Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
Recycled fertilizers produced using processes for the recovery of phosphate from residual materials such as wastewater, sewage sludge and sewage sludge ashes show very good bioavailability, but it is still a product largely unknown to the market. The aim of CLOOP is therefore to document the properties and effects of such fertilizers through chemical, mineralogical and ecological analyses as well as analytical method development and pot and field plant growth trials.
Outotec focused on 3 points in CLOOP: Experimental campaigns, process simulations as well as economic analyses with focus on the AshDec process, respectively the design of a large-scale AshDec plant for phosphorus recovery. The laboratory scale trials as well as the semi-industrial scale campaign provided valuable insights into the operating parameters of the process and the plant. As a result, for example, the temperature range could be significantly lowered, and the additive addition reduced by approx. 20 %. They have further shown that the AshDec process is not susceptible to operating fluctuations and that the product can be consistently produced at high quality. With the selection of suitable operating parameters, heavy metals (As, Pb, Cd, (Zn)) can be removed. Within the campaign, about 1.5 t of fertilizer for the plant trials in CLOOP could be produced. An AshDec plant process was digitally created in simulation software, allowing valuable process parameters to be simulated at various operating parameters. On this basis, a full-scale plant was designed. The data obtained in the project were used for a detailed economic analysis including a sensitivity analysis. It was possible to show under which conditions this plant can be operated economically.
At BAM, the AshDec fertilizer was synthesized with different additives and then applied to plant experiments at Uni Bonn. The goal hereby was to check differences in plant uptake. Because of the promising results of AshDec synthesized with sodium-carbonate and because this AshDec version does not require special off gas treatment for sulfur recovery (compared to AshDec synthesized with sodium-sulfate), all project partners agreed on continuing working with this AshDec variation. It was then used as a raw P-source for formulating it into NPK-fertilizers, by granulation with ammonium-sulfate and straw ash as potassium source. These recycling fertilizers were applied to plant- and field experiments by project partners in Brazil (University of Sao Paulo) and Australia (University of Queensland). Furthermore, in leaching experiments, the solubility of phosphorus in AshDec was compared to triple super phosphate. The experiments were carried out on soils with a varying phosphorus buffering index. Results show, that the phosphorus form in AshDec is way less soluble in water. This indicates that AshDec has the potential for a so-called next generation fertilizer – a fertilizer which’s nutrients remain in the soil and supply the plant according to its needs. At the moment, this behavior gets examined more in depth in lysimeter experiments in cooperation with University of Technology Berlin.
The focus of KWB is the Life Cycle Assessment (LCA) of different NextGen fertilizers to evaluate the entire process chain from recovery to fertilizer application. The NextGen fertilizer is credited by the amount of plant available nutrients in the product, which replace nutrients from conventional fertilizer. The LCA covers N-struvite precipitation from municipal wastewater, K-struvite precipitation from industrial wastewater and the AshDec-product from sewage sludge. The LCA task is almost complete. It could be shown that struvite precipitation has comprehensive environmental benefits, mainly since positive side effects occur in sewage sludge treatment (e.g. reduced sludge volume). In principle, the energetic and ecological profile of the AshDec process compared to direct use of sewage sludge ash cannot be assessed as being generally beneficial or negative. Regarding the global warming potential, the Ashdec process shows that the expenses (e.g. energy, chemicals) cannot be covered by the P fertilizer credit. In contrast, the impact categories “terrestrial acidification potential”, and “freshwater eutrophication potential” show positive results as the credits for conventional fertilizer are higher than the burdens for the process.
At University Bonn, the standardized pot experiments were conducted with several AshDec variations, using ryegrass, soybean, and spinach on a slightly acidic sandy soil and an organic-free standard substrate. P-uptake and biomass production of different AshDec variations were generally like those of triple super phosphate and struvite, and clearly outperformed untreated sewage sludge ash and rock phosphate. Field trials in Australia and Brazil with sugarcane on acidic soils are still ongoing and results are expected by the end of 2021.
extraWERT Forschungsvorhaben
(2022)
Die novellierte AbfKlärV (2017) beinhaltet die Verpflichtung zum P-Recycling ab einem P-Gehalt im Klärschlamm von 20 g/kg. Im Vortrag werden Ergebnisse des Forschungsvorhabens extraWERT zu diesem Themenkomplex vorgestellt. Es werden Untersuchungen zu P-Gehalten deutscher Klärschlämme und zu den zulässigen Analysemethoden dafür vorgestellt.
Sewage sludge ashes (SSA) contain up to 13% P and are thus promising raw materials for fertilizer production. However, SSAs also contain heavy metals and the main P-bearing mineral phases whitlockite and aluminium phosphate are poorly bioavailable. We developed and patented a process that produces fertilizers from SSA addressing the above mentioned challenges. SSA is thermo-chemically treated at ~950°C under reducing conditions (reductive: dry sewage sludge) in a rotary kiln together with an alkali compound such as sodium or potassium sulfate, hydroxide or carbonate. Some undesired trace elements such as As, Hg, Pb and Cd are evaporated and separated via off gas treatment system. The poorly soluble phosphates are transformed into calcium alkali phosphates (CaNaPO4 or CaKPO4) that are not water soluble but completely soluble in neutral ammonium citrate solution (NAC). Pot experiments showed that the fertilizer performance of the treated SSA containing calcium alkali phosphates as the single P-bearing mineral phase was comparable to the performance of triple superphosphate. The PNAC-solubility of fertilizer products correlated very well with the resulting contents of calcium alkali phosphates and the P-uptake of plants in pot experiments. The effect of the ratio alkali/P on the PNAC-solubility was investigated by crucible experiments and trial series with a medium scale rotary kiln using different SSAs and alkali phosphates. The effects of operational parameters such as the temperature and the retention time were investigated as well as concurring side reactions of the alkali compounds e.g. with SiO2 present in SSA. The alkali/P ratio must be roughly adjusted at 2 to achieve 100% PNAC-solubility for a common type of SSA. A demonstration trial with an output of 2 t recycling fertilizer was carried out in an industrial rotary kiln (product output 30 kg/h). The PNAC-solubility of the product varied between 60% and 80% during the 4 days campaign showing that the transformation of the mineral P-phases to calcium alkali phosphates was not complete. This was observed although the amount of Na2SO4 additive was dosed according to the results of the pre-investigations. Structure analysis by XRD showed that besides the target compound CaNaSO4 also some Ca3(PO4)2 remained in the SSA as well as some unreacted Na2SO4 additive. Obviously, the conditions in the industrial rotary kiln were not optimal for the process showing that some process aspects have to be reconsidered for the scale-up.
