Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Organisationseinheit der BAM
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (136) (entfernen)
During the last decades the material composition of buildings has become increasingly diverse. However, largely sorted material flows are needed for generating high quality secondary building materials. The use of secondary building materials can meet the requirements of sustainability in several ways: the extended time availability of primary raw materials and, thereby, the preservation of natural resources as well as the conservation of landfill sites.
Recycling of gypsum (calcium sulfate) can be a good example for the environmental benefits of closed-loop recycling. The content of sulfates in other secondary building materials, in particular in recycled concrete aggregates, should be minimized for quality reasons. In contrast, separated gypsum can also be used in gypsum production if the high quality requirements for the recycled gypsum are met. Since almost all processing steps in the recycling process are associated with environmental impacts, an environmental evaluation of the use of recycled gypsum as a substitute in gypsum production has to be carefully conducted.
This paper focusses on the techniques for generating recycled gypsum from gypsum plasterboards, the related quality requirements and a comprehensive environmental evaluation of the complete process.
Advantages of recycling gypsum plaster boards
During the last decades the material composition of buildings has become increasingly diverse. However, largely sorted material flows are needed for generating high quality secondary building materials. The use of secondary building materials can meet the requirements of sustainability in several ways: the extended time availability of primary raw materials and, thereby, the preservation of natural resources as well as the conservation of landfill sites.
Recycling of gypsum (calcium sulfate) can be a good example for the environmental benefits of closed-loop recycling. The content of sulfates in other secondary building materials, in particular in recycled concrete aggregates, should be minimized for quality reasons. In contrast, separated gypsum can also be used in gypsum production if the high quality requirements for the recycled gypsum are met. Since almost all processing steps in the recycling process are associated with environmental impacts, an environmental evaluation of the use of recycled gypsum as a substitute in gypsum production has to be carefully conducted.
This paper focusses on the techniques for generating recycled gypsum from gypsum plasterboards, the related quality requirements and a comprehensive environmental evaluation of the complete process.
Die P-Rückgewinnung aus Teilströmen mit erhöhten P-Gehalten kann direkt in den Kläranlagenbetrieb integriert werden und führt dort in vielen Fällen zu betrieblichen und ökonomischen Vorteilen. Sie ist in der Regel auf Bio-P-Kläranlagen beschränkt, da hier die anaerobe P-Rücklösung initiiert und genutzt werden kann. Durch die reine P-Rücklösung durch Schaffung anaerober Bedingungen ist allerdings das Potential der Rückgewinnung auf 5 bis 15 Prozent der Zulauffracht limitiert.
Die meisten Kläranlagen in Deutschland werden mit einer chemischen Phosphor-Fällung betrieben. Diese Anlagen können aus dem Klärschlamm Phosphat in ausreichend hoher Konzentration nur zurückgewinnen, indem zusätzlich anorganische Säuren wie Schwefelsäure zugeführt werden oder ein Aufschluss mit flüssigem Kohlendioxid stattfindet. Es wird angenommen, dass sich mit diesen Verfahren mehr als 50 Prozent der Zulauffracht einer Kläranlage zurückgewinnen lassen. Der Aufschluss von Klärschlamm mit Schwefelsäure geht aber mit vergleichsweise hohen Umweltwirkungen sowie mit höheren Kosten im Vergleich zu anderen Phosphor-Rückgewinnungsverfahren einher. Ein sehr hohes Potential der Rückgewinnung von Phosphor (P) ist bei allen Verfahren gegeben, die als Rohstoff die Asche aus der Monoverbrennung verwerten. Der Aufschluss mit anorganischen Säuren ermöglicht die sichere Phosphor-Rückgewinnung von mehr als 80% Prozent des Kläranlagenzulaufs. Die Verfahren sind zum Teil großtechnisch umgesetzt oder es befinden sich großtechnische Anlagen im Bau. Auch thermochemische Verfahren wurden entwickelt und deren Einsatzbereitschaft im großtechnischen Maßstab erfolgreich demonstriert. In dem nachfolgenden Beitrag werden unterschiedliche praxiserprobte Verfahren zur Phosphor-Rückgewinnung unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten vorgestellt.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise in Vegetationsversuchen geprüft. Diese erlauben die es, unterschiedliche Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung zu betrachten und verschiedene Substrattypen und deren Eigenschaften im Hinblick auf Nährstofffixierung und -freisetzung zu berücksichtigen. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher in der Regel mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch bei der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um zu überprüfen, ob die düngemittelrechtlichen Vorgaben eingehalten werden. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist es jedoch schwierig, herkömmliche Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm zu übertragen. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Jährlich entstehen in Brasilien ca. 2 bis 10 Millionen Tonnen Aschen aus der Verbrennung von Zuckerrohrbagasse. Die Aschen enthalten schwankende Zusammensetzungen an mineralischen Nährelementen und könnten daher zu Düngezwecken verwendet werden.
