KREISLAUFWIRTSCHAFT Sicherheit im Fokus - CIRCULAR ECONOMY Focus on safety - BAM
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KREISLAUFWIRTSCHAFT
Sicherheit im Fokus
CIRCULAR ECONOMY
Focus on safety
2 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im Fokus
VORWORT
PREFACE
Das gegenwärtige globale Wirtschaftsmodell basiert The current global economic model is based on the
auf dem Prinzip linearen Wachstums. Aufgrund der principle of linear growth. Due to the finite nature of
Endlichkeit natürlicher Ressourcen wird dieser Wachs- natural resources, this concept of growth will reach its
tumsgedanke in Zukunft jedoch an Grenzen stoßen. limits soon. Already in the 1960s, economists devel-
Schon in den 1960er Jahren haben Ökonomen das Mo- oped the model of a circular economy. It aims to
dell einer Kreislaufwirtschaft, einer Circular Economy, optimize the utility value of resources along the entire
entwickelt. Es zielt darauf ab, den Gebrauchswert von value chain and to close material cycles.
Ressourcen entlang der gesamten Wertschöpfungs-
kette zu optimieren und Materialkreisläufe zu schlie- In 2019, the European Commission confirmed and
ßen. updated its 2015 Circular Economy Action Plan. The
German government supports these international
2019 hat die Europäische Kommission ihren Aktions- efforts with its sustainability strategy and the resource
plan zur Circular Economy aus dem Jahr 2015 bekräf- efficiency program.
tigt und aktualisiert. Auch die deutsche Bundesregie-
rung unterstützt diese internationalen Bemühungen The Bundesanstalt für Materialforschung und
seit langem mit ihrer Nachhaltigkeitsstrategie und -prüfung (BAM) is involved in these activities in many
ihrem Ressourceneffizienzprogramm. ways. According to the motto ‘safety in technology
and chemistry’, we work in cooperation with partner
Die Bundesanstalt für Materialforschung und institutions from industry and research in the field of
-prüfung (BAM) ist in vielfältiger Weise in diese process and product safety as well as environmental
Aktivitäten involviert. Unter dem Motto „Sicherheit safety. In particular, we focus on resource efficiency by
in Technik und Chemie“ arbeiten wir gemeinsam mit developing new processes for the extraction of valu-
Partnern aus Wirtschaft und Forschung im Bereich der able resources from waste and for the recycling of
Prozess- und Produktsicherheit sowie der Umweltsi- mass residuals. We analyze the durability and the
cherheit. Dabei legen wir besonderes Augenmerk auf aging behavior of plastics and investigate the environ-
Ressourceneffizienz, indem wir neue Verfahren zur mental compatibility and durability of innovative
Extraktion wertvoller Ressourcen aus Abfällen und zur building products made from waste.
Wiederverwertung von Massenreststoffen entwickeln.
Wir analysieren die Beständigkeit und das Alterungs- In addition, BAM is active in national and international
verhalten von Kunststoffen und untersuchen die committees for standardization and regulation in the
Umweltverträglichkeit und Dauerhaftigkeit innovati- field of recycling management and promotes the
ver Bauprodukte aus Abfällen. exchange of knowledge between research and industry.
In this way we make an important contribution to the
Zudem ist die BAM in nationalen und internationalen transformation of the German and European economy
Gremien bei der Normung und Regelsetzung im Be- towards a circular economy.
reich Kreislaufwirtschaft tätig und fördert den Wis-
sensaustausch zwischen Forschung und Industrie. So
leisten wir einen wichtigen Beitrag zur Transformation
der deutschen und europäischen Wirtschaft hin zu
einer Circular Economy.
Prof. Dr. Ulrich Panne
Präsident/President
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 3
INHALT
CONTENT
Sicherheit macht Märkte 6
Safety creates markets
Circular Economy – für ein nachhaltiges Wirtschaften 8
Circular economy – towards a sustainable economy
Seltene Metalle - neue Verfahren zur Rückgewinnung 10
Rare metals - new methods for recovery
Scandium – vom Industriereststoff zum
sekundären Rohstoff 12
Scandium – from industrial
residue to secondary raw material
Dünger aus Klärschlammasche – Rückführung von
Phosphor in den Stoffkreislauf 14
Fertiliser from sewage sludge ash – return of
phosphorus to the material cycle
Zink, Eisen und Kohlenstoff – Rückgewinnung aus
Stahlwerksstäuben 16
Zinc, iron and carbon – recovery from steel mill dusts
Schlacke zu Zement – Reststoffnutzung in Zeiten
des Klimawandels 18
Slag to cement – residue use in times
of climate change
Metallhüttenschlacken – Umwandlung zu sicheren
Bindemitteln 20
Metallurgical slags – conversion into safe binders
CFK-Materialien – Grundlagenforschung für das Recycling 22
CFRP materials – basic research for recycling
Wiederverwerteter Gips – ein Baustoff mit Zukunft? 25
Recycled gypsum – a building material with a future?
4 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im Fokus
Neue Aufbereitungsmethoden – aus Abfällen wertvolle
Rohstoffe gewinnen 28
New processing methods – extracting vulnerable
raw materials from waste
Ersatzbaustoffe – umweltverträgliche Gewinnung
aus Abfällen 30
Substitute building materials – environmentally
compatible extraction from waste
Nachhaltige Baustoffe – Nutzung von Bauabfällen 32
Sustainable building materials –
use of construction waste
Bodenmaterialien – sicher verwertet 36
Soil-like materials – safely recycled
Flammgeschützte Polymerwerkstoffe –
Wege zur Nachhaltigkeit 38
Flame retardant polymer materials –
ways to sustainability
Faserverbundwerkstoffe – Reparaturmechanismen
für Windkraftanlagen 40
Fibre composites – repair mechanisms
for wind turbines
Polymerwerkstoffe – Untersuchung des
Alterungsverhaltens 43
Polymer materials – Investigation of ageing behaviour
3D-Druck – nachhaltiges Ausgangsmaterial aus der Natur 45
3D printing – sustainable feedstock from nature
Alternative Brennstoffe – sichere Handhabung
und Lagerung 48
Alternative fuels – safe handling and storage
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 5
6 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im Fokus
SICHERHEIT MACHT MÄRKTE
SAFETY CREATES MARKETS
Verantwortungsvoller technologischer Wandel ist Responsible technological change helps guarantee
ein Garant für den Wohlstand unserer Gesellschaft. our society’s prosperity. And new technologies are
Neue Technologien sind die Basis für die erfolgreiche key to Germany’s status as a top business location.
Weiterentwicklung des Wirtschaftsstandortes But the long-term safety of new technologies is also
Deutschland und für eine Wertschöpfung in globalen essential to build public trust in change and safe-
Märkten. Die nachhaltige Sicherheit neuer Technolo- guard our future.
gien schafft das Vertrauen von Bürger*innen in den
Wandel und sichert unsere Zukunft. By working at the cutting edges of materials science,
materials engineering and chemistry, the Bundesan-
In den Spitzen- und Schlüsseltechnologien Material- stalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
wissenschaft, Werkstofftechnik und Chemie leistet makes a crucial contribution to the technical safety
die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung of products, processes and to people’s life and work.