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.
Zukünftig werden vermehrt P-Recyclate auf den Düngemittelmarkt kommen. Diese müssen ausreichend charakterisiert werden, um Sicherheit und Wirksamkeit beurteilen zu können. Mit dem Vortrag wurde der wissenschaftliche Beirat für Düngungsfragen des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft beraten.
Conventional fertilisers have their disadvantages as nutrient release is not synchronised with the demand of plants. Several approaches of "next generation fertilisers" are aiming at controlled nutrient release. Recycling fertilisers are often not soluble in water but fully plant available. They are suitable raw materials for the production of new types of controlled release fertilisers.
Carbonfasern sind äußerst stabil und werden auch in Anlagen zur Verbrennung von Sondermüll kaum zerstört. Beim Handling carbonfaserhaltiger Abfälle können Gesundheitsrisken auftreten (Abgabe von WHO-Fasern). Es werden Methoden der Verwertung carbonfaserhaltiger Reststoffe in der Pyrometallurgie diskutiert.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
In Bayern wird Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserreinigung weitgehend verbrannt. Monoverbrennungsanlagen - ausschließlich für kommunalen Klärschlamm - gibt es in Altenstadt, München, Gendorf, Straubing, Neu-Ulm und zukünftig auch in Augsburg. Die Anlage in Altenstadt verbrennt jährlich ca. 55.000 t Klärschlamm-Trockensubstanz und produziert dabei rund 15.000 t phosphatreiche Aschen.
Die Asche aus Altenstadt wird zurzeit überwiegend direkt landwirtschaftlich genutzt. Aufgrund der niedrigen Schadstoffgehalte ist diese Nutzung nach den düngemittelrechtlichen Regelungen gesetzlich zulässig. Um der Intention der neuen Düngeverordnung (26. Mai 2017) nach hocheffizienten, d.h. gut pflanzenverfügbaren Düngemitteln zu entsprechen, ist eine Aufbereitung der Klärschlammasche geplant. Im Rahmen des R-Rhenania Projektes errichten der Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage Altenstadt in Bayern Emter GmbH - und der Düngemittelhersteller sePura GmbH gemeinsam eine AshDec®-Demonstrationsanlage, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Das angewandte AshDec®-Verfahren schließt die Phosphate in der Klärschlammasche thermisch im Drehrohrofen auf und macht diese für Pflanzen vollständig verfügbar. Gleichzeitig werden Schadstoffe wie Arsen, Blei und Cadmium entfernt. Den thermischen Aufschluss kennt man bereits vom erfolgreichen, aber nicht mehr produzierten Düngemittel „Rhenania-Phosphat“, das auf der Basis von Rohphosphaten hergestellt wurde.
Die geplante Anlage wird neben den Aschen aus Altenstadt zusätzlich die Aschen aus weiteren bayerischen Verbrennungsanlagen verwerten und für eine Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Asche ausgelegt sein. Der Projektpartner sePura plant den produzierten Dünger vollständig in Bayern zu verwerten. Dies verringert die Umweltbelastung durch lange Transportwege und fördert die Regionalität des Vorhabens.
Für Klärschlämme existieren verschiedene Verfahren der thermischen Behandlung. Neben der Monoverbrennung werden Klärschlämme auch in Kraftwerken zusammen mit Braun- oder Steinkohle, in Müllverbrennungsanlagen und Zementwerken mitverbrannt. Eine Rückgewinnung des Nährstoffs Phosphor wird durch Mitverbrennung des Klärschlamms erschwert bis unmöglich gemacht. Aus diesem Grund sind zukünftig der Mitverbrennung Phosphorrückgewinnungsverfahren vorzuschalten. Neben der Verbrennung existieren alternative thermische Verfahren wie die Niedertemperaturkonvertierung, die Pyrolyse, die Hydrothermale Carbonisierung und die Vergasung. Alle Verfahren werden im Vortrag mit Beispielen vorgestellt.
The rare earth elements (REEs) are a group of 17 elements from the lanthanide series including scandium and yttrium that share similar physical and chemical properties. They are progressively important for transition to a green, low-carbon economy due to their vital role in electric cars, permanent magnets, fluorescent lamps, rechargeable NiMH batteries, catalysts and other applications. In reality, the term “rare” is misleading as these elements are widely present in the earth’s crust. However, even if not rare, REEs have a high supply risk due to the geopolitical situation e.g. resulting from limited Chinese exports. This, along with their importance in various clean and high-tech applications, has led the EU and the U.S. to label certain REEs, especially europium, terbium and yttrium as critical elements. Recycling is often considered as one of the ways to reduce REEs criticality, especially the import dependency.
A recycling strategy for REE requires reliable analytical data of different types of waste streams. The REE bearing waste matrices can be completely different depending on its origin. Digestion methods prior to ICP-OES / -MS analysis must be optimized for the different matrices to guarantee reliable results. We present two examples of different REE bearing waste streams - fluorescence lamp shredder waste and red mud - and show how the analytical procedures were optimized.
A new sewage sludge ordinance was set in force in Germany in 2017 that makes phosphorus recovery from sewage sludge mandatory. The technological possibilities for P-recovery from waste water, sewage sludge and sewage sludge ash were presented.