Allerdings ist (i) die Nährstoffverfügbarkeit gering, (ii), die entsprechende Nährstoffzusammensetzung nicht optimal für die Nutzung der Aschen als Düngemittel für die Hauptanbaukulturen in Brasilien und (iii) weisen die Aschen aufgrund häufig schlechter Verbrennungsqualitäten hohe organische Kohlenstoffgehalte auf. Im Rahmen des Forschungsprojekts ASHES („Rückführung von Nährstoffen aus Aschen von thermochemischen Prozessen mit Bagasse bzw. Zuckerrohrstroh“), arbeiten 7 deutsche und 4 brasilianische Partner an der Optimierung der thermochemischen Verwertung von Rückständen aus der Zuckerproduktion in Brasilien, inklusive der Formulierung von optimierten Düngemischungen auf Basis der generierten Aschen. In dieser Veröffentlichung wird die Verarbeitung dieser optimierten Mischungen zu Pellets und Granulaten unter Verwendung verfügbarer regionaler Reststoffe wie Filterkuchen (Vinasse-Presskuchen) sowie Hühnertrockenkot beschrieben. Zur Untersuchung der Handlingeigenschaften wurden die produzierten Pellets und Granulate hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und des Wasseraufnahmevermögens untersucht. Dafür wurden geeignete Prüfverfahren angepasst und entsprechende Versuche durchgeführt.
Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung eines neuen chemischen Verfahrens, das in einem Kooperationsprojekt zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Ferro Duo GmbH entwickelt wird. Mit dem entwickelten Verfahren soll es ermöglicht werden, schwermetallhaltige Filterstäube und -schlämme wie Gichtgasschlämme oder Elektroofenstäube, die als Abfälle während der Produktion von Roheisen und Rohstahl anfallen und die derzeit größtenteils deponiert werden, zu recyceln und die darin enthaltenen Wertstoffe (v.a. Eisen, Kohlenstoff und Zink) wieder in den Rohstoffkreislauf zurückzugeben. Das Verfahren basiert auf dem Prinzip der Chlorierung der in den Filterstäuben und -schlämmen enthaltenen Schwermetalloxide nach Zugabe eines flüssigen Chlordonators wie Eisen(II)-chlorid-Lösung oder Salzsäure. Die so chlorierten Schwermetalloxide werden bei Temperaturen zwischen 650 und 1100 °C in Form von Schwermetallchloriden verdampft und so selektiv vom behandelten Feststoff separiert. Erste experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Gehalte an Schwermetallen wie Zink, Blei und Cadmium um bis zu 99,7% reduziert werden können und die thermochemisch behandelten Filterstäube und -schlämme durch das Verfahren in sekundäre, im Wesentlichen aus Eisenoxiden bestehenden Rohstoffe für die Roheisenproduktion umgewandelt werden können. Da die chlorhaltigen Lösungen selbst Abfallstoffe aus anderen Industriezweigen sind (z.B. aus der Titandioxidproduktion oder der Stahlbeize), vereint das hier entwickelte Verfahren auf elegante Weise zwei Abfallstoffströme und wandelt diese in sekundäre Rohstoffe – einem mineralischen Rohstoff für die Roheisenproduktion sowie Zinkchlorid – um.
