Steigerung der Effizienz in der Phosphat-Rückgewinnung durch Aufklären der Interaktion von Strömungs- und Beladungsvorgängen anhand Modellierung und Simulation

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Mathias Joachim Krause
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436212129

Der essentielle und nicht substituierbare Nährstoff Phosphat ist ein bedeutsames Düngemittel in der Landwirtschaft. Eine wichtige Rolle zur Düngemittelproduktion spielen industrielle Rückgewinnungsverfahren, die nach Vorgaben der Düngemittelverordnung von Dezember 2012 einen Phosphatgehalt des Düngers von mindestens zehn Prozent, bezogen auf Phosphorpentoxid, erzielen müssen. Viele Verfahren erfüllen diese Anforderungen momentan nicht. Vielversprechend ist das P-RoC-Verfahren (phosphorus recovery from waste water by crystallization), bei dem gelöstes Phosphat der wässrigen Phase an Partikel aus porösem Calciumsilikathydrat (C-S-H) bindet. C-S-H-Partikel sind leicht zu entwässern und im beladenen Zustand direkt als Düngemittel einsetzbar. Der in einem Rührreaktor stattfindende Beladungsprozess ist dynamisch und abhängig von Faktoren wie auftretende Strömungen, räumliche Verteilung der Partikel- sowie Phosphatkonzentrationen. Der Einfluss der Faktoren auf die Effizienz des Prozesses ist nicht vollständig geklärt, gleiches gilt für die Kinetik der Reaktion. Die Untersuchung der Reaktions- und Prozesskinetik unter Berücksichtigung der dynamischen Prozesse mittels numerischer Strömungssimulation stellt nicht zuletzt aufgrund der Mehrskaligkeit eine Herausforderung dar, birgt aber ein großes Potenzial, den Prozess zu verbessern. Ziel des Vorhabens ist es, aufzuklären, in welchem Umfang die dynamischen Strömungs- und Reaktionsvorgänge und insbesondere ihre Wechselwirkung die Phosphat-Beladung beeinflussen. Ziel ist auch, die Modellgleichungen der Kinetik mittels numerischer Untersuchungen zu ermitteln. Damit ist eine grundlegende und neue Erkenntnis über eine von empirisch ermittelten Parametern losgelöste Berechnung der Reaktionskinetik und ihre direkte Verwendung in der Strömungssimulation zur Vorhersage des Phosphat-Beladungsprozesses der C-S-H-Partikel möglich.Im geplanten Vorhaben ist die Reaktionskinetik des nanoskaligen Reaktionsprozesses an den CSH-Partikeln