Vortrag über die Regelungen der AbfKlärV bezüglich P-Rückgewinnung. Diskussion der Auswirkung einer konzentrationsbezogenen Grenze auf die Pflicht zur P-Rückgewinnung. Diskussion der nach AbfKlärV zulässigen analytischen Verfahren zur Bestimmung von P in Klärschlamm und Ableitung von Empfehlungen. Vorstellung der Ergebnisse eines Ringversuchs mit 28 Laboren.
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.
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.
Phosphorrecycling sollte nicht isoliert praktiziert werden, sondern im Kontext der spezifischen Abwasserbehandlung und der Betrachtung weiterer Nährstoffe wie Stickstoff und Kalium.
Hohe Rückgewinnungsquoten um jeden Preis sind nicht immer zielführend und u.U. sogar schädlich für die Kreislaufwirtschaft. Es sollte eine Kombination verschiedener Ansätze je nach vorhandener Infrastruktur verfolgt werden. Fällungsverfahren (Struvit) sind geeignet kostengünstig kleine Mengen Phosphor zurückzugewinnen. Für ein umfassendes P-Recycling muss die Rückgewinnung aus der Asche erfolgen.
- Spurenelementanalytik aus Fluoreszenzlampen optimiert
- Königswasseraufschluss Methode der Wahl für REE
- Perchlorsäure-/Flusssäureaufschluss in Kombination mit Königswasseraufschluss für die meisten Elemente geeignet
- Teilweise starke Abhängigkeit der Aufschlusseffizienz vom Element bzw. der vorliegenden Elementspezies
- Nicht aufgelöste Glasmatrix stört die Analytik nicht
Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Da die Produktion der Fasern viel Energie benötigt ist deren Recycling anzustreben. Durch Bearbeitung und Handling während des Recyclings verkürzen sich die Carbonfasern (CF) analog zur Papierfaser. Zu kurze Fasern können nicht mehr in eine Flächenstruktur eingebracht werden und müssen daher aus dem Kreislauf ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt werden. Untersuchungen des Lehr- und Forschungsgebiets Technologie der Energierohstoffe (TEER) der RWTH Aachen University haben gezeigt, dass die Bedingungen für eine energetische Nutzung von CF-Abfällen in Abfallverbrennungsanlagen nicht geeignet sind. Zudem können CF Betriebsprobleme verursachen. Des Weiteren können bei einer unzureichenden thermischen Behandlung sogenannte WHO-Fasern entstehen, die als gesundheitsschädlich einzustufen sind. Eine Alternative können Hochtemperaturverfahren mit höheren Verweilzeiten sein. Es kommt die Herstellung von Calciumcarbid in Frage, bei der CF als Kohlenstoffträger und der Kunststoff als Energieträger genutzt werden. Eine weitere Verwertungsoption stellt die Stahlproduktionsroute dar. Erste Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und TEER am kleintechnischen Lichtbogen der BAM zeigen, dass CF-Abfälle potentiell als Reduktionsmittel und Energieträger eingesetzt werden können.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
Der Vortrag wurde im Rahmen der Abschlusskonferenz des Forschungsschwerpunktes "Plastik in der Umwelt" des BMBF gehalten. Er fasst die Ergebnisse des Verbundprojektes RUSEKU zusammen. Es wurde die Herstellung verschiedener Testmaterialien für die Mikroplastik (MP) Analytik beschrieben. Im weiteren geht es um verschiedene Ansätze MP kostengünstig und schnell zu detektieren, z.B. mit Nahinfrarotspektroskopie. Nanoplastik konnte mit der Transmissionselektronenmikroskopie sichtbar gemacht werden. Für die praxisnahe Beprobung von Gewässern wurde die Fraktionierte Filtration entwickelt. Integrale Beprobungen können mit dem Sedimentationskasten erfolgen. Als Beispiele für die Beprobung realer Gewässer wurde das urbane Abwassersystem Kaiserslautern, Getränkewasser und Waschmaschinenwasser gezeigt.
Mikroplastik findet sich in Ozeanen, Seen, Flüssen und Bächen. Es kann in unserem Boden, in der Luft und sogar in Organismen nachgewiesen werden. Jedes Jahr werden weltweit Millionen Tonnen freigesetzt. Doch wo und wie landet Mikroplastik in der Umwelt? Und wie können wir diese winzigen Partikel nachweisen?
The pathways of plastics, especially of microplastic (MP), in environmental compartments, particularly in aquatic systems, are not well understood. The critical point is the lack of fast, harmonised methods for sampling, sample preparation and sample analysis. These three analytical steps are dependent on one another and must be optimised.
In recent years, we developed a method for representative sampling and fast detection of MP in aqueous systems. The sampling in different freshwater bodies is performed in the field with a fractionated filtration system using mesh sizes of 500, 100 and 50 µm. For water with an intermediate or high content of suspended particular matter a minimum of 1000 L has to be filtered. In the lab, mesh sizes of 10 and 5 µm are used for further filtration. Subsequently, the water filtrates of the different particle size classes are sterilised, dried, weighed and homogenised, if necessary.
Conventional methods for MP analysis are infrared and raman spectroscopy, giving information on the shapes and numbers of individually identified MP particles. Our focus is on the determination of mass contents of various polymers potentially contained in environmental samples. For qualitative and quantitative MP detection TED-GC-MS is used, a two-step method based on gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) with previous thermal extraction. This method not only enables us to screen the samples for characteristic marker-molecules, thus identifying single polymers, but furthermore allows the calculation of mass contents of individual polymers. In the present work, different freshwater compartments were exemplarily studied to identify containing polymers and calculate their mass content in MP particles.
The number of publications reporting the amount of microplastic (MP) all over the world increased rapidly. Methods used so far are very time consuming and not able to provide information on total contents. As harmonised sampling, sample preparation and analysis strategies are missing different studies can hardly be compared and quantitative data, including identification and mass contents of the polymers found, are missing. This leads to a lack of comprehensive understanding of MP occurrence, source and entry pathways into the environment.
We developed a method, Thermal Extraction/Desorption-Gaschromatography-Massspectrometry, as a fast screening method for MP analysis. Solid residues of water samples are heated up to 600 C under a N2 atmosphere without any sample preparation. The collected decomposition gases are separated in a gas chromatography system and detected in a mass spectrometer. Mass contents of the identified polymers can be calculated.
