Circular Economy
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Advanced light weight applications like aircrafts and wind turbine blades are made of fibre reinforced plastics (FRP) with continuous fibre reinforcement and must withstand a high thermo-mechanical cyclic loading. The quality of the fibre matrix interface has a high impact on the fatigue life and was continuously improved over the years since the 50th. The fatigue life of glass fibre reinforced plastics (GFRP) used in aircraft industry is 10 to 100 times higher compared to glass fibre non crimp fabrics used for wind turbine blades.
To assure a constant and reliable high quality and strength of reinforcement fibres, synthetic fibre production is state of the art (CF, GF). There is a need for recycling GFRP and CFRP waste due to the upcoming use. Pyrolysis and solvolysis are more expensive than the mechanical route however enable a more sustainable recycling. Natural fibres and recycled synthetic fibres have a high scatter in quality and strength. Hence it is a challenge to optimize the production / recycling processes to get a reliable quality for any demanding (second life) application.
Chemical routes for using renewables resources and recycling, is going to be a good approach especially for polymer-matrix systems to get 100% quality (back) compared to the state of the art.
Finally, a proper design, life-time extension and repair is preferable to recycling to keep the carbon footprint as low as possible.
Revolutionizing our polymer industry for adaption to a sustainable carbon circular economy has become one of today’s most demanding challenges. Exploiting renewable resources to replace fossil-fuel—based plastics with biopolymers such as poly(lactic acid) (PLA) is inevitable while using waste streams as a raw material resource at least is promising. When it comes to using PLA as technical polymer, its high flammability must be addressed by flame retardants compatible with the thermoplastic processing of PLA and its compostability. This study proposes microalgae enriched with phosphorus from wastewater (P-Algae) as an elegant way towards a kind of sustainable organophosphorus flame retardant. The concept is demonstrated by investigating the processing, pyrolysis, flammability, and fire behavior of PLA/P-Algae, while varying the P-Algae content and comparing P-Algae with four alternative bio-fillers (phosphorylated lignin, biochar, thermally treated sewage sludge, and metal phytate) with different P-contents as meaningful benchmarks.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung stellen mit rund 25% Massenanteil die größte Reststofffraktion dar. In Deutschland fallen pro Jahr rund 6 Millionen Tonnen an. Während sich die Verwertung der metallischen Anteile problemlos gestaltet, werden an die mineralische Fraktion Anforderungen bezüglich der möglichen Freisetzung von Schwermetallen sowie Chlorid und Sulfat gestellt. In der Ersatzbaustoffverordnung sind für Aschen und Schlacken aus der Abfallverbrennung zwei Materialklassen mit unterschiedlich hohen Anforderungen an die Umweltverträglichkeit definiert. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde untersucht, ob mit Abtrennung der Feinfraktion von 0–2mm die höhere Materialklasse HMVA-1 erreicht werden kann. Im Ergebnis wurde eine Verbesserung des Auslaugverhaltens erzielt, doch nicht in dem Maß, dass eine Qualität nach HMVA-1 erreicht wird. Rostaschen halten aber die Anforderungen zur Deponierung auf einer DK I-Deponie sowie die Anforderungen zur Verwertung gemäß HMVA-2 sicher ein.
The synergistic behavior of different silicon compounds is investigated in flame retardant biocomposites with aluminum trihydroxide (ATH) as the main flame retardant. The paper shows a new approach towards sustainable biocomposites through the implementation of thermoplastic starch (TPS), leather fibers from industrial waste streams, and non-hazardous flame retardants and synergists. In these multicomponent systems, the different components address different modes of action in the fire scenario. When ATH is partially substituted by glass frits or layered silicates, fire performance is enhanced without changing the total amount of filler in the polymer. In a biocomposite with 25 phr of fiber and 90 phr of ATH, substituting 5 phr of ATH for layered silicates increased the LOI from 31.5 vol % to 34.8 vol %, decreased the peak of heat release by 20%, and increased the UL 94 rating from V-1 to V-0.
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 wird ein Überblick über aktuelle Recyclingprozesse gegeben und deren Limitierungen diskutiert. Darüber hinaus wird eine Möglichkeit zur sicheren chemischen Nutzung von CF-haltigen Reststoffen aufgezeigt, 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. Abschließend wird eine, auf den experimentellen Ergebnissen und im Dialog mit Expertinnen und Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik entwickelten, Technologiebewertung vorgestellt.
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. Nach der Präsentation der Projektergebnisse erfolgte in der Diskussion mit Expertinnen und Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik eine Technologiebewertung für die Nutzung von CF in pyrometallurgischen Prozessen.
The global plastic industry relies on fossil-based materials, presenting environmental challenges. A sustainable polymer namely poly(limonene carbonate) (PLimC), made of limonene and CO2 as two monomers from non-food sources, shows advances in various applications where additives such as flame retardants (FRs) are crucial to comply with fire safety measures.
The variety of FRs is wide, and therefore the approach involved conducting a comparative study of four different halogen-free flame retardant systems that are conventionally used in polycarbonates and polyolefins to understand which FR enhances the flame resistance of PLimC most effectively. The primary task of the project is to conduct experimental evaluations to analyze the thermal properties, flammability, and fire behavior of each system. This data will offer valuable insights towards the advancement of safer and more sustainable materials.
Infraleichtbeton zeichnet sich durch eine äußerst geringe Trockenrohdichte von maximal 800 kg/m³ aus, bei gleichzeitig ausreichender Festigkeit. Daraus resultieren geringe Wärme- und Schallleitfähigkeiten. Dies ermöglicht den Einsatz als Sichtbeton in Wandelementen ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Dämmschicht.
