WO2020200965A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen von chemischen elementgehalten und bindungsformen in einem material - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen von chemischen elementgehalten und bindungsformen in einem material Download PDF

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WO2020200965A1
WO2020200965A1 PCT/EP2020/058384 EP2020058384W WO2020200965A1 WO 2020200965 A1 WO2020200965 A1 WO 2020200965A1 EP 2020058384 W EP2020058384 W EP 2020058384W WO 2020200965 A1 WO2020200965 A1 WO 2020200965A1
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WO
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sewage sludge
sample
chemical element
analysis
phosphorus
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PCT/EP2020/058384
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Michael SCHÜNGEL
Daniela VOGT
Manfred Saigge
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Rwe Power Ag
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/73—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited using plasma burners or torches
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
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    • C02F2101/105—Phosphorus compounds
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/626—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using heat to ionise a gas

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining chemical element contents and bond forms in a material. Furthermore, the present invention relates to a method and an arrangement for evaluating and treating sewage sludge using the method or the device for determining the chemical element contents and forms of bonding in the material.
  • Process technologies are used in numerous branches of industry in which information on the chemical element composition of the substances used and, moreover, on their chemical bond forms are required. This information can be used to adapt processes to the properties of the materials used or to check the quality of the materials used. Legal regulations may also require knowledge of such information. There is a need for such information, for example, in recycling companies, in the chemical industry, in the cosmetics industry and in the pharmaceutical industry.
  • the present invention is based on the object of at least partially overcoming the problems known from the prior art and, in particular, of providing a method and a device for determining chemical element contents and bonding forms in a material. len, with which in particular the chemical bond forms in the material can be determined particularly reliably and easily.
  • a method for determining chemical elements is held and forms of bonding in a material are presented.
  • the procedure includes:
  • step b) taking a sample of the material conveyed according to step a), c) analyzing the sample taken in step b) using ETV-ICP-OES and / or using ETV-ICP-MS in order to determine the chemical bond forms in the material.
  • the material can be examined for chemical element content and bond types.
  • chemical element means information about the proportions of chemical elements in the material.
  • the chemical element content allows an indication of the chemical element composition of the material.
  • the chemical bond forms of the elements are irrelevant.
  • the chemical bond forms are also determined in the process described. This means that an indication is received in the form of chemical elements in the material.
  • the chemical element content and bond types are important quality parameters in many applications.
  • the determination of the chemical element content can also be referred to as a multi-element analysis.
  • the material is preferably a solid.
  • the material can be, for example, industrially processed substances and substances.
  • the procedure described can be used by recycling companies for sewage sludge or electronic scrap; in the chemical industry on raw materials, recycled products or additives; in the cosmetics industry on pigments and additives; or in the pharmaceutical industry on raw materials.
  • step a) the material is conveyed. This is preferably done with a conveyor device, in particular with a conveyor belt.
  • step b) a sample of the material conveyed according to step a) is taken. This is preferably done by taking a particularly representative sample from the full flow. The sample is preferably taken without interrupting the conveying of the material according to step a). Sampling is preferably carried out in a DIN-compliant manner.
  • step c) the sample taken in step b) is analyzed by means of ETV-ICP-OES and / or by means of ETV-ICP-MS in order to determine the chemical bond forms in the material.
  • the analysis is preferably carried out using only ETV-ICP-OES or only using ETV-ICP-MS.
  • the analysis is carried out on the sample, whereby conclusions can be drawn about the entire material. This is particularly the case if the sample taken is representative of the rest of the material.
  • ETV-ICP-OES or ETV-ICP-MS consists of the three sub-steps described below.
  • ETV stands for "Electro-Thermal Vaporization" (electro-thermal vaporization).
  • the sample is heated in a chamber under protective gas. This releases individual components of the sample depending on the temperature in the chamber. With the protective gas, the released substances can be removed from the chamber and sent for further analysis.
  • a reaction gas such as a fluorocarbon can be added to the protective gas. Due to a high temperature in the chamber, fluorine can be released from the fluorocarbon and react with components of the sample to form fluorides, which can be carried out of the chamber with the protective gas.
  • the sample can also be analyzed in the preferred case of a solid as the material without chemical decomposition.
  • the different release temperatures of individual elements, depending on their bond forms, allow conclusions to be drawn about the respective bond forms.
  • ICP stands for "Inductively Coupled Plasma”.
  • the protective gas used by ETV is fed into a plasma chamber with the substances released from the sample. There the molecules and elements contained in the protective gas are atomized and ionized by a plasma. During the transition of excited electrons to energetically lower states, also known as relaxation, light is emitted whose wavelengths are characteristic of the respective elements.
  • OES stands for "Optical Emission Spectrometry”. The ionized atoms formed by the ICP are identified.
  • MS stands for "mass spectrometry”.
  • the ions obtained by ICP are separated and registered by a mass analyzer according to their mass-to-charge ratio.
  • the ETV and the ICP are first applied to the sample. This is followed by the OES and / or the MS. If the ETV, the ICP and the OES and / or the MS are applied to the sample one after the other, the chemical element content and bond forms in the sample can be determined.
  • procedural disruptions can be minimized, official requirements can be verifiably complied with, input components can be dosed as required, the quality of the substances used can be checked and valuable substances can be identified in a material.
  • the material is sewage sludge.
  • Sewage sludge treatment defines a process for phosphorus recovery.
  • the sample is taken automatically in step b).
  • Automated removal of a sample is understood to mean that the sample is automatically removed from the material conveyed in accordance with step a) by a removal device. This is preferably done computer-controlled, in particular with regard to the times and the frequency of sampling and with regard to the amount of material that is taken as a sample.
  • An automatic sampler such as a hammer sampler, a spoon sampler or a lattice box is preferably used as the removal device for the automated removal of the sample. Sampling is preferably carried out in a DIN-compliant manner, which, depending on the grain size distribution of the material, may be possible with the named samplers.
  • the automated sampling goes beyond the mere automation of a process that can also be carried out manually.
  • the material can be analyzed during the conveying according to step a) without the conveying having to be interrupted. This would not be possible with a manual method for reasons of time.
  • complex laboratory analysis can be dispensed with.
  • the sample is processed in step b).
  • the sample is preferably as representative as possible of the material.
  • the representativeness of the sample can be ensured.
  • the taken sample of the material to be examined is therefore prepared before the analysis. This can in particular include grinding, dividing, comminuting, homogenizing, pouring and / or pressing the material.
  • the sample can be divided representative, transported and, depending on the analysis requirements, ground to even smaller grain sizes and homogenized using a screw conveyor and / or a corrugated divider.
  • the sample can also be conveyed as a partial flow on a conveyor belt. In that case, for example, grinding of the sample can take place during conveyance.
  • a moisture content of the material is also determined in step c) and taken into account when determining the chemical element contents and bond forms in the material.
