Co-Pyrolyse von Kunststoffen in sekundären Stoffen der Vergärung zur Herstellung von Pflanzen- und Aktivkohle

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 626.05.20

Schlüsselwörter (Deutsch)

holzige Abfälle aus Siebüberläufen, Biomasse, Vergärung, Pyrolyse, Pflanzenkohle

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Bei der Verwertung von Biomasse, z.B. durch Vergärung, entstehen grosse Mengen an holzigem Siebüberlauf aus Vergärungsanlagen. Dieses Material kann pyrolysiert und so in ein wertvolles Produkt - Pflanzenkohle — umgewandelt werden. Bei der Pyrolyse werden Kohlenstoffverbindungen bei Temperaturen von 400 — 900 °C unter Ausschluss von Sauerstoff gespalten. Die entstehende Pflanzenkohle kann in Gartenbau und Landwirtschaft oder in der Abwasserreinigung verwendet werden. Das vom BAFU geförderte Projekt "EMPYRION" zeigte auf, dass (aktivierte) Pflanzenkohle als hochwertiger Ersatz für die heute aus Braun- und Steinkohle gewonnenen Aktivkohlen eingesetzt werden kann. Mit der Einführung der Klärstufe zur Elimination von Mikroverunreinigungen wird der Bedarf an Aktivkohle steigen. Ein grosses Problem bei der Verwertung von holzigen Abfällen aus Siebüberläufen sind die Verunreinigungen mit Kunststoff. Bis heute gibt es keine etablierte Verfahrenstechnik, um diese Kunststoffe zu entfernen. Deren Co-Pyrolyse ist grundsätzlich möglich, da Kunststoffe ebenfalls v.a. aus Kohlenstoffverbindungen bestehen. Die Auswirkungen auf das entstehende Produkt sind aber noch wenig untersucht. Voraussetzung wäre, dass die Kunststoffe soweit abgebaut sind, dass die Pflanzen- oder Aktivkohlen sowohl frei von Kunststoff als auch von möglichen unerwünschten Abbauprodukten sind. In diesem Projekt soll die Qualität der produzierten Pflanzen- und Aktivkohle in Abhängigkeit vom Anteil an gemischten Kunststoffabfällen aus dem Siebüberlauf getestet werden. Aus separat gesammelten Materialien einer Kompogas-Anlage werden die Proben gezielt gemischt und danach pyrolysiert. Durch die zusätzliche physikalische Aktivierung — z.B. durch Wasserdampf — kann Aktivkohle erzeugt werden.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

3.1. Die Literaturstudie zur pyrolytischen Elimination von Plastikrückständen inklusiv der Risikobeurteilung ist durchgeführt. Berücksichtigt werden sowohl die Emission während der Pyrolyse (z.B. HCI) als auch potentiell entstehende Schadstoffe im festen Pyrolyseprodukt. Meilenstein 1
3.2. Mindestens 10 Pflanzen- und Aktivkohlen aus Mischungen mit unterschiedlichem Gehalt an Kunststoff stehen zur Verfügung. Das verwendete Ausgangsmaterial stammt aus dem Siebüberlauf der Kompogas-Anlage in Winterthur als repräsentative Anlage der Axpo. Meilenstein 2
3.3. Die produzierten Pflanzen- und Aktivkohlen sind auf ihren Gehalt an organischen Schadstoffen (PAK, Dioxine, Furane) analysiert. Bei ausgewählten Proben ist die spezifische Oberfläche und die Porengrössenverteilung bestimmt. In Schüttelversuchen mit vorgereinigtem Abwasser wurden die produzierten Aktivkohlen mit kommerziellen Aktivkohlen verglichen (Adsorptionsfähigkeit, SAK 254nm bei allen Proben als Proxy für Mikroverunreinigungen, Quantifizierung des chemischen Sauerstoffbedarfs). Meilenstein 3
3.4. Ein Schlussbericht als Basis für eine praxisnahe Publikation mit Darstellung der Ergebnisse aus 3.1 bis 3.3 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
3.5. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien
(genauere Angaben s. Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind
bereitgestellt und dem BAFU übergeben.
3.6. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU übergeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Projektziele (Deutsch)

Spezifikationen für die Eignung des holzigen Siebüberlaufs inkl. Plastikfremdstoffe einer Vergärungsanlage als Ausgangsmaterial für die Produktion von Pflanzenkohle mittels Pyrolyse sind erarbeitet. Basis dafür sind die Untersuchung von Produkten aus der Co-Pyrolyse verschiedener Mischungen und die Ergebnisse aus einer Literaturstudie.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Bei der Verwertung von biogenen Reststoffen sind Verunreinigungen mit Kunststoffen ein allgegenwärtiges Phänomen. Da Kunststoffe praktisch nicht abgetrennt werden können, werden gewisse Kontaminationen, z. B. in Kompost bisher toleriert. Um die Anreicherung in der Umwelt zu vermeiden, ist bisher die Verbrennung, meist in der Kehrichtverbrennung, der einzig mögliche Verwertungsweg, zum Beispiel bei holzigem Siebüberkorn aus der Grüngutvergärung. Im Projekt CoPyKu wurde die Herstellung von Pflanzenkohle, d. h. die Pyrolyse der Biomasse mit dem darin enthaltenden Kunststoff («Co-Pyrolyse») untersucht. Mit einer Literaturstudie konnte gezeigt werden, dass sich die Verunreinigungen im Wesentlichen aus Polystyrol, Polyethylen und Polypropylen zusammensetzen. Damit dominieren Kunststoffe, die sich vor allem aus Kohlen-, Wasser- und Sauerstoff zusammensetzen. Polymere wie PVC oder PVCD, die Chlor enthalten, das bei der Pyrolyse zur Bildung von Schadstoffen (Dioxine) führen könnte, spielen kaum eine Rolle. Dies wurde experimentell bestätigt, da selbst eine 10%ige (m/m) Beimischung von realen Kunststoffverunreinigungen zu keinen nennenswerten Gehalten an Dioxinen (zehnfache Unterschreitung des Grenzwerts). Auch darüber hinaus wurde die Qualität der Pflanzenkohle durch die Verunreinigung des Ausgangsmaterials nicht verschlechtert. Damit bewährt sich die Herstellung von Pflanzenkohle aus sekundären Stoffen als wichtige Maßnahme, um die Freisetzung von Plastik in die Umwelt zu unterbinden und gleichzeitig das Klima durch den Aufbau von dauerhaften Kohlenstoffsenken zu schützen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Auf Basis dieser Ergebnisse werden nun Wirtschaftlichkeitsberechnungen zur möglichen Verwertung von holzigem Siebüberkorn aus der Biomasse-Verwertung durchgeführt, um den Bau von Pyrolyse-Anlagen konkret prüfen zu können.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Im nächsten Schritt muss eine Qualitätssicherung von sekundären Stoffen aus der Biomasseverwertung zur Verwendung als Ausgangsmaterial für die Pflanzenkohleherstellung entwickelt werden. Dazu muss der Kunststoffanteil in diesen Stoffströmen sowohl quantitativ (wie viel) und qualitativ (welche Polymere) untersucht werden können. Auf Basis einer solchen Qualitätssicherung kann dann das Europäische Pflanzenkohle Zertifikat die Verwendung dieser Ausgangsstoffe ermöglichen.