Vielversprechend erscheint der Einsatz von Leichtgranulaten in Infraleichtbeton, um seinen ökologischen Fußabdruck zu reduzieren und somit ein energieeffizientes und zugleich nachhaltiges Bauen zu ermöglichen. Die Leichtgranulate werden in einem thermo-chemischen Prozess aus gemischtem Mauerwerkbruch hergestellt. Ihre Verwendung bietet neben der Alternative zu herkömmlichen leichten Gesteinskörnungen auch die Möglichkeit, Abfallprodukte sinnvoll zu nutzen. In diesem Artikel werden die Leichtgranulate vorgestellt, ihre Anwendung in Infraleichtbeton geprüft und mit konventionellem Blähton verglichen.
The classification of incineration bottom ash (IBA) as hazardous or non-hazardous according to ecotoxic hazard property HP14 is still under debate. In this context, only the compounds of Zn and Cu with the hazard statement code H410 are of relevance. With an approach based on the grouping of substances, it was shown that such substances are either readily water-soluble or slightly and sparingly soluble. The concentrations of readily soluble Cu and Zn compounds in IBA are far below the cut-off value of 0.1%. Slightly and sparingly soluble Zn and Cu compounds could be quantified in the first fraction of a four-step sequential extraction procedure. With the results from the complete sequence, the dimensionless synthesis toxicity index (STI) was calculated and was in the range of 494 to 1218 for the four investigated IBA samples. It was concluded that IBA can usually be classified as non-hazardous.
Revolutionizing our polymer industry for adaption to a sustainable carbon circular economy has become one of today’s most demanding challenges. Exploiting renewable resources to replace fossil-fuel—based plastics with biopolymers such as poly(lactic acid) (PLA) is inevitable while using waste streams as a raw material resource at least is promising. When it comes to using PLA as technical polymer, its high flammability must be addressed by flame retardants compatible with the thermoplastic processing of PLA and its compostability. This study proposes microalgae enriched with phosphorus from wastewater (P-Algae) as an elegant way towards a kind of sustainable organophosphorus flame retardant. The concept is demonstrated by investigating the processing, pyrolysis, flammability, and fire behavior of PLA/P-Algae, while varying the P-Algae content and comparing P-Algae with four alternative bio-fillers (phosphorylated lignin, biochar, thermally treated sewage sludge, and metal phytate) with different P-contents as meaningful benchmarks.
Next to primary functions, energy-related products have an increasing number of additional functions. This affects the overall environmental footprint, but the question is how? A number of European policy strategies, initiatives and measures, such as the Green Deal, the Circular Economy Action Plan,the Ecodesign Directive and the EU Energy Labelling, aim to ensure that the environmental impact of the overall product is better determined, communicated and finally reduced. A core element of these efforts is the DIN EN 4555x series of standards. However, there is currently no comprehensive and systematic classification of the additional product functions or an approach to assess the associated positive and negative environmental impacts.
Therefore, we present in this study an environmental assessment approach for additional product functions and illustrate its application in the case of fridge-freezers.
A key element of the life-cycle-oriented methodology is an assessment matrix to categorize and evaluate the direct, indirect and systemic impacts of products’ functions. Based on semiquantitative assessments of experts, the matrix provides an indication of how the additional function affects the overall environmental product impact as well as specific product aspects such as durability or reparability. Based on the results experts can discuss and better understand how specific functions can influence various stages of the product life cycle and how intended systemic changes or rebound effects could occur. As part of the approach, a representative survey was conducted to analyze consumers’ knowledge and information needs. Based on the results, recommendations for purchasing decisions and the consumer information were developed. This paper presents the results from the assessment of the additional functions of fridge-freezers.
Pioneering durability in electronics - The role of standardisation in policymaking and vice versa
(2024)
This paper highlights the role of standardisation in enabling greener electronics in the EU. It presents an analysis of the evolving landscape of material efficiency standardization, the majority of which has been undertaken in the framework of the European Ecodesign Directive, soon to be repealed by the Ecodesign for Sustainable Products Regulation. The impending policy shift will include a very broad extension of product scope, a strengthening of the way in which material efficiency aspects are addressed, and wider potential for product labelling. During the stakeholder consultation process, the European Commission announced that the durability of products would be one of the major topics in the new regulatory approach - hence the specific focus of this paper on durability scoring.
The paper first examines the policy and standardization context, and then provides an overview of material efficiency indexes and scoring systems currently in place or being developed. It highlights where standardization is following policymaking, and where standardization is paving the way for more circular products. Scoring systems and indexes could potentially be used for both (i) setting minimum requirements for products entering the EU market, and (ii) consumer labels on material efficiency aspects such as product durability that could trigger environmentally sustainable purchase decisions. Subsequently, a methodological framework for a comprehensive durability scoring system that could be developed in standards is proposed, and the potential for these to be used as a basis for product legislation is explored. Potential durability criteria are listed, divided into technical, servicerelated and further aspects. Technical aspects include external factors that influence the durability of products such as drop/shock resistance. Service-related aspects include, for example, pre-purchase information provision on battery replaceability or availability of software updates. Other aspects include for example pro.
Übersicht über den Aktuellen Stand der Durchführungsmaßnahmen der EU zur Ökodesign-Richtlinie sowie der delegierten Rechtsakte zum EU Energielabel. Der Fokus liegt auf die Änderungen bzgl. gesetzlicher Anforderungen, die Überwachung durch die Vollzugsbehörden und mögliche diesbezügliche Informationsquellen.
Übersicht über die Umsetzung des EU Green New Deal, des Circular Economy Action Plan sowie der Sustainable Product Initiative. Ebenfalls erfolgt eine Zusammenfassung der Auswirkungen der Änderungen im EU-Produktrecht auf die Revision des geltenden Rechts und das Zusammenspiel zwischen Rechtssetzung und Normung.
Überblick über den Paradigmenwechsel der EU-Rechtsetzung zu Produkten, sowie die Erweiterung des Geltungsbereiches auf Zirkularitätsaspekte (Circular Economy). Der Überblick wird anhand des Beispieles Produktlebensdauer erklärt und die Vorteile eines Zusammenspiels zwischen der Legislative und Normungsarbeit erörtert.
