Innoviative Schlüsseltechnologien So verhalten sich synthetische Nanopartikel bei der Abfallverbrennung

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Wie verhalten sich Nanopartikel bei Entsorgung und Recycling? Eine Pilotanlage am Institut für Technische Chemie am KIT verwendet Ceroxid als Tracer, um der Frage auf den Grund zu gehen.

Nanotechnologie zählt zu den innovativen Schlüsseltechnologien in Deutschland mit einem geschätzten Gesamtumsatz von 13 Milliarden Euro im Jahr 2013[1]. Die Anwendungsfelder erstrecken sich von Elektronik bis hin zu Chemie und Pharmazie, bei denen Nanomaterialien als Zusatzstoffe verwendet werden.

Zu finden sind Nanopartikel in Bekleidung, Kosmetika, Reinigungsmitteln, Lacken und Farben. Untersuchungen, die sich mit der Entsorgung und dem Recycling dieser Materialien beschäftigen, sind bisher kaum publiziert. Hier besteht ein großer Bedarf an Forschungsarbeiten [3]. Für die anfallenden Siedlungsabfälle gibt es in Deutschland zwei Entsorgungswege: Recycling und thermische Entsorgung.

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Die Recyclingquote lag 2010 in Deutschland bei 63 Prozent und die restliche Abfallmenge wurde in Abfallverbrennungsanlagen (MVA) oder Kraftwerken thermisch entsorgt [4]. Das Deponieren von unbehandelten Abfällen ist seit 2005 in Deutschland verboten. In Abbildung 1 sind die verschiedenen Stoffströme der Abfallverbrennung und die Wege der Freisetzung in die Umweltkompartimente Luft, Wasser und Boden vereinfacht dargestellt.

Ziel dieser Untersuchung ist die Klärung der Frage, was mit synthetischen Nanopartikeln passiert, die während der thermischen Entsorgung von Nanomaterialien aus ihrer Matrix in das Abgas übergehen. Bei Tracer-Untersuchungen an einer Pilot-Verbrennungsanlage stehen die Nachbrennkammer und der Abhitzekessel im Fokus, da hier Verluste von Tracermaterial zu erwarten sind. Die Messung am Kamin ist die Kontrollstelle zur Bestimmung der Freisetzung in die Atmosphäre.

Die Pilotanlage ist eine halbtechnische Drehrohranlage mit Kraftwerksbrennkammer und Staubfeuerung, die am Institut für Technische Chemie am KIT in Karlsruhe betrieben wird (Abbildung 2). Für die Tracer-Untersuchungen sind drei Messstellen zur Abgasprobenahme eingerichtet. An der Messstelle 2 ist eine Kamera zur Aufnahme des Flammenbildes eingerichtet.

An der Stirnseite des Drehrohrofens werden 10 l/h einer nanoskaligen Suspension mit Ceroxid (c = 1 g/l) über eine Zweistoffdüse in den Feuerraum versprüht. Bei einem Abgasvolumenstrom von etwa 3.000 Nm³/h ergibt sich so eine Massenkonzentration von 3,3 mg CeO2/mN³feucht. Um eine Aussage über den Verbleib des Ceroxids zu erhalten, werden an den drei Messstellen (Abbildung 2) Proben entnommen, die mit verschiedenen Messmethoden auf die gesamte Partikelmassenkonzentration, die Tracerkonzentration und die Partikelgrößenverteilung untersucht werden.

Zuerst werden an allen Messstellen Blindproben ohne Ceroxid-Dosierung entnommen, um die Hintergrundbelastung mit Cer zu bestimmen. Die in der Staubfeuerung verwendete Steinkohle hat eine Cerkonzentration von 3 ppm, somit ist hier mit einer Hintergrundbelastung zu rechnen. In der Kampagne werden an vier Tagen Tracer-Versuche zur NP-Freisetzung durchgeführt und 30 Minuten nach dem Start der Ceroxid-Dosierung werden die ersten Proben gezogen.

Während der Anfahrphase wurde die Verbrennungsanlage mit Erdgas auf Betriebstemperatur aufgeheizt. Da von der Erdgasfeuerung keine Cer-Emission zu erwarten ist, wurden die ersten Versuche (V1 und V2) bei Gasbetrieb durchgeführt. Am dritten Versuchstag (V3) wurde mit Steinkohlestaub befeuert und der vierte Versuch (V4) fand während der Co-Verbrennung von Steinkohle mit Switchgras statt. Bei den Versuchen V1 bis V3 lag die Dosierrate konstant bei etwa 10 l/h, am letzten Versuchstag (V3) wurden zuerst 20 l/h dosiert und später auf die Hälfte reduziert (Tabelle 1).

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