  • the water content in the material can have an influence on the measurement accuracy. Knowing the moisture of the material can therefore improve the accuracy of the ETV-ICP-OES or the ETV-ICP-MS.
  • the moisture of the material can be determined, for example, by means of microwave technology, near infrared technology, gamma backscattering, measurement of the capacitive resistance, or by Terra Hz measurement technology.
  • the moisture can be determined on the sample taken in accordance with step b) and / or on the material conveyed in accordance with step a) in full flow.
  • the moisture is determined on the sample.
  • at least one of the following analyzes is also carried out in step c):
  • the additional analyzes mentioned can be carried out on the sample or on the full flow of the material conveyed in accordance with step a).
  • the radar measurement and the volume flow measurement are preferably carried out on the full flow.
  • IR especially near-infrared spectroscopy, NIR
  • selected components can be recorded separately and also contribute to increasing the measurement accuracy.
  • the volume of the material can be determined by linking it to radar measurements.
  • the mass of the material is also measured by means of a balance, so that a bulk density of the material can be determined from the volume and mass of the material.
  • recording the material by means of a camera is considered as an optical analysis.
  • a position of the measurement can be determined in the method by means of GPS and / or via the 5G cellular network. If several analysts lyses are carried out at different locations, the individual measurement results can be evaluated depending on the location.
  • the chemical element contents are additionally determined by means of a further analysis.
  • the further analysis is carried out in addition to the analysis using ETV-ICP-OES and / or ETV-ICP-MS according to step c).
  • the further analysis is preferably carried out before step c).
  • On the basis of the further analysis it can be decided, for example, with which part of the material step c) is to be carried out at all.
  • the further analysis can be carried out on the sample taken in accordance with step b) and / or on the material conveyed in accordance with step a) in full flow.
  • Preferred is the embodiment of the method in which the further analysis is laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, X-ray fluorescence analysis, XRF, prompter gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA, is used.
  • PGNAA is preferred.
  • Both PGNAA and PFTNA are methods of analysis using neutrons.
  • the neutrons can be emitted into the material from a neutron source, for example a suitable radioactive material.
  • the neutron source is arranged and designed such that the neutrons from the neutron source are introduced into the material when the material is in or on the conveying device on which it is conveyed according to step a).
  • the neutrons from the neutron source are introduced into the material when the material is in or on the conveying device on which it is conveyed according to step a).
  • the neutrons emitted by the neutron source there is an interaction between the neutrons emitted by the neutron source and the nuclei of the atoms forming the material.
  • gamma radiation is generated, which can be detected by a radiation detector or several radiation detectors.
  • the radiation detector is accordingly preferably arranged and designed such that the radiation that is emitted by the material can be detected with the radiation detector when the material is in or on the conveyor and is acted upon there by neutrons from the neutron source.
  • the chemical element content of the material can also be analyzed using LIBS.
  • LIBS a surface of the material to be analyzed is scanned with a laser.
  • the chemical element content can only be determined on the surface of the material.
  • PGNAA and PFTNA are more precise and more sensitive with regard to the determination of element concentrations.
  • PGNAA and PFTNA are limited in particular with regard to the determination of individual elements and their detection limits. Nonetheless, the composition of the material can also be determined within the material up to a certain penetration depth using PGNAA and / or PFTNA, which is particularly advantageous for large sample volumes, for example for full flow analyzes on conveyor belt systems.
  • LIBS offers a large selection of chemical elements that can basically be determined. However, there is an uncertainty with this technique in that only the surface of the material is analyzed. In the case of inhomogeneities, only limited representative measurement results can therefore be obtained. This effect can be compensated for by synchronization with the PGNAA.
  • the proportions of particularly relevant elements in the material are preferably determined using both measurement techniques.
  • the result of the LIBS is preferably adapted with the corresponding result of the PGNAA and / or PFTNA as a standardization. With this standardization, the measured concentrations of all elements can be adjusted to the measurement result of the PGNAA by the corresponding factor. This can lead to a significantly expanded range of elements, which by linking the measurement methods can in particular also be representative of the entire material conveyed in accordance with step a).
  • the chemical element content of the material can also be analyzed using XRF.
  • a combination of at least two of the methods described is preferably used as the further analysis.
  • the combination of PGNAA and / or PFTNA on the one hand with LIBS and / or RFA on the other hand is particularly preferred.
  • the disadvantages of the measurement methods mentioned can be compensated particularly efficiently as described.
  • a large volume of material can be analyzed with PGNAA and / or PFTNA, although only a low measurement accuracy can be achieved and only a small number of elements can be recognized.
  • LIBS on the other hand, greater measurement accuracy can be achieved and more elements can be differentiated, although only a small volume of material can be analyzed with LIBS due to the pure surface analysis. If, for example, PGNAA and LIBS are combined with one another, the disadvantages mentioned can be compensated for.
  • a device for determining chemical element contents and bond forms in a material is presented as a further aspect.
  • the device includes:
  • a conveyor device for conveying the material
  • a removal device for removing a sample of the material from the conveying device
  • an analysis device for analyzing the sample taken in step b) by means of ETV-ICP-OES and / or by means of ETV-ICP-MS, and
  • An evaluation device which is set up to determine chemical element contents and forms of bonding in the material on the basis of the sample.
  • the described special advantages and design features of the method described be for determining the chemical element contents and bond forms in the material are applicable and transferable to the device described for determining the chemical element contents and bond forms in the material, and vice versa.
  • the device described is preferably set up for performing the method described.
  • the method described is preferably carried out with the device described.
  • the removal device is preferably set up for the automated removal of the sample.
  • the extraction device is also set up to process the extracted sample, in particular in a DIN-compliant manner.
  • the device preferably has a moisture meter with which the moisture of the material, in particular the sample, can be measured.
  • the device comprises respective devices for the further analyzes described for the method, in particular for LIBS, RFA, PGNAA and / or PFTNA.
  • the procedure includes:
  • step A) Determination of the chemical element content of phosphorus and its binding forms in the sewage sludge using the method described, and B) Recovering at least part of the phosphorus from the sewage sludge taking into account the results from step A).
  • the described special advantages and design features of the described method and the described device for determining the chemical element content and binding forms in the material can be applied and transferred to the described method for evaluating and treating sewage sludge, and vice versa.
  • the sewage sludge is the material.
  • sewage sludge can differ greatly in terms of their chemical composition
  • a reliable online multi-element analysis of pumped sewage sludge with determination of the predominant binding forms is advantageous. If sewage sludge were to be burned in a power plant with an excessively high phosphorus concentration, a boiler could come to a standstill with the associated considerable operating costs.
  • valuable information about the ash composition can be obtained with the method described. These can be used when the ashes are subsequently dumped can be used to determine the environmental relevance and / or the recyclable potential of the ashes.
  • step A) of the method described here the knowledge gained is used to at least partially recover the phosphorus from the sewage sludge.
  • step B) for example, the methods for recovering the phosphorus can be used which enable the most efficient recovery of the phosphorus due to the recognized bond forms of the phosphorus.
