Gewinnung von Sekundärrohstoffen aus Flugaschen der thermischen Müllverwertung Die wichtigste Voraussetzung für eine erfolgreiche Gewinnung von Sekundärrohstoffen (SE) aus Flugaschen (FA) der thermischen Müllverwertung ist die genaue Kenntnis der stofflichen Zusammensetzung der FA und deren quantitative und qualitative Schwankung über einen längeren Zeitraum. Dazu sollen in der ersten Projektphase routinefähige Messprotokolle für die Elementanalytik erstellt und validiert werden. Mit Hilfe dieser Messprotokolle werden auch die Extrahierbarkeit der SE und deren Bindungsformen in der FA ermittelt. Zu Beginn der zweiten Projektphase werden anhand der in Phase 1 generierten Daten und einer ökologischen und ökonomischen Bilanzierung diejenigen SE identifiziert und selektiert, deren Wiedergewinnung unter diesen Gesichtspunkten den größten Nutzen verspricht. Zur Rückgewinnung der SE aus den Extrakten wird die Polymergestützte Ultrafiltration (PAUF) erprobt. Diese nutzt speziell auf die Anwendung zugeschnittene Polymere, die über verschiedene Bindungsstellen Metallkationen und -oxoanionen selektiv binden, aus denen sie später in konzentrierter Form wieder freigesetzt werden können. Im Anschluss an grundlegende Untersuchungen zur Anreicherung von SE aus FA Extrakten wird eine Pilotanlage aufgebaut und in Betrieb gesetzt, die in der letzten Phase der Voruntersuchungen bereits mit realen Filtraten einer Müllverwertungsanlage (MVA) betrieben wird. Diese Anlage wird so dimensioniert und ausgestattet, dass die damit erzielten Ergebnisse skalierbar sind. In der letzten Projektphase ist der Betrieb der vorgetesteten und optimierten Pilotanlage in der MVA vorgesehen. In dieser Projektphase soll die großtechnische Umsetzbarkeit des Verfahrens demonstriert und mögliche Probleme und Limitierungen identifiziert werden. Dabei werden auch die mögliche Handelsform der gewonnen SE betrachtet und entschieden, ob weitere Schritte wie eine Elektrolyse, Zementierung etc. erforderlich sind.
Ziel des Vorhabens ist die Auswahl und Erprobung von Extraktions-chemikalien zur Anreicherung ressourcenkritischer Metalle wie Re, Co, Mo oder Ge aus biometallurgisch erzeugten Lösungen. Die technische und ökonomische Herausforderung liegt in der Entwicklung von hochselektiven, verlustarmen Prozessen zur Anreicherung von niedrig konzentrierten Wertstoffgehalten bei hohen Gehalten der die Extraktion störenden Metalle Zn, Pb und Cu. Die organischen Extraktionschemikalien bzw. Chemikalien-gemische werden an synthetisch erzeugten Metalllösungen erprobt und in einem nächsten Meilenstein auf technische Lösungen mit komplexer chemischer Zusammensetzung übertragen. Im Anschluss werden die gewonnenen Erkenntnisse auf eine mehrstufige Mixer-Settler-Anlage im Labormaßstab übertragen und optimiert, um detaillierte Informationen für ökonomische Betrachtungen zu erhalten. Das Arbeitsvorhaben umfasst in der ersten Projektphase eine systematische Erprobung von Extraktionschemikalien bzw. Chemikaliengemische in Schütteltrichterversuchen mit synthetisch erzeugten Lösungen. Wichtige Auswahlkriterien sind die Löslichkeit und Viskosität der organischen Phase, sowie die Selektivität und Ausbeute der abzutrennenden Metalle. In Zusammenarbeit mit der Abteilung Mikro-biologie werden Forderungen an die mikrobiologisch erzeugten Lösungen erstellt. Die gewonnenen Ergebnisse werden in der zweiten Projektphase auf biometallurgisch aus Theisenschlamm erzeugte Lösungen übertragen und validiert. Die Austauschkinetik ausgewählter Systeme wird untersucht und der Einfluss von eingebrachten organischen Verbindungen auf die Extraktion geprüft. In der dritten Projektphase sind die Ergebnisse der ersten zwei Meilensteine auf eine mehrstufige Mixer-Settler-Anlage zu übertragen. Die erzeugten Konzentrate werden an die Nickelhütte Aue geliefert, um deren Verarbeitbarkeit zu prüfen. Ausgehend von den Ergebnissen erfolgt eine ökonomische Vorbetrachtung der Extraktion.