Dieser Vortrag beschreibt die Entwicklung eines neuen chemischen Verfahrens, das in einem Kooperationsprojekt zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Ferro Duo GmbH entwickelt wird. Mit dem entwickelten Verfahren soll es ermöglicht werden, schwermetallhaltige Filterstäube und -schlämme, die als Abfälle während der Produktion von Roheisen und Rohstahl anfallen und die derzeit größtenteils deponiert werden, zu recyceln und die darin enthaltenen Wertstoffe (v.a. Eisen, Kohlenstoff und Zink) wieder in den Rohstoffkreislauf zurückzugeben. Dies wird durch eine Chlorierung der in den Filterstäuben und -schlämmen enthaltenen Schwermetalloxiden erreicht, die bei Temperaturen zwischen 650 und 1100 °C in Form von Schwermetallchloriden verdampft und so selektiv separiert werden. Erste experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Gehalte an Schwermetallen wie Zink, Blei und Cadmium um bis zu 99,7% reduziert werden können und die thermochemisch behandelten Filterstäube und -schlämme durch das Verfahren in sekundäre Rohstoffe für die Roheisenproduktion umgewandelt werden können.
CFK-Abfälle werden trotz der bestehenden Verfahren zur Rückgewinnung der Carbonfasern zukünftig vermehrt anfallen. Für diese Abfälle wird nach technischen Lösungen der energetischen oder stofflichen Verwertung gesucht. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der CFK-Abfälle als Primärkohleersatz im Lichtbogenofen bei der Stahlherstellung.
Treatment and reusing of hazardous wastes have become significant issues of modern societies. Blast furnace sludge (BFS) and electric arc furnace dust (EAFD) are such typical wastes, because they usually contain high amounts of undesirable elements such as zinc (Zn) and lead (Pb).
These elements can cause operational problems in reusing of BFS and EAFD. In this study, the Ferro Duo GmbH and the Federal Institute for Materials Research and Testing have investigated a novel approach for eliminating and/or recovering Zn and Pb from both wastes. Applied was a selective chlorination and volatilization of Zn and Pb as chlorides at temperatures between 500 °C and 1100 °C. Both product obtained, Zn and Pb in the form of ZnCl2 and PbCl2 and the purified solid mineral compound are attractive materials for further use. Hydrochloric acid and iron(II) chloride were used as chlorination agents. Exceptionally high Zn and Pb removal efficiencies of >99.5 % could be achieved with both chlorination agents, whereby iron(II) chloride exhibited better performance.
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.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
Phosphorus (P) plays an essential role in the global food security. However, the global P reservoirs have a statistic lifetime of about 385 years only. Due to the scarcity of P and the increasing world population an efficient and sustainable recycling management is required. A few biogenic waste materials are high in P contents such as sewage sludge and meat and bone meal. Thus, they are suitable for P recycling and fertilizer production. But besides the high P content sewage sludge is often highly contaminated with organic pollutants and toxic heavy metals which have to be eliminated before agricultural field application. In this presentation we show the potential of sewage sludge as secondary resource for fertilizers. This includes our developments in thermochemical processes for the production of novel P-fertilizers from recycled materials. Furthermore, for these novel P-fertilizers common extraction tests to determine the plant-available P are often unusable. Therefore, we successfully applied the Diffusive gradients in thin-films (DGT) techniques to analyse the plant-availability of P-fertilizers from recycled materials.
Herstellung neuer Düngemittelausgangsstoffe durch thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen
(2018)
Der Fachbereich 4.4 hat zusammen mit der Firma Outotec ein thermochemisches Verfahren im Drehrohrofen entwickelt, um die Phosphorphasen in Klärschlammasche umzuwandeln, damit die behandelten Aschen als Dünger eingesetzt werden können. In dem Vortrag wird das Verfahren erklärt, die Düngewirkung dargestellt und Pilotversuche vorgestellt.
Herstellung neuer Düngemittelausgangsstoffe durch thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen
(2018)
Klärschlammasche kann viel Phosphor enthalten (bis zu 12%). Aus diesem Grund ist diese Asche ein gutes Ausgangsmaterial für Phosphordünger. Aufgrund der geringen Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors in der Asche ist eine Aufbereitung notwendig.