  • a phosphorus content of the sewage sludge is determined prior to step A), the sewage sludge being divided based on the phosphorus content, and steps A) and B) being carried out only on part of the sewage sludge.
  • the sewage sludge is preferably divided into at least two partial amounts.
  • the division can take place in at least two delivery flows.
  • the sewage sludge can be divided up manually, for example by means of front loaders.
  • steps A) and B) are therefore not applied to all of the sewage sludge present. Instead, a division into sewage sludge with a phosphorus content below or equal to a predetermined value and in sewage sludge with a phosphorus content above the predetermined one preferably takes place first Value. It is therefore a division into two subsets, in particular into two feed streams, preferred. Steps A) and B) are carried out only with the part of the sewage sludge with a phosphorus content above the predetermined value.
  • the predetermined value can in particular be the legal limit value given in Germany.
  • the determination of the phosphorus content in the sewage sludge can be carried out as described above using LIBS, XRF, PGNAA and / or PFTNA as a further analysis before performing step A). PGNAA is preferred.
  • an arrangement for evaluating and treating sewage sludge includes:
  • the evaluation device is also set up to control the recovery of the phosphorus from the sewage sludge taking into account the results obtained with the analysis device.
  • the described special advantages and design features of the described method and the described device for determining the chemical element content and forms of bonding in the material and the described method for evaluating and treating sewage sludge are applicable to the described arrangement for evaluating and treating sewage sludge transferable, and vice versa.
  • the described device for determining the chemical element content and bond forms in the material is used in the described arrangement to determine the chemical element content of phosphorus and its bond forms in the sewage sludge.
  • the sewage sludge is the material.
  • the one described Arrangement preferably set up to carry out the described method for evaluating and treating sewage sludge.
  • the method described for evaluating and treating sewage sludge is preferably carried out with the arrangement described.
  • Fig. 1 a schematic sequence of a method according to the invention for
  • FIG. 2 a schematic plan view of an apparatus according to the invention for determining chemical element contents and binding forms in a material according to the method from FIG. 1,
  • FIG. 1 shows a schematic sequence of a method for determining chemical element contents and bond forms in a material 2 In this example, it is sewage sludge.
  • the reference characters relate to Fig. 2. The method comprises:
  • step a) automated removal and preparation of a sample 5 of the material 2 conveyed according to step a),
  • step b) Analyzing the sample 5 taken in step b) by means of ETV-ICP-OES and / or by means of ETV-ICP-MS, in order to determine the chemical element contents and binding forms in the material 2.
  • FIG. 2 shows a device 1 for determining chemical element contents and bond forms in a material 2.
  • the device 1 is set up to carry out the method from FIG.
  • the device 1 comprises a conveying device 3 for conveying the material 2.
  • the device 1 comprises a removal device 4 for removing a sample 5 of the material 2 from the conveying device 3.
  • the device 1 comprises an analysis device 6 for analyzing the in step b ) of the method from FIG. 1 taken sample 5 by means of ETV-ICP-OES and / or by means of ETV-ICP-MS.
  • the analysis device 6 preferably has a chamber (not shown) for the ETV, a plasma chamber (not shown) for the ICP and a device (not shown) for the OES and / or MS.
  • the device 1 comprises an evaluation device 7 which is set up to determine chemical element contents and binding forms in the material 2 on the basis of the sample 5.
  • Fig. 3 shows a schematic sequence of a method for evaluating and treating sewage sludge.
  • the reference numerals relate to FIG. 4. The method includes:
  • step B Recovering at least part of the phosphorus from the sewage sludge taking into account the results from step A).
  • a phosphorus content of the sewage sludge is also determined.
  • the sewage sludge is divided into a first conveying flow 8 and a second conveying flow 9 based on the phosphorus content. Steps A) and B) are only carried out on the first delivery stream 8.
  • the arrangement 10 shows an arrangement 10 for evaluating and treating sewage sludge.
  • the arrangement 10 is directed to carry out the method from FIG.
  • the arrangement 10 comprises a device 1 for determining the element content of phosphorus and its binding forms in the sewage sludge.
  • the device 1 comprises a conveying device 3 for conveying the sewage sludge, a removal device 4 for removing a sample 5 of the sewage sludge from the conveying device 3, an analysis device 6 for analyzing the sample 5 removed in step b) by means of ETV-ICP-OES and / or by means of ETV-ICP-MS, and an evaluation device (not shown) that is set up to determine chemical element contents and binding forms in the sewage sludge using sample 5.
  • the analysis device 6 preferably has a chamber (not shown) for the ETV, a plasma chamber (not shown) for the ICP and a device (not shown) for the OES and / or MS.
  • the device 1 is preferably designed like the device 1 in FIG. 2 and is set up to carry out the method from FIG. 1.
  • the arrangement 10 further comprises a recovery device 11 for recovering at least part of the phosphorus from the sewage sludge.
  • the evaluation device 7 is set up to control the recovery of the phosphorus from the sewage sludge taking into account the results obtained with the analysis device 6.
  • the phosphorus content in the material 2 on the conveyor 3 is determined by a PGNAA analysis as a further analysis in addition to the ETV-ICP-OES and / or ETV-ICP-MS.
  • the material is then divided into a first conveying stream 8 and a second conveying stream 9 based on the results obtained by means of PGNAA.
  • the first delivery stream 8 contains material 2 with a phosphorus content above a predetermined limit value, the second delivery stream 9 material 2 with a phosphorus content below or equal to the predetermined limit value. The recovery takes place only for the first flow rate 8.
  • the chemical element contents and binding forms in a conveyed material 2 can be determined directly online without laborious laboratory analysis.
  • knowledge of the chemical bond forms of phosphorus can be used to efficiently recover phosphorus from the sewage sludge.

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Material (2), umfassend a )Fördern des Materials (2), b) Entnehmen einer Probe (5) des gemäß Schritt a) geförderten Materials(2), c) Analysieren der in Schritt b) entnommenen Probe (5) mittels ETV-ICP-OES und/oder mittels ETV-ICP-MS, um die chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material (2) zu bestimmen. Mit dem beschriebenen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung (1) zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Material (2) können die chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in einem geförderten Material (2) ohne aufwendige Laboranalyse direkt online bestimmt werden. In dem beschriebenen Verfahren und der entsprechenden Anordnung (10) zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm kann die Kenntnis deschemischen Elementgehalts von Phosphor und dessen Bindungsformen dazu genutzt werden, Phosphor effizient aus dem Klärschlamm rückzugewinnen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von
chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Material
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Be- stimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Materi al. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Anord nung zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm unter Verwendung des Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung zum Bestimmen der chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material.