Digital Transformation in Materials Science: Insights From the Platform MaterialDigital (PMD)
(2024)
The digital era has led to a significant increase in innovation in scientific research across diverse fields and sectors. Evolution of data-driven methodologies lead to a number of paradigm shifts how data, information, and knowledge is produced, understood, and analyzed. High profile paradigm shifts in the field of materials science (MS) include exploitative usage of computational tools, machine learning algorithms, and high-performance computing, which unlock novel avenues for investigating materials. In these presentations, we highlight prototype solutions developed in the context of the Platform MaterialDigital (PMD) project that addresses digitalization challenges. As part of the Material Digital Initiative, the PMD supports the establishment of a virtual materials data space and a systematic handling of hierarchical processes and materials data using a developed ontological framework as high priority work items. In particular, the mid-level ontology PMDco and its augmentation through application-specific ontologies are illustrated. As part of the conclusion, a discussion encompasses the evolutionary path of the ontological framework, taking into account standardization efforts and the integration of modern AI methodologies such as natural language processing (NLP). Moreover, demonstrators illustrated in these presentations highlight: The integration and interconnection of tools, such as digital workflows and ontologies, Semantic integration of diverse data as proof of concept for semantic interoperability, Improved reproducibility in image processing and analysis, and Seamless data acquisition pipelines supported by an ontological framework. In this context, concepts regarding the application of modern research data management tools, such as electronic laboratory notebooks (ELN) and laboratory information management systems (LIMS), are presented and elaborated on. Furthermore, the growing relevance of a standardized adoption of such technologies in the future landscape of digital initiatives is addressed. This is supposed to provide an additional basis for discussion with respect to possible collaborations.
Knowledge representation in the materials science and engineering (MSE) domain is a vast and multi-faceted challenge: Overlap, ambiguity, and inconsistency in terminology are common. Invariant and variant knowledge are difficult to align cross-domain. Generic top-level semantic terminology often is too abstract, while MSE domain terminology often is too specific.
This poster presents an approach to create and maintain a comprehensive and intuitive MSE-centric terminology by developing a mid-level ontology–the PMD core ontology (PMDco)–via MSE community-based curation procedures.
The PMDco is designed in direct support of the FAIR principles to address immediate needs of the global experts community and their requirements. The illustrated findings show how the PMDco bridges semantic gaps between high-level, MSE-specific, and other science domain semantics, how the PMDco lowers development and integration thresholds, and how to fuel it from real-world data sources ranging from manually conducted experiments and simulations as well as continuously automated industrial applications.
Überblick über die Initiative QI-Digital. Schwerpunkt liegt neben den allgemeinen Zielen und Aktivitäten in verschiedenen Projekten insbesondere auf der Rolle von Datenräumen für die Qualitätsinfrastruktur (QI) und hier insbesondere Labore. Datenräume als Anker einer digitalen QI ermöglichen nicht nur sicheren und souveränen Datenaustausch sondern bieten auch Potential für neue Geschäftsmodelle.
Produktion und Handel in immer komplexeren Wertschöpfungsnetzwerken, die fortschreitende digitale und grüne Transformation sowie technologische Innovationen sind in hohem Maße auf die verlässliche Sicherung und den effizienten Nachweis der Qualität, Sicherheit und Nachhaltigkeit von Waren, Dienstleistungen und Prozessen angewiesen. Unverzichtbar dafür ist eine moderne und leistungsfähige Qualitätsinfrastruktur (QI). Der Artikel stellt die Initiative QI-Digital, ihre Ziele und Aktivitäten für die digitale Transformation der QI vor.
Detektion, Quantifizierung und Entfernung von insbesondere ultrakurzkettigen PFAS in Grundwasser
(2024)
Da PFAS in großem Umfang in einer Vielzahl von Produkten verwendet wurde, sind sie im Grundwasser in der Nähe vieler industrieller und militärischer Anlagen weltweit zu finden. Darüber hinaus führten neue Vorschriften und Beschränkungen für die Verwendung von langkettigen PFAS zu einer vermehrten Produktion kurzkettiger Alternativen. Ultrakurzkettige PFAS (≥C3) können natürliche und anthropogene Barrieren durchdringen und schließlich in Trinkwasserquellen gelangen. Zudem entfernen die meisten gängigen Trinkwasser-aufbereitungsverfahren die ultrakurzkettigen PFAS nicht ausreichend. Im Kooperationsprojekt DEFEAT-PFAS wird daher das Ziel verfolgt, Wissenslücken über Nachweis, Quantifizierung und Entfernung von kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettige (C1-C3) PFAS, in kontaminiertem Grundwasser zu schließen. Die israelischen und deutschen Projektpartner entwickeln dafür analytische Methoden and selektive Passivsammler, um das zeitliche Profil von PFAS-Spezies im Grundwasser zu erfassen und überwachen. Darüber hinaus ein zweistufiges Verfahren entwickelt, welches darauf ausgelegt ist, die relativ niedrigen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser durch neuartige Membranverfahren, Umkehrosmose im Batchbetrieb mit geschlossenem Kreislauf sowie Verbund-Nanofiltrationsmembranen, zu konzentrieren. Anschließend werden die PFAS angereicherten Konzentrate mittels Koagulation behandelt und das verbleibende PFAS an kohlenstoffhaltigen Nanomaterialien adsorbiert.
