Industrie + Technik

Bakterien liefern Proteine | Das japanische Start-up Symbiobe an der Universität Kyoto entwickelt Bioraffinerien mit Meeresbakterien vom Typ photosynthetisch aktiver Rhodobacter. In einer 4000-Liter-Demoanlage züchtet das Unternehmen Zellmasse und erhält Futterprotein sowie Stickstoffdünger, um Fischmehl in Aquakultur zu ersetzen. Zusammen mit dem japanischen Start-up Spiber entsteht mit rekombinanten Rhodobacter-Stämmen Spinnenseide.<a href="https://symbiobe.jp" target="_blank">symbiobe.jp</a>, <a href="https://spiber.inc" target="_blank">spiber.inc</a>Gold aus Schrott | Reduziertes Graphenoxid (rGO) könnte aus Elektronikschrott besonders viel Gold extrahieren. Ein chinesisch-britisches Forscherteam extrahierte mit einem Gramm rGO aus einer 10-ppm-KAuCl4-Lösung bei 25 °C etwa 1850 mg·g–1 Au, bei 60 °C 9059 mg·g–1. Andere Extraktionsmittel extrahierten bei so geringen Konzentrationen maximal 250 mg·g–1 und seien weniger selektiv.F. Li, J. Zhu, P. Sun et al., Nat. Commun. 2022, 13, 4472Rolf Schmid, <a href="https://www.bio4business.eu" target="_blank">www.bio4business.eu</a>Ineos kauft Anlagen von Mitsui | Für umgerechnet 330 Mio. Euro hat das japanische Chemieunternehmen Mitsui Phenols seine Anlagen auf Jurong Island, Singapur, an Ineos Phenol (ehemals Phenolchemie Gladbeck) verkauft. Damit erweitert das Unternehmen seine Kapazitäten um mehr als eine Million Tonnen pro Jahr. Die Transaktion soll im ersten Quartal 2023 abgeschlossen sein. Mit der Übernahme wechseln 120 Beschäftigte zu Ineos Phenol. JW

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Blick nach Asien

Bakterien liefern Proteine | Das japanische Start-up Symbiobe an der Universität Kyoto entwickelt Bioraffinerien mit Meeresbakterien vom Typ photosynthetisch aktiver Rhodobacter. In einer 4000-Liter-Demoanlage züchtet das Unternehmen Zellmasse und erhält Futterprotein sowie Stickstoffdünger, um F...