(BAM) einen entscheidenden Beitrag zur technischen For this purpose, we carry out research, perform
Sicherheit von Produkten, Prozessen und der Lebens- tests and provide advice based on our technical
und Arbeitswelt der Menschen. Dazu forschen, prüfen expertise and many years of experience at the
und beraten wir mit unserer fachlichen Kompetenz interfaces of science, technology, industry and
und langjährigen Erfahrung an den Schnittstellen von politics.
Wissenschaft, Technik, Wirtschaft und Politik.
As a centre of excellence for safety in technology
Als Kompetenzzentrum „Sicherheit in Technik und and chemistry, we make a significant contribution
Chemie“ leisten wir einen entscheidenden Beitrag to the development of German industry.
zur Entwicklung der deutschen Wirtschaft. Safety creates markets.
Sicherheit macht Märkte.
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 7
CIRCULAR ECONOMY —
FÜR EIN NACHHALTIGES
WIRTSCHAFTEN
CIRCULAR ECONOMY — TOWARDS
A SUSTAINABLE ECONOMY
Derzeit steht das globale Wirtschaftssystem erst Bedeutung. So können z. B. Gesteinskörnungen für
am Beginn der Transformation hin zu einer Circular die Betonherstellung aus Bauschutt und Metalle aus
Economy. So wurden 2017 in den Staaten der den Abfällen industrieller Massenproduktionen
Europäischen Union knapp 5,4 Milliarden Tonnen an gewonnen werden.
Rohstoffen gewonnen und zusätzlich 1,7 Milliarden
Tonnen an Materialien und Produkten importiert. Im Mit Kenntnissen über das Alterungsverhalten und die
Vergleich dazu wurden jedoch nur etwa 900 Millio- Beständigkeit von Materialien lassen sich zudem
nen Tonnen über Recycling und Wiederverwertung mittels Instandhaltung und Wiederaufbereitung die
erneut in den Wirtschaftskreislauf eingebracht. Lebensdauerzyklen von Produkten verlängern.
Zugleich kann dadurch der Verbrauch neuer Ressour-
Auf dem Weg zu einer Circular Economy sollte das cen und die Menge an Abfällen reduziert werden.
wirtschaftliche Wachstum schrittweise vom Ver-
brauch endlicher Ressourcen entkoppelt werden.
Dabei ist sie nicht auf klassisches Recycling – im
Sinne der Verwertung von Abfällen – beschränkt,
sondern beginnt bereits bei einem Produktdesign, Currently, the global economic system is only at the
das Instandhaltung, Wiederverwendung und Wie- beginning of transition to a circular economy. In 2017,
deraufbereitung des Produkts beziehungsweise der countries of the European Union produced nearly 5.4
enthaltenen Rohstoffe von Anfang an mitdenkt. billion tons of raw materials and imported additionally
1.7 billion tons of materials and products. In compari-
Aufgrund ihrer großen Massen sind dabei minerali- son, only about 900 million tons were reintroduced
sche Primär- und Sekundärrohstoffe von besonderer into the economic cycle via recycling and reuse.
8 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im Fokus
On the way to a circular economy, economic growth extracted from building rubble and metals can be
should be gradually decoupled from the consumption obtained from the waste of industrial mass produc-
of finite resources. The idea is not limited to classic tion.
recycling in the sense of waste recovery but from the
very beginning focuses on product design that consid- Knowledge of the aging behavior and durability of
ers maintenance, reuse and reprocessing of the materials allows to extend the life cycles of products
product or the raw materials it contains. through maintenance and reprocessing and thus to
reduce the consumption of new resources and the
Due to their large masses, primary and secondary amount of waste.
mineral raw materials are of particular importance. For
example, aggregates for concrete production can be
Kreislaufwirtschaft/Cirular Economy
Rohstoffe/Raw materials Design/Design
Herstellung, Wiederaufarbeitung/
Production, remanufacturing
Recycling/Recycling Vertrieb/
Distribution
Kreislaufwirtschaft
Cirular Economy
Restabfall/
Residual waste
Verwendung,
Sammlung/ Wiederverwendung, Reparatur/
Collection Consumption use, reuse, repair
In einer Circular Economy sind Materialkreisläufe weitgehend In a circular economy material cycles are largely closed.
geschlossen.
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 9
SELTENE METALLE — NEUE VERFAHREN
ZUR RÜCKGEWINNUNG
RARE METALS — NEW METHODS FOR RECOVERY
In vielen industriellen Reststoffen wie Stäuben, Schla- Pyrometallurgische Verfahren sind energetisch auf-
cken, Aschen oder Schlämmen sind noch wertvolle wendig, so dass ihre Verwendung zur Wertstoffrück-
Elemente enthalten, deren Vorkommen und Verfüg- gewinnung aus Reststoffen auf den ersten Blick sehr
barkeit gering ist und die deshalb als „kritisch“ einge- kostenintensiv erscheint. Die geringe Verfügbarkeit der
stuft werden. Dazu gehören z. B. Tantal, Niob, Indium, als kritisch eingestuften Metalle bei gleichzeitig hohem
Wolfram, seltene Erden und viele andere wirtschaftlich Bedarf bedingt jedoch auch sehr hohe Aufwendungen
bedeutende Metalle. Durch die oft noch notwendige bei der Primärgewinnung, die zudem noch mit erheb-
Deponierung dieser Reststoffe oder deren direkte Ver- lichen, nicht ausgleichbaren Eingriffen in die Umwelt
wertung, etwa im Straßenbau, werden diese Wertstoffe verbunden sind. Aus diesem Grunde hat die Entwick-
dem Stoffkreislauf entzogen. In der Regel sind sie fest lung neuer oder die Optimierung bestehender Verfah-
in der sie umgebenden Matrix eingebunden und müssen ren nicht nur unter ökologischen, sondern auch unter
für ihre Rückgewinnung zuerst aus ihren Verbindungen ökonomischen Gesichtspunkten eine hohe Relevanz.
gelöst und anschließend separiert werden. Mechanische
Verfahren, die oft zur Aufbereitung von Reststoffen ein-
gesetzt werden, sind dazu in der Regel nicht in der Lage.