The research project focuses on tackling the detection, measurement, and elimination of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from polluted groundwater, with a particular emphasis on addressing short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain PFAS. Given the widespread use of PFAS in various products, they are commonly found in groundwater near industrial and military sites in Germany and Israel. Moreover, recent regulations limiting the use of long chain PFAS have led industries to shift towards shorter chain alternatives. Hence, our efforts are geared towards refining detection, quantification, and removal methods for short and ultrashort chain PFAS. In terms of detection, ww are developing passive sampling devices capable of collecting and tracking the temporal distribution of PFAS species in groundwater. This will enable us to analyze contaminations in German and Israeli groundwater using cutting-edge analytical techniques. Additionally, contaminated groundwater will undergo a two-stage treatment process aimed at concentrating the relatively low PFAS concentrations using innovative membrane technologies such as closed-circuit reverse osmosis and mixed matrix composite nanofiltration membrane adsorbers. Subsequently, the streams containing higher PFAS concentrations will be treated through coagulation, with the remaining PFAS being adsorbed onto carbonaceous nanomaterials. The outcome of this research will include the creation of advanced tools for detecting, measuring, and eliminating PFAS from polluted groundwater, while also enhancing our understanding of the scope of these contaminations.
Detection, Quantification and Treatment of Per and Polyfluoroalkyl substances (PFAS) in Groundwater
(2024)
The research project focuses on tackling the detection, measurement, and elimination of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from polluted groundwater, with a particular emphasis on addressing short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain PFAS. Given the widespread use of PFAS in various products, they are commonly found in groundwater near industrial and military sites in Germany and Israel. Moreover, recent regulations limiting the use of long chain PFAS have led industries to shift towards shorter chain alternatives. Hence, our efforts are geared towards refining detection, quantification, and removal methods for short and ultrashort chain PFAS. In terms of detection, ww are developing passive sampling devices capable of collecting and tracking the temporal distribution of PFAS species in groundwater. This will enable us to analyze contaminations in German and Israeli groundwater using cutting-edge analytical techniques. Additionally, contaminated groundwater will undergo a two-stage treatment process aimed at concentrating the relatively low PFAS concentrations using innovative membrane technologies such as closed-circuit reverse osmosis and mixed matrix composite nanofiltration membrane adsorbers. Subsequently, the streams containing higher PFAS concentrations will be treated through coagulation, with the remaining PFAS being adsorbed onto carbonaceous nanomaterials. The outcome of this research will include the creation of advanced tools for detecting, measuring, and eliminating PFAS from polluted groundwater, while also enhancing our understanding of the scope of these contaminations.
In order to protect natural gypsum deposits and to compensate for the decreasing amount of Flue Gas Desulfurization (FGD) gypsum it is necessary to develop and explore new sources of gypsum. For this purpose, the potentials of different gypsum wastes are investigated in the study “GipsRec 2.0”, funded by the Federal Ministry of Education and Research (Germany).
On the one hand, the project worked on a new processing technology for gypsum fiberboards (GFB). While the recycling of gypsum plasterboards has already been carried out on an industrial scale for several years, the recycling of gypsum fiberboards (GFB) has proven to be challenging. Gypsum fiberboards from demolition sites and offcuts from GFB production were used for these investigations. The tests were conducted on a technical scale. Furthermore, various synthetic gypsums are being investigated with regard to their suitability for gypsum production. The analyses are carried out on production residues.
In this project, a promising process for gypsum fiberboard recycling could be developed, as well as other waste gypsums are investigated and evaluated with regard to their potential as secondary raw material. In addition, selected process routes are assessed for their environmental impact using a life cycle assessment (LCA) approach.
Gips gehört zu den nachgefragtesten Baustoffen und entsprechend steigt der Gipsverbrauch weltweit schon seit Jahrzehnten an. In Deutschland wird der Gipsbedarf seit vielen Jahren zu einem guten Teil durch REA-Gips, einem Nebenprodukt aus der Abgasreinigung von Kohlekraftwerken, gedeckt. Die weitere Gipsversorgung erfolgt größtenteils durch die Nutzung natürlicher Gipsvorkommen. Ein geringer, aber steigender Anteil an RC-Gips aus dem Baustoffrecycling und die Nutzung synthetischer Gipse aus Nebenprodukten anderer Industriezweige sind ebenfalls zu verzeichnen. Aufgrund der nationalen Klimaschutzziele und der damit verbundenen Abschaltung von Kohlekraftwerken wird das REA-Gipsangebot in den nächsten Jahren jedoch weiter deutlich zurückgehen, so dass andere Gipsquellen erschlossen werden müssen.
Abhängig von der Lebensdauer der verwendeten Gipsprodukte im Bausektor ist infolge des in den vergangenen Jahren erfolgten Anstiegs des Gipsverbrauchs auch mit einer Zunahme von Gipsresten in Bau- und Abbruchabfällen zu rechnen. Im Hinblick auf eine bevorstehende Verknappung von Gips wird die Rückgewinnung dieser Gipse aus Bau- und Abbruchabfällen immer wichtiger. Das Recycling von Gipskartonplatten ist mittlerweile eine etablierte Technik und wird bereits seit einigen Jahren in industriellem Maßstab durchgeführt. Außerdem werden neue Verfahren zur Wiederverwertung weiterer Gipsprodukte aus Rück- und Umbaumaßnahmen untersucht. Von besonderem Interesse sind verschiedene Arten von Gipsplatten, da sie gut für selektiven Rückbau geeignet sind. Daher können sie vergleichsweise frei von Verunreinigungen oder Störstoffen zurückgewonnen werden, was für das Gipsrecycling besonders wichtig ist.
In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekt "GipsRec 2.0" werden technische, wirtschaftliche und ökologische Aspekte des Recyclings von Gipsfaserplatten sowie von verschiedenen Synthesegipsen untersucht und bewertet. Die Aufbereitung von Gipsfaserplatten erfolgte im halbtechnischen Maßstab, an verschiedenen potentiellen Ausgangsstoffen für synthetische Gipse wurden Laborversuche durchgeführt. Erfolgversprechende Verfahrenswege werden ökobilanziell bewertet. Ziel dieser Arbeiten ist die Erschließung der Sekundärrohstoffpotenziale von weiteren Quellen für die RC-Gipsproduktion um mit einer Steigerung des Gipsrecyclings die in naher Zukunft durch die Reduktion der REA-Gips-Bereitstellung entstehende Lücke in der Rohstoffversorgung zu verringern.