In zahlreichen Industriezweigen werden Verfahrenstechniken eingesetzt, bei de nen Informationen zur chemischen Elementzusammensetzung von verwendeten Stoffen und darüber hinaus bezüglich ihrer chemischen Bindungsformen erforder lich sind. Diese Informationen können genutzt werden, um Prozesse an die stoffli- chen Eigenschaften der verwendeten Materialien anzupassen oder um die Qualität der verwendeten Materialien zu überprüfen. Auch können gesetzliche Regelungen die Kenntnis derartiger Informationen erfordern. Ein Bedarf an derartigen Infor mationen besteht beispielsweise bei Recyclingunternehmen, in der chemischen Industrie, in der Kosmetikindustrie und in der Pharmaindustrie.
Mit bekannten Verfahren zur Analyse von Materialien können die chemischen Bindungsformen nicht oder nur unzureichend und/oder nur unter großem Auf wand bestimmt werden. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu überwin den und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Material bereitzustel- len, mit denen insbesondere die chemischen Bindungsformen in dem Material besonders zuverlässig und einfach bestimmt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formu lierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinan der kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Be- Schreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltun gen der Erfindung dargestellt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen von chemischen Element gehalten und Bindungsformen in einem Material vorgestellt. Das Verfahren um- fasst:
a) Fördern des Materials,
b) Entnehmen einer Probe des gemäß Schritt a) geförderten Materials, c) Analysieren der in Schritt b) entnommenen Probe mittels ETV-ICP-OES und/oder mittels ETV-ICP-MS, um die chemischen Bindungsformen in dem Material zu bestimmen.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann das Material auf die chemischen Ele mentgehalte und Bindungsformen untersucht werden. Unter chemischen Element gehalten ist eine Angabe über Anteile chemischer Elemente in dem Material zu verstehen. Die chemischen Elementgehalte erlauben eine Angabe der chemische Elementzusammensetzung des Materials. Auf die chemischen Bindungsformen der Elemente kommt es bei der Angabe der chemischen Elementgehalte nicht an. Die chemischen Bindungsformen werden bei dem beschriebenen Verfahren aber ebenfalls ermittelt. Darunter ist zu verstehen, dass eine Angabe erhalten wird, in welcher Form chemische Elemente in dem Material vorliegen. Die chemischen Elementgehalte und Bindungsformen sind bei vielen Anwendungen wichtige Qua litätsparameter. Die Ermittlung der chemischen Elementgehalte kann auch als Multielement-Analyse bezeichnet werden.
Das Material ist vorzugsweise ein Feststoff. Bei dem Material kann es sich bei spielsweise um industriell verarbeitete Substanzen und Stoffe handeln. Beispiels weise kann das beschriene Verfahren angewendet werden bei Recyclingunter nehmen auf Klärschlamm oder Elektroschrott; in der chemischen Industrie auf Rohstoffe, Recyclingprodukte oder Zusatzstoffe; in der Kosmetikindustrie auf Pigmente und Zusatzstoffe; oder in der Pharmaindustrie auf Rohstoffe.
In Schritt a) wird das Material gefördert. Das erfolgt vorzugsweise mit einer För dereinrichtung, insbesondere mit einem Förderband.
In Schritt b) wird eine Probe des gemäß Schritt a) geförderten Materials entnom men. Das erfolgt vorzugsweise durch Entnehmen einer insbesondere repräsentati ven Probe aus dem Vollstrom. Das Entnehmen der Probe erfolgt vorzugsweise ohne das Fördern des Materials gemäß Schritt a) zu unterbrechen. Die Probenah- me erfolgt vorzugsweise auf DIN-konforme Art und Weise.
In Schritt c) wird die in Schritt b) entnommenen Probe mittels ETV-ICP-OES und/oder mittels ETV-ICP-MS analysiert, um die chemischen Bindungsformen in dem Material zu bestimmen. Bevorzugt erfolgt die Analyse nur mittels ETV-ICP- OES oder nur mittels ETV-ICP-MS. Die Analyse erfolgt an der Probe, wobei auf das gesamte Material geschlossen werden kann. Das ist insbesondere der Fall, wenn die entnommene Probe repräsentativ für das übrige Material ist. ETV-ICP-OES beziehungsweise ETV-ICP-MS besteht aus den nachfolgend be schriebenen drei Teilschritten.
ETV steht für„Electro-Thermal Vaporization“ (elektro-thermische Verdamp- fung). Dabei wird die Probe unter Schutzgas in einer Kammer erhitzt. Dadurch werden einzelne Bestandteile der Probe je nach Temperatur in der Kammer frei- gesetzt. Mit dem Schutzgas können die freigesetzten Substanzen aus der Kammer ausgetragen und der weiteren Analyse zugeführt werden. Elm das Freisetzen der Bestandteile der Probe zu erleichtern und/oder zu beschleunigen, kann dem Schutzgas ein Reaktionsgas wie beispielsweise ein Fluorkohlenwasserstoff zuge setzt werden. Durch eine hohe Temperatur in der Kammer kann Fluor aus dem Fluorkohlenwasserstoff freigesetzt werden und mit Bestandteilen der Probe zu Fluoriden reagieren, die mit dem Schutzgas aus der Kammer ausgetragen werden können.
Durch die ETV kann die Probe auch in dem bevorzugten Falle eines Feststoffs als das Material ohne chemischen Aufschluss analysiert werden. Durch die unter schiedlichen Freisetzungstemperaturen einzelner Elemente, in Abhängigkeit von ihren Bindungsformen, können Rückschlüsse auf die jeweiligen Bindungsformen gezogen werden .
ICP steht für„Inductively Coupled Plasma”. Dazu wird das bei der ETV verwen dete Schutzgas mit den aus der Probe freigesetzten Substanzen in eine Plasma- Kammer geleitet. Dort werden durch ein Plasma die im Schutzgas enthaltenen Moleküle und Elemente atomisiert und ionisiert. Beim Übergang dabei angeregter Elektronen zu energetisch niedrigeren Zuständen, auch Relaxation genannt, wird Licht emittiert, dessen Wellenlängen charakteristisch für die jeweiligen Elemente sind. OES steht für„Optische Emissions-Spektrometrie“. Dabei werden die durch das ICP gebildeten ionisierten Atome identifiziert.
MS steht für„Massenspektrometrie“. Dazu werden die durch ICP gewonnenen Ionen durch einen Masseanalysator nach ihrem Masse- Ladungsverhältnis ge trennt und registriert.
In dem beschriebenen Verfahren werden zunächst die ETV und die ICP auf die Probe angewendet. Anschließend folgt die OES und/oder die MS. Werden die ETV, die ICP und die OES und/oder die MS nacheinander auf die Probe ange wendet, können die chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in der Pro be bestimmt werden.
Mit dem beschriebenen Verfahren können verfahrenstechnische Störungen mini- miert, behördliche Auflagen nachweislich eingehalten, Einsatzkomponenten be darfsgerecht dosiert, die Qualität verwendeter Stoffe überprüft und Wertstoffe in einem Material erkannt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Material Klär- schlämm.