In this presentation we will show first results from the influent of the wastewater treatment plant Kaiserslautern (Germany) and its combined sewage system as possibly entry pathway. In order to determine the relevance of wastewater split streams analysis of grey water will be conducted. Samples are fractionally filtered by a sieve cascade with mesh sizes of 500, 100, 50 µm.
Detektion von Mikroplastik
(2022)
Seit einigen Jahren wird in den Medien viel über das Thema Mikroplastik (MP) diskutiert. Dabei wird häufig von einer großen Anzahl an MP-Partikeln in allen Bereichen der Umwelt, wie dem Wasser, dem Boden, der Luft und in Biota sowie über mögliche Gefahren ausgehend von MP, berichtet. Jedoch sind diese Studien häufig nicht untereinander vergleichbar, da verschiedene Konzepte der Probennahme, der Aufbereitung und unterschiedliche Detektionsverfahren verwendet werden. Um diesen Mangel an vergleichbaren und aussagekräftigen Daten zu beheben, wird aktuell versucht, eine Harmonisierung der Mikroplastikanalytik voranzutreiben. Neue, schnellere Methoden zur MP Quantifizierung wurden entwickelt. Gleichzeitig werden neue Strategien zur Probenahme und Probenvorbereitung konzipiert, da hier die Fehlerquellen besonders große Auswirkungen auf das Ergebnis haben.
In diesem Vortrag werden verschiedene Verfahren bezogen auf Probennahme, -vorbereitung und Analytik gezeigt und bezüglich ihres möglichen Ergebnisses diskutiert.
Discussions in science, politics and public media about microplastic in the Environment and its unclear effects for animals and humans are common these days.
Although microplastic findings in water, soil and even air are well known, no general estimations about the quality or quantity of microplastic particles in environment exit. Research is necessary to develop reliable and traceable, harmonized protocols for sampling, sample preparation and fast, but accurate analysis for qualitative and quantitative measurement of microplastic in various environmental matrices. For development of such reliable and traceable methods, the use of microplastic reference materials is necessary to assess various concepts. These microplastic reference particles should be an appropriate reflection of the microplastic particles found in environment.
Due to the high use in industrial products six polymers seem to be relevant in environment as microplastic particles: polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET), polyamide (PA) and polyvinylchloride (PVC). The raw source of These thermoplastic materials are pellets or granulate with dimensions of 1 to 5 mm in diameter. Most common they own a regular cylindrical shape or are prolate sphericals. These can be bought cost-efficient by various polymer producers. But discussions in microplastic research topic lead to particle sizes down to 1 μm. Furthermore, various unregular shapes and geometries of the particles have to be considered as well as an oxidized surface. In the present work we engage the acquisition and production of
realistic reference material. Different aspects should demonstrate the complex and difficult task of generating approriate, cost-efficient and well-defined reference materials. The particle size distribution by using
different particle sizing methods as well as individual particle shapes are documented. Different material properties were addressed. PE, PS and PA were chosen as typical and relevant microplastic with opposite individual material characteristics in density and glass Transition temperature. The easiest possibility for acquisition of small microplastic particles is the purchase of polymer emulsion particles (20 to 150 μm).
An alternative possibility to produce small microplastic particles is milling under liquid nitrogen conditions in cryo mills. Particles purchased or self-made differ strongly in shape and size depending on production method.
SETAC
Monitoring von Mikroplastik
(2021)
Microbiologically influenced corrosion (MIC) is a highly unpredictable process involving a complex group of microorganisms, including sulfate-reducing bacteria and methanogens. Standard laboratory MIC testing using static serum bottle enrichments is an easy but limited method, offering poor resolution on the biomineralization process of corrosion products. An example of this is the presumed corrosion product siderite by corrosive methanogens (Mi-MIC). Previous publications reported siderite was the sole corrosion product of M. maripaludis using metal coupons incubated under stationary conditions.
However, the formation of siderite is closely related to the surrounding environmental conditions, i.e. pH, CO2 concentration, flow and temperature. Thus, siderite as the sole corrosion product of Mi-MIC remain inconclusive and questionable. To study Mi-MIC effectively, a novel versatile multiport flow-column corrosion monitoring system (MFC) was developed. MFC allows sectional corrosion rate determination under flow conditions using different types of material, inoculum and packing material. MFC offers great flexibility, ease of operation and accurate corrosion measurements that can be combined with many other techniques. Using MFC, we studied multiple strains of methanogens and compared it with sulfate-reducing bacteria under neutral and low pH conditions. It was revealed by MFC that corrosive methanogens have equally high corrosion potential as sulfate-reducing bacteria. Additionally, siderite is not the dominant nor sole corrosion product of Mi-MIC. Thus, effective corrosion monitoring and establishing standard laboratory practices, i.e. incorporating MFC as part of regular testing process, will provide deeper understanding of MIC. This will allow further microbial electrophysiology understandings, contributing to effective mitigation strategy development.
Biocide mitigation strategies of microbiologically influenced corrosion (MIC) in the oil and gas industry have been primarily used to eliminate the growths of sulfate-reducing microorganisms (SRM). However, methanogenic Archaea (MA) can also be highly corrosive by using iron as an electron source for methanogenesis. Because of the fundamental physiological differences between archaea and bacteria, responses of MA towards SRM-specific biocides cannot be deduced using SRM. Due to the lack of information available on the effect of biocides on corrosive MA, we selected THPS, glutaraldehyde, nitrate and perchlorate to compare against corrosive SRM.
Preliminary results showed that at low concentrations of THPS (0-10 ppm), growth of MA was not affected, methane production and corrosion rates (0.1 mm/yr) were comparable between the different THPS concentrations. On the contrary, the SRM strain showed decreased corrosion rates (0.18 mm/yr to 0.03 mm/yr) with increasing THPS concentrations. Further corrosion tests including electrochemical measurements of different biocides on the growth of MA and SRM will be conducted. Such knowledge not only provide important insights on the physiological response of MA to biocides but also contribute to more effective mitigation strategies that can be both economic and environmentally beneficial.