In diesem Buchbeitrag wird das thermochemische Verfahren AshDec vorgestellt, welches von dem Fachbereich 4.4 mit der Firma Outotec entwickelt worden ist. Es werden die Hintergründe diskutiert, die Phasenreaktionen bei diesem Prozess besprochen, Pflanzenversuche ausgewertet, verschiedene Extraktionen diskutiert und ein Konzept für eine mögliche Pilotanlage dargestellt.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise im Vegetationsversuch geprüft. Vegetationsversuche erlauben die Betrachtung unterschiedlicher Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -Aneignung ebenso wie die Berücksichtigung verschiedener Substrattypen und deren Eigenschaften hinsichtlich Nährstofffixierung und -freisetzung. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher herkömmlicherweise mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch im Rahmen der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um die Einhaltung düngemittelrechtlicher Vorgaben zu überprüfen. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist jedoch die Übertragung herkömmlicher Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden
zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Im Zusammenhang mit dem Horizon2020 geförderten Projekt SCALE (GA°730105) untersuchen wir an der BAM die Scandium Spezies in industriellen Restsoffen wie zum Beispiel Rotschlamm. Dabei kommen Methoden wie Elektronenmikroskopie, LA-ICP-MS und auch X-ray Adsorption near edge structure an Synchrotron-Lichtquellen zum Einsatz. Das Verständnis der Bindungsformen des Scandiums soll im Weiteren helfen, metallurgische Gewinnungsmethoden zu verbessern und anzupassen.
The SCALE Project is a Horizon2020 Project (GA°730105) that aims to develope a secure supply chain for Scandium in Europe. To achieve that, the whole value chain is investigated and new methodologies and techniques are being developed. In BAM we are characterizing potential Scandium-bearing industrial by-products.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise im Vegetationsversuch geprüft. Vegetationsversuche erlauben die Betrachtung unterschiedlicher Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung ebenso wie die Berücksichtigung verschiedener Substrattypen und deren Eigenschaften hinsichtlich Nährstofffixierung und –freisetzung. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher herkömmlicherweise mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch im Rahmen der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um die Einhaltung düngemittelrechtlicher Vorgaben zu überprüfen. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist jedoch die Übertragung herkömmlicher Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm mit einigen Schwierigkeiten verbunden, Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Die Klinkerphasenbildung durch Sinterung in Drehrohröfen bei der Herstellung von Portlandzementklinker (PZK) ist gründlich erforscht und optimiert. Im Hinblick auf mögliche ökonomische und ökologische Vorteile befassen sich aktuelle Forschungsvorhaben darüber hinaus mit der Herstellung von Klinkermineralen aus Stahlwerksschlacken, die eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen.
Neuste Untersuchungen zeigen, dass nach der reduzierenden Behandlung schmelzflüssiger Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken und Abscheidung des gebildeten metallischen Eisens eine mineralische Schlacke entsteht, die unabhängig von ihren Abkühlbedingungen ca. 50–60 Gew.% des wichtigsten Klinkerminerals Alit (C3S) enthält und eine hohe hydraulische Reaktivität aufweist.
Die Stabilität des Alits auch nach langsamer Abkühlung deutet auf eine Stabilisierung des Minerals durch Nebenelemente aus den LD-Schlacken hin. Ein sinkender Anteil an LD-Schlacke durch Zusatz synthetischer Schlackemischung, die sich hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten wie eine ausreduzierte LD-Schlacke zusammensetzt, führt zu einem Rückgang des Alitgehaltes und dem Zerfall der Schlacke beim Erstarren.
Die Klinkerphasenbildung durch Sinterung in Drehrohröfen bei der Herstellung von Portlandzementklinker (PZK) ist gründlich erforscht und optimiert. Im Hinblick auf mög-liche ökonomische und ökologische Vorteile befassen sich aktuelle Forschungsvorha-ben darüber hinaus mit der Herstellung von Klinkermineralen aus Stahlwerksschla-cken, die eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen.