Vorhabensziel: Ziel des Projektvorhabens ist es, die Eignung biologischer Komplexbildner (Metallophore) zur selektiven Abtrennung von Metallen aus komplexen (Bio)Laugen zu untersuchen. Darüber hinaus soll ein Laborverfahren zur Metallophor-basierten Separation von in Lösung vorliegenden Metallen entwickelt werden. In einem ersten Arbeitsschritt soll das BRAIN BioArchiv nach Metallophor-produzierenden Mikroorganismen durchmustert werden. Mittels der dabei identifizierten Mikroorganismen sollen erste Testchargen an Metallophoren produziert und ggf. aufgereinigt werden. Die Testchargen dienen dann der strukturellen und funktionellen Charakterisierung der enthaltenen bioaktiven Substanzen. Hierbei werden analytische Methoden wie IEF, HPLC-MS, NMR und ICP-MS angewendet. Um die Produktivität der identifizierten Metallophor-bildenden Mikroorganismen zu erhöhen, wird sowohl eine gerichtete als auch eine ungerichtete Stammoptimierung durchgeführt. Mit Hilfe der so optimierten Organismen soll dann eine ausreichende Menge an Metallophoren zur Verfahrensentwicklung hergestellt werden. Ziel ist es, ein Laborverfahren im 100-500 ml Maßstab zu etablieren und damit einen POC für die Bio-Solventextraktion zu erbringen.
Ziel des Projektverbundes ist die praxisreife Entwicklung eines Verfahrens zur Gewinnung von wirtschaftsstrategischen Spurenelementen. Diese sollen am Beispiel des Theisenschlamms neben den ebenfalls zu verwertenden Hauptmetallen mittels mineralspezifischem Bioleaching und elementspezifischer Anreicherung gewonnen werden. Dabei stellen sowohl die Vielzahl zu betrachtender Elemente, die großen Konzentrationsunterschiede und die komplexe Matrix eine wissenschaftliche Herausforderung dar. Dies gewährleistet jedoch, dass die gewonnenen Erkenntnisse eine allgemeine Gültigkeit besitzen und zur Aufbereitung ähnlicher sulfidischer Materialien mit voraussichtlich geringerer Komplexität genutzt werden können. Ziel dieses Verbundprojektes ist die Gewinnung aller Wertelemente aus der komplexen Matrix des Theisenschlamms mit einem energieeffizienten, umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Verfahren. Zur Erreichung des Ziels sind in dem Verbund die interdisziplinären Expertisen von 3 Forschungseinrichtungen, einer Universität und 3 Firmen gebündelt worden. Die Teilprojekte am UFZ umfassen die Projektkoordination, die Probennahme des Theisenschlammes und dessen Charakterisierung und 2 Arbeitspakete, die sich mit der Entwicklung von Methoden zur Analyse der relevanten Metallspezies zur Optimierung der Verfahrensschritte und mit mikrobiologischen Detailuntersuchungen beschäftigen. Diese Detailuntersuchungen umfassen zum Beispiel die Identifizierung der Sulfid-Minerale lösende Mikroorganismen im Biofilm oder die Bestimmung des bakterielle Metabolismuses anhand der Aufnahmeraten von C, N, S, und P als Maß für Wachstum und metabolische Aktivität.
