LEWA-Preis für herausragende Dissertation
Daniel Frank erhält den diesjährigen LEWA-Preis für seine Dissertation am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) der Universität Stuttgart. Seine Arbeit befasst sich mit der Fällung eines Kaliumphosphatdüngers aus Gülle. Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) setzt er diese Forschung mit der Entwicklung einer Pilotanlage fort.
Das Unternehmen LEWA aus Leonberg vergibt den mit 2000 Euro dotierten Preis für herausragende Dissertationen im Bereich der Verfahrenstechnik an der Universität Stuttgart. Daniel Frank schloss seine Doktorarbeit mit dem Titel „Experimentelle Untersuchung und Modellierung der Fällung von Kalium-Magnesium-Phosphat“ im Jahr 2013 am IGVP ab. Die Auszeichnung erfolgte am 18. Juli 2014 durch Stefan Glasmeyer, Geschäftsführer der LEWA GmbH, im Rahmen der Urkundenübergabe der Maschinenbau-Fakultäten.
Rückgewinnung von Kaliumdünger aus Gülle
In seiner Doktorarbeit untersuchte Frank die Rückgewinnung von Kalium als konzentrierten Dünger aus Gülle. Kalium gelangt über das Futter von Nutztieren in deren Ausscheidungen. Gülle enthält neben Stickstoff und Phosphor auch Kalium, welches die Photosynthese von Pflanzen unterstützt und deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen erhöht. Zudem wird Kalium eine schädlingsbekämpfende Wirkung zugeschrieben. Die Rückgewinnung eines kaliumhaltigen Düngers wie Kalium-Magnesium-Phosphat (KMP) aus landwirtschaftlichen Reststoffen ist daher auch wirtschaftlich relevant.
Ein optimiertes Fällungsverfahren für KMP existierte bisher nicht. Dieser Dünger setzt Nährstoffe aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit langsam frei und kann ohne weitere Aufbereitung in der Landwirtschaft eingesetzt werden.
Ziel meiner Dissertation war es daher, die KMP-Fällung mit einer thermodynamischen und einer kinetischen Modellierung zu simulieren, um anhand von Löslichkeitsmodell und -gleichungen Einflussfaktoren wie pH-Wert, Konzentration der zu fällenden Ionen, Reaktionsdauer und -temperatur zu bestimmen und anschließend im Labor gezielt steuern zu können.
Optimierung der KMP-Fällung
Im Labor trennte Frank die Gülle nach einer Aufbereitungsstufe in eine flüssige und eine feste Fraktion. Die feste Fraktion enthielt hauptsächlich organische Bestandteile, während die flüssige Fraktion gelöste Ionen wie Phosphat, Kalium und Magnesium enthielt. Bei der Fällung werden gelöste Ionen in fester Form, oft als Salzkristalle, aus der flüssigen Fraktion abgeschieden.
Durch Modellierungen und anschließende verifizierende Untersuchungen im Labor habe ich herausgefunden, dass sich KMP optimal bei einem sehr hohen pH-Wert, der weit im alkalischen Bereich liegt, fällen lässt.
Da die Magnesiumkonzentration in Gülle geringer ist als die von Kalium und Phosphor, muss Magnesium für eine optimale KMP-Fällung zudosiert werden, um nahezu alles Phosphor zu entfernen. Die Art der Magnesiumzugabe, ob chemisch oder elektrochemisch, spielte dabei keine Rolle. Allerdings entstanden bei der Fällung auch unerwünschte Nebenprodukte wie Hydroxylapatit (ein Calciumphosphat) und Magnesium-Ammonium-Phosphat.
Die kinetische Betrachtung der Fällung zeigte, dass sich KMP schneller bildet als Magnesium-Ammonium-Phosphat. Für eine optimierte Fällung waren demnach kurze Reaktionszeiten vorzuziehen.
Um die Bildung von Hydroxylapatit zu vermeiden, setzte Frank Zitronensäure zu. Diese komplexierte das Calcium, wodurch mehr Phosphor für die KMP-Fällung zur Verfügung stand und die Ausbeute an KMP erhöht werden konnte.
Praxisüberführung der Forschungsergebnisse
Professor Thomas Hirth, Leiter des IGVP und des Fraunhofer IGB, beschreibt die Bedeutung der Dissertation:
Die Dissertation lieferte wichtige Grundlagen, auf denen Frank heute als Wissenschaftler am Fraunhofer IGB in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt eine Pilotanlage für einen kontinuierlichen Fällungsprozess für KMP entwickelt.
Die Pilotanlage wird derzeit bei einem Industriepartner getestet. Nach Abschluss dieser Arbeiten soll eine geeignete Ausbringungsform für die landwirtschaftliche Nutzung des Materials entwickelt werden.