Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Lightweight concrete with recycling aggregates made from masonry rubble and rubble-clay mixtures
(2018)
Structural lightweight concrete is a construction material composed primarily of lightweight aggregates (LWA), cement and water. Most LWA are produced by thermal treatment of natural raw materials such as clay and shale today. In addition to the high energy costs thereby incurred, the availability of suitable raw materials is limited. An alternative is the use of recycling LWA made from mineral construction and demolition waste. Recycling LWA made from masonry rubble and rubble-clay mixtures were studied in two different research projects. The technology pursues the idea of feedstock recycling, which means the recycling is based on the chemical and mineralogical composition of the masonry rubble and clay. The recycling LWA are produced in a multistage manufacturing process by thermal hardening in laboratory and pilot scale. Their particle bulk densities and particle strengths vary between 600 and 2000 kg/m³ and 1.5 and 13 MPa, respectively. Their equivalence to traditional LWA was proven in comprehensive tests of the aggregates themselves as well as the mortars and concretes made therefrom. Our contribution reports on the results of the characterization of the recycling aggregates compared to expanded clays and the studies on LWA concretes.
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 in hochwertigen 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 Prozentbedingt 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) sollen unter anderem als leichte Gesteinskörnung für Betone verwendet werden. Gegenstand dieses Beitrags sind Ergebnisse aus dem Verbundforschungsprojekt „RC-Leichtgranulate“ zum Einsatz der RCG in Leichtbeton.
Das Projektziel bestand in der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von leichter Gesteinskörnung für Beton und Mörtel aus ziegelhaltigen Bau- und Abbruchabfällen durch thermische Porosierung. Hierzu erfolgte nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess eine thermische Stabilisierung der RC-Granulate (RCG). Nach Laborversuchen wurden RCG im halbtechnischen Maßstab hergestellt. Als Ausgangsmaterial dienten Mauerwerk-bruch bzw. Gemische aus Mauerwerkbruch und Ton. Dabei wurde die gesamte Prozess-kette vom Granulieren der Ausgangsmehle bis zur thermischen Behandlung im Drehrohro-fen in einem Produktionsschritt dargestellt. Die erzeugten RCG sind mit Rohdichten zwischen 780 und 1800 kg/m³ leichte Gesteinskörnungen. In den Applikationsuntersuchungen erfolgte eine vollständige Verwertung des gesamten beim Brennprozess entstehenden Materials, von den Körnungen kleiner 2 mm für leichte Steinergänzungsmörtel (Leichtmörtel) bis zu den Körnungen 2-8 mm für Leichtbeton. Die RCG und die damit erzeugten Betone wurden umfangreich charakterisiert. Die Leichtbetone mit RCG wurden abschließend in Applikationsversuchen eingesetzt.
Mineralische Bauabfälle stellen in den Industrienationen den größten Abfallstrom dar. Allein in Deutschland fallen jährlich mehr als 50 Mio. Tonnen Bauschutt an, der haupt-sächlich 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 in hochwertigen 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 Aufberei-tung zwangsläufig anfallenden Feinkornanteil von 30 bis über 40 Prozent bedingt ist.
Defizite in der Verwertung bestehen also besonders bei heterogenen feinkörnigen Ge-mischen. Hier müssen Ansätze gefunden werden, um eine hochwertige Wiederverwertung zu ermöglichen. Dafür ist eine möglichst gute Trennung der einzelnen Materialfrak-tionen 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) sollen unter anderem als leichte Gesteinskörnung für Betone verwendet werden. Gegenstand dieses Beitrags sind Ergebnisse aus dem Verbundforschungsprojekt „RC-Leichtgranulate“ zum Einsatz der RCG in Leichtbeton.
The challenge of the project ASHES is focused on the recycling of nutrients from residues of thermochemical processing of by-products of sugar cane industry (bagasse/straw) in Brazil to increase the energy efficiency of thermal conversion and to enable the recycling of process ashes as fertilisers. Dry lignocellulosic biomass (straw, bagasse) are combusted, gasified and subsequently combined with post-thermochemical treatment in the AshDec process to increase the plant availability of phosphorus. Different fertilizer formulations are granulated/pelletized and tested regarding their storage/handling characteristics.
Optimierung eines pyrometallurgischen Tantal- und Niob- Recyclingprozesses mithilfe von On-Line LIBS
(2018)
Die Entwicklung von Hochleistungselektronik zu immer kleineren Bauformen ohne Leistungseinbußen ist ohne den Einsatz von Technologiemetallen wie Niob und Tantal heute praktisch nicht mehr realisierbar. Besonders in technischen Geräten wie Smartphones und Tablets sind Tantal- und Niobkondensatoren aufgrund ihrer hohen Leistungsdichten bereits unverzichtbar geworden. Für die nachhaltige Produktion von Elektronik stellt jedoch vor allem das Tantalerz Coltan als sogenanntes „conflict mineral” ein großes Problem dar.
Um den Wirtschaftsstandort Europa unabhängiger von Primärrohstoffimporten aus Krisenregionen zu machen, ist die Entwicklung von effizienten Recyclingverfahren heute wichtiger denn je. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) findet daher zurzeit die Optimierung eines pyrometallurgischen Industrieprozesses zur Niob- und Tantalrückgewinnung statt, welchem hauptsächlich niedrigkonzentrierte metallurgische Rückstände aus der Tantal- und Niob- bzw. der Zinngewinnung als Einsatzstoffe dienen.