Die Bundesregierung der Bundesrepublik Deutschland hat das chemische Element Phosphor als strategisches Element eingestuft und bezüglich der Klärschlamm verwertung eine Rückgewinnungsquote festgelegt. Auf Basis des Phosphor- gesamtgehalts und dessen chemischen Bindungsformen im Klärschlamm kann zur
Klärschlamm-Aufbereitung ein Verfahren zur Phosphor-Rückgewinnung festge legt werden.
Die Kenntnis des Phosphorgehalts und der Bindungsformen des Phosphors im Klärschlamm können mit dem beschriebenen Verfahren erhalten werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Probe in Schritt b) automatisiert entnommen. Unter einem automatisierten Entnehmen einer Probe ist zu verstehen, dass die Probe durch eine Entnahmeeinrichtung selbsttätig aus dem gemäß Schritt a) ge förderten Material entnommen wird. Das erfolgt vorzugsweise computergesteuert, insbesondere hinsichtlich der Zeitpunkte und der Häufigkeit der Probenahmen sowie hinsichtlich der Menge des Materials, das als eine Probe entnommen wird.
Zum Einsatz kommt als Entnahmeeinrichtung zur automatisierten Entnahme der Probe vorzugsweise ein automatischer Probenehmer wie beispielsweise ein Hammerprobenehmer, ein Löffelprobenehmer oder ein Gitterkasten. Vorzugswei se erfolgt die Probenahme auf DIN-konforme Art und Weise, was je nach Korn- größenverteilung des Materials mit den genannten Probennehmern möglich sein kann.
Die automatisierte Probenahme geht über eine bloße Automatisierung eines auch manuell durchführbaren Verfahrens hinaus. Durch die automatisierte Probenahme kann das Material während des Förderns gemäß Schritt a) analysiert werden, ohne dass das Fördern unterbrochen werden muss. Das wäre mit einem manuellen Ver fahren aus Zeitgründen nicht möglich. Insbesondere kann auf eine aufwändige Laboranalytik verzichtet werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Probe in Schritt b) aufbereitet.
Damit von der Probe auf das übrige Material geschlossen werden kann, ist die Probe vorzugsweise so repräsentativ wie möglich für das Material. Durch die in der vorliegenden Ausführungsform vorgenommene Aufbereitung der Probe kann die Repräsentativität der Probe sichergestellt werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die entnommene Probe des zu untersuchenden Materials daher vor der Analyse aufbereitet. Das kann insbesondere ein Mahlen, Teilen, Zerkleinern, Homogenisieren, Schütten, und/oder Verpressen des Materials um fassen. So kann die Probe beispielsweise mittels einer Förderschnecke und/oder eines Riffelteilers repräsentativ geteilt, transportiert und je nach Analyseanforde rung auf noch kleinere Korngrößen gemahlen und homogenisiert werden. Auch kann die Probe nach Probenahme als ein Teilstrom auf einem Förderband geför- dert werden. In dem Fall kann beispielsweise ein Mahlen der Probe während des Fördems erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt c) weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials bestimmt und bei der Be- Stimmung der chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material berücksichtigt.
Der Wassergehalt im Material kann einen Einfluss auf die Messgenauigkeit ha ben. Durch Kenntnis der Feuchtigkeit des Materials kann daher die Genauigkeit der ETV-ICP-OES beziehungsweise der ETV-ICP-MS verbessert werden. Die Feuchtigkeit des Materials kann beispielsweise mittels Mikrowellentechnik, Nah- Infrarot-Technik, Gammarückstreuung, Messung des kapazitiven Widerstands, oder durch Terra-Hz-Messtechnik ermittelt werden. Die Feuchtigkeit kann an der gemäß Schritt b) entnommenen Probe und/oder an dem gemäß Schritt a) geförderten Material im Vollstrom bestimmt werden. Vor zugsweise wird die Feuchtigkeit an der Probe bestimmt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt c) weiterhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt:
- eine radiometrische Ascheanalyse,
- eine Infrarot-Spektroskopie, insbesondere eine Nah-Infrarot-Spektroskopie,
- eine Radarmessung,
- eine Volumenstrommessung,
- eine Ultraschallmessung,
- eine optische Analyse,
- eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption,
- eine Massebestimmung.
Die genannten zusätzlichen Analysen können an der Probe oder an dem Vollstrom des gemäß Schritt a) geförderten Materials durchgeführt werden. Insbesondere die Radarmessung und die Volumenstrommessung werden vorzugsweise am Voll strom durchgeführt.
Durch die Verknüpfung mit radiometrischen Ascheanalysatoren können ausge wählte Komponenten separat erfasst werden und zur Erhöhung der Messgenauig keit beitragen. Durch die Verknüpfung mit Infrarot-Spektroskopie, IR, insbeson dere Nah-Infrarot-Spektroskopie, NIR, können ausgewählte Komponenten separat erfasst werden und ebenfalls zur Erhöhung der Messgenauigkeit beitragen. Durch Verknüpfung mit Radarmessungen kann das Volumen des Materials bestimmt werden. Vorzugsweise wird mittels einer Waage zudem die Masse des Materials gemessen, so dass aus Volumen und Masse des Materials eine Schüttdichte des Materials bestimmt werden kann. Als optische Analyse kommt insbesondere eine Erfassung des Materials mittels einer Kamera in Betracht.
Weiterhin kann bei dem Verfahren mittels GPS und/oder über das 5G- Mobilfunknetz eine Position der Messung bestimmt werden. Sofern mehrere Ana- lysen an verschiedenen Orten durchgeführt werden, können die einzelnen Messer gebnisse ortsabhängig ausgewertet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die chemischen Elementgehalte zusätzlich mittles einer weiteren Analyse ermittelt.
Die weitere Analyse erfolgt zusätzlich zu der Analyse mittels ETV-ICP-OES und/oder ETV-ICP-MS gemäß Schritt c). Bevorzugt erfolgt die weitere Analyse vor Schritt c). Anhand der weiteren Analyse kann beispielsweise entscheiden werden, mit welchem Teil des Materials überhaupt Schritt c) durchzuführen ist.
Die weitere Analyse kann an der gemäß Schritt b) entnommenen Probe und/oder an dem gemäß Schritt a) geförderten Material im Vollstrom durchgeführt werden. Bevorzugt ist die Ausführungsform des Verfahrens, bei der als die weitere Analy se Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, Röntgen-Fluoreszenz -Analyse, RFA, Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, verwendet wird. Bevorzugt ist die PGNAA. Sowohl bei der PGNAA als auch bei der PFTNA han delt es sich um Methoden zur Analyse unter Verwendung von Neutronen. Die Neutronen können ausgehend von einer Neutronenquelle, beispielsweise einem geeigneten radioaktiven Material, in das Material ausgesendet werden. Entspre chend ist bevorzugt, dass die Neutronenquelle derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Neutronen von der Neutronenquelle in das Material eingeleitet wer den, wenn sich das Material in oder auf der Fördereinrichtung befindet, auf der es gemäß Schritt a) gefördert wird. Innerhalb des Materials kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den von der Neutronenquelle ausgesendeten Neutronen und den Kernen der das Material bil denden Atome. Bei dieser Kernwechselwirkung wird Gammastrahlung erzeugt, die von einem Strahlungsdetektor oder mehreren Strahlungsdetektoren detektiert werden kann. Der Strahlungsdetektor ist entsprechend vorzugsweise derart ange ordnet und ausgebildet, dass mit dem Strahlungsdetektor die Strahlung erfasst werden kann, die von dem Material ausgesendet wird, wenn sich das Material in oder auf der Fördereinrichtung befindet und dort mit Neutronen aus der Neutro nenquelle beaufschlagt wird.