Die Bedeutung von Eisenbahn-Achsüberfahrten für die Bodenerschütterungen und Brückenschwingungen
(2016)
Messungen bei Fern- und Hochgeschwindigkeitsbahnen aus verschiedenen Ländern (Portugal, Spanien, Belgien, Großbritannien, Deutschland, Schweiz, China, Japan u.a.) sollen die besondere Wichtigkeit eines mittelfrequenten Erschütterungsanteils zeigen. Relativ einheitlich werden dabei drei zusammenhängende Terzen mit angehobenen Amplituden beobachtet. Dieser Erschütterungsanteil dominiert mit zunehmender Entfernung vom Gleis das Frequenzspektrum der Erschütterungen. Die hochfrequenteren Anteile nehmen aufgrund der Materialdämpfung des Bodens stärker ab, die tieffrequenteren Anteile aus der sogenannten Quasistatik, der Vorbeifahrt der statischen Achslasten, verschwinden innerhalb der ersten zehn Meter vom Gleis fast vollständig. Die Frequenzcharakteristik des mittelfrequenten Erschütterungsanteils wird durch die Achsfolge des Zuges bestimmt. Im Terzmaßstab ist die Achsfolge im Drehgestell maßgeblich für die Ausprägung von zwei Amplitudenminima, die den Frequenzbereich eingrenzen. Diese Achsfolgespektren sind auch bei Brückenschwingungen von Bedeutung. Sie können die schwächere oder stärkere Anregung einzelner Brückeneigenschwingungen regeln. Die Ursachen der Boden- oder Brückenschwingungen sind mit den Achsfolgespektren noch nicht geklärt. Bei der Brücke und beim Boden können kurzwelligere Gleislagefehler (auch Radunrundheiten 1. Ordnung) Fahrzeugbeschleunigungen und damit dynamische Kräfte auf das Gleis erzeugen. Bei der Brücke ist die diskontinuierliche Auf- und Abfahrt der Achsen ebenfalls eine relevante Anregung, während die Kraftimpulse auf das Gleis, die durch die Achsüberfahrten entstehen, für die Wellenausbreitung im Boden von Bedeutung sind. Heterogene Böden oder Gleise ergeben einen Zerstreuanteil der Achsüberfahrtimpulse. Fallbeispiele mit verschiedenen Böden und verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten werden ausgewertet, um die Ursachen und Gesetzmäßigkeiten des mittelfrequenten Erschütterungsanteils zu erkennen.
Les methods numerique et experimentelle sont les elements finis pour le sol infini et les mesures pour les parametres du sol, la vitesse des ondes et l'amortissement materielle. Les resultats sont les reductions dues aux elements elastiques, les effets de la trace elevee ou basse, et les reponses des batiments mesurees.
Erschütterungen durch Schienenverkehr – Messergebnisse, Quellstärken und Amplituden-Abstands-Gesetze
(1986)
Es werden Messergebnisse und theoretische Studien vorgetragen, die sich mit der Erschütterungsstärke in der Nähe von Bahnlinien und deren Abnahme mit der Entfernung beschäftigen. Durch die Ausdehnung der Anregung über die Zuglänge ergibt sich bei gleichphasiger Anregung ein Bereich konstanter Amplituden, bei zufälliger Phasenlage eine gleichmäßige Abnahme, die schwächer als bei einer Punktlast ist. Die Messungen belegen, dass es eine starke Abnahme für die Vorbeifahrt der statischen Achslasten gibt, so dass dieser Anteil spätestens in 10 m Abstand unbedeutend ist. Am Gleis selbst ist dieser (statische) Anteil dominant.
Some results of our measurements of the Intercity experimental are presented together with simulated results and their interpretation. Three frequeny ranges could be measured and calculated: low frequencies which decrease very rapidly with distance (the quasi-static part), high frequencies (mainly due to the sleeper passage), and a mid-frequency which has the weakest attenuation with distance and is therefore dominant at the far field. Mono-frequent excitations get a wide frequency band due to the Doppler effect of the moving high-speed train.
A study on building vibrations has been performed by finite element calculations. Family houses, multi-storey residential buildings, office buildings and office towers have been modelled in detail. The frequency-dependent response due to a free-field excitation has been evaluated for walls, columns and floors. The ratio of building amplitudes to free-field amplitudes starts with uB/u0 = 1 at zero frequency and is usually lower than 1 at 50 Hz, the end of the frequency range considered here. In between, amplifications occur due to several reasons. There are „soil resonances“ where the whole building is vibrating on the compliant soil, “column resonances” where the upper storeys are vibrating on the compliant columns, and the “floor resonances” where the floors are vibrating excited by their supports. Results are presented for all building types, but a special focus is set on office buildings. A parameter study shows the influence of the stiffness of the soil, the number of storeys, and the width of the building. It has been found that the “soil resonance” is strongly modified by the low-frequency floor resonances for the normal office building. The main resonance of a twenty-storey office tower is determined equally by the “soil mode” and the “column mode”. It is an important observation for these office buildings that the resonances can differ for different parts of the building such as the centre, the edge, the corner, and the core of the building. This leads to non-uniform vibration modes across the building, which look like another type of “floor resonance” and which have been observed in several real building projects. Experimental results will be shown which can confirm the calculated phenomena.