Zu diesem Zweck werden im kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM (480 kVA, max. Materialdurchsatz ca. 150 kg/h) Versuche mit einem neuen innovativen Messgerät durchgeführt, welches eine On-Line Analyse von Hochtemperaturprozessen ermöglicht. Der eingesetzte Prototyp nutzt das Verfahren der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS), um die chemische Zusammensetzung der Schlackephase noch im Schmelzbad und während eines Schlackeabgusses zu bestimmen. Nach einer Kalibrierung auf das vorliegende Stoffsystem ermöglicht dieser On-Line-LIBS Prototyp der BAM daher eine in-situ Bestimmung der Elementverteilung in der Schmelze. Die hier gewonnenen Daten sollen helfen, die aktuelle Prozessführung zu verbessern und die Tantal- und Niobausbeute noch weiter zu erhöhen.
Project ASHES – nutrient recycling from the thermo-chemical processing of waste bagasse and straw
(2017)
Recycling of nutrients from residues of thermo-chemical processing of bagasse/sugar cane straw. The project ASHES is a German-Brazilian collaborative research project and is focused on the recycling of nutrients from residues of thermo-chemical processing of by-products of sugar cane industry (bagasse/straw) in Brazil. The challenge of the project is to increase the energy efficiency of thermal conversion (combustion/gasification) and to enable the recycling of process ashes to close material cycles by gaining adequate and competitive fertilizers as well as (functional) fillers in (bio-)polymer compounds. For this purpose, phosphorus salts are recovered from bagasse, straw, filtercake and vinasse with leaching and precipitation. The AshDec process was used to increase the availability of phosphorus for plant uptake in the ashes. Additives like sewage sludge and chicken manure were also tested. Different fertilizer formulations are granulated/pelletized and tested regarding their storage/handling characteristics. The fertilizing effects are evaluated in plant growth tests and compared with common extraction methods and the new promising diffusive gradients in thin films (DGT)-method. The results of the agronomic investigation of various ashes based products should provide targeted and integrated recommendations for the thermal conversion of bagasse/straw to secondary fertilizers in line with the so-called Next Generation fertilizer strategy. ASHES-partners are Fraunhofer UMSICHT (coordinator), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Fraunhofer IGB, Forschungszentrum Jülich (FZJ), CUTEC Institute, the Brazilian Center for Research in Energy and Materials (CNPEM), Federal Institute of Goiás (IFG), Laboratório Nacional Agropecuario (LANAGRO) and the Universidade Federal de Goiás (UFG), as well as the companies Tecnaro and Outotec.
Die Rückgewinnung gediegener Massenmetalle wie Aluminium und vor allem Kupfer auch aus der Feinfraktion (< 2 mm)von Hausmüllverbrennungsaschen (HMVA) wird in einigen Aufbereitungsanlagen heutzutage bereits wirtschaftlich betrieben. Nach entsprechender Aufreinigung des Nichteisenmetallgemisches spielt dabei die Vergütung von Edelmetallen wie Gold und Silber zunehmend eine zentrale Rolle. Analog zur mechanischen Aufbereitung der Grobfraktionen von HMVA existieren auch für diesen Feinkornbereich verschiedene Verfahrensansätze. Daraus resultieren entsprechend spezielle mineralische Restfraktionen, die heutzutage deponiert werden. Bereits in frischer HMVA beträgt der Anteil an Korngrößen < 2 mm aber 25 M%. Durch die vorgeschalteten Aufbereitungsschritte erhöht sich dieser Anteil zum Teil noch einmal erheblich. Im Sinne einer weitestgehenden Verwertung von HMVA darf dieser Massenstrom nicht außer Acht gelassen werden.
Ziel des im Rahmen der Fördermaßnahme KMU innovativ vom BMBF geförderten Projektes OPTIMIN (Optimierung der stofflichen Verwertung mineralischer Rückstände aus der Abfallwirtschaft) ist es, die mineralische Fraktion von HMVA zu hochwertigen Zuschlagstoffen aufzubereiten. Während ein Großteil der Grobfraktionen voraussichtlich im Asphalt und Beton verwertet werden können, stellt die Feinfraktion < 2 mm eine besondere Herausforderung dar. Als ein möglicher Verwertungsweg wird in der Branche immer wieder die Verwendung als Zuschlagstoff in der Zementklinkerproduktion diskutiert. Seitens des Projektpartners HOLCIM AG wurden dafür Grenz- und Richtwerte vorgegeben. An der BAM werden unterschiedliche Aufbereitungsansätze getestet, um diese Werte zu erreichen und um anschließend die Möglichkeiten dieses Verwertungsweges besser abschätzen zu können.
Im Vortrag wird zunächst der aktuelle Stand der Technik zur Aufbereitung von HMVA dargestellt. Fokus liegt dabei auf dem Feinkornbereich < 2 mm und auf dem Einfluss der unterschiedlichen Verfahrensansätze auf eben diese Fraktion. Probleme und Möglichkeiten, die sich aus den vorgeschalteten Aufbereitungsschritten ergeben werden diskutiert und erste Ergebnisse der assoziierten Untersuchungen an der BAM vorgestellt.