Der Bauxitrückstand aus der Aluminiumproduktion lässt sich wiederverwenden, statt ihn als Rotschlamm zu deponieren. Wie aus Abfall ein Wertstoff wird.Um ausreichend mineralische Rohstoffe zu gewinnen, bietet es sich an, die Zwangsanfälle, also die Abfälle großer chemischer Prozesse zu untersuchen: hier die der Aluminiumproduktion.In der ersten Stufe der Herstellung von Aluminium wird Al(OH)3 nach dem Bayer-Prozess hergestellt. Hierfür wird das Erz Bauxit zerkleinert, getrocknet, gemahlen und mit konzentrierter Natronlauge in Natriumaluminat überführt. Unlösliche Bestandteile des Erzes, darunter Oxide von Eisen, Titan und anderen Schwermetallen, bilden nach Abtrennung den Bauxitrückstand, auch Rotschlamm genannt. Aus der Natriumaluminatlösung scheidet sich nach Impfen, Abkühlen und beim Verdünnen mit Wasser kristalliner Gibbsit (Al(OH)3) aus. Dieser wird anschließend bei 1200 bis 1300 °C entwässert (calciniert), es entsteht Aluminiumoxid (Tonerde).Im zweiten Schritt wird das Aluminiumoxid geschmolzen und elektrolysiert. Zurzeit produzieren weltweit etwa 80 Tonerdefabriken diesen Rohstoff für die <link href="#nadc20224131210-fig-0001">Aluminiumindustrie. Jährlich werden zirka 60 Mio. Tonnen Aluminium neu hergestellt und zirka 15 Mio. Tonnen recycelt.1)<figure xml:id="nadc20224131210-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3JzaqfaoRduXQ0UeF556"><figcaption><label>Abb.1: </label>Rotschlammdeponie in Ungarn. Foto: SAndor / Adobe Stock</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Problemabfall</h2>Da seit 1887, dem Jahr der Patenterteilung für das Verfahren, bis heute keine wesentlichen Anwendungen für den Bauxitrückstand gefunden wurden,2) wird er auf Deponien gespült. Pro produzierter Tonne Aluminium fallen je nach Qualität des verwendeten Bauxits etwa drei Tonnen Rotschlamm an.Der stark alkalische Schlamm muss in abgedichteten Deponien überwacht werden. Die Kosten dafür werden auf neun Prozent des Tonerde-Preises geschätzt. Bei zirka 330 US-Dollar pro Tonne Tonerde sind das 30 US-Dollar pro Tonne Bauxit-Rückstand.3) Die Tendenz ist wegen behördlicher Auflagen steigend.Der Bauxitrückstand (BR) ist nach dem Basler Abkommen als gefährlicher Abfall eingestuft.4) Das macht seinen Transport über Grenzen hinweg praktisch unmöglich. Dies wäre aufgrund der Transportkosten ohnehin illusorisch. Aber die weltweit zwischen 150 und 180 Millionen Tonnen BR, die pro Jahr entstehen, sowie die Milliarden von Tonnen, die zurzeit weltweit auf Deponien liegen, machen den Rückstand nahezu überall verfügbar.<h2 type="main">Bauxitrückstand modifizieren</h2>Bei der alkalischen Auslaugung von Aluminium aus Bauxit bleibt der Bauxitrückstand als Zwangsanfall zurück. Er gilt aufgrund seiner Alkalinität als „hazardous waste“ und wegen der enthaltenen löslichen toxischen Substanzen wie Chromat und Schwermetallen als „toxisch“.Ein einstufiger Prozess neutralisiert und entgiftet den BR zu modifiziertem Bauxitrückstand (MBR, <link href="#nadc20224131210-fig-0002">Foto oben links). Details zum Umwandlungsverfahren unterliegen der Geheimhaltung.<figure xml:id="nadc20224131210-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Im8uDw4ESim65FL0NiGB"><figcaption><label>Abb.2: </label>Modifizierter Bauxitrückstand (MBR) als Pulver. Fotos: Alferrock</figcaption></figure></figure>Das Verfahren verursacht weniger Kosten als das Deponieren des Rückstands: weniger als 10 US-Dollar pro Tonne BR. Das Material fällt filterfeucht (20 bis 25 %) an. In dieser Form wird es direkt zu Pressgranulat zur Formkörper-Herstellung für Speicherkeramik verarbeitet. Auf eine Restfeuchte von 8 bis 10 Prozent getrocknet wird MBR zu Granulaten für die Luft-, Wasser- oder Gasreinigung und Düngeanwendungen verarbeitet. Für die Verwendung im Baugewerbe oder als halogenfreier Flammschutz wird MBR auf eine Restfeuchte unter 0,1 Prozent getrocknet, um bei Compoundiertemperaturen von bis zu 250 °C Wasserdampfexplosionen zu vermeiden.Im Februar erhielt der MBR die Reach-Registrierung der europäischen Chemikalienagentur Echa und darf jetzt in Anwendungen in der EU ohne Einschränkungen verwendet werden.Aus den chemischen, physikalischen und mineralogischen Eigenschaften von MBR lassen sich Anwendungsfelder identifizieren. Das spezifische Gewicht des MBR beträgt 3,9 kg·L–1, die Schüttdichte liegt bei 1000 kg·m–³ (untamped bulk density, UTBD). MBR ist ein feinteiliges, gut fließendes und dabei staubarmes Pulver. Die mittlere Korngröße (D50) liegt zwischen 1 und 2 Mikrometer, wobei ein Drittel des MBR im nanoskaligen Bereich liegt (<link href="#nadc20224131210-fig-0003">Graph oben). Die spezifische Oberfläche (nach B.E.T.) beträgt über 20 m²·g–1, die der Granulate mehr als 30 m²·g–1.<figure xml:id="nadc20224131210-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ZJuN30K3THOBgwqYKLZX"><figcaption><label>Abb.3: </label>Korngrößenverteilung des Bauxitrückstands nach Modifizieren, beispielsweise Neutralisieren, Entgiften und Filtern.