In order to protect natural gypsum deposits and to compensate for the decreasing amount of Flue Gas Desulfurization (FGD) gypsum it is necessary to develop and explore new sources of gypsum. For this purpose, the potentials of different gypsum wastes are investigated in the study “GipsRec 2.0”, funded by the Federal Ministry of Education and Research (Germany).
On the one hand, the project worked on a new processing technology for gypsum fiberboards (GFB). While the recycling of gypsum plasterboards has already been carried out on an industrial scale for several years, the recycling of gypsum fiberboards (GFB) has proven to be challenging. Gypsum fiberboards from demolition sites and offcuts from GFB production were used for these investigations. The tests were conducted on a technical scale. Furthermore, various synthetic gypsums are being investigated with regard to their suitability for gypsum production. The analyses are carried out on production residues.
In this project, a promising process for gypsum fiberboard recycling could be developed, as well as other waste gypsums are investigated and evaluated with regard to their potential as secondary raw material. In addition, selected process routes are assessed for their environmental impact using a life cycle assessment (LCA) approach.
Die Einstufung von Hausmüllverbrennungsasche (IBA) als gefährlich oder nicht gefährlich nach der Gefahreneigenschaft HP14 (ökotoxisch) ist nach wie vor umstritten, da es noch keine keine allgemein anerkannten Methoden zur Bewertung gibt. Wenn die Berechnungsregeln angewendet werden sollen angewendet werden sollen, sind Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung von IBA erforderlich. Informationen über über die chemische Zusammensetzung von IBA können mit einem Ansatz gewonnen werden, der auf der Gruppierung von Substanzen. Für IBA können vier Stoffgruppen definiert werden: 1. elementare und legierte Metalle, 2. leicht wasserlösliche Stoffe, 3. schwer lösliche Stoffe und 4. Stoffe mit starken chemischen Bindungen. Elementares und legiertes Cu und Zn sind in der IBA vorhanden und werden in der Regel als Nichteisenmetallfraktion zurückgewonnen, zumindest die größeren Partikel. Zn-Partikel, die kleiner als 1 mm sind, werden als H410 eingestuft, feine Partikel von Cu nur als H411. Die wasserlösliche Fraktion kann mit Standardauslaugungsmethoden quantifiziert werden Auslaugungsmethoden quantifiziert werden, z. B. bei einem Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis (L/S) von 2 oder 10 l/kg. Sowohl die Sulfate von Zn als auch von Cu gehören zu dieser Gruppe. In einer neueren Veröffentlichung wurde gezeigt, dass bei den oben genannten Metalle die ausgelaugte Menge weit unter dem Grenzwert von 1.000 mg/kg liegt, selbst wenn stöchiometrische Faktoren angewendet werden. Stoffgruppe 3 sind potenzielle H410-Stoffe. Dabei handelt es sich um Carbonate, Hydroxide und Oxide der betreffenden Elemente, die löslich sind in schwachen organischen Säuren wie Essigsäure löslich sind. Die Worst-Case-Stoffe der Gruppe 3, d. h. die Verbindungen mit den höchsten stöchiometrischen Faktoren, sind CuCO3xCu(OH)2 und ZnO. Stoffe mit starken chemischen Bindungen wie Silikate oder Sulfide sind nur löslich in starken Säuren (z.B. Königswasser) löslich und haben keinen Ökotoxizitäts-Gefahrencode. Das Mobilisierungsverhalten der relevanten Schwermetalle und damit der Gruppe der schwer schwerlöslichen Verbindungen kann mit der 4-stufigen sequentiellen Extraktion untersucht werden. Für die HP14 Einstufung könnte auch eine einstufige Extraktion ausreichend sein. Nur die Elemente Zn und Cu sind für die HP14-Einstufung der IBA von Bedeutung, da die Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unterhalb des Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unter der Cut-Off-Grenze von 0,1 % liegen, selbst wenn man sie in chemischen Verbindungen mit stöchiometrischen Faktoren. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass IBA in der Regel als nicht gefährlich einzustufen ist.
Die Einstufung von Hausmüllverbrennungsasche (HMVA) als gefährlich oder nicht gefährlich nach der Gefahreneigenschaft HP14 (ökotoxisch) ist nach wie vor umstritten, da es noch keine allgemein anerkannten Methoden zur Bewertung gibt. Wenn die Berechnungsregeln angewendet werden sollen angewendet werden sollen, sind Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung von HMVA erforderlich. Informationen über die chemische Zusammensetzung von HMVA können mit einem Ansatz gewonnen werden, der auf der Gruppierung von Substanzen. Für HMVA können vier Stoffgruppen definiert werden: 1. elementare und legierte Metalle, 2. leicht wasserlösliche Stoffe, 3. schwer lösliche Stoffe und 4. Stoffe mit starken chemischen Bindungen. Elementares und legiertes Cu und Zn sind in der HMVA vorhanden und werden in der Regel als Nichteisenmetallfraktion zurückgewonnen, zumindest die größeren Partikel. Zn-Partikel, die kleiner als 1 mm sind, werden als H410 eingestuft, feine Partikel von Cu nur als H411. Die wasserlösliche Fraktion kann mit Standardauslaugungsmethoden quantifiziert werden Auslaugungsmethoden quantifiziert werden, z. B. bei einem Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis (L/S) von 2 oder 10 l/kg. Sowohl die Sulfate von Zn als auch von Cu gehören zu dieser Gruppe. In einer neueren Veröffentlichung wurde gezeigt, dass bei den oben genannten Metalle die ausgelaugte Menge weit unter dem Grenzwert von 1.000 mg/kg liegt, selbst wenn stöchiometrische Faktoren angewendet werden. Stoffgruppe 3 sind potenzielle H410-Stoffe. Dabei handelt es sich um Carbonate, Hydroxide und Oxide der betreffenden Elemente, die löslich sind in schwachen organischen Säuren wie Essigsäure löslich sind. Die Worst-Case-Stoffe der Gruppe 3, d. h. die Verbindungen mit den höchsten stöchiometrischen Faktoren, sind CuCO3xCu(OH)2 und ZnO. Stoffe mit starken chemischen Bindungen wie Silikate oder Sulfide sind nur löslich in starken Säuren (z.B. Königswasser) löslich und haben keinen Ökotoxizitäts-Gefahrencode. Das Mobilisierungsverhalten der relevanten Schwermetalle und damit der Gruppe der schwer schwerlöslichen Verbindungen kann mit der 4-stufigen sequenziellen Extraktion untersucht werden. Für die HP14 Einstufung könnte auch eine einstufige Extraktion ausreichend sein. Nur die Elemente Zn und Cu sind für die HP14-Einstufung der HMVA von Bedeutung, da die Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unterhalb des Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unter der Cut-Off-Grenze von 0,1 % liegen, selbst wenn man sie in chemischen Verbindungen mit stöchiometrischen Faktoren. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass HMVA in der Regel als nicht gefährlich einzustufen ist.
