Phosphor ist weltweit knapp, wird aber als Pflanzen-Nährstoff in der Landwirtschaft, in der Chemie- und Pharmaindustrie und auch in der Elektronik dringend benötigt. Das Phosphor dafür wird aus phosphathaltigen Gesteinsformationen gewonnen, doch wirtschaftlich abbaubare Phosphatvorkommen sind global ungleich verteilt. In ganz Europa gibt es, bis auf kleinere Vorkommen in Finnland, aktuell keine abbaubaren Vorkommen. Wegen der Abhängigkeit von Importen und der begrenzten Ressourcen stuft die EU insbesondere den für die Industrie wichtigen weißen Phosphor (P4) als kritischen Rohstoff ein. Diese Phosphor-Variante ist besonders reaktiv und dient als Grundstoff unter anderem für die Herstellung von Autobatterien, Flammschutzmitteln, Katalysatoren und Computerchips.
Nachhaltige Rückgewinnung gesucht – und gefunden
Eine Lösung für die Phosphor-Knappheit ist die Rückgewinnung – beispielsweise aus Klärschlamm. Denn dieser enthält viel phosphathaltiges organisches Material. Deswegen ist in Deutschland ab 2029 eine Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm verpflichtend vorgeschrieben. Dieser soll dann primär zur Herstellung von Düngemitteln eingesetzt werden und dafür sorgen, dass weniger Phosphor durch den energieintensiven Abbau von Phosphatgestein neu gewonnen werden muss. In dem von der Universität Stuttgart koordinierten EU-Projekt „FlashPhos“ haben Forschende nun eine Methode entwickelt, mit der das begehrte Element möglichst nachhaltig aus Klärschlamm zurückgewonnen werden kann.
„Wir wollen eine nachhaltige Versorgung mit Rohstoffen sicherstellen, die für die Wirtschaft wichtig, aber schwer zugänglich sind und nur noch begrenzt zur Verfügung stehen“, sagt Markus Reinmöller von der Universität Stuttgart. „Das gelingt aber nur, wenn wir diese kritischen Rohstoffe in einer Kreislaufwirtschaft herstellen – so wie mit dem neuen FlashPhos-Verfahren.“ Neben weißem Phosphor liefert der neu entwickelte Prozess auch weitere nutzbare Substanzen, durch die CO2-intensive Rohstoffe ersetzt werden können, darunter ein klimafreundlicher Zementersatz, eine Eisenlegierung und ein Schwermetallkonzentrat für die Metallindustrie. „Damit machen wir uns unabhängiger von Importen und stärken eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft“, erläutert Reinmöllers Kollege Christian Schmidberger.
Phosphor-Gewinnung in drei Schritten
Konkret beruht das FlashPhos-Verfahren auf drei Prozessschritten. Im ersten Schritt wird in einem speziellen Mahltrockner („Dryer-Grinder“) aus dem feuchten Klärschlamm ein feines, nahezu wasserfreies Pulver gewonnen. Dieses Pulver wird im zweiten Schritt in einem „Flash-Reaktor“ auf Temperaturen von 1600 Grad erhitzt. Dadurch entsteht innerhalb von Millisekunden ein brennbares Gas sowie phosphathaltige Klärschlammschlacke. Positiv dabei: Die für das Erhitzen benötigte Energie stammt aus den organischen Bestandteilen des Klärschlammpulvers. Im letzten Prozessschritt, dem sogenannten „Refiner“, wird die Klärschlammschlacke bei ebenfalls hohen Temperaturen „veredelt“. Dabei entsteht als Hauptprodukt elementarer weißer Phosphor.
Erste Tests mit Prototypen dieser Anlagen waren bereits erfolgreich. Als nächstes planen die Forschenden und ihre Industriepartner, die Technologie auf industriellen Maßstab zu skalieren. Dafür soll bis 2028 eine erste große Produktionsanlage entwickelt und gebaut werden. Damit genügend Klärschlamm zur Verfügung steht, sehen Reinmöller und seine Kollegen potenzielle Standorte für künftige FlashPhos-Anlagen vor allem in dicht besiedelten Regionen. „Ballungszentren wie das Ruhrgebiet, Barcelona, Madrid oder Mailand wären prädestiniert dafür“, sagt Schmidberger. Nach Einschätzung des Teams könnten FlashPhos-Anlagen bis zum Jahr 2050 die Hälfte des europäischen P₄-Bedarfs decken.
Quelle: Universität Stuttgart; FlashPhos-Projekt