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Wärme und Energie</h2>In Form keramischer Ziegel ist MBR ein Speichermaterial mit hoher Wärmekapazität (temperaturabhängig von 0,7 bis 1,1 J·g–1·K–1) und einer Dichte von 3,5 g·cm–3. Das Material ist bis zu einer Temperatur von 1100 °C mechanisch stabil. Wegen der Thermoschockbeständigkeit eignet sich die MBR-Keramik besonders dafür, große Energiemengen zu speichern – bei schnellen Temperaturänderungen entstehen keine Spannungen, die das Material zerstören.Ein MBR-Wärmespeicher besteht aus einem Block keramischer Ziegel, der durch eine Dämmung wärmeisoliert ist und mit elektrischen Heizelementen durch Strom aus Wind- oder Solaranlagen aufgeheizt wird (<link href="#nadc20224131210-fig-0004">Foto unten links). Somit kann der überschüssige Strom in Wärme umgewandelt und mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 Prozent gespeichert werden. Ohne Unterbrechung des Beladevorgangs kann die Entladung über einen Wärmetauscher erfolgen.<figure xml:id="nadc20224131210-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/2lNjQR07T1aLateN0jLn"><figcaption><label>Abb.4: </label>Wärmespeicher im Labor, gebaut mit modifiziertem Bauxitrückstand.</figcaption></figure></figure>Ein Kubikmeter MBR-Wärmespeicherkeramik kann bei einer Temperatur von 1000 °C mehr als 1 MWh thermische Energie speichern. Die gespeicherte Wärme lässt sich für Warmwasser- und Dampfherstellung oder für die Rückverstromung nutzen. Wärmerückgewinnung jeder Art wird möglich.<h2 type="main">Flammschutz und Dämmung</h2>Aufgrund seiner mineralogischen und chemischen Zusammensetzung und der damit verbundenen endothermen Vorgänge eignet sich MBR in Pulverform als anorganischer halogenfreier Flammschutz für Kunststoffe und hydraulisch abbindende Baustoffe. Styroporplatten mit MBR ergeben beispielsweise eine nicht brennbare Wärmedämmung (<link href="#nadc20224131210-fig-0005">Foto S. 38, unten rechts).<figure xml:id="nadc20224131210-fig-0005"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/XinH08OfTD2Ju7HOuPJj"><figcaption><label>Abb.5: </label>Polystyrol mit modifiziertem Bauxitrückstand als Füllstoff für Flammschutz, Schalldämmung und Strahlenabschirmung.</figcaption></figure></figure>Feuerlöschmittel für Flächenbrände sind in den Boden eingebrachte MBR-Granulate. Sie fungieren als Brandsperren, damit sich das Feuer nicht unter der Bodennarbe ausbreitet.Darüber hinaus kann MBR aufgrund seiner hohen Dichte als Füllstoff in Baustoffen die Schalldämmung in Gebäuden verbessern.Zudem steigt die Abschirmung vor radioaktiven und elektromagnetischen Strahlen bei Einsatz von MBR mit seinem hohen Eisengehalt.5)<h2 type="main">Reinigen und Düngen</h2>Aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche und der Zusammensetzung von MBR-Granulaten lassen diese sich wie granulierte Aktivkohle verwenden. Sie adsorbieren Spurenstoffe, Schwermetallkationen und anionische Stoffe (<link href="#nadc20224131210-fig-0006">Abbildung oben). Die gebundenen Schadstoffe lassen sich immobilisieren, indem man aus dem kontaminierten MBR laugungsstabile Geopolymere herstellt.<figure xml:id="nadc20224131210-fig-0006"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/pZX308CQbu3dZBVK0Z90"><figcaption><label>Abb.6: </label>Wie Granulate aus modifiziertem Bauxitrückstand Wasser reinigen. Links: anionische Schadstoffe aus einer Lösung mit 2,5 Gew.-% Granulat; rechts kationische Schadstoffe (je 100 mg·L–1) aus einer Lösung mit 3,5 Gew.-% Granulat.6)</figcaption></figure></figure>Mit Amidosulfonsäure dotierte MBR-Granulate reduzieren Nitrat zu Nitrit, was anschließend zu elementarem Stickstoff synproportioniert. So kann Nitrat im Grundwasser zerstört werden.Wertstoffe wie Phosphat lassen sich zurückgewinnen, indem das im MBR enthaltene Eisen, Aluminium und Calcium schwerlösliche Phosphate bildet.MBR in Granulatform kann in Gülle oder Biogas als Adsorbens wirken oder mit NPK (Stickstoff, Phosphor, Kalium) dotiert als Dünger, der gleichzeitig Schadstoffe im Boden immobilisiert.<h2 type="main">Die Autoren</h2>Den Beitrag haben Heinzhorst Moebius, Horst Schmidt (Foto) und Sebastian Hippmann verfasst. Der promovierte Chemiker Moebius war nach seiner Pensionierung bis zum Jahr 2012 im Verwaltungsrat der Fluorchemie-Gruppe. Von 1965 bis 1998 war er für die ehemalige Hoechst AG im Chemiefaserbereich tätig. Der promovierte Mineraloge Schmidt arbeitet bei Alferrock in Bergheim. Zuvor war er am Institut für Anorganische Chemie der TU Freiberg und bei Fluorchemie in Frankfurt beschäftigt. Der promovierte Chemiker Hippmann entwickelt Verwertungsmöglichkeiten industrieller Nebenprodukte am Institut für Technische Chemie der TU Freiberg und ist Teamleiter beim Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/eo97bSF8TGexnJdvrqjy"><ul class="references" xml:id="nadc20224131210-bibl-0001" cited="no" style="numbered"><li xml:id="nadc20224131210-bib-0001">1 J. Vasters, G. Franken, Aluminium – Informationen zur Nachhaltigkeit, BGR Hannover, 2020</li><li xml:id="nadc20224131210-bib-0002">2 H. Sutar, S. C. Mishra, S. K. Sahoo, A. P. Chakraverty, H. S. Maharana. Am. Chem. Sci. J. 2014, 4(3), 255.</li><li xml:id="nadc20224131210-bib-0003">3 London Metal Exchange, Alumina Preis am 17. August 2022</li><li xml:id="nadc20224131210-bib-0004">4 Basler Übereinkommen über die Kontrolle der grenzüberschreitenden Verbringung gefährlicher Abfälle und ihrer Entsorgung 1992, <a href="https://www.bmuv.de" target="_blank">www.bmuv.de</a></li><li xml:id="nadc20224131210-bib-0005">5 R. Thoraeus, Acta Radiol. 1960, 54, 410</li><li xml:id="nadc20224131210-bib-0006">6 H. Schmidt, S. Hippmann, M. Bertau, W. Voigt, Chem. Ing. Tech. 2016, 88, 1323</li></ul>

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