mio. t mineralische Reststoffe in Deutschland an, die eine vielfältig einsetzbare, sekundäre Rohstoffquelle darstellen. Der Einsatz von Reststoffen führt zur Schonung natürlicher Rohstoffe, zur Reduktion von CO2-Emissionen und zur Einsparung von Deponieraum. Der Reststoff Mauerwerkbruch ist ein heterogenes, SiO2-reiches Gemisch aus Ziegeln, Beton und Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton, Putz und Mörtel. Die uneinheitliche Zusammensetzung und bis zu 50 % Feinanteile nach der mechanischen Aufbereitung verhindern eine unmittelbare Wiederverwertung als RC-Gemisch. Eine Möglichkeit der Verwertung von Mauerwerkbruch stellt das rohstoffliche Recycling über einen hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess dar, bei dem poröse Granulate erhalten werden.
Im Fokus des ZIM-Projekts HYTEGRA steht die Entwicklung eines solchen Herstellungsprozesses und die umfassende Charakterisierung der hergestellten Hydrothermalgranulate. Als Reststoffe soll neben Mauerwerkbruch (SiO2-reich) aus Bau- und Abbruchsabfällen auch Papierasche (CaO-reich) aus dem Altpapierrecycling eingesetzt werden. Nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess erfolgt die Härtung der Grüngranulate hydrothermal unter erhöhtem Druck in gesättigter Wasserdampfatmosphäre bei Temperaturen von etwa 200 °C. Während des Härtungsprozesses bilden sich aus Quarz (SiO2), Kalk (CaO) und Wasser Calciumsilicathydrat-Phasen, die für die benötige Festigkeit und Porosität der Hydrothermalgranulate sorgen. Durch die Variation verschiedenster Syntheseparameter (Temperatur, Druck, Zeit, SiO2-CaO-Mischungsverhältnis) wird eine gezielte Einstellung der Eigenschaften der Hydrothermalgranulate ermöglicht. In Kooperation mit verschiedenen Industriepartnern sind Anwendungen als Filter- und Speichermaterial geplant, z.B. in Bodenfiltern zur Abwasserbehandlung sowie als temporärer Wasserspeicher zur inneren Nachbehandlung von Beton und in Pflanzsubstraten.
Im Vortrag sollen das Projekt HYTEGRA und erste Ergebnisse des hydrothermalen Verwertungsweg unter Verwendung von Mauerwerkbruch im Labormaßstab vorgestellt werden.
Hydrothermale Herstellung von Filter- und Speichermaterialien aus SiO2- und CaO-reichen Reststoffen
(2019)
Jährlich fallen ca. 250 Mio. t mineralische Reststoffe in Deutschland an, die eine vielfältig einsetzbare, sekundäre Rohstoffquelle darstellen. Der Einsatz von Reststoffen führt zur Schonung natürlicher Rohstoffe, zur Reduktion von CO2 Emissionen und zur Einsparung von Deponieraum. Im Projekt HYTEGRA sollen Mauerwerkbruch (SiO2-reich), ein heterogenes Gemisch aus Ziegeln, Beton und
Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton, Putz und Mörtel, sowie Papierasche (CaO-reich) aus dem Altpapierrecycling rohstofflich wiederverwertet werden. Die Entwicklung von porösen Körnungen über einen hydrothermalen Herstellungsprozess steht dabei im Fokus. In Kooperation mit verschiedenen Industriepartnern sind Anwendungen als Filter- und Speichermaterial geplant.
Mauerwerkbruch setzt sich aus unterschiedlichen Anteilen der üblichen Wandbaustoffe Ziegel, Beton- und Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton sowie Mauer- und Putzmörtel zusammen. Bei seiner mechanischen Aufbereitung zum RC-Gemisch fallen häufig bis zu 50 % Feinanteile an. Die heterogene Zusammensetzung und der hohe Feinanteil verhindern eine Wiederverwertung nach einer einfachen mechanischen Aufbereitung. Eine Möglichkeit des Recyclings von Mauerwerkbruch ist aber ein hydrothermaler Stoffwandlungsprozess, durch den leichte poröser Granulate hergestellt werden.
Aus ziegelhaltigem Mauerwerkbruch werden unter Zusatz von Branntkalk nach dem Mahlen, Mischen und Granulieren des Rohmehls durch hydrothermale Verfestigung in einem Autoklav poröse Körnungen mit Rohdichten kleiner als 2000 kg/m³, die Hydrothermalgranulate, erhalten. Die Erhärtung erfolgt bei ca. 200 °C und 1,6 MPa Sattdampf ähnlich dem Prozess der Kalksandsteinherstellung. Festigkeit und Gefüge der Hydrothermalgranulate entwickeln sich durch die Ausbildung von Calciumsilicathydraten (CSH-Phasen), die durch die Reaktion zwischen Quarz, als Bestandteil von Mauerwerkbruch, und Kalk entstehen.
Über die Mischungszusammensetzung und die Reaktionsbedingungen können die Eigenschaften der Granulate gezielt gesteuert werden. Ihr Materialgefüge ist durch ein ungeordnetes System an Mesoporen und kleinen Makroporen mit Porenweiten kleiner 100 nm gekennzeichnet. Damit unterscheiden sich ihre Eigenschaften deutlich von denen der thermisch erhärteten Blähgranulate, da sich durch die CSH-Phasen eine ganz andere Gefüge- und Porenstruktur ausbildet. Aus den Granulateigenschaften ergeben sich Anwendungen als Filter- oder Speichermaterial, d.h. Applikationen, die über den Baustoffsektor hinausgehen.
In einem laufenden Forschungsprojekt wird mit 4 Industrie- und 2 Forschungspartnern aus den Bereichen Baustoffrecycling, Verfahrens- und Syntheseentwicklung, Partikelcharakterisierung so-wie Filter- und Betontechnologie ein Syntheseweg zur gezielten Herstellung hydrothermal erhärteter, körniger und poröser Produkte aus Mauerwerkbruch im Labor- und Pilotmaßstab entwickelt. Dazu gehört auch die Untersuchung aller Prozessschritte von der Aufbereitung der Ausgangsmaterialien über das Homogenisieren und Granulieren der Mehle bis zur hydrothermalen Behandlung der Granulate. Die Hydrothermalgranulate werden umfangreichen Eignungs- und Dauerhaftigkeitstests unterzogen.
Das aktuelle Forschungsvorhaben und insbesondere erste Ergebnisse zur hydrothermalen Synthese von Mauerwerkbruch-Kalk-Mischungen werden im Vortrag vorgestellt.