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Paper des Monats
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The increasing importance of resource availability and closed-loop material cycles are driving materials research to reduce alloying content in conventional materials or even substitute them with more sustainable alternatives. Intermetallic iron aluminide alloys (FeAl) present a potential alternative. Many alloy concepts for improved high-temperature properties or ductility have already been successfully implemented in casting technologies on a laboratory scale. However, successful testing of FeAl alloys on an industrial scale was still pending at the beginning of the project.
Therefore, the aim of the project was to develop simulation based casting concepts for industrial casting processes using the base alloy Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B and to narrow down process limits by means of hot cracking tests. Findings were transferred into practice-oriented guidelines for casting of iron aluminides, which is accessible to future applicants in SMEs. The focus was placed on centrifugal casting combined with investment casting or die casting. In addition to numerous design and casting process parameters, heat treatments and alloying additions (Al, Mo, B) were varied to determine the influence of alloying elements on castability, microstructure and mechanical properties. Data from microstructure analyses (microscopic imaging, determination of grain sizes as well as phase compositions and volume fractions, fractography), mechanical tests (hardness measurements, compression tests, ambient and high-temperature tensile tests, creep tests) as well as measurements of thermophysical properties could be generated on the base alloy. Correlations of materials data with process variables allowed conclusions to be drawn on strengthening mechanisms and ductility of the alloy and how they can be controlled in terms of processing and component design. Successful casting of highly complex components with thin wall thicknesses and optimised alloy compositions points out prospects for new fields of application.
Fatigue is one of the most prevalent issues, which directly influences the service life expectancy of concrete structures. Fatigue has been investigated for years for steel structures. However, recent findings suggest that concrete structures may also be significantly subjected to fatigue phenomena that could lead to premature failure of certain structural elements. To date, fatigue of reinforced concrete has been given little focus. Knowledge on the influence factors and durability/capacity effects on this material should be improved. Current technological means to measure fatigue in civil structures like bridges and wind turbines (both onshore and offshore) are outdated, imprecise and inappropriate.
Meanwhile, this topic has got much more attention as time-variant loading on concrete structures plays an increasing role, e.g. in bridges with increasing traffic and heavier trucks, and for wind turbines for renewable energy production, e.g. for offshore wind turbine support structures affected by wind and waves.
The European Innovative Training Networks (ITN) Marie Skłodowska-Curie Actions project INFRASTAR (Innovation and Networking for Fatigue and Reliability Analysis of Structures - Training for Assessment of Risk) provides research training for 12 PhD students. The project aims to improve knowledge for optimizing the design of new structures as well as for more realistic verification of structural safety and more accurate prediction of the remaining fatigue lifetime of existing concrete structures.
First, the INFRASTAR research framework is detailed. Then it will be exemplified through the presentation of the major results of the four PhD students involved in the work package dealing with auscultation and monitoring. This includes the development and improvement of Fiber Optics (FO) and Coda Wave Interferometry (CWI) for crack sizing and imagery, new sensor technologies and integration, information management, monitoring strategy for fatigue damage investigation and lifetime prediction.
Im Rahmen eines vom BMBF geförderten KMU-Innovativ Forschungsprojekts (KKZ 0316199B) konnte in Kooperation mit der Firma Greibo Chemie GmbH ein bio-katalysierter Prozess zur Hydrolyse und Veresterung von gastronomischen Altfetten etabliert werden. Unter Anwendung des Enzyms Candida antarctica lipase-A (CAL-A) kann dieser Prozess mit einem teilweise wässrigen Medium durchgeführt werden was prozesstechnisch einige Vorteile mit sich bringt. Im Gegensatz zu anderen Acyltransferasen ist die CAL-A nicht nur in der Lage die Alkoholyse zu katalysieren sondern auch Fettsäuren zu verestern. Dies eröffnet eine breitere Anwendung des Prozesses auf weitere Produktgruppen und Abfallströme. Es wurden Optimierungen mit modifizierten Enzymen und verschiedenen Fetten und Alkoholen vorgenommen. Des Weiteren wurden die verfahrenstechnischen Parameter optimiert und ein Scale-up auf den 0,5 Tonnen Maßstab durchgeführt. Die aus dem Prozess resultierenden Fettsäureester eignen sich als Motoren- oder Hydraulikbasisöle sowie als Metallbearbeitungsöle. Im Vergleich zu den Mineralölkosten von ca. 1,0 - 1,5 € pro kg muss bei einer Umstellung eines Hydrauliköls auf Fettsäureester (konventionell hergestellt) allerdings bei einem Preis von 3 – 5 € pro kg mit Mehrkosten bei gleichbleibendem Verbrauch gerechnet werden. Für die erfolgreiche Markteinführung müssten vermutlich die durchaus vorhandenen ökologischen Vorteile der Altfett-basierten Produkte beworben werden.