Im vorliegenden Verbundprojekt wird ein Beitrag zur Aufrechterhaltung und Weiterentwicklung des Kenntnisstandes auf dem Gebiet der Entsorgung radioaktiver Abfälle geleistet. Es sollen neue Möglichkeiten aufgezeigt werden, die die sichere Entsorgung radioaktiver Abfälle verbessern und ein hohes Sicherheitsniveau auf diesem Gebiet gewährleisten können. Dabei stehen sowohl die Erweiterung des derzeitigen Wissenstandes als auch Kompetenzerhalt und Nachwuchsförderung (Neueinstellung von Doktoranden und Jungwissenschaftlern (Post-Docs)) im Vordergrund dieses Vorhabens. An der IRO-eigenen Actiniden-XAS-Beamline ROBL werden alle röntgenabsorptionsspektroskopischen Strukturuntersuchungen (XANES und EXAFS) innerhalb des Verbundprojektes durchgeführt. Der Vorteil dieser Methoden ist ihre Elementselektivität. Dadurch kann sowohl die Oxidationsstufe als auch die Nahordnung ausgewählter Elemente selektiv beprobt werden. XANES und EXAFS werden im Rahmen des Verbundprojektes eingesetzt, um (1) den Einbau von Actiniden in Keramiken, (2) den Effekt von Strahlenschäden (AP3) auf die Struktur, (3) im Rahmen der Auflösungsexperimente (AP5) Leaching-, Resorptions- und Repräzipationsprozesse zu untersuchen.
Als Matrizen für Endlagerung radioaktiver Abfälle kommen zur Zeit hauptsächlich Borosilikatgläser zum Einsatz. Seit Jahrzehnten werden allerdings Alternativen diskutiert, zum Beispiel keramische Materialien, die aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften als erfolgversprechend gelten. Im Rahmen des vorliegenden Projekts werden sowohl Keramiken (hauptsächlich für kationische Radionuklide) als auch Alternativen für Anionenrückhaltung genauer untersucht werden. Das IRS wird in Zusammenarbeit mit dem IEK6 Apatit und Hydrotalcit auf ihre Eignung zum Einbau von Iod, Cs und Tc aus separierten Abfallströmen untersuchen. Mit I, Tc oder Cs dotierten Apatite und Hydrotalcite werden mittels XRD strukturell charakterisiert. Die Einbauplätze von Iod, Technetium oder Caesium Ionen werden mittels EXAFS an der INE Beamline ANKA (KIT) charakterisiert. Homogenität sowohl von Wirtsphase als auch Einbau der Anionen werden mit REM und TEM untersucht. Weiterhin soll mittels nano-TOF SIMS die Struktur der Elementverteilung überprüft werden. Die Auswirkungen von Strahlenschäden auf die Struktur der eingebauten Radionuklide soll untersucht werden. Insbesondere die Ausbildung von Defekten bzw. Rehomogenisierung und deren Einfluss auf die Radionuklidfreisetzung steht im Zentrum des Interesses. Speziation in Lösung gehender Stoffe aufgrund von Auslaugung erfolgt mittels ESI-MS, CE-ICP MS und EXAFS. Besondere Berücksichtigung finden soll die zu erwartende Mobilität.
Beurteilung der biotechnologischen Nutzbarkeit von schwefeloxidierenden und nitrifizierenden Mikroorganismen zur Metallgewinnung aus Braunkohlekraftwerksaschen und daraus gewonnenen Konzentraten und Fraktionen. Maximierung der Metallsolubilisierung durch Optimierung physikochemischer Prozessparameter und des biotechnologischen Prozessdesigns. Test auf Laugbarkeit (Reaktionsbedingungen/Pufferkapazität etc.) der verschiedenen Fraktionen, die von anderen Projektpartnern bereitgestellt werden. Test auf Toxizität der erhaltenen Fraktionen mit verschiedenen, potentiell geeigneten Laugungsorganismen mittels mikrokalorimetrischer Aktivitäts- und Biomassequantifizierung. Entwicklung von Laugungs- und Gewinnungsprozessen mit chemolithotrophen, azidophilen eisen- und schwefeloxidierenden sowie mit nitrifizierenden Mikroorganismen. Literaturrecherche / Stand der Wissenschaft und Technik. Laugungstests mit verschiedenen Rein-, Misch- und Anreicherungskulturen von Mikroorganismen (mesophile, moderat thermophile, thermophile). Metallsolubilisierung und mikrobielles Wachstum wird mit geeigneten analytischen Methoden quantifiziert (AAS, IC, photometrische Methoden). Schwermetallresistente Mikroorganismen müssen eventuell aus Umweltproben (Extremstandorte) gewonnen und u.A. molekularbiologisch charakterisiert werden. Optimierung der Medienzusammensetzung und Nährstoffzugabe (elementarer Schwefel, FeS2, H2S,NH3, evtl. aus Biofiltergas) und des Prozessdesigns zur optimalen Metallsolubilisierung.