Rückgewinnung und Separation können jedoch in pyro- Various industrial residues such as dusts, slags, ashes or
metallurgischen Verfahren erfolgen. Hier liegen die sludges contain valuable elements whose deposits and
Verbindungen flüssig in einer Schmelze vor und lassen availability are scarce. These elements are therefore
sich mit einem geeigneten Hilfsmittel, z. B. Koks, in ihre classified as “critical” and include tantalum, niobium,
metallische Form überführen, die sich dann aufgrund indium, tungsten, rare earths and many other economi-
ihrer hohen Dichte am Boden des Schmelzbades anrei- cally significant metals. Through often still necessary
chert. Gleichzeitig bieten derartige Verfahren prinzipiell dumping of these residues or their direct recycling, for
auch die Möglichkeit, die verbleibende Restschmelze example in road construction, these valuable materials
hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung und are removed from the material cycle. Generally, they
ihrer physikalischen Eigenschaften so zu verbessern, are firmly embedded in the surrounding matrix and
dass eine Deponierung vermieden werden kann und must first be dissolved from their compounds and then
sogar hochwertigere Verwertungswege möglich sind. be separated for the recovery. Mechanical processes
often used to process residual materials do not allow
Für derartige Untersuchungen steht an der BAM ein for this, usually.
kleintechnischer elektrischer Lichtbogenofen zur Ver-
fügung, in dem im 100-kg-Maßstab technische Prozesse Recovery and separation can be realised in pyrometal-
nachgestellt, optimiert oder entwickelt werden können. lurgical processes: liquid compounds in a melt can be
Dabei können Temperaturen von über 2000°C reali- converted into their metallic form by adding a suitable
siert werden. Hier wurden bereits industriell genutzte auxiliary material, coke for instance, which then
Verfahren zur Rückgewinnung von Tantal und Niob accumulates at the bottom of the melt due to its high
aus verschiedenen Schlacken untersucht und Möglich- density. In addition, such processes generally allow to
keiten zur Optimierung aufgezeigt, um eine effizientere improve the material composition and physical
Rückführung in den Stoffkreislauf zu ermöglichen. properties of the remaining mineral phase and thus
10 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im FokusTantalrecycling - Abguss einer Schlacke nach einer reduz- Tantalum recycling - casting of a slag after a reducing
ierenden Behandlung im kleintechnischen Lichtbogenofen. treatment in a small-scale electric arc furnace. Tantalum is
Tantal wird in der am Boden des Lichtbogenofens separi- enriched in the metal phase separated at the bottom of the
erten Metallphase angereichert. arc furnace.
avoid landfilling and enable higher-quality recycling Pyrometallurgical processes are highly energy-consum-
routes. ing, and at the first glance their use for recovering
recyclable materials from residues appears very cost
For such investigations, BAM uses a small-scale electric intensive. However, low availability of the metals
arc furnace where technical processes can be simulated, classified as critical combined with high demand
optimised or developed. The capacity of the furnace is means that their primary extraction alone requires
100 kg and it allows for temperatures over 2000°C. large efforts and is also associated with considerable
The investigations of industrial processes for the and irreversible environmental impact. For this reason,
recovery of tantalum and niobium from various slags development of the new or optimisation of the existing
have shown possibilities for optimisation to enable a processes are highly relevant not only from the ecologi-
more efficient return to the material cycle. cal but also from the economic point of view.
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Burkart Adamczyk
Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
Thermochemical Residues Treatment and Resource Recovery
Burkart.Adamczyk@bam.de
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 11SCANDIUM — VOM INDUSTRIERESTSTOFF
ZUM SEKUNDÄREN ROHSTOFF
SCANDIUM — FROM INDUSTRIAL
RESIDUE TO SECONDARY RAW MATERIAL
in natürlichen Vorkommen, wie z. B. Erzlagerstätten,
angereichert. Entsprechend ist die jährliche Produktion
und Bereitstellung auf dem Weltmarkt mit weni-
ger als 35 t pro Jahr sehr gering. Es gibt weltweit
nur wenige Hersteller und keine Produktionsstätte
in Europa. Scandium zählt für die Europäische
Union zu den kritischen Rohstoffen und ist derzeit
eines der teuersten Elemente auf dem Weltmarkt.
Um die Verfügbarkeit von Scandium zu erhöhen und
auch in Europa sichere Versorgungswege aufbauen
zu können, untersucht die BAM zusammen mit 18
Partnern aus 10 europäischen Ländern in einem von
der EU geförderten Projekt die Möglichkeiten zur
Gewinnung von Scandium aus industriellen Reststof-
Scandiumhaltiger- Scandium-containing fen wie Rotschlamm, einem Rückstand aus der Alu-
Rotschlamm red mud miniumoxidherstellung. Im Mittelpunkt stehen dabei
innovative Technologien und ihre Anwendung und
Wirtschaftlichkeit auf industrieller Ebene. Ziel ist die
Erst durch den Einsatz von Technologiemetallen wur- Etablierung einer geschlossenen und sicheren Wert-
den viele technische Fortschritte in High-Tech-Anwen- schöpfungskette für Scandium in Europa. Die damit
dungen möglich. Hierzu zählen z. B. Indium, Gallium, verbundene Nutzung des Rotschlamms und weiterer
Gold oder Platin und die Elemente der seltenen Erden. industrieller Reststoffe, die bisher größtenteils deponiert
Die seltene Erde Scandium (Sc) ist ein Übergangsmetall, werden, ist dabei ein wesentlicher Faktor und trägt zum
dessen Einsatz sich in verschiedenen Anwendungen Circular-Economy-Ansatz der Europäischen Union bei.
als förderlich herausgestellt hat. So kann es z. B. in
speziellen Aluminium-Scandium-Legierungen ver- Innerhalb dieses EU-Projektes wird an der BAM an der
wendet werden, wo es maßgeblich zur Verbesserung mineralogischen und chemischen Charakterisierung
der Eigenschaften dieses Leichtbauwerkstoffes bei- von scandiumhaltigen Reststoffen (vorwiegend Rot-
trägt. Es ist daher besonders für die Luft- und Raum- schlamm sowie Abfälle aus der Titandioxid-Produk-
fahrtindustrie von Interesse. Scandium ist zudem eine tion) geforscht. Dies ist wichtig für die Prozessführung
Schlüsselkomponente bei der Herstellung bestimmter zur Extraktion von Scandium aus dem Reststoff als
Festoxidbrennstoffzellen, wo es derzeit am häufigsten Grundlage für eine industrielle Nutzung. Zusätzlich
eingesetzt wird. Da solche Materialien und Anwendun- werden weitere Reststoffe in Hinblick auf eine mögliche
gen in neuen und umweltfreundlichen Techniken immer Nutzung als Scandiumquelle eruiert und charakterisiert.
wichtiger werden, wächst auch das Interesse an Scan- Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden im
dium und an der Sicherstellung seiner Verfügbarkeit. Projekt von unseren europäischen Partnern genutzt und
zudem in eine europäische Rohstoffdatenbank
Im Gegensatz zu anderen Elementen ist Scandium auf- aufgenommen.
grund seiner spezifischen Eigenschaften nur selten
12 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im FokusIt was only through the use of technology metals that
many technical advances in high-tech applications
became possible. These metals include, for example,
indium, gallium, gold or platinum, and also elements of
the rare earths. The use of the rare earth scandium (Sc),
which is a transition metal, has proved to be beneficial
in various applications, for example in special alumin-
ium scandium alloys where it contributes to a signifi-
cant improvement of the properties of this lightweight
material. It is therefore of particular interest to the
aerospace industry. Moreover, scandium is currently
widely used as a key component in manufacturing of
certain solid oxide fuel cells. As such materials and Präparation einer Rotschlamm- Preparation of a red mud sample
applications become more and more important in new Probe für mineralogische Unter- for mineralogical analysis
and environmentally friendly technologies, interest in suchungen
scandium and in securing its availability is also
growing.