Klärschlammaschen weisen hohe Gehalte an Phosphor auf, dieser ist allerdings schlecht für Pflanzen verfügbar. Des Weiteren enthalten sie Schwermetalle die vor dem Einsatz als Düngemittel entfernt werden müssen. Vor diesem Hintergrund wurden in den letzten Jahren nasschemische und thermochemische Verfahren entwickelt und zum Teil bereits in Demonstrationsanlagen getestet. Ein thermochemischer Verfahrensansatz wird in diesem Beitrag näher vorgestellt. Klärschlammaschen werden mit Klärschlamm als Reduktionsmittel und Natriumsulfat als Aufschlussmittel im Drehrohrofen thermisch behandelt. Bei diesem Prozess wird pflanzenverfügbares NaCaPÜ4 gebildet, unerwünschte Elemente wie As, Cd, Hg und Pb werden zum Teil über die Gasphase separiert. Die Ergebnisse eines Demonstrationsversuchs werden vorgestellt.
Recovery of rare earth elements - optimized elemental analysis of fluorescent lamp shredder waste
(2016)
Rare earth elements (REE) are a crucial component of fluorescence lamps. Several procedures have been developed to recovery these technological important elements. Nevertheless, actual REE recycling from fluorescence lamps is scarce so far (recovery rate of less than 1 %), with current recycling approaches concentrating on glass recovery. Since most recycling processes include several, also wet-chemical steps, a complete knowledge of the actual elemental composition of the respective mass flows is necessary for an efficient REE recovery. We tested seven different reagent mixtures for microwave-assisted digestion of fluorescent lamp shredder, including HF, HClO4, and H2O2. We determined the concentrations of 25 of the most relevant rare earth and other trace elements in the respective dilutions. Two independent digestions, one a mixture of perchlorid/nitric/hydrofluoric acid and the other aqua regia, showed the highest concentrations of 23 of these elements, excluding only Sn and Tb. The REE concentrations in the tested lamp shredder sample (stated in g/kg) were 10.2 (Y), 12.1 (La), 7.77 (Ce), 6.91 (Eu), 1.90 (Gd), and 4.11 (Tb).
Über den derzeitigen und zukünftigen Umgang mit Klärschlamm wird in Deutschland seit Jahren kontrovers diskutiert. Zum einen enthalten kommunale Klärschlamme Nährstoffe, die sinnvoller Weise wieder in die landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion eingebracht werden sollten. In diesem Zusammenhang steht Phosphor im Vordergrund, da diese Ressource begrenzt ist und deren zukünftig zu erwartende Knappheit neben der geringen Anzahl an Exportländern für Rohphosphate zu unberechenbaren Preissprüngen am Weltmarkt führen können. Zum anderen stellt Klärschlamm die Schadstoffsenke in der Abwasserreinigung dar, was den direkten landwirtschaftlichen Einsatz dieses Abfalls bedenklich macht. Zwar nahm die Konzentration der umweltrelevanten Schwermetalle in Klärschlämmen in den vergangenen Jahren deutlich ab (Wiechmann, Dienemann et al. 2012), die Belastung mit organischen Schadstoffen (z.B. Pharmazeutika, endokrin wirksame Substanzen, persistente organische Stoffe etc.) ist jedoch unüberschaubar und dürfte sich einem sinnvollen „Monitoring“ weitgehend entziehen. Das daraus resultierende Risiko für Mensch und Umwelt ist schwer einschätzbar und wird aufgrund der Beschaffenheit der diffusen Schadstoffquellen (z.B. Eintrag von Pharmaka und deren Metabolite über menschliche Ausscheidungen) unkalkulierbar bleiben.
Complete survey of German sewage sludge ashes - phosphorous and technology metal recovery potential
(2014)
Sewage sludge ashes (SSA) are a possible source for recovery of phosphorous (P) and technology metals. Phosphorous is essential for all animate beings. So far, its sole external source is rock phosphate, which is a finite resource. The EU import dependency on P from regions with high domestic demands or political instabilities is almost complete. Furthermore, rock phosphate often contains high amounts of heavy metals like Cd and U that might lead to health and environmetal hazards. P recovered from SSA might diminish these problems. We analyzed SSA from German mono incineration facilities in terms of their elemental composition and respective recovery potential. More than 97% of the emerging SSA is monitored, enabling the determination of complete mass flows of the ashes and their components. Results indicate a P recovery potential of 19,000 t/a (more than 12% of the annual P demands for fertilizer production). The concentrations of Cd and U in SSA are significantly lower than in rock phosphate and thus might help to reduce possible envrionmental and health hazards.
Phosphorus (P) is essential for all forms of life and cannot be substituted. It is one of the macro nutrients applied in form of mineral or organic fertilizers in agricultural crop production. Mineral P fertilizers are generally based on phosphate rock, a limited resource. Western Europe completely depends on imports as it has no own relevant phosphate mines. The most abundant phosphate deposits are located only in a few countries such as Morocco, China, South Africa and the United States of America. Furthermore, phosphate rock and as a consequence mineral P fertilizers are often contaminated with the toxic elements cadmium and uranium. In Order to substitute phosphate rock P-bearing waste streams are investigated for their potential to be recyded as fertilizers. Wastewater is one of the important P-bearing waste streams that were in the focus of research in the last 10 years. German wastewater is e.g. a carrier of approx. 70,000 t of phosphorus per year.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
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.