Vorhabensziel: Ziel ist es, Technologien zu entwickeln um die in den Aschen der Braunkohlen enthaltenen Schwer-, Edel- und Spurenmetallen sowie Seltenen Erdenelemente und weiteren nutzbaren Wertstoffen wie Aluminium, Silikat und Magnesium einer wirtschaftlichen Verwertung zuzuführen. In der BGR wird die Biolaugbarkeit von Aschen bzw. von Aschefraktionen (Konzentrate) mit mesoacidophilen Eisen- und Schwefel oxidierenden Mikroorganismen untersucht, um hierüber eine Abtrennung der Wertstoffe zu erzielen. Arbeitsplanung: Aufbauend auf einer intensiven, zusammenfassenden Literaturrecherche werden Aschen bzw. Aschefraktionen (Konzentrate) in Experimenten mit mesoacidophilen Eisen- und Schwefel oxidierenden Mikroorganismen biologisch gelaugt. Laugungsversuche mit verschiedenen Rein-, Misch- und Anreicherungskulturen unter Optimierung der Medienzusammensetzung und Nährstoffzugabe zur optimalen Metallsolubilisierung sind geplant. Zudem sollen unter anaeroben Bedingungen Laugungsversuche mit Acidithiobacillus ferrooxidans - Stämmen und heterotrophen Bakterien zur reduktiven Solubilisierung von Fe(III)-Verbindungen und kopräzipitierenden Metallen durchgeführt werden. Die Biosolubilisierung/Anreicherung von Metallen wird chemisch gemessen, die Aktivität der Mikroorganismen mittels molekularer Methoden ermittelt. Verwertung: Die Verwertung der Ergebnisse ergibt sich für die BGR unmittelbar für die weiteren langfristig laufenden Arbeiten zum Thema Biomining im Arbeitsbereich Geomikrobiologie im Sinne von Know-how Gewinn und dem Publizieren der Projektergebnisse in begutachteten Fachzeitschriften. Weiterhin sollen die Ergebnisse auf internationalen Fachtagungen verbreitet werden, 2023, International Biohydrometallurgy Symposium, Antofagasta, Chile, und 2014, International Mineral Processing Congress (IMPC), Santiago, Chile.
Vorhabensziel: Ziel ist es, Technologien zu entwickeln um die in den Aschen der Braunkohlen enthaltenen Schwer-, Edel- und Spurenmetallen sowie Seltenen Erdenelemente und weiteren nutzbaren Wertstoffen wie Aluminium, Silikat und Magnesium einer wirtschaftlichen Verwertung zuzuführen. Die anfallenden sowie vorhandenen Aschemengen sollen durch GEOS erfasst werden. Nach einer Anreicherung der Wertstoffe durch Aufarbeitungstechnologien werden durch heterotrophe mikrobielle Laugungsprozesse die Wertstoffe und / oder die Silikatmatrix mobilisiert. Dazu erfolgt eine Laugung mit silikatsolubilisierenden Mikroorganismen und oder mit organische Säuren produzierenden Mikroorganismen. Zum Schutz vor Konkurrenzprozessen wird dabei auf stickstofffixierende Stämme Wert gelegt. Arbeitsplanung: Nach einer nassen und trockenen Aufarbeitung der Asche zur Anreicherung von Komponenten und einer Konzentratherstellung erfolgt eine mikrobielle Laugung mit heterotrophen Mikroorganismen. Zur Verwendung sind dabei säureproduzierende Stämme von Typ Acetobacter methanolicus und silikatauflösende vom Typ Bacillus mucilaginosus und B. circulans vorgesehen. Die Inhaltsstoffe in der Laugungslösung werden analysiert und das Ausbringen sowie die Extraktionsraten bestimmt. Durch Prozessanalysen werden die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte erfasst und die Prozessbedingungen optimiert. Die Prozesse werden betriebswirtschaftlich bewertet.
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