Neuste Untersuchungen zeigen, dass nach der reduzierenden Behandlung schmelz-flüssiger Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken und Abscheidung des gebildeten metallischen Eisens eine mineralische Schlacke entsteht, die unabhängig von ihren Abkühlbedin-gungen ca. 50–60 Gew.% des wichtigsten Klinkerminerals Alit (C3S) enthält und eine hohe hydraulische Reaktivität aufweist.
Die Stabilität des Alits auch nach langsamer Abkühlung deutet auf eine Stabilisierung des Minerals durch Nebenelemente aus den LD-Schlacken hin. Ein sinkender Anteil an LD-Schlacke durch Zusatz synthetischer Schlackemischung, die sich hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten wie eine ausreduzierte LD-Schlacke zusammensetzt, führt zu einem Rückgang des Alitgehaltes und dem Zerfall der Schlacke beim Erstarren.
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.
A wide range of methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Published research has shown that the diffusive gradients in thin films (DGT) technique has a superior correlation to plant-available P in soils compared to standard chemical extraction tests. In order to identify the plant-available soil P species, we combined DGT with infrared and P K- and L-edge X-ray adsorption near-edge structure (XANES) spectroscopy. This was achieved by spectroscopically investigating the dried binding layer of DGT devices after soil deployment. All three spectroscopic methods were able to distinguish between different kinds of phosphates (poly-, trimeta-, pyro- and orthophosphate) on the DGT binding layer. However, infrared spectroscopy was most sensitive to distinguish between different types of adsorbed inorganic and organic phosphates. Additionally, also intermediates of the time-resolved hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be analyzed. Furthermore, infrared and XANES microspectroscopy make it also possible to analyze P compounds on the binding layer with a lateral resolution down to 1 µm2. Therefore, P species of a spatial soil segment (e.g. rhizosphere) can be mapped and analyzed.
Wastewater contains a diverse array of organic and inorganic compounds and its complex composition strongly depends on the location and the connected dischargers. However, municipal wastewater as a carrier of feces and urine generally contains considerable amounts of the main nutrients nitrogen and phosphorus. The latter is in the focus of the discussions about the recovery potential of wastewater due to the relatively high mass flows of phosphorus in wastewater and the finite nature and decreasing quality of phosphate rock reserves. But due to the presence of the whole periodic table of elements, wastewater might contain further valuable components of interest for recovery including those defined as critical raw materials by the European Commission. Phosphorus and most of the other critical raw materials are fixed in the sewage sludge and after incineration in the sewage sludge ash (SSA). This is accompanied by high concentration factors from wastewater via sludge to ash. However, the mass fractions of the majority of elements in sewage sludge are comparable to those of the earth crust, indicating no relative enrichment. Nevertheless, enrichment factors of 100 or higher are given for phosphorus, copper, zinc, cadmium, silver, tin, lead and the platinum group elements indicating an anthropogenic input. An economic value of sewage sludge was estimated to $460,-/t calculated on the basis of the respective market prices for high purity elements – a theoretical value. A German survey of sewage sludge ashes showed that the mass fractions and the mass flows of most of the elements present in SSA are probably too low for an economic recovery. In most cases the mass flows are rather small compared to the imports and the chemical forms are not suitable for recovery. An exception is phosphorus that is present in high mass fractions up to 13% and that bears a high substitution potential. If the application of P-recovery technologies lead to a further concentration of valuable elements e.g. as by-products in side streams of the process, it would probably make also the recovery of other elements of economic interest.
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.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including on-line-LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
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.
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.
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.