Auch mittels LIBS können die chemischen Elementgehalte des Materials analy siert werden. Dazu wird eine Oberfläche des zu analysierenden Materials mit ei nem Laser abgetastet. Mit LIBS können die chemischen Elementgehalte nur an der Oberfläche des Materials ermittelt werden. Im Vergleich zu PGNAA und PFTNA ist LIBS aber genauer und sensitiver hinsichtlich der Bestimmung von Elementkonzentrationen. Demgegenüber sind PGNAA und PFTNA insbesondere hinsichtlich der Bestimmung einzelner Elemente und deren Nachweisgrenzen limitiert. Gleichwohl kann mittels PGNAA und/oder PFTNA die Materialzusam mensetzung bis zu einer bestimmten Eindringtiefe auch innerhalb des Materials ermittelt werden, was insbesondere bei großen Probenvolumina, beispielsweise bei Vollstrom-Analysen auf Förderbandanlagen von Vorteil ist.
LIBS bietet eine große Auswahl an chemischen Elementen, die grundsätzlich be stimmt werden können. Jedoch besteht bei dieser Technik eine Unsicherheit darin, dass nur die Oberfläche des Materials analysiert wird. Im Falle von Inhomogenitä ten können somit nur eingeschränkt repräsentative Messergebnisse erhalten wer den. Durch die Synchronisation mit der PGNAA kann dieser Effekt kompensiert werden. Insbesondere die Anteile von besonders relevanten Elementen in dem Material, insbesondere von solchen mit verhältnismäßig großem Anteil an dem Material, werden vorzugsweise mit beiden Messtechniken bestimmt. Dabei wird das Ergebnis der LIBS aufgrund der fehlenden Repräsentativität vorzugsweise mit dem entsprechenden Ergebnis der PGNAA und/oder PFTNA als Standardisierung angepasst. Mit dieser Standardisierung können die gemessenen Konzentrationen aller Elemente um den entsprechenden Faktor an das Messergebnis der PGNAA angeglichen werden. Das kann zu einem deutlich erweiterten Elementspektrum führen, welches durch die Verknüpfung der Messmethoden insbesondere auch repräsentativ für das gesamte gemäß Schritt a) geförderte Material sein kann. Auch mittels RFA können die chemischen Elementgehalte des Materials analy siert werden.
Bevorzugt wird eine Kombination aus mindestens zwei der beschriebenen Metho den als die weitere Analyse eingesetzt. Besonders bevorzugt ist die Kombination von PGNAA und/oder PFTNA einerseits mit LIBS und/oder RFA andererseits. In dem Fall können Nachteile der genannten Messmethoden wie beschrieben beson ders effizient ausgeglichen werden. So kann mit PGNAA und/oder PFTNA ein großes Materialvolumen analysiert werden, wobei allerdings nur eine geringe Messgenauigkeit erreicht werden kann und nur eine geringe Anzahl an Elementen erkannt werden kann. Mit LIBS können hingegen eine größere Messgenauigkeit erreicht und mehr Elemente unterschieden werden, wobei allerdings aufgrund der reinen Oberflächenanalyse bei LIBS nur ein kleines Materialvolumen analysiert werden kann. Werden beispielsweise PGNAA und LIBS miteinander kombiniert, können die genannten Nachteile ausgeglichen werden.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Material vorgestellt. Die Vorrich tung umfasst:
- eine Fördereinrichtung zum Fördern des Materials, - eine Entnahmeeinrichtung zum Entnehmen einer Probe des Materials von der F ördereinrichtung,
- eine Analyseeinrichtung zum Analysieren der in Schritt b) entnommenen Probe mittels ETV-ICP-OES und/oder mittels ETV-ICP-MS, und
- eine Auswerteeinrichtung, die zur Bestimmung chemischer Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material anhand der Probe eingerichtet ist.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des be schriebenen Verfahrens zum Bestimmen der chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material sind auf die beschriebene Vorrichtung zum Be stimmen der chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens einge richtet. Insbesondere wird das beschriebene Verfahren vorzugsweise mit der be- schriebenen Vorrichtung ausgeführt.
Die Entnahmeeinrichtung ist vorzugsweise zur automatisierten Entnahme der Probe eingerichtet. Vorzugsweise ist die Entnahmeeinrichtung weiterhin dazu eingerichtet, die entnommene Probe aufzubereiten, insbesondere auf DIN- konforme Art und Weise. Weiterhin weist die Vorrichtung vorzugsweise einen Feuchtigkeitsmesser auf, mit dem die Feuchtigkeit des Materials, insbesondere der Probe, gemessen werden kann. Zudem ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung jeweilige Einrichtungen für die zum Verfahren beschriebenen weiteren Analysen umfasst, insbesondere zur LIBS, RFA, PGNAA und/oder PFTNA.
Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
A) Bestimmen des chemischen Elementgehalts von Phosphor und dessen Bin dungsformen in dem Klärschlamm mit dem beschriebenen Verfahren, und B) Rückgewinnen zumindest eines Teils des Phosphors aus dem Klärschlamm unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus Schritt A).
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des be- schriebenen Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtung zum Bestimmen der chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material sind auf das beschriebene Verfahren zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm an wendbar und übertragbar, und umgekehrt. Bei dem vorliegend beschriebenen Ver fahren ist der Klärschlamm das Material.
Durch Kraftwerke und Veredlungsbetriebe werden große Mengen Klärschlamm insbesondere zusammen mit Braunkohle energetisch verwertet und dadurch ent sorgt. Auch wird zusätzlich zur Mono- Verbrennung von Klärschlamm auch eine stoffliche Verwertung von Klärschlamm durch Vergasung angestrebt. In diesem Zusammenhang bestehen in Deutschland behördliche Auflagen beispielsweise darin, das chemische Element Phosphor als wichtiges strategisches Element ab einer bestimmten Konzentration vor der Vergasung verfahrenstechnisch rückzu gewinnen. Die bevorzugten Verfahrensschritte zur Phosphorrückgewinnung hän gen jedoch stark von den vorliegenden Bindungsformen des Phosphors im Klär- schlämm ab. Vor diesem Hintergrund und aufgrund der Tatsache, dass sich Klär schlämme hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung stark unterscheiden können, ist eine verlässliche Online-Multielementanalyse von gefördertem Klär schlamm mit Bestimmung der vorherrschenden Bindungsformen vorteilhaft. Würde ein Klärschlamm in einem Kraftwerk mit einer zu hohen Phosphorkon- zentrationen verfeuert, könnt es zu einem Kessel still stand mit den damit verbun den erheblichen Betriebskosten kommen. Darüber hinaus können mit dem be schriebenen Verfahren wertvolle Informationen über die Aschezusammensetzung erhalten werden. Diese können bei einer nachfolgenden Deponierung der Aschen genutzt werden, um die Umweltrelevanz und/oder das Wertstoffpotenzial der Aschen zu bestimmen.