This presentation provides an introduction and intermediate results of the Horizon-Europe STAR4BBS project.It focuses on how to maximize the potential of Sustainability Certification Schemes (SCS) and labels to support a successful transition to a sustainable bio-based economy by assessing their effectiveness, robustness, and credibility.
Barriers to transitioning to a circular bio-based economy: Findings from an industrial perspective
(2024)
The transition from a linear fossil-based to a circular bio-based economy represents an opportunity and a suitable pathway for achieving several sustainable development goals. However, the transition is a complex process since it requires transformative policies, purposeful innovation, access to finance, risk-taking capacity as well as new and sustainable business models and markets. Accordingly, the first step in this transition process is the identification of barriers that are hampering the transition to a sustainable circular bio-based economy. With this motivation in mind, this study reviews grey literature to identify barriers focusing on four critical sectors facing major challenges within the current linear economy and requiring a sustainable transition most urgently: construction, chemicals, plastics, and textile sectors. Employing an adapted STEEP methodology (Social, Technological, Economical, Environmental, Political), a total of 193 different barriers have been identified and clustered under six categories: cultural, technical, economic, environmental, governance, and structural. Regardless of the sector, cultural and structural barriers are identified as the most prominent; the lack of incentives for consumer behaviour change and lack of stakeholder collaboration were the most cited barriers among the literature records. From a value chain perspective, most of the barriers are related to the material processing and product manufacturing stage. Finally, potential solutions, extracted from the grey literature, are proposed to fill the gaps and overcome the identified barriers. Many of the identified barriers are common across the four investigated sectors, indicating the solutions or measures can be applicable in a wider perspective to promote the transition in the right direction.
Revolutionizing our polymer industry for adaption to a sustainable carbon circular economy has become one of today’s most demanding challenges. Exploiting renewable resources to replace fossil-fuel—based plastics with biopolymers such as poly(lactic acid) (PLA) is inevitable while using waste streams as a raw material resource at least is promising. When it comes to using PLA as technical polymer, its high flammability must be addressed by flame retardants compatible with the thermoplastic processing of PLA and its compostability. This study proposes microalgae enriched with phosphorus from wastewater (P-Algae) as an elegant way towards a kind of sustainable organophosphorus flame retardant. The concept is demonstrated by investigating the processing, pyrolysis, flammability, and fire behavior of PLA/P-Algae, while varying the P-Algae content and comparing P-Algae with four alternative bio-fillers (phosphorylated lignin, biochar, thermally treated sewage sludge, and metal phytate) with different P-contents as meaningful benchmarks.
Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass die Setzmaschinentechnik eine geeignete Methode ist, um Brechsande aus gemischten Bauabfällen aufzubereiten. Die Trennung des Materials in zwei Stoffströme unterschiedlicher Dichte hat sich mit einer Absenkung um 56% besonders effizient in der Reduzierung von PAK Belastungen im Feststoff erwiesen. Auch die Sulfatlast im Produktstrom wurde durch den Prozess im Vergleich zum Aufgabegut um 29% gesenkt. Neben der Erhöhung des Median Partikeldurchmessers durch Klassierungseffekte, ist die Herabsetzung verschiedener Eluatparameter ebenfalls positiv zu bewerten. Dies bezieht sich zum einen auf die elektrische Leitfähigkeit, die nach EBV von RC-3 auf RC-1 aufgewertet wurde und zum anderen auf die Chromkonzentration, die von RC-2 auf die Stufe RC-1 angehoben wurde. Die vorliegenden Aufbereitungsergebnisse erlaubten jedoch nicht eine Gesamteinordnung des Materials als Ersatzbaustoff oberhalb der Klasse RC-3. Hierzu ist eine weitere Absenkung der Eluatwerte für Sulfat um 25% von RC-3 (1325 mg L-1) auf RC-2 (< 1000 mg L-1) und des PAK-15 Wertes um 4% von RC-3 (8.3 µg L-1) auf RC-2 (< 8.0 µg L-1) erforderlich. Eine detaillierte Optimierung der Prozessparameter der Setzmaschinentechnik könnten diesen Spielraum ermöglichen.
This study explores the acceleration of material design in the concrete industry, focusing on improving carbonation resistance, a key factor in the durability of concrete structures. Traditional tests for carbonation resistance are lengthy, but with the construction industry aiming for sustainable production, finding a balance between carbonation resistance and CO2 footprint is crucial. Our research employs two innovative methods: 1. Applying the Sequential Learning App for Materials Discovery (SLAMD), an AI materials design framework, to an extensive dataset of real-world concrete compositions to selectively test materials that meet market demands: maximum durability, optimal eco-durability, and the best cost-durability trade-off. 2. Investigating 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry as a quick alternative for characterizing carbonation behavior, as it saves time compared to traditional tests and assesses the complete material's pore space. Specific NMR features are then integrated into the material design model, with the model's performance compared against traditional approaches. The results of our study are compelling, demonstrating that materials can be precisely tailored to meet specific requirements with minimal data points. This marks a significant stride in the concrete industry, indicating that NMR-based, low-fidelity surrogate characterizations, combined with a focused, data-driven design approach, can substantially accelerate the development of durable, sustainable concrete mixtures.