Measurements on the vehicle-track interaction and the excitation of railway-induced ground vibration
(2017)
Two railway measurement campaigns have been performed in Germany and Switzerland which yield insight in the vehicle-track-soil interaction. The campaign in Germany has included simultaneous measurement of vehicle, track, and soil vibrations during train runs with 16, 25, 40, 63, 80, 100, 125, 140, 160 km/h, and impulse measurements of the passenger car, three track sections and the soil. Two ballast tracks, one on the soil surface and one on a concrete bridge, have been investigated as well as a slab track in a tunnel. Ten different sites in Switzerland have been measured for soil properties and train-induced ground vibrations, which allow to determine the excitation forces of the railway traffic. New axle-box measurements at some of the Swiss sites have been analysed to get further experimental evidence. All these measurements have been evaluated to characterize the excitation processes. Relations between vehicle vibration and ground vibration can be observed. The vehicle vibrations, namely the accelerations of the wheelsets, yield the dynamic forces due to the passage over the irregularities of the vehicle and the track. The ground vibrations are correlated to these dynamic forces to a certain extent. Some mid-frequency ground vibration amplitudes, however, are higher than expected from the dynamic excitation forces. The experimental observations can be explained by an irregular response to the passage of the static loads, that means the passage of the static loads over an irregular ballast or soil. This correct understanding of the excitation processes is important for the prediction as well as for the mitigation of railway induced ground vibrations.
This contribution presents some principles and some examples of the mitigation of railway-induced ground vibrations. The principles are different for the mitigation measures at the track, in the soil or at the building. Force transfer functions of isolated and un-isolated track-soil systems, reflected and transmitted wave amplitudes at walls and trenches in the soil, and the transfer of the (free-field) vibration amplitudes to the foundation amplitudes of the building are analysed. The mitigation effect can be calculated by exact or simplified formulas. Some examples with 3D (finite-element boundary-element), 2D (beam-on-support), and 1D track models, 2D and 1D soil models, detailed 3D building models and finite or infinite 1D wall-floor models are investigated to find out if simple models can be used for a satisfactory prediction of the mitigation effect. The 1D track examples show that the force transfer of the track without vehicle can be exactly calculated, whereas the total force transfer can be calculated approximately if appropriate wheelset masses per track length are used for the isolated and the un-isolated track. The mitigation effect of a filled trench is calculated by a 2D finite element model and the results compare with simple transmission formula if the stiffness per area rather than the wave impedances are used for the infill material. The base isolation of a building is analysed by a detailed 3D model and the results are similar to the analytic results of a single wall with floors on the soil. Other reduction measures as different floor and column dimensions are usually less effective so that the clearly best mitigation solution at a building is a partly or a complete base isolation.
Experiments have been performed at a test site with six different tracks with under-ballast plates. Hammer excitations of the soil and the tracks as well as train passages have been measured. The experimental observations are as follows. 1. The natural soil is stiff gravel whereas the railway dam consists of softer material. 2. The track compliance indicates a soft ballast if no train is present to provide a confining pressure. 3. The track response to the train passages can be split into a low-frequency region which is ruled by the static loads and a high-frequency region which is ruled by dynamic loads. 4. The track responses to hammer and track excitation indicate the presence of many voids between the sleepers and the ballast. 5. The ground vibrations are highly influenced by the soil. Due to the stiff soil at the site, the hammer and train induced spectra have a considerable high-frequency content. 6. A reduction of the ground vibration has been observed in a low-frequency range. The mitigation effects of an under-ballast plate are also investigated by calculations of a wavenumber domain model. The under-ballast plate has an effect at low frequencies where it distributes the static load over a longer track section. The impulse of the axle passage is longer and the frequencies are lower due to the plate stiffness. The axle impulses could yield a low-frequency ground vibration in an irregular soil with a randomly varying stiffness. This low-frequency part of the ground vibration (the scattered axle impulses) seem to be reduced by the under-ballast plate.
Harnessing near-chromosome level quality genomes to explore the evolution of termite immunity
(2023)
The phylogeny of the Blattodea boasts a wide degree of sociality spanning from solitary cockroaches to advanced ecosystem-dominating higher termite societies. The emergence of sociality in termites was associated with the acquisition of a diverse range of social structures. Previous work has found evidence for a caste-specific social defence system in termites leading to an immune system that may favour group over individual defence. While preliminary work suggests a correlation between social transitions and a reduction of immune gene family diversity, the lack of available high-quality termite genomes hampers complete knowledge of the true diversity of immune gene evolution across termite phylogeny. Here, we report on the sequencing and near-chromosome level assembly of 48 high-quality long-read-based genomes across major termite and cockroach sister-branch lineages. We investigate the diversity and evolutionary history of immune genes across genomes, focusing particular attention on correlations between immune gene evolution and transitions in sociality over termite phylogeny.
Insecta is one of the most diverse phyla in the animal kingdom, with species living in all types of habitats encountering an even greater diversity of pathogens and parasites. Defence strategies against such harmful threats led to a variety of molecular mechanisms, ecological shifts, and genetic innovations. Gene families underlying the molecular basis of the immune responses have evolved within the boundaries given by the species ecology. Here, we explore the evolution of some emblematic immune gene families throughout the Insecta phylum shedding light on remarkable genetic events such as gene duplication or gene loss. We followed a workflow based on the Hidden Markov model to search for immune genes in 55 high-quality genomes of insects. We highlight the emergence of group defence in social species as an ecological shift that released selection pressure on immune gene families notably in Blattodea. Further, we draw attention to certain gene families and the link between their diversity and the specificities of the species’ microbiota. Overall, we report data on immune gene diversity in insects.
The phylogeny of the Blattodea boasts a wide degree of sociality spanning from solitary cockroaches to advanced ecosystem-dominating higher termite societies. The emergence of sociality in the termites was associated with the acquisition of a diverse range of social structures and differential expression of specific gene network. Previous work has found evidence for a caste-specific social defence system in termites leading to an immune system that may favour group over individual defence. While preliminary work suggests a correlation between social transitions and a reduction of immune gene family diversity, the lack of available high-quality termite genomes hampers complete knowledge of the true diversity of immune gene evolution across termite phylogeny. Here, we report on the sequencing and assembly of 50 high-quality long-read-based genomes and 180 caste- and sex-specific brain transcriptomes across major termite and cockroach sister-branch lineage. We investigate the diversity and evolutionary history of immune genes across genomes, and the potential gene networks that have evolved with the emergence of termite sociality and some aspect of immune related behaviours.