Unlike other elements and due to its specific properties, a closed and secure value chain for scandium in Europe.
scandium is rarely enriched in natural deposits such as The associated use of red mud and other industrial
ore deposits. Accordingly, the annual production and residues, most of which are currently landfilled, is an
supply on the world market is very low, with less than essential factor in this process and contributes to the
35 tons per year. There are only a few producers circular economy approach in the European Union.
worldwide and no production site exists in Europe.
Scandium is a critical raw material for the European Within this EU project, BAM is carrying out research
Union and is currently one of the most expensive on mineralogical and chemical characterisation of
elements on the world market. scandium-containing residues (mainly red mud and
waste from titanium dioxide production) which is
In order to increase the availability of scandium and to important for the process control for the extraction of
ensure secure supply routes in Europe, BAM in cooper- scandium from the residue as a basis for industrial use.
ation with 18 partners from 10 European countries In addition, further residues are investigated and
within the framework of an EU-funded project is characterized with regard to their possible use as a
investigating the possibilities of extracting scandium source of scandium. The results of this research will be
from industrial residues such as red mud, a residue used in the project run by our European partners and
from alumina production. Focus is on innovative will also be included in European raw material
technologies and their application and economic database.
efficiency on an industrial level. The aim is to establish
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Christian Adam
Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
Thermochemical Residues Treatment and Resource Recovery
Christian.Adam@bam.de
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 13DÜNGER AUS KLÄRSCHLAMMASCHE —
RÜCKFÜHRUNG VON PHOSPHOR IN
DEN STOFFKREISLAUF
FERTILISER FROM SEWAGE SLUDGE ASH —
RETURN OF PHOSPHORUS TO THE
MATERIAL CYCLE
Phosphor ist ein wertvoller Nährstoff, den jeder Orga- Klärschlammaschen gearbeitet, welche die Phosphate
nismus benötigt und der nicht substituiert werden kann. pflanzenverfügbar machen und Schwermetalle wie
Aufgrund der Endlichkeit der Phosphorlagerstätten und Cadmium und Blei abtrennen. Durch die Entfernung
der zu erwartenden Preissteigerungen auf dem Welt- dieser Schadstoffe kann die Umweltverträglichkeit und
markt werden Rückgewinnung, Kreislaufführung und Produktsicherheit der Recyclingdünger erhöht werden.
sparsamer Umgang mit dem essenziellen Makronähr-
stoff Phosphor zunehmend interessant und wichtig. In verschiedenen nationalen und internationalen Vor-
Rohphosphate, die für die Düngemittelherstellung haben wurden bereits, unter Beteiligung der BAM,
benötigt werden, sind (ebenso wie elementarer Phos- wichtige Fragestellungen dieser Thematik untersucht.
phor) von der EU als kritischer Rohstoff eingestuft und Neben Klärschlammaschen wurden auch andere poten-
damit im Fokus des Circular Economy Action Plans zielle Phosphorquellen wie Tiermehle oder Pflanzen-
der Europäischen Union. In diesem Zusammenhang aschen auf ihre Eignung hin überprüft. Ein weiterer
wird von der EU das Recycling von nährstoffhaltigen Schwerpunkt war die Entwicklung geeigneter Extrakti-
Reststoffen für eine Circular Economy explizit begrüßt. ons- und Analyseverfahren für eine verbesserte Bewer-
tung von Düngewirkung und Pflanzenverfügbarkeit.
Bei der landwirtschaftlichen Produktion von Nahrungs-
mitteln nehmen Pflanzen Phosphor aus dem Boden In einem vom Bundesministerium für Bildung und
auf. Dieser muss dem Boden in gleichem Maße wieder Forschung geförderten Projekt mit internationa-
zugeführt werden, um weiteres Pflanzenwachstum zu len Partnern wird zudem an der Entwicklung von
ermöglichen. Nach Konsum der Nahrungsmittel landet sogenannten Düngern der nächsten Generation
ein großer Teil des Phosphors über die Ausscheidungen geforscht („Next Generation Fertilizers“), also Klär-
der Menschen im Abwasser und wird im sogenannten schlammaschedüngern, die den Phosphor mög-
Klärschlamm angereichert. Die Rückführung des Klär- lichst synchron zum Pflanzenwachstum abgeben.
schlamms auf die Felder im Sinne einer Kreislaufwirt-
schaft, ist aufgrund der enthaltenen Schadstoffe, u.a.
Medikamentenrückstände und Schwermetalle, prob-
lematisch. Heute wird der Klärschlamm in Deutsch-
land aus diesem Grund überwiegend verbrannt. Dabei Phosphorus as a valuable nutrient is needed by every
entsteht eine phosphorreiche Klärschlammasche, die organism and cannot be substituted. Due to the finite
im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zu Düngemitteln nature of phosphorus deposits and the expected price
verarbeitet werden sollte. Die Klärschlammasche ent- increase on the world market, recovery, recycling and
hält allerdings noch Schwermetalle und die enthalte- economical use of the essential macronutrient phospho-
nen Phosphate sind schlecht für Pflanzen verfügbar. rus are becoming increasingly interesting and import-
ant. Phosphate rock required to produce fertilizers is
Aus diesem Grund wird in der BAM an thermochemi- classified by the EU along with elementary phosphorus
schen Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus as a critical raw material and is thus focus of the
14 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im FokusEuropean Union’s Circular Economy Action Plan. In In a project funded by the German Federal Ministry
this regard, the EU explicitly supports the recycling of of Education and Research and in cooperation
nutrient-containing residues within the framework of with international partners, BAM is conduct-
circular economy. ing research on the development of the so-called
“next generation fertilizers”, i.e. sewage sludge
Agricultural crops take up phosphorus from soil, and ash-based fertilizers that release phosphorus as
the same amount of phosphorus must be returned to synchronously with the plant growth as possible.
the fields to ensure further plant growth. In the process
of food consumption, a large part of phosphorus ends
up with human excreta in the wastewater and is
enriched in the so-called sewage sludge. The return of
sewage sludge to the fields in the sense of a circular
economy is problematic due to pollutants it contains
like drug residues and heavy metals. For this reason, in
Germany nowadays sewage sludge is predominantly
incinerated. This results in phosphorus-rich sewage
sludge ash, which should be processed into fertilizers in
the spirit of a circular economy. However, sewage
sludge ash still contains heavy metals, and the phos-
phates it contains are not readily available to plants.