Im Rahmen eines vom Umweltbundesamt geförderten Forschungsprojekts wurde untersucht, ob die Abtrennung der Feinfraktion (0-2 mm) eine Verbesserung der umweltrelevanten Eigenschaften bewirkt und somit HMVA-1 erreicht werden kann. In Deutschland wird die Rostasche durch Nassentschlackungssysteme aus dem Feuerraum ausgetragen. Durch den Kontakt mit Wasser setzen direkt hydraulische Reaktionen ein, die eine vollständige Abtrennung der Feinfraktion unmöglich machen. Das wurde bereits in den 1990er Jahren erkannt und führte zur Entwicklung des ABB InRec Verfahrens mit Trockenentaschung als ersten Verfahrensschritt. Auch damals war das Ziel eine möglichst inerte Rostasche für die Verwertung zu erzeugen. In den letzten Jahren wurden in der Schweiz Trockenentaschungssystem installiert, hier vor allem um die Rückgewinnung von elementaren Metallen auch in der Feinfraktion zu verbessern. Welche Potenziale sich dabei erschließen lassen, wurde in einem anderen UBA-Projekt untersucht. Im Rahmen unserer Arbeiten wurde versuchsweise trockene Rostasche an einer Anlage in Süddeutschland genommen und im Labor untersucht. Im Vortrag werden die Ergebnisse zum Auslaugverhalten und zur Gefahreneigenschaft HP14 (Ökotoxizität) vorgestellt.
The use of ashes from municipal solid waste incineration as secondary building materials is an important pillar for the circular economy in Germany. However, leaching of potential toxic elements from these materials must be at environmentally acceptable levels. Normally, a three-month ageing period immobilizes most hazardous heavy metals, but antimony (Sb) and vanadium (V) showed previously unusual leaching. In order to clarify the mechanisms, we analyzed the Sb and V species in various bottom and fly ashes from municipal waste incineration by XANES spectroscopy. Antimony oxidizes from Sb(+ III) species used as flame retardants in plastics to Sb(+ V) compounds during waste incineration. However, owing to the similarity of different Sb(+ V) compound in the Sb K- and L-edge XANES spectra, it was not possible to accurately identify an exact Sb(+ V) species. Moreover, V is mainly present as oxidation state + V compound in the analyzed ashes. However, the coarse and magnetic fraction of the bottom ashes contain larger amounts of V(+ III) and V(+ IV) compounds which might enter the waste incineration from vanadium carbide containing steel tools. Thus, Sb and V could be critical potential toxic elements in secondary building materials and long-term monitoring of the release should be taken into account in the future.
Infrared thermography using a focused (spot or line) beam has proved to be effective for detection of surface breaking cracks on planar samples. In this work, we use the same principle, but applied to complex shaped components, like a rail section, a gear, and a gas turbine blade. We use a six-axis robot arm to move the sample in front of our thermographic setup. Several scanning paths and thermographic parameters are explored: scanning speed, density of points in each scanning slice, laser power and camera frame-rate. Additionally, we explore semi-automatic evaluation algorithms for crack detection, as well as 2D-to-3D registration of the found indications.
The present work demonstrates a sustainable approach of using relatively coarser iron ore particles for ironmaking. The motivation is to reduce the energy consumption in the milling of the iron ore by utilizing coarser iron ore particles (+0.05 mm) and to select a suitable binder for improving pellet properties. Iron ore fines in the range of 0.05–0.25 mm was selected and classified into three size ranges. Fluxed iron ore pellets were prepared using lime as a binder for the basicity of 0, 1, and 2. Reduction of these pellets with a packed bed of coal fines was performed in the temperature range of 900–1200 °C for a duration of 30–120 min. The direct reduction kinetics of the iron ore pellets were studied by employing diffusion and chemical reaction control models to the experimental data. The results show that pellets made with coarser iron ore particles have improved reduction behavior and kinetics. The reduction reaction is found to be a mixed control. The activation energy for the reduction reaction varies from 44.3 to 74.76 kJ mol−1 as iron ore particle size decreases from 0.25 to 0.05 mm and basicity increases from 0 to 2.
The energy demand of private households contributes globally to 36.5% of the total CO2 emissions. To analyze the emissions reduction potential, we conducted a comparative life cycle assessment of a proton exchange membrane fuel cell in a residential application and a conventional system with a stand-alone gas condensing boiler and electricity from a grid mix. The period under review was referred to as the service life of the PEMFC and is assumed to be 10 years (83,038 h of PEMFC). The applicability of this in a single-family house built between 1991 and 2000 under German climatic conditions was investigated. The functional unit is set to the thermal energy demand of 16,244 kWh/a and electricity demand of 4919 kWh/a of a single-family house. The impact assessment method “CML 2001–August 2016” was used in this investigation. The manufacturing phase of the proton exchange membrane fuel cell showed disadvantages, whereby the use phase had significant advantages in most of the environmental impact categories as compared to the conventional energy supply system. Considering the whole life cycle, the advantages from the use phase could outperform the disadvantages from the manufacturing phase in most of the impact categories, except for ADP elements and TETP.
