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Phosphor-Recycling

Wo kommt Phosphor vor?

Phosphor ist eines der wichtigsten Elemente auf der Erde. Es kommt in unseren Zähnen und Knochen vor und in jeder lebenden Zelle. Es ist Bestandteil so wichtiger Verbindungen wie DNA, RNA, ATP, NADP und so weiter.

In der Landwirtschaft wird phosphathaltiger Dünger in Mengen eingesetzt, weil die Pflanzen ja auch Phosphor benötigen. Allerdings gerät ein großer Teil dieses Düngers in das Grundwasser, in Bäche und Flüsse, und von dort in die Kläranlagen und dann in den Klärschlamm.

Die Phosphatvorkommen auf der Welt sind zwar sehr groß - China hat wohl die größten Vorkommen und förderte 2021 ca. 85 Millionen Tonnen Phosphate. In Deutschland gibt es keine nennenswerten Phosphatvorkommen.

Wenn man unabhängig von ausländischen Phosphat-Lieferanten und gleichzeitig auch die Umwelt schonen möchte, sollte man sich überlegen, ob man nicht Phosphor bzw. Phosphate aus dem Klärschlamm recyclen könnte, der ja in ausreichendem Maße zur Verfügung steht. Ab 2029 sind Kläranlagenbetreiber sogar gesetzlich verpflichtet, Rohstoffe wie Phosphor aus dem Klärschlamm zurückzugewinnen.

Der Klärschlamm, der in Deutschland pro Jahr anfällt enthält ca. 75.000 Tonnen Phosphor. 120.000 Tonnen Phosphate werden dagegen importiert. Würde man also Phosphor aus unseren eigenen Abfällen wiedergewinnen, könnte man die Importe aus China, Russland und anderen Ländern erheblich zurückfahren.

Recycling von Phosphor

Es gibt heute mehrere Methoden, um Phosphor zu recyclen.

Ausfällung mit Metallsalzen (Ca2+, Fe3+ oder Al3+). Die Phosphat-Ionen reagieren dann mit den Metallen zu schwerlöslichen Salzen, die leicht abgetrennt werden können.

Abtrennung mit Hilfe von Mikroorganismen. Diese lagern das Phosphat in ihre Zellen ein. Durch Weiterverarbeitung dieser Kleinstlebewesen (vor allem Bakterien) kann man dann Phosphate gewinnen.

Verbrennen des Klärschlamms unter Luftausschluss. Dabei entstehen neben dem Hauptprodukt Kohle viele hochgiftige und krebserregende Abfallstoffe.

Parforce-Verfahren. Martin Bertau und Peter Fröhlich haben in diesem Jahrzehnt ein Verfahren zur Phosphorsäure-Gewinnung aus Klärschlamm und anderen Abfallstoffen entwickelt, das all die Nachteile der bisherigen Methoden nicht besitzt, allerdings recht aufwändig und teuer ist. Die mit diesem Verfahren erhaltene hochreine Phosphorsäure kann aber gut weiter verkauft werden, so dass sich die Kosten teilweise wieder relativieren. Dies

Das Parforce-Verfahren

Das Parforce-Verfahren von Bertau und Fröhlich besteht aus vier Schritten.

  1. Mit HCl oder HNO3 werden die Phosphate aus dem zu recycelnden Material herausgelöst, zum Beispiel über die folgende Reaktion:

    $Ca_{5}(PO_{4})_{3}OH + 10 \ HCl \to 5 \ CaCl_{2} + 3 \ H_{3}PO_{4} + H_{2}O$

  2. Die festen Rückstände werden abfiltriert, der Rückstand besteht aus mineralischen Stoffen wie Silikat, die anderweitig wiederverwertet werden können. Bertau und Fröhlich haben beispielsweise betonähnliche Stoffe für die Bauindustrie daraus hergestellt. Das Filtrat enthält die Phosphate und wird im nächsten Schritt weiter verarbeitet.
  3. Die Chlorid- und Nitrat-Ionen werden mit Hilfe von Elektrodialyse von dem restlichen Filtrat abgetrennt. Als Ergebnis erhält man einerseits eine Rohphosphorsäure mit 5 bis 20% Phosphorgehalt und andererseits eine Lösung mit den abgetrennten Chlorid- und Nitrat-Ionen.
  4. Die Rohphosphorsäure wird durch Vakuumverdampfung eingedickt, bis sie eine Konzentration von 75% erreicht hat. Diese konzentrierte Phosphorsäure kann dann an industrielle Abnehmer verkauft werden.

Quellen:

  1. Bertau und Fröhlich: "Wertvolles Abwasser" in Spektrum der Wissenschaft 06/2022.
  2. Fröhlich und Hoffmann: "Parforce - ein innovatives Verfahren zur Phosphor-Rückgewinnung" in Recovery 03/2018.