Bei Betrachtungen zur Lebensdauer von Metallbauteilen im Bauwesen müssen Korrosions- und Runoff-Vorgänge an der Atmosphäre als verschiedene Reaktionen unterschieden werden. Korrosion ist der Prozess, der von elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche Metall/Patina kontrolliert wird. Runoff dagegen wird durch chemische Reaktionen an der Grenzfläche Patina/Atmosphäre begünstigt. Mit zunehmender Bewitterungszeit nimmt die Korrosionsgeschwindigkeit stetig ab, während postuliert wird, dass die Geschwindigkeit des Runoffs über die gesamte Zeit konstant bleibt. Dieses Verhalten des Runoffs muss aber zunehmend bezweifelt werden. Die Gesamtmenge an abgezehrtem Metall beinhaltet zwei Bestandteile. Ein Teil wird in die Schicht aus Korrosionsprodukten eingebaut, der andere wird aufgrund von Niederschlägen aus der Patina gelöst. Aus diesem Grund ist die Menge an Zink-Runoff stark abhängig von den Eigenschaften der Korrosionsprodukt- bzw. Patinaschicht und nicht anhand der Zusammensetzung des Metalls abschätzbar. Vorhandene Modelle können die Menge an Runoff, und damit verbunden die Abzehrung einer Schicht aus Zink und Kupfer, sowie den resultierenden Eintrag von Schwermetallionen in die Umwelt nicht mehr darstellen und erklären. Um den Korrosionsschutz an Bauwerken zum einen dauerhaft unter Beachtung von Kostenaspekten und Ressourcenschonung und zum anderen unter ökologischen Gesichtspunkten auslegen zu können, müssen deshalb neue wissenschaftliche Grundlagen erarbeitet und die Mechanismen beschrieben werden.
Das BAM-Forschungsvorhaben RUNOFF widmet sich den Fragestellungen. Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick zum Forschungsvorhaben.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
A series of field exposure tests according to ISO 9223 up to 9226 was carried out at different locations to determine the corrosivity and the corrosion progress of different test sites throughout northern and eastern Germany. Standard test specimens of steel, zinc, copper and aluminium were exposed to rural, city and marine atmosphere at test sites of the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Test sites at city atmosphere comprised exposure on a rooftop, next to a highly frequented road and directly at a motorway. Exposure under marine conditions was carried out at Heligoland in the North Sea. The specimens were stored under sheltered and unsheltered conditions on each test site, respectively. Corrosion rates after the first year of field exposure were determined and used for the classification of the atmospheres and the test sites regarding the corrosivity category.
Results after the first year of exposure were presented at the EUROCORR 2018 in Cracow. The current presentation will present an update of results of the systematic study after five years of exposure. The corrosion progress and the mass loss of the standard metals steel, zinc, copper and aluminium will be presented and discussed with respect to the atmospheric conditions and the time of wetness at the test sites. In addition, the difference between sheltered and unsheltered conditions will be discussed.
Der Vortrag wurde im Rahmen der konstituierenden Sitzung des Arbeitskreises "Atmosphärische Korrosion" der GfKORR - Gesellschaft für Korrosionsschutz e.V. gehalten. Er stellt die zur Diskussion stehenden Fragestellungen und Herausforderungen im Bereich der atmosphärischen Korrosion zusammen, denen sich der neue Arbeitskreis widmen wird.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
A series of field exposure tests according to ISO 9223 and 9226 was carried out at different locations to determine the corrosivity of different test sites throughout northern and eastern Germany. Standard test specimens of steel, zinc, copper and aluminium were exposed to rural, city and maritime atmosphere at test sites of the Federal Institute for Materials Research and Testing. Test sites at city atmosphere comprised exposure on a rooftop, next to a highly frequented road and directly at a motorway. Exposure under maritime conditions was carried out at Heligoland in the North Sea and at the North Sea coastline on Sylt. The specimens were stored under sheltered and unsheltered conditions on each test site, respectively. Corrosion rates after the first year of field exposure were determined and used for the classification of the atmospheres and the test sites regarding the corrosivity.
The presentation will show the results of the systematic study. First year corrosion rates for steel, zinc, copper and aluminium will be presented and discussed with respect to the type of material, the atmospheric conditions and the time of wetness at the test sites. In addition, the difference between sheltered and unsheltered conditions will be discussed.
Flame retardants are increasingly used in consumer products as e.g. electronics and furniture as well as in construction. Along with the increased usage, concerns about negative effects of flame retardants on human health and the environment have been raised. Concerning construction products one application for flame retardants is the furnishing of steel structures with reactive flameproof coatings. These coatings consist of a complex mixture of different chemicals, additives and solvents. For the evaluation of the risk possibly posed by their application to the environment, this whole mixture should be tested.
Two different leaching tests were applied according to DIN/TS 16637-2 (sample permantly submerged in water) and DIN EN 16105 (immersion and drying cycles), respectively, which can be used for plate-like products. Eluates were divided into subsamples for the measurement of different parameters: pH-value, conductivity, total organic carbon (TOC), cation and anion concentration. For screening of organic compounds, aqueous samples were liquid/liquid extracted using three solvents with different polarity (toluene, hexane and ethylacetate). GC-MS chromatograms were recorded in the SCAN mode and mass spectra of the peaks were compared with spectras stored in the NIST library.
Eluates of leaching test accroding to DIN CEN TS 16637-2 showed low electrical conductivity (20 to 150 µS/cm) and low release of cation and anions often near the LOQ. Diffferences could be observed for plates treated with the reactive coating at both sides and plates coated only at one side, while the other side is only furnished by the corrosive protection layer. Release of TOC and Zn was approx twice or 10 fold higher in the case of plates coated on one side. Furthermore, the comparison of the results for both types of plates showed that a large portion of the released compounds originate rather from the corrosion protection layer than from the reactive coating itself. Leaching tests according to DIN EN 16105 have not been finished yet, but first results show that the conductivity is much lower (1-4 µS/cm) than for the tests according to DIN/TS 16637-2 leading to the assumption that the release of compounds is lower.