Thermochemische Aufarbeitung von Stahlwerksstäuben und -schlämmen zur Zink- und Eisenrückgewinnung
(2024)
Stahlwerksstäube und -schlämme enthalten in der Regel Schwermetalle wie Zink, Blei und Cadmium, die ein direktes Recycling verhindern und diese Stoffe potenziell umweltgefährdend machen. Um diese Schwermetalle aus den Materialien zu entfernen, werden drei thermochemische Verfahren zur Aufarbeitung von Gichtgasschlamm, Elektroofenstaub und ähnlichen Stahlwerksstäuben vorgestellt. Zum einen kann die Mischung von Elektroofenstaub mit chloridhaltigen Lösungen, wie sie z. B. in der Titandioxidproduktion anfallen, gemischt werden, um bei der thermischen Behandlung Schwermetallchloride zu effektiv verdampfen. Weiterhin kann der im Gichtgasschlamm enthaltene Kohlenstoff genutzt werden, um in Mischungen aus Gichtgasschlamm und Elektroofenstaub bei der thermischen Behandlung als Reduktionsmittel zu wirken. Dieses Verfahren führt zur Rückgewinnung von Zink und metallischem Eisen und wird im Technikums- und Pilotmaßstab erprobt. Abschließend wird die Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsmittel für Elektroofenstaub vorgestellt. Hierbei lässt sich der Reststoff potenziell klimaneutral in Eisenschwamm umwandeln, wobei die chemischen Grundlagen anhand von DTA-Experimenten und thermodynamischen Simulationen ergründet werden.
Rotschlamm fällt in sehr großen Mengen bei der Herstellung von Aluminiumoxid an und wird fast ausschließlich deponiert. Es wird eine neue Technologie vorgestellt bei der das im Rotschlamm enthaltene Eisenoxid mittels Wasserstoffplasma reduziert wird. Es wird ein Reaktionsmechanismus über Titanomagnetit und Hercynit vorgeschlagen.
Nondestructive testing of gas turbine blades is essential for their maintenance and service process which is critical to ensure both safety and efficiency of these highly stressed parts. In this presentation, a novel ultrasonic testing method is explored in order to acquire part thickness information in the turbine blade’s airfoil. In established industry processes, the measurements are mainly carried out manually and only at a few specific positions of the inspected parts. The proposed method scans the part using a robot arm guiding an ultrasonic array sensor. For ultrasonic coupling to the complex-shaped surface geometry, the inspected part and sensor are immersed into water. A two-step TFM[1, 2] (Total Focusing Method) approach is used to reconstruct the outer and inner surfaces subsequently from the ultrasonic raw data, which are acquired using the FMC[3] (Full Matrix Capture) measurement principle. For each sensor position, the location and geometry of the outer surface is first identified and then used to create an image of an area inside the material. From that image, the inner surface is reconstructed. Finally, part thickness information is deducted from merging location data of inner and outer surface. The result is a high resolution, high precision mapping of the inspected part’s wall thickness.
Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen.
Offshore wind energy plays an important role for the desired transition towards a carbon dioxide free industry within the next decades. However, the grounding of the offshore wind plants governs the overall installation process besides bureaucratic bottlenecks.
The application of lightweight principles in steel construction, e.g. the usage dissolved load-bearing structures, so called Jackets foundations, offer great potential in reducing the resource consumption, especially with respect to the needed amount of steel.
In this context this paper focuses on a fully digitalization of the welding manufacturing and as well as testing chain to enable a fully automated manufacturing as well as quality assessment of tubular nodes as key element of Jackets foundation structures. Furthermore, the relationship between the seam shape geometry and resulting fatigue strength is evaluated by numerical methods incorporating bionic principles. It is shown that tubular nodes can be welded fully automatically taking geometry tolerances into account. Moreover, the seam shape could be manufactured as requested by the numerical models which offers great potential for an extended lifetime. Subsequently, the improvements in resource efficiency and reduction of carbon dioxide emissions are evaluated by a life-cycle-assessment.
The European Commission has recently announced two guiding principles for EU product policy: First, product policy shall ensure that the performance of front-runner products in terms of sustainability becomes the norm, and second, the effectiveness of the current Ecodesign legislative framework is going to be significantly improved. Within this paper, already existing front-runner approaches and recent and ongoing product policy-making processes were reviewed. Based on the results, an EU front-runner approach is outlined. The presented approach (i) refers to performance levels of the best products already available on the market, (ii) aggregates information in existing databases, and (iii) works semi-automated. Together, all three attributes have a high potential to facilitate and accelerate the specification of appropriate minimum requirements for products at the EU level. This way, EU policymakers can deliver on the core objectives of the Ecodesign legislative framework much better. The basic mechanism and its legal entrenchment of the approach are illustrated for the energy efficiency of energy-related products. In addition, the Front-Runner Approach can be applied to any product group in the scope of the upcoming Ecodesign for Sustainable Products Regulation and to a wide range of product-related minimum requirements, such as durability, reparability, or recycled content. The study’s objective is to suggest a tailor-made and dynamic approach to keep the EU product legislation up to date using innovative technology based on the investigation of current regulations and identify the gap. Experiences from three international case studies suggest that a front-runner approach to setting energy-performance standards can drive innovation and reduce energy consumption via promoting energy-efficient products; transparency about available products is one of the key factors and can be established by a database. The EU front-runner approach comprises extending the existing energy label database (or making use of the digital product passport) and introducing a legislative procedure that triggers changes in the energy efficiency requirements in the specific EU regulations if the database shows that a certain threshold value is reached. Challenges such as limited EU staff capacities and opportunities such as increased dynamic are discussed.
In manufacturing, fusion welding processes use a lot of resources, which presents an opportunity to reduce environmental impact. While there is a general understanding of the environmental impact of these processes, it is difficult to quantitatively assess key parameters. This study introduces a welding-specific methodology that uses life cycle assessment (LCA) to evaluate the environmental impact of fusion welding technologies. Our approach analyses the main parameters that affect the environmental performance of different welding techniques, including traditional methods and additive manufacturing through the Direct Energy Deposition-Arc (DED-Arc) process. We integrate real-time resource usage data to offer an innovative framework for directly deriving environmental impacts. This research contributes to optimising welding processes by providing a precise and quantifiable measure of their ecological impact, facilitating the advancement of sustainable manufacturing practices.