Recycling-Düngemittel auf Basis von sekundären Ressourcen (Gülle, Gärreste, Klärschlamm, Tiermehl etc.) gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung in der Landwirtschaft. Die in den Recycling-Düngemitteln enthaltenen P-Spezies weichen oft stark von denen in konventionell hergestellten Düngemitteln aus Rohphosphat ab, zudem enthalten Recyclingdünger oft mehrere verschiedene P-Formen. Die Pflanzenverfügbarkeit des P in ist ganz wesentlich von der enthaltenen P-Form abhängig. Derzeit gibt es außer zeitaufwendigen und kostspieligen Gefäß- und Feldversuchen keine zufriedenstellende Testmethode zur Analyse der P-Pflanzenverfügbarkeit von unterschiedlichen Recycling P-Düngemitteln. Die im europäischen Düngemittelrecht normierten chemischen Extraktionsmethoden (Wasser, Zitronensäure, Ameisensäure, neutral Ammoniumcitrat etc.) zeigen oftmals keine oder nur sehr geringe Korrelation zu der P-Aufnahme von Pflanzen in Gefäßversuchen mit Recycling-Düngemitteln (Kratz et al. 2010, Steckenmesser et al. 2017, Vogel et al. 2017). Eine grundlegende Schwäche chemischer Extraktionsmethoden liegt darin, dass es sich dabei um statische Methoden handelt, die nicht in der Lage sind, die im System Boden/Düngemittel-Bodenlösung-Pflanze stattfindenden dynamischen Prozesse wie P-Freisetzung und Entzug durch die Pflanzenwurzeln abzubilden.
Einen Lösungsansatz bieten hier sog. P-Senken-Methoden. Bereits in den 1950er Jahren wurden erstmals P-Senken zur Analyse des Boden-P angewendet (Chardon et al. 1996). In den darauffolgenden Jahrzehnten wurden verschiedene P-Senken auf der Basis von Eisenoxid-Papier entwickelt (Chardon et al. 1996). Jedoch konnten diese Ansätze auch nur begrenzt zur Bestimmung der P-Pflanzenverfügbarkeit des Boden-P eingesetzt werden. Mitte der 1990er Jahre wurde die DGT (engl. diffusive gradients in thin films) Methode entwickelt (Zhang et al. 1998). Bei der DGT Methode diffundiert P aus der Bodenlösung des angefeuchteten Bodens durch einen Membranfilter und die Diffusionsschicht und wird anschließend an einer Bindungsschicht absorbiert. Durch den Diffusionsgradienten wird das Gleichgewicht in der Bodenlösung permanent gestört, wodurch auch labiles P im Boden gelöst wird. Die stetige Entnahme von P aus der Bodenlösung über die Diffusions-/Bindungsschicht simuliert dabei den Entzug von P durch die Pflanzenwurzel. Die an die Bindungsschicht adsorbierte Menge an P korreliert stark mit der P-Aufnahme von Pflanzen (u.a. Mason et al. 2005, 2013; Menzies et al. 2005, Six et al. 2012). Im Gegensatz zu chemischen Extraktionsmethoden werden bei der DGT Methode Mischungen an Düngemittel und Boden für mehrere Tage inkubiert (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017), da ansonsten wasserlösliche P-Dünger den DGT Adsorber sättigen und wasserunlösliche P-Dünger unterschätzt werden. Ein bis zwei Wochen Inkubation sind ausreichend, damit sich pflanzenverfügbares P in die Mischungen bildet.
In letzter Zeit haben verschiedene Forschungsgruppen gezeigt, dass die DGT Methode auch eine sehr gute Korrelation mit der Pflanzenverfügbarkeit verschiedener Typen von (Recycling-)P-Düngemitteln aufweist (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017; Foereid 2017; Haarstad and Bavor 2017; Lemming et al. 2017). Bei Gefäßversuchen mit verschiedenen Recycling P-Düngemitteln konnte die DGT Methode den Ertrag bzw. die P-Aufnahme von Mais deutlich besser vorhersagen als herkömmliche chemische Extraktionsmethoden (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017).
Daher kann die DGT Methode im Vorfeld der Zulassung von neuen Düngermitteltypen als zuverlässige und robuste Methode zum Screening von Produktvarianten eines Düngemittelherstellers verwendet werden. Um dieses Messverfahren im Rahmen des Düngemittelrechts als Bewertungsinstrument für die Abschätzung der Pflanzenverfügbarkeit unterschiedlicher Düngemittel zu verwenden, muss es allerdings zunächst standardisiert werden. Zu diesem Zweck bietet sich der Einsatz eines „standardisierten“ Bodens bzw. Bodenrezepts an. Zur Kalibrierung der Methode im jeweiligen Labor könnten auch chemisch definierte P-Verbindungen mit bekannter Löslichkeit/Pflanzenverfügbarkeit als Referenz-substanzen verwendet 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.