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren können der Elementgehalt und die Bin- dungsformen des Phosphors im Klärschlamm bestimmt werden. Das erfolgt in Schritt A) des vorliegend beschriebenen Verfahrens. In Schritt B) werden die da bei gewonnenen Erkenntnisse genutzt, um den Phosphor zumindest teilweise aus dem Klärschlamm rückzugewinnen. So können in Schritt B) die Methoden zur Rückgewinnung des Phosphors eingesetzt werden, die aufgrund der erkannten Bindungsformen des Phosphors die effizienteste Rückgewinnung des Phosphors ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor Schritt A) ein Phosphorgehalt des Klärschlamms ermittelt, wobei der Klärschlamm anhand des Phosphorgehalts aufgeteilt wird, und wobei die Schritte A) und B) nur an ei nem Teil des Klärschlamms durchgeführt werden.
Die Aufteilung des Klärschlamms erfolgt vorzugsweise in mindestens zwei Teil mengen. Insbesondere kann die Aufteilung in mindestens zwei Förderströme er- folgen. Alternativ kann der Klärschlamm manuell, beispielsweise mittels Frontla dern, aufgeteilt werden.
Eine Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm ist nur dann erforderlich, wenn der Phosphorgehalt im Klärschlamm hinreichend groß ist. In Deutschland gibt es dazu einen gesetzlichen Grenzwert. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Schritte A) und B) daher nicht auf den gesamten vorhandenen Klär schlamm angewendet. Stattdessen erfolgt vorzugsweise zunächst eine Aufteilung in Klärschlamm mit einem Phosphorgehalt unter oder gleich einem vorbestimm ten Wert und in Klärschlamm mit einem Phosphorgehalt über dem vorbestimmten Wert. Es ist also eine Aufteilung in zwei Teilmengen, insbesondere in zwei För derströme, bevorzugt. Nur mit dem Teil des Klärschlamms mit einem Phosphor gehalt über dem vorbestimmten Wert werden die Schritte A) und B) durchgeführt. Der vorbestimmte Wert kann insbesondere der in Deutschland gegebene gesetzli- che Grenzwert sein. Die Ermittlung des Phosphorgehalts im Klärschlamm kann wie zuvor beschrieben mittels LIBS, RFA, PGNAA und/oder PFTNA als weitere Analyse vor Durchführung von Schritt A) erfolgen. Bevorzugt ist die PGNAA.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Anordnung zum Bewerten und Behandeln von Klärschlamm, vorgestellt. Die Anordnung umfasst:
- eine wie beschrieben ausgebildete Vorrichtung zum Bestimmen des chemi schen Elementgehalts von Phosphor und dessen Bindungsformen in dem Klär schlamm,
- eine Rückgewinnungseinrichtung zum Rückgewinnen zumindest eines Teils des Phosphors aus dem Klärschlamm,
wobei die Auswerteeinrichtung weiterhin dazu eingerichtet ist, das Rückgewinnen des Phosphors aus dem Klärschlamm unter Berücksichtigung von mit der Analy seeinrichtung erhaltenen Ergebnissen zu steuern. Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des be schriebenen Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtung zum Bestimmen der chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material sowie des be schriebenen Verfahrens zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm sind auf die beschriebene Anordnung zur Bewertung und Behandlung von Klär- schlämm anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die beschriebene Vorrich tung zum Bestimmen der chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material wird in der beschriebenen Anordnung dazu genutzt, den chemischen Elementgehalt von Phosphor und dessen Bindungsformen in dem Klärschlamm zu bestimmen. Der Klärschlamm ist das Material. Insbesondere ist die beschriebene Anordnung vorzugsweise zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm eingerichtet. Insbesondere wird das beschriebene Verfahren zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm vor zugsweise mit der beschriebenen Anordnung ausgeführt.
Die Erfindung sowie das technische Elmfeld werden nachfolgend anhand der Fi guren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Fi- guren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinie ren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
Fig. 1 : einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Material,
Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsfor men in einem Material gemäß dem Verfahren aus Fig. 1,
Fig. 3: einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Bewertung und Behandlung von Klärschlamm, und Fig. 4: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm gemäß dem Verfah ren aus Fig. 3. Fig. 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Material 2. Bei dem Material 2 handelt es sich in diesem Beispiel um Klärschlamm. Die Bezugszei chen beziehen sich auf Fig. 2. Das Verfahren umfasst:
a) Fördern des Materials 2,
b) automatisiertes Entnehmen und Aufbereiten einer Probe 5 des gemäß Schritt a) geförderten Materials 2,
c) Analysieren der in Schritt b) entnommenen Probe 5 mittels ETV-ICP-OES und/oder mittels ETV-ICP-MS, um die chemischen Elementgehalte und Bin dungsformen in dem Material 2 zu bestimmen.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Material 2. Die Vorrichtung 1 ist zur Durchführung des Verfahrens aus Fig. 1 eingerichtet. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Förderein richtung 3 zum Fördern des Materials 2. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Entnahmeeinrichtung 4 zum Entnehmen einer Probe 5 des Materials 2 von der Fördereinrichtung 3. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Analyseeinrich tung 6 zum Analysieren der in Schritt b) des Verfahrens aus Fig. 1 entnommenen Probe 5 mittels ETV-ICP-OES und/oder mittels ETV-ICP-MS. Die Analyseein richtung 6 weist vorzugsweise eine (nicht dargestellte) Kammer für die ETV, eine (nicht dargestellte) Plasma-Kammer für die ICP und eine (nicht dargestellte) Ein richtung für die OES und/oder MS auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Auswerteeinrichtung 7, die zur Bestimmung chemischer Elementgehalte und Bin dungsformen in dem Material 2 anhand der Probe 5 eingerichtet ist. Fig. 3 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Bewerten und Be handeln von Klärschlamm. Die Bezugszeichen beziehen sich auf Fig. 4. Das Ver fahren umfasst:
A) Bestimmen des chemischen Elementgehalts von Phosphor und dessen Bin- dungsformen in dem Klärschlamm mit dem Verfahren aus Fig. 1, und
B) Rückgewinnen zumindest eines Teils des Phosphors aus dem Klärschlamm unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus Schritt A).