Therefore BAM is working on thermochemical pro-
cesses for the recovery of phosphorus from sewage
sludge ashes which allow to make phosphates available
to plants and separate heavy metals such as cadmium
and lead. The removal of these pollutants allows to
increase the environmental compatibility and product
safety of the recycled fertilizers.
Various national and international projects where BAM
is involved are conducting research on important issues
related to this subject. In addition to sewage sludge ash,
other potential sources of phosphorus such as meat
and bone meal or plant ash have been examined for
suitability. Further focus was the development of Düngergranulat aus Klär- Fertilizer granules produced
suitable extraction and analysis methods for an schlammasche from sewage sludge ash
improved evaluation of fertilising effect and plant
availability.
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CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 15ZINK,EISEN UND KOHLENSTOFF —
RÜCKGEWINNUNG AUS STAHLWERKSSTÄUBEN
ZINC, IRON AND CARBON —
RECOVERY FROM STEEL MILL DUSTS
Elektroofenstaub (links) und Gichtgasschlamm (rechts) Electric arc furnace dust (left) and blast furnace sludge
(right)
Neben den Stahlwerksschlacken fallen bei der Eisen- Produktionsprozess zurückgeführt werden können
und Stahlproduktion auch Filterstäube und Gichtgas- und somit als Abfallströme anfallen. Bei einer welt-
schlämme aus der Abluftreinigung an. Pro Tonne weiten Produktion von mehr als einer Milliarde
Elektrostahl wird beispielsweise etwa 20 kg Filter- Tonnen Roheisen entstehen jährlich 7,1 Millionen
staub abgeschieden, welcher mit 20 bis 30 Massenpro- Tonnen Gichtgasschlämme, die zum Großteil depo-
zent sehr hohe Gehalte an Zink enthält. Bei der niert werden. Auf diese Weise wird jeden zweiten Tag
Produktion einer Tonne Roheisen im Hochofen fallen in etwa die Menge an Eisen entsorgt, die der Masse
ca. 6 kg Gichtgasschlamm an, in dem ebenfalls Zink des Eiffelturms entspricht.
angereichert ist. Die hohen Zinkgehalte führen dazu,
dass diese Stoffströme mit den Hauptbestandteilen Deshalb entwickelt die BAM gemeinsam mit Indust-
Eisen und Kohlenstoff nicht wieder in den riepartnern ein Verfahren, welches das in Filterstäuben
16 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im Fokusund Gichtgasschlämmen enthaltene Zink separiert. and therefore accumulate as waste flows. With a world-
Der vom Zink befreite mineralische Rückstand kann wide production of more than one billion tons of pig
anschließend wieder im Stahlprozess verwertet iron, 7.1 million tons of blast furnace sludge are
werden, wodurch Eisen und Kohlenstoff als Primär- produced annually, most of which is landfilled. As a
rohstoffe eingespart werden. Gleichzeitig wird ein result, the amount of iron of about mass of the Eiffel
Zinkkonzentrat erzeugt, welches wirtschaftlich Tower is dumped every second day.
verwertet wird und damit primär erzeugtes Zink
substituieren kann. Das Verfahren arbeitet ausschließ- Therefore, together with its industrial partners, BAM is
lich mit den Abfallstoffen der Stahlproduktion. Die developing a process which separates zinc contained in
zinkhaltigen Abfälle werden mit einer Eisenchlorid- filter dusts and blast furnace sludges. The mineral
Lösung gemischt, die als Abfall bei der Stahlbeize residue freed from zinc can then be reused in the steel
anfällt. Dadurch wird das enthaltene Zink in selektiv process, saving iron and carbon as primary raw
verdampfbares Zinkchlorid überführt und bei bis zu materials. At the same time, zinc concentrate is pro-
1000 °C in einem Drehrohrofen entfernt. Das Zink- duced which can be used economically and thus
chlorid wird in einem Gaswäscher abgeschieden und substitute primary zinc. This process works exclusively
aufgereinigt. Eisen und Kohlenstoff verbleiben im with waste materials from steel production: zinc-con-
Feststoff und können wieder als Sekundärrohstoff im taining waste is mixed with an iron chloride solution,
Stahlwerk eingesetzt werden. Aus den verschiedenen which is a waste product of the steel pickling process
Abfallströmen des Stahlwerks können somit Produkte whereby zinc is converted into selectively evaporable
gewonnen und die natürlichen Ressourcen geschont zinc chloride and is then removed at up to 1000 °C in a
werden. Darüber hinaus kann die Deponierung der rotary kiln. Zinc chloride is separated in a gas scrubber
Abfälle vermieden werden, welche mit Flächenbedarf and purified afterwards. Iron and carbon remain in the
und einer potenziellen Umweltbelastung verbunden ist. solid material and can be used again as secondary raw
material in steelworks. Thus, products can be extracted
from various waste streams of steelworks, which allow
to save natural resources and in addition avoid landfill-
ing of waste, which requires space and is a source of
In addition to steel mill slags, filter dusts and blast potential environmental pollution.
furnace sludges from exhaust air treatment are also
produced in iron and steel production. For example,
about 20 kg filter dust is separated during production
of one ton of electric steel contains very high levels of
zinc (20-30 mass percent). During the production of
one ton of pig iron in a blast furnace, approximately 6
kg of blast furnace sludge is produced, in which zinc is
also enriched. The high share of zinc means that the
material flows whose main components are iron and
carbon cannot be returned to the production process
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CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 17SCHLACKE ZU ZEMENT –
RESTSTOFFNUTZUNG IN ZEITEN DES
KLIMAWANDELS
SLAG TO CEMENT — RESIDUE USE IN TIMES
OF CLIMATE CHANGE
Stahlwerksschlacken können im schmelzflüssigen Zustand Steelworks slags can be modified in the molten state so that
so modifiziert werden, dass sie Eigenschaften wie ein klas- they have properties similar to those of a classic cement
sischer Zementklinker aufweisen und diesen substituieren clinker and can substitute it. The required high treatment
können. Die erforderlichen hohen Behandlungstemperaturen temperatures are reached in a small-scale arc furnace.
werden im kleintechnischen Lichtbogenofen realisiert.
18 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im FokusDie mit dem Klimawandel einhergehenden Heraus-
forderungen betreffen insbesondere auch die Bau-
industrie. Einerseits sorgt sie für die weltweit größten
Abfallströme und trägt andererseits mit der Zement- Challenges posed by climate change particularly affect
herstellung zu erheblichen CO2-Emissionen bei. the construction industry, which generates the world’s
largest waste streams and contributes to considerable
Die BAM untersucht vor diesem Hintergrund die CO2 emissions through cement production.