By comparison of the mass spectra with library data, mainly organic solvents as xylene, 1-methoxy-2-propanol acetate and n-btuyl carbamate have been tentatively identified so far in the first test fraction done by DIN CEN TS 16637-2.
Reaktive Flammschutzbeschichtungen bilden im Brandfall einen wärmeisolierenden Schaum, der die Stahlträger schützt. Diese Beschichtungen erhalten eine komplexe Mischung aus verschiedenen Chemikalien wie Additiven, Füllstoffen und Lösungsmitteln, die bei Kontakt mit Wasser freigesetzt werden können. Für eine Beurteilung der Auswirkung der auswaschbaren Substanzen auf die Umwelt sollte die gesamte Mischung und nicht nur Einzelkomponenten herangezogen werden. Ziel der vorgestellten Untersuchung war es die Frage zu klären, ob Elutionsverfahren in Kombination mit ökotoxikologischer Testung verwendet werden können, um eine Gefährdung der Umwelt auszuschließen.
Das Freisetzungspotential aus den drei Beschichtungen wurde mit Hilfe von zwei verschiedenen Elutionsverfahren nach DIN/TS 16637-2 (Probe ist permanent in Wasser getaucht) und DIN EN 16105 mehrere (Immersions- und Trocknungszyklen) untersucht. Neben chemischen Parametern (pH-Wert, Leitfähigkeit, Gesamtkohlenstoff, Kationen- und Anionenkonzentration und ein Screening auf organische Substanzen), wurde auch die Wirkung auf verschiedene Organismen (Algen, Daphnien, Fischembryonen und Leuchtbakterien) und die Gentoxizität (AMES) untersucht.
Insgesamt zeigen die Eluate keine bis moderate Toxizität, wobei ein Produkt eine deutlich höhere Toxizität als die anderen beiden Produkte aufweist. Die Eluate zeigen insgesamt eine geringe Leitfähigkeit von 20 bis 150 µS/cm und eine geringe Freisetzung von Kationen und Anionen, die oft unter oder in der Nähe der Bestimmungsgrenze liegen. Lediglich Zink, Barium und Phosphat konnten in nahezu allen Fraktionen des Tests nach DIN/TS 16637-2 nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu lag Phosphat in den Fraktionen des intermittierenden Tests unter der Nachweisgrenze. Dies ist wahrscheinlich auf die kürzere Kontaktzeit zurückzuführen. Die Barium und Zinkkonzentrationen sind ebenfalls geringer im Vergleich zum DIN/TS 16637-2. Das Konzentrationsprofil der DOC-Konzentration ist für die beiden Tests ebenfalls unterschiedlich: im intermittierenden Test sinkt die Konzentration mit den Immersionszyklen, während bei dem Test mit ständigen Tauchen die Konzentration in den letzten Fraktionen steigt. Ein Vergleich der Ökotoxizität der ersten Fraktionen und der Fraktion 7 zeigt, dass diese ebenfalls ansteigt.
Die Kombination der beiden Tests ermöglicht es, nach Produkten mit einem größeren und kleineren Risiko für die Umwelt zu unterscheiden. Allerdings müssen die Fraktionen, die für diese Testung ausgewählt werden je nach Elutionstest, Verwendungsszenario und Konzentrationsprofil der Analyten sorgfältig ausgewählt werden.
The presentation gives an overview about the use of ecotoxicity testing in assessment of waste. Especially in cases with unknown composition this kind of test are useful. Recently, the assessment of the hazard property HP 14 "ecotoxicity" for the labelling of waste was published. The labelling procedure is explained in detail.
The presentation gives an overview about the use of ecotoxicity testing in assessment of waste. Especially in cases with unknown composition this kind of test are useful. Recently, the assessment of the hazard property HP 14 "ecotoxicity" for the labelling of waste was published. The labelling procedure is explained in detail.
The presentation gives an overview about the use of ecotoxicity testing in assessment of waste. Especially in cases with unknown composition this kind of test are useful. Recently, the assessment of the hazard property HP 14 "ecotoxicity" for the labelling of waste was published. The labelling procedure is explained in detail.
Ausgewählte Ergebnisse des UBA-Vorhabens "Beregnete Bauteile und Bauprodukte: Entwicklungen für Vergabegrundlagen für den Blauen Engel mit Hilfe von Auslaugtest" werden für organische und anorganische Analyten präsentiert. Ein Schwerpunkt ist den Einfluss der verschiedenen Schichten von WDVS-Systemen aufzuzeigen.
Construction products are complex materials and contain a large number of different chemicals, which might be released to the environment during usage. Depending on the compound and on the matrix only a small portion is transferred to environment and therefore a risk assessment should be based on the available portion. Concerning the pathway to soil and groundwater by contact with rain or seepage water leaching tests were developed and standardized by CEN to determine the release potential of construction products. Chemical analysis in the eluates can be combined with eco-toxicological testing. In this presentation an overview about existing leaching methods is given using selected examples of our work. We especially draw the attention to research which is still needed to close the gap between the results of leaching experiments and the subsequent risk assessment of the products.
The eluates of 15 paints for outdoor use were used for a screening of organic compounds and the concentration of cations and anions were determined. Concerning the inorganic constituents only a small number of elements were present with concentrations higher than the limit of detection. Thus, leaching of potential hazardous chemicals is probably of higher concern. Several glycol ethers, polyalkylene glycols and some surfactants and coalescing agents have been identified. Among these only the latter are classified as hazardous to aquatic organisms. The identification of the organic compounds is a time consuming and labor-intensive step due to the high number of chemicals produced and used. Using eco-toxicity tests provides information on the environmental risk without the need for of chemical identification of all compounds. The screening of a set of construction products shows that only a part of eluates causes adverse effects in the test and that such screening can be used as a first step in the assessment of construction products. If this kind of testing is included in the evaluation concept an in depth chemical analysis is only needed for products showing adverse effects.
Determination of the eluate concentration after leaching enables to determine the potential release to the environment and to focus on the available fraction. However, limit values or other concepts to use this information in risk assessment are still missing.