Vor Schritt A) wird weiterhin ein Phosphorgehalt des Klärschlamms ermittelt. Der Klärschlamm wird anhand des Phosphorgehalts in einen ersten Förderstrom 8 und einen zweiten Förderstrom 9 aufgeteilt. Die Schritte A) und B) werden nur an dem ersten Förderstrom 8 durchgeführt.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung 10 zur Bewertung und Behandlung von Klär- schlämm. Die Anordnung 10 ist zur Durchführung des Verfahrens aus Fig. 3 ein gerichtet. Die Anordnung 10 umfasst eine Vorrichtung 1 zum Bestimmen des Elementgehalts von Phosphor und dessen Bindungsformen in dem Klärschlamm. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Fördereinrichtung 3 zum Fördern des Klär schlamms, eine Entnahmeeinrichtung 4 zum Entnehmen einer Probe 5 des Klär- Schlamms von der Fördereinrichtung 3, eine Analyseeinrichtung 6 zum Analysie ren der in Schritt b) entnommenen Probe 5 mittels ETV-ICP-OES und/oder mit tels ETV-ICP-MS, und eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung, die zur Be stimmung chemischer Elementgehalte und Bindungsformen in dem Klärschlamm anhand der Probe 5 eingerichtet ist. Die Analyseeinrichtung 6 weist vorzugsweise eine (nicht dargestellte) Kammer für die ETV, eine (nicht dargestellte) Plasma- Kammer für die ICP und eine (nicht dargestellte) Einrichtung für die OES und/oder MS auf. Die Vorrichtung 1 ist vorzugsweise wie die Vorrichtung 1 in Fig. 2 ausgebildet und zur Durchführung des Verfahrens aus Fig. 1 eingerichtet. Weiterhin umfasst die Anordnung 10 eine Rückgewinnungseinrichtung 11 zum Rückgewinnen zumindest eines Teils des Phosphors aus dem Klärschlamm. Die Auswerteeinrichtung 7 ist dazu eingerichtet, das Rückgewinnen des Phosphors aus dem Klärschlamm unter Berücksichtigung von mit der Analyseeinrichtung 6 erhaltenen Ergebnissen zu steuern.
Mittels einer PGNAA-Einheit 12 wird der Phosphorgehalt im Material 2 auf der Fördereinrichtung 3 durch eine PGNAA-Analyse als eine weitere Analyse zusätz lich zur ETV-ICP-OES und/oder ETV-ICP-MS bestimmt. Anschließend wird das Material anhand der mittels PGNAA erhaltenen Ergebnisses in einen ersten För derstrom 8 und einen zweiten Förderstrom 9 aufgeteilt. Der erste Förderstrom 8 enthält Material 2 mit einem Phosphorgehalt oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes, der zweite Förderstrom 9 Material 2 mit einem Phosphorgehalt un terhalb des oder gleich dem vorgegebenen Grenzwert. Die Rückgewinnung erfolgt nur für den ersten Förderstrom 8.
Mit dem beschriebenen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung 1 zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungsformen in einem Ma terial 2 können die chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in einem geförderten Material 2 ohne aufwendige Laboranalyse direkt online bestimmt werden. In dem beschriebenen Verfahren und der entsprechenden Anordnung 10 zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm kann die Kenntnis der chemi schen Bindungsformen von Phosphor dazu genutzt werden, Phosphor effizient aus dem Klärschlamm rückzugewinnen. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Material
3 Fördereinrichtung
4 Entnahmeeinrichtung
5 Probe
6 Analyseeinrichtung
7 Auswerteeinrichtung
8 erster Förderstrom
9 zwei er F örder ström
10 Anordnung
11 Rückgewinnungseinrichtung
12 PGNAA-Einheit

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bindungs formen in einem Material (2), umfassend
a) Fördern des Materials (2),
b) Entnehmen einer Probe (5) des gemäß Schritt a) geförderten Materi als (2),
c) Analysieren der in Schritt b) entnommenen Probe (5) mittels ETV-ICP- OES und/oder mittels ETV-ICP-MS, um die chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material (2) zu bestimmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material (2) Klärschlamm ist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Probe (5) in Schritt b) automatisiert entnommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Probe (5) in Schritt b) aufbereitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) wei terhin eine Feuchtigkeit des Materials (2) bestimmt und bei der Bestimmung der chemischen Elementgehalte und Bindungsformen in dem Material (2) be rücksichtigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) wei terhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt wird:
- eine radiometrische Ascheanalyse,
- eine Infrarot-Spektroskopie,
- eine Radarmessung, eine Volumenstrommessung,
eine Ultraschallmessung,
eine optische Analyse,
eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption, eine Massebestimmung.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die chemischen Elementgehalte in Schritt c) anhand der gemäß Schritt b) entnommenen Probe (5) zusätzlich mittels einer weiteren Analyse ermittelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als die weitere Analyse Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pul- sed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, verwendet wird.
9. Vorrichtung (1) zum Bestimmen von chemischen Elementgehalten und Bin dungsformen in einem Material (2), umfassend:
- eine Fördereinrichtung (3) zum Fördern des Materials (2),
- eine Entnahmeeinrichtung (4) zum Entnehmen einer Probe (5) des Materi als (2) von der Fördereinrichtung (3),
- eine Analyseeinrichtung (6) zum Analysieren der in Schritt b) entnomme nen Probe (5) mittels ETV-ICP-OES und/oder ETV-ICP-MS, und
- eine Auswerteeinrichtung (7), die zur Bestimmung der chemischen Ele mentgehalte und Bindungsformen in dem Material (2) anhand der Probe (5) eingerichtet ist.
10. Verfahren zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm, umfassend
A) Bestimmen des chemischen Elementgehalts von Phosphor und dessen Bindungsformen in dem Klärschlamm mit einem Verfahren gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 8, und
B) Rückgewinnen zumindest eines Teils des Phosphors aus dem Klär schlamm unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus Schritt A).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei vor Schritt A) ein Phosphorgehalt des Klärschlamms ermittelt wird, und wobei der Klärschlamm anhand des Phos- phorgehalts aufgeteilt wird, und wobei die Schritte A) und B) nur an einem
Teil des Klärschlamms durchgeführt werden.
12. Anordnung (10) zur Bewertung und Behandlung von Klärschlamm, umfas send:
- eine Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 9 zum Bestimmen des chemischen
Elementgehalts von Phosphor und dessen Bindungsformen in dem Klär schlamm,
- eine Rückgewinnungseinrichtung (11) zum Rückgewinnen zumindest ei nes Teils des Phosphors aus dem Klärschlamm,
wobei die Auswerteeinrichtung (7) weiterhin dazu eingerichtet ist, das Rück gewinnen des Phosphors aus dem Klärschlamm unter Berücksichtigung von mit der Analyseeinrichtung (6) erhaltenen Ergebnissen zu steuern.
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