Herstellung von Zement aus Stahlwerksschlacken,
die als Reststoffe bei der Roheisenverarbeitung nach Against this background, BAM is investigating the
dem Linz-Donawitz-Verfahren anfallen. Diese soge- production of cement from steelworks slags, which
nannten LD-Schlacken ähneln, abgesehen von gro- are residues from pig iron processing using the
ßen Anteilen an Eisenoxiden, in ihrer chemischen Linz-Donawitz process. Apart from the large amounts
Zusammensetzung dem Portlandzementklinker, dem of iron oxides, chemical composition of these so-called
wichtigsten Bestandteil vieler Zementsorten, der die LD slags is similar to that of Portland cement clinker,
Erhärtung und Festigkeit dieser Baustoffe maßgeb- which is the most important component of many
lich bestimmt. In Voruntersuchungen zusammen mit types of cement and which significantly determines
Kooperationspartnern aus Forschung und Industrie the hardening and strength of these building mate-
konnten im kleintechnischen Lichtbogenofen der rials. In preliminary investigations in cooperation
BAM in einem Schmelzprozess bei Temperaturen um with partners from research and industry, pig iron
1.800 °C aus den Eisenoxiden, die in der Stahlwerks- was extracted from the iron oxides contained in the
schlacke enthalten sind, Roheisen gewonnen und steelworks slag in a smelting process at temperatures
der Rest der Schlacke in ein zementklinkerähnliches around 1,800 °C in BAM’s small-scale electric arc
Material mit hoher Reaktivität umgewandelt werden. furnace. The rest of the slag was converted into a
cement clinker-like material with high reactivity.
Gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und
Raumfahrt und der Technischen Universität Berlin wer- Basic processes involved in the high-temperature
den die grundlegenden Abläufe bei der Hochtempera- treatment of LD slags, in particular in the formation of
turbehandlung der LD-Schlacken, insbesondere bei der the reactive cement clinkers, are being investigated at
Bildung der reaktiven Zementklinker untersucht. Aus BAM in cooperation with the German Aerospace Centre
den Ergebnissen werden Möglichkeiten zur Beeinflus- (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) and the
sung dieses Prozesses abgeleitet, die eine Anpassung an TU (Technische Universität) Berlin. The obtained results
die bei der industriellen Roheisenproduktion herrschen- will allow to consider possibilities to influence this pro-
den Betriebsparameter erlaubt. Durch die Umwandlung cess and to align it with the operating parameters prev-
der Schlacke in ein portlandzementähnliches Binde- alent in industrial pig iron production. Converting slag
mittel könnte der Verbrauch an Primärrohstoffen für into a Portland cement-like binder might significantly
die Zementproduktion, bei der erhebliche CO2-Mengen reduce the consumption of primary raw materials for
freigesetzt werden, deutlich verringert werden. Dies cement production, which releases considerable amounts
soll in einem Folgeprojekt zusammen mit Partnern of CO2. This will be investigated in a follow-up project
aus Industrie und Forschung untersucht werden. in cooperation with partners from industry and research.
IHR ANSPRECHPARTNER/CONTACT:
Burkart Adamczyk
Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
Thermochemical Residues Treatment and Resource Recovery
Burkart.Adamczyk@bam.de
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 19METALLHÜTTENSCHLACKEN —
UMWANDLUNG ZU SICHEREN
BINDEMITTELN
METALLURGICAL SLAGS — CONVERSION
INTO SAFE BINDERS
Ungemahlene Kupferhüttenschlacke Unground copper smelter slag
Die Steigerung der Rohstoffproduktivität ist vor dem Es ist jedoch bekannt, dass sich aus solchen Metall-
Hintergrund der nationalen Nachhaltigkeitsstrategie hüttenschlacken mittels Alkaliaktivierung Bindemittel
und des deutschen Ressourceneffizienzprogramms für Mörtel mit hohen Festigkeiten, poröse Keramiken
erklärtes Ziel der Bundesregierung. Die Gewinnung und Brandschutzbeschichtungen mit hervorragenden
von Rohstoffen aus Reststoffen fokussiert sich jedoch technischen Eigenschaften herstellen lassen, so dass
in vielen Fällen auf Technologiemetalle, da hierbei die potenziell eine sehr viel höherwertige Nutzung möglich
Wertschöpfung zurzeit am höchsten ist. Ohne eine ist. Allerdings war die Struktur der erhärteten Binde-
möglichst vollständige Verwertung des meist mine- mittel bisher nicht aufgeklärt. Dies ist auf ihre amorphe
ralischen Hauptmassestroms bei diesen Prozessen ist Struktur und ihren hohen Eisengehalt zurückzuführen,
das gesteckte Ziel aber nur eingeschränkt erreichbar. der eine Untersuchung mittels Kernspinresonanzspek-
Ein Beispiel hierfür sind Metallhüttenschlacken, d. h. troskopie ausschließt. Um eine sichere Nutzung der
Schlacken, die bei der Verhüttung von Nichteisenme- genannten Materialien zu gewährleisten, ist es jedoch
tallen (Kupfer, Zink, Blei etc.) entstehen. Diese werden notwendig, die Struktur dieser Materialien aufzuklären.
gegenwärtig vor allem als Schotter oder Gesteinskör-
nung im Straßenbau oder für Verfüllungen, also mit In einer Kooperation mit der Katholischen Universität
nur geringer Wertschöpfung, eingesetzt oder deponiert. Löwen (Belgien) hat die BAM daher verschiedene
20 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im Fokussynthetische Metallhüttenschlacken mit unterschiedli- metals (copper, zinc, lead etc.), can serve as an
chen Zusammensetzung im System CaO-FeOx-SiO2 example. Currently, these slags are mainly used in
hergestellt und die chemische Umgebung des Eisens in low-grade applications such as aggregates for road
den Schlacken sowie in den aus ihnen hergestellten, construction or for backfilling, or they are landfilled.
alkaliaktivierten Bindemittel erstmalig mittels Röntgen-
Nahkanten-Absorptionsspektroskopie untersucht. Die It is known, however, that via alkali activation non-
Ergebnisse zeigen, dass das Eisen in den Schlacken ferrous slags can be used to produce binders for mor-
überwiegend in reduzierter Form vorliegt und durch- tars with high strength, porous ceramics as well
schnittlich von etwa fünf Sauerstoffatomen umgeben as fire-proofing coatings with excellent engineering
ist. In den ausgehärteten Bindemitteln bleibt die properties, which would mean significantly higher
durchschnittliche Fünffachkoordination erhalten; die added value. Yet, the structure of the hardened binders
alkaliaktivierten Bindemittel unterscheiden sich remained unclear due to the amorphous nature of
dadurch in ihrer atomaren Struktur von den gegenwär- the binders and a high iron content, which precludes
tig intensiv beforschten, Eisen-ärmeren alkaliaktivierten the use of nuclear magnetic resonance spectroscopy
Zementen, z. B. auf Basis von Flugaschen oder Meta- for structural analysis. However, to ensure safe use of
kaolin. Im Verlauf des Erhärtungsvorgangs wird das these materials, their structure must be determined.
Eisen zu Eisen(III)-oxid oxidiert. Auf Basis dieses
Verhaltens konnten die Reaktionsgrade der Schlacken In cooperation between BAM and the Catholic Univer-
bestimmt und Zusammenhänge des Reaktionsgrads mit sity of Leuven (Belgium), various synthetic non-ferrous
den Calciumoxid- und Eisen(II)-oxid-Gehalten der slags with different compositions in the system CaO-
Schlacken ermittelt werden. Hieraus ergeben sich FeOx-SiO2 were produced. The chemical environment
Empfehlungen für die chemische Zusammensetzung of iron in these slags and the alkali-activated binders
von Schlacken zur Erzielung einer optimalen Reaktivi- produced from them were investigated for the first
tät und damit für die Verwendung von Schlackebildner time by X-ray near-edge absorption spectroscopy. The
bei der Metallverhüttung. results show that iron is present in the slags mostly
in reduced form and is surrounded by approximately
five oxygen atoms, on average. The average fivefold
coordination is retained in the hardened binders; the
alkali-activated binders therefore differ in their atomic
In the context of the national sustainability strat- structure from low-iron alkali-activated materials,
egy and the German Resources Efficiency Program, such as those based on fly ash or metakaolin, which
German government has set a goal to increase the are currently the subject of intensive research. In the
productivity of raw materials. Yet, in many cases the hardened binders, the iron was oxidized to iron(III).
valorisation of by-products is limited to the recovery Based on this behaviour, the degree of reaction of
of the so-called ‘technology metals’ (i.e. rare metals the slags could be determined, and its relationship to
etc.) since at present this creates the highest added the calcium and iron contents of the slags could be
value. However, without valorisation of the main elucidated. The results allowed to formulate recom-
material throughput of this process the declared goal mendations regarding the chemical composition of
cannot be fully reached. Non-ferrous slags i.e. slags slags in order to achieve optimum reactivity and thus
that are formed during the smelting of non-ferrous regarding the use of slag formers in metal smelting.
IHR ANSPRECHPARTNER/CONTACT:
Gregor Gluth
Baustofftechnologie
Technology of Construction Materials
Gregor.Gluth@bam.de
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 21CFK-MATERIALIEN — GRUNDLAGEN-
FORSCHUNG FÜR DAS RECYCLING
CFRP MATERIALS — BASIC RESEARCH
FOR RECYCLING
Gerade im Hinblick auf umweltschonende Wirtschafts- Probekörper bei der Behandlung im Lichtbogenofen zu-
und Stoffkreisläufe bieten Leichtbaumaterialien viele sammen mit einer metallurgischen Schlacke, auf der er
Vorteile. Neben der Möglichkeit zu platz- und flä- aufschwimmt. Die Kunststoffmatrix ist bereits thermisch
chensparenden Bauweisen wirkt sich der Einsatz von zersetzt worden und die lamellenartige Anordnung der
Leichtbaumaterialien oftmals auch durch niedrigeren Faserebenen ist zu erkennen.
Ressourcenbedarf und durch ein geringeres und leich-
teres Transportvolumen in der Bauphase positiv aus. Test specimen floating on a metallurgical slag during
treatment in an electric arc furnace. The plastic matrix has
Unter den Leichtbaumaterialien spielen carbonfaserver- already thermally decomposed and the lamellar arrange-
stärkte Verbundstoffe weltweit eine immer wichtigere ment of the fibre planes can be seen.
Rolle. Hierbei handelt es sich um Verbundwerkstoffe,
bei denen Carbonfasern in eine umhüllende Matrix
(Kunststoff, Keramik, Metall etc.) eingebettet werden,
22 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im Fokusum einen sehr widerstandsfähigen aber zugleich leichten für eine Nutzung dieser Abfälle nicht ausreichen, da
Werkstoff zu erhalten. Leichtbaumaterialien werden die Prozessbedingungen keine vollständige Umset-
überwiegend in den Bereichen Fahrzeugbau, Luft- und zung der Fasern ermöglichen. Dadurch können
Raumfahrt sowie in Windkraftanlagen, im Sport- und technische Probleme in den Verbrennungsanlagen
Freizeitbereich und in geringerem Umfang auch in ande- entstehen und auch mögliche Umwelt- oder Gesund-
ren Industrien eingesetzt. Den größten Teil dieser Mate- heitsbelastungen nicht ausgeschlossen werden.
rialien stellen carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK).
Erste Versuche zur Verwertung CFK-haltiger Abfälle
Mit dem Anstieg der Nutzung von CFK in den verschie- in pyrometallurgischen Verfahren (u.a. im kleintech-
denen Einsatzbereichen nimmt auch die Menge carbon- nischen elektrischen Lichtbogenofen der BAM), die
faserhaltiger Abfälle stetig zu. Während sich Produktion meist bei deutlich höheren Temperaturen als in den
und Nutzungsphase dieser Werkstoffe im Vergleich zu oben genannten Verbrennungsprozesse ablaufen, haben
herkömmlichen Baustoffen oft durch positive Umwelt- gezeigt, dass CFK hier unter bestimmten Bedingungen
wirkungen auszeichnen, kann dies für die End-of-Life- energetisch oder stofflich umgesetzt werden können
Phase noch nicht festgestellt werden. Bisher können nur und damit eine Verwertung grundsätzlich möglich ist.
sortenrein anfallende CFK-Produktionsabfälle recycelt In einem in 2020 gestarteten Vorhaben wird in Zusam-
und damit stofflich verwertet werden, wobei sich durch menarbeit mit der Rheinisch-Westfälischen Technischen
die Prozessbedingungen die Qualität der Carbonfasern Hochschule Aachen eine umfassende Technologie-
gegenüber dem Ausgangsmaterial verschlechtert. bewertung der Verwertung von CFK-haltigen Abfäl-
len in pyrometallurgischen Prozessen vorgenommen.
Es wurde bereits versucht, den Energiegehalt von CFK- Besonderes Augenmerk wird auf die Sicherheit in der
haltigen Abfällen in thermischen Behandlungen zu Prozessführung in Hinblick auf den Ausschluss einer
nutzen. Aktuelle Untersuchungen haben jedoch gezeigt, möglichen Gefährdung von Mensch und Umwelt, z. B.
dass die Bedingungen bestehender Verwertungspfade, durch die Bildung lungengängiger Fasern, gelegt. Mit
wie Siedlungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen, der Untersuchung der End-of-Life-Phase von CFK
Faserbruchstücke und ange-
griffene Carbonfasern nach
nicht ausreichend langer
Behandlungsdauer im Licht-
bogenofen
Fibre fragments and dam-
aged carbon fibres after
insufficient treatment time
in an electric arc furnace
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 23kann der gesamte Lebensweg dieser Materialien im Attempts have already been made to use the energy
Kontext einer Circular Economy bewertet werden. content of waste containing CFRP in thermal treat-
ments. However, current investigations have shown
that the conditions of the existing recycling paths,
for example in municipal and hazardous waste
incineration plants, are insufficient for this purpose,
Lightweight construction materials offer many advan- since the process conditions do not allow to convert
tages, especially regarding environmentally friendly the fibres fully. This might lead to technical prob-
economic and material cycles. In addition to the lems in the incineration plants and environmental
possibility of space-saving construction designs, the pollution; health impacts may not be excluded.
use of lightweight construction materials often has a
positive effect through lower resource requirements Pyrometallurgical processes usually take place at
and lower and lighter transport volume during the significantly higher temperatures than the above-
construction phase. mentioned combustion processes. First attempts to
recycle waste containing CFRP pyrometallurgical (e.g.
Along with the other lightweight construction materi- in BAM’s small-scale electric arc furnace) have shown
als, carbon fiber reinforced composites are playing an that CFRP can be converted energetically or materially
increasingly important role worldwide. In these under certain conditions and recycling is thus basically
composite materials carbon fibres are embedded in possible. In a project started in 2020, a comprehensive
a matrix (plastic, ceramic, metal, etc.) to obtain a technology evaluation of the recovery of CFRP-contain-
very resistant but also light material. Lightweight ing waste in pyrometallurgical processes is being carried
materials are mainly used in automotive construc- out in cooperation with the RWTH Aachen University.
tion, aerospace technology and wind turbines, in Special attention will be paid to operational safety
sports and leisure sector and, to a lesser extent, in regarding the exclusion of possible hazards to humans
other industries. Carbon fiber reinforced plastics and the environment, e.g. through the formation of
(CFRP) make up the largest part of these materials. respirable fibres. By investigating the end-of-life phase
of CFRP, the entire life cycle of these materials can
With the increase in the use of CFRP in various applica- be evaluated in the context of circular economy.
tion fields, the amount of waste containing carbon fibres
is steadily rising. The production and utilization phase
of these materials often have positive environmental
effects compared to conventional building materials;
however, these positive effects have not been proven
for the end-of-life phase yet. Up to now, only unmixed
CFRP production waste can be recycled and thus reused,
whereby the processing conditions deteriorate the qual-
ity of carbon fibers compared to the original material.
IHRE ANSPRECHPARTNERIN/CONTACT:
Karin Weimann
Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
Thermochemical Residues Treatment and Resource Recovery
Karin.Weimann@bam.de
24 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im FokusWIEDERVERWERTETER GIPS —
EIN BAUSTOFF MIT ZUKUNFT?
RECYCLED GYPSUM — A BUILDING
MATERIAL WITH A FUTURE?
Bauschutt mit Gipsabfällen aus dem Rückbau von Innen- Building rubble with gypsum waste after the deconstruction
ausbaumaterialien of interior fitting materials
CIRCULAR ECONOMY | Focus on safety 25Gips kann aufgrund seiner hervorragenden Material- Wiederverwertung von Bauschutt von Bedeutung und
eigenschaften als Baustoff für viele Anwendungen damit doppelt sinnvoll.
genutzt werden. Da im Bausektor der Verbrauch von
Gips, speziell für Innenausbaumaterialien, wie z. B. Weiterhin ist Naturgips nicht unbegrenzt verfügbar und
Gipskartonplatten, in den vergangenen Jahrzehnten sein Abbau ist mit Umweltbelastungen verbunden. Wäh-
stark angestiegen ist, nimmt in Abhängigkeit von der rend REA-Gips (aus der Rauchgasentschwefelung von
jeweiligen Lebensdauer auch der Anteil an Gipsproduk- Kohlekraftwerken) zurzeit noch rund 60 % des Gips-
ten in Baurestmassen zu. bedarfs in Deutschland abdeckt, ist infolge der Energie-
wende mit einem starken Rückgang des REA-Gips-Auf-
Viele Gründe sprechen dafür, die als Abfall anfallenden kommens zu rechnen. Um die Versorgungssicherheit für
Gipsreste zu separieren und in den Wertstoffkreislauf die zukünftige Gipsproduktion zu gewährleisten, ist der
zurückzuführen. Zunächst wird Gips in Baurestmassen Einsatz von geeignetem rezykliertem Gips (RC-Gips)
oft als Störfaktor angesehen, denn beim Kontakt von ein wichtiger Baustein. Durch geschlossene Kreisläufe
Gips mit Wasser kann es zur Elution von Sulfaten aus kann auch hier ein wichtiger Beitrag zu Ressourceneffi-
Gipsprodukten kommen. Dies ist aus bautechnischen zienz im Sinne der Circular Economy geleistet werden.
Gründen (Bildung von treibenden Mineralphasen) sehr
ungünstig und daher gehören Sulfate im Sekundärbau- Zu den wichtigsten Gesichtspunkten bei der Kreislauf-
stoff zu den begrenzenden Faktoren beim Recycling bzw. führung von Stoffen oder Materialien gehören neben der
bei der Verwertung von Bauschutt und anderen minerali- Umweltverträglichkeit der gewählten Verfahrensweisen
schen Abfällen. Vor diesem Hintergrund ist die getrennte auch die Verfügbarkeit von Materialien und Recycling-
Erfassung von Gipsabfällen nicht nur für ein sortenrei- anlagen. Neben einer ökobilanziellen Bewertung der
nes Gipsrecycling, sondern auch für die Recyclingverfahren für Gips selbst, sollten auch weitere
Aspekte betrachtet werden, wie z. B. die selektive
Rückbaubarkeit/Demontage von eingebauten Gipspro-
dukten oder der Aufwand für Transporte zu
Aufbereitungsanlagen.
In zwei vom Umweltbundesamt geförderten Projekten
wurde an der BAM zusammen mit Partnern aus For-
schung und Industrie zunächst die Verfügbarkeit und
selektive Rückbaubarkeit von unterschiedlichen Gips-
produkten im Baubestand ermittelt. Für verschiedene
Szenarien wurden dabei die Umweltwirkungen ökobilan-
ziell bewertet. Im zweiten Projekt wurde das Recycling
von Gipskartonplatten (einschließlich der notwendigen
Transportstrecken z. B. zu Herstellern von Gipsproduk-
ten) ökobilanziell betrachtet und mit den entsprechenden
Werten für Natur- und REA-Gipsen verglichen. Beide
Studien haben gezeigt, dass ein Closed-Loop-Recycling
von Gips möglich und ökologisch vorteilhaft sein kann,
wenn die RC-Gipse selektiv gewonnen werden können.
Insbesondere der Landverbrauch wird verringert. Die
Auswirkungen auf den Klimawandel werden weniger
Seine Materialeigenschaften machen Gips zu einem hervor- durch Rückbau und Aufbereitung, als vielmehr von
ragenden Baustoff. den zugehörigen Transportentfernungen dominiert.
Its material properties make gypsum an excellent building In Vorbereitung auf den zu erwartenden Rückgang von
material. REA-Gips aus der Kohleverstromung sollen in einem
26 KREISLAUFWIRTSCHAFT | Sicherheit im FokusSie können auch lesen
