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Egidio Vallino, Andreas Podlich Ingenieurhydrologie I Prof. Manfred Koch SS 2013 Phosphor – Grundlage für Industrie und Natur.

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1 Egidio Vallino, Andreas Podlich Ingenieurhydrologie I Prof. Manfred Koch SS 2013 Phosphor – Grundlage für Industrie und Natur

2 Gliederung (1) Eigenschaften von Phosphor Notwendigkeit von Phosphor Natürlicher Phosphorkreislauf Nutzen für den Menschen Problematik des anthropogenen Phosphorkreislauf Zeithorizont Politische Konflikte

3 Gliederung (2) Lösungsansätze Effizienz der Pflanzen Klärschlamm Fazit

4 Eigenschaften von Phosphor Phosphor kommt in der Natur nur in der Form von Phosphat oder Phosphatmineralien vor Phosphate sind die Salze und Ester der ortho-Phosphorsäure H 3 PO 4 Es existieren drei allotrope Hauptmodifikationen: weißer, roter und schwarzer Phosphor Für alle Organismen ist Phosphor Lebensnotwendig

5 Notwendigkeit von Phosphor DNA (desoxy-Ribonuclein-Acid) Besitzt Phosphatreste Fungieren als Verbindungsglieder Phosphatrest und Zucker bilden das Rückgrat der DNA

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7 Notwendigkeit von Phosphor (2) Knochenaufbau Phosphor sorgt für starke Knochen und gesunde Zähne Osteoblasten sind in der Lage, Hydroxylapatit (Ca 5 [OH(PO 4 ) 3 ]) aus Phosphat- und Calcium-Ionen zu erzeugen Die Knochen des Körperskeletts bestehen aus 50%, Dentin aus 70% und der Zahnschmelz aus 97% Hydroxylapatit

8 Notwendigkeit von Phosphor (3) ATP (Adenosintriphosphat) Die aus Stoffwechselvorgängen freigesetzte Energie wird in ATP gebunden Wechselspiel von ADP und ATP ± Energie ADP + Phosphat ATP Δ H = ca. 45 kJ/mol ATP ADP + Phosphat Δ H = ca kJ/mol

9 Notwendigkeit von Phosphor (4) Pflanzennährstoff Phosphor ist ein limitierender Nährstoff Gebundenes Phosphat nicht pflanzenverfügbar Gelöstes Phosphat (H 2 PO 4 - oder HPO 4 2- ) ist direkt verfügbar

10 Natürlicher Phosphorkreislauf

11 Nutzen für den Menschen Phosphat ist ein wichtiger Bestandteil von Pflanzendünger 140 Mio. t/a gefördert (80-90% für Landwirtschaft) Der Rest für andere Verwendungszwecke, wie… Treibmittel in Backwaren Geschmacksverstärker in Limonaden Wasserbinder in Fleischware …

12 Problematik des anthropogenen Phosphorkreislaufs

13 Phosphor Lagerstätte 84% der Phosphorreserven in nur 5 Ländern West Sahara 36% China 23% Südafrika 9% Jordanien 9% USA 7%

14 Zeithorizont Phosphorreserven basierend auf heutigem Verbrauch: Förderwürdig: 80 Jahre Nicht förderwürdig: 250 Jahre

15 Zeithorizont (2)

16 Zeithorizont (3)

17 Politische Konflikte – China (1) Juni 2008 erhängt China einen Ausfuhrzoll von 135% auf Phosphor Preise stiegen von 80 auf 430 $/t Lebensmittelpreise stiegen in die Höhe Etwicklungsländer/Schwellenländer besonders stark betroffen

18 Politische Konflikte – China (2)

19 Politische Konflikte - Westsahara (1) Westsahara bis 1975 Kolonie von Spanien Nach Abzug Spaniens erhebt Marokko und Mauritanien Landansprüche und besetzten Westsahara Bewaffnete Widerstandsbewegung Frente Polisario ruft eigenen Staat aus, die Demokratische Arabische Republik Sahara (DASR) Frente Polisario erkämpft Teile der Westsahara zurück Waffenstillstand seit 1991

20 Politische Konflikte – Westsahara (2) UNO fordert eine Volksabstimmung, die über die Zukunft der Westsahara entscheiden soll Bis heute gab es keine Abstimmung Noch unklar wer wahlberechtigt ist

21 Politische Konflikte – Westsahara (3)

22 Lösungsansätze

23 Steigerung der Phosphataufnahme von Pflanzen Symbiose Pilz Pflanze Mykorrhizapilze bilden ein umhüllendes Pilzgeflecht und verbessern so die Nährstoffversorgung Bsp. Kartoffelpflanzen: Der Mineraldüngereinsatz kann so um 50% gesenkt werden

24 Verbleib des Phosphors auf der Kläranlage

25 Klärschlamm – Potential EinsatzartMenge pro Jahr [t/a] Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist) Mineralischer Dünger Klärschlamm Phosphoreinsatz in der deutschen Landwirtschaft Aus Abwasser ließen sich in Deutschland ca t Phosphor pro Jahr zurückgewinnen

26 Air-prex MAP-Verfahren Herstellung von Magnesiumammoniumphosphat (MAP / Struvit) Guter Dünger hohe Pflanzenverfügbarkeit Geringe Schwermetallgehalte (DüMV)

27 Air-prex MAP-Verfahren

28 Fazit Der Bedarf an Phosphor nimmt kontinuierlich zu Ziel ist, den Phosphorkreislauf zu schließen Technologien entwickeln/optimieren für die Rückgewinnung von Phosphat Effizienz in der Landwirtschaft steigern – z.B. durch Nutzpflanzen die effizienter mit Phosphat umgehen können Vegetarische alternativen – für 1 kg Fleisch müssen ca kg Getreide angebaut werden Weniger Nahrung wegwerfen

29 Quellen Arte, Dokumentation: Die Phosphorkrise – Ende der Menschheit? Prof. Dr. Ing. Johannes Müller-Schaber: Siedlungswasserwirtschaft 04, Klärschlammbehandlung SS2013: Vorlesungsskript: Stand der Phosphorrückgewinnung Univ.-Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen. Grundlagen Siedlungswasserwirtschaft Teil 1. Vorlesungsskript 2012: Wasserparameter. Universität Kassel. Fachgebiet 14 Siedlungswasserwirtschaft Horst Bayrhuber und Ulrich Kull. Titel: Linder Biologie. Verlag: Schroedel. S.67 Prof. Dr. Wilfried Probst und Petra Schuchardt. Titel: Duden Abiturwissen Biologie. Verlag: Paetec

30 Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit!


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