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

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

Gliederung (2) Lösungsansätze Effizienz der Pflanzen Klärschlamm Fazit

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 H3PO4 Es existieren drei allotrope Hauptmodifikationen: weißer, roter und schwarzer Phosphor Für alle Organismen ist Phosphor Lebensnotwendig

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

Notwendigkeit von Phosphor (2) Knochenaufbau Phosphor sorgt für starke Knochen und gesunde Zähne Osteoblasten sind in der Lage, Hydroxylapatit (Ca5[OH(PO4)3]) aus Phosphat- und Calcium-Ionen zu erzeugen Die Knochen des Körperskeletts bestehen aus 50%, Dentin aus 70% und der Zahnschmelz aus 97% Hydroxylapatit

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

Notwendigkeit von Phosphor (4) Pflanzennährstoff Phosphor ist ein limitierender Nährstoff Gebundenes Phosphat nicht pflanzenverfügbar Gelöstes Phosphat (H2PO4- oder HPO42-) ist direkt verfügbar

Natürlicher Phosphorkreislauf

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 …

Problematik des anthropogenen Phosphorkreislaufs

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

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

Zeithorizont (2)

Zeithorizont (3)

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

Politische Konflikte – China (2)

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

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

Politische Konflikte – Westsahara (3)

Lösungsansätze

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

Verbleib des Phosphors auf der Kläranlage

Klärschlamm – Potential Phosphoreinsatz in der deutschen Landwirtschaft Einsatzart Menge pro Jahr [t/a] Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist) 290.000 Mineralischer Dünger 100.000 Klärschlamm 25.000  415.000 Aus Abwasser ließen sich in Deutschland ca. 70.000 t Phosphor pro Jahr zurückgewinnen

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

Air-prex MAP-Verfahren

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. 10-20 kg Getreide angebaut werden Weniger Nahrung wegwerfen

Quellen www.census.gov www.phosphorusfutures.net/uploads/images/Peak_P_website.jpg Arte, Dokumentation: Die Phosphorkrise – Ende der Menschheit? www.stonegateagricom.com www.de.wikipedia.org/wiki/Westsahara Prof. Dr. Ing. Johannes Müller-Schaber: Siedlungswasserwirtschaft 04, Klärschlammbehandlung SS2013: Vorlesungsskript: Stand der Phosphorrückgewinnung www.pcs-consult.de/html/airprex3.html www.lwg.bayern.de/gartentipps/2007/28522/ http://www.uniterra.de/rutherford/ele015.htm 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 http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphor http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphorfraktion Prof. Dr. Wilfried Probst und Petra Schuchardt. Titel: Duden Abiturwissen Biologie. Verlag: Paetec http://de.wikipedia.org/wiki/Apatit http://www.geweb.de/OWS/Programm/lerneinheit?lp=2191&s=16 http://www.guidobauersachs.de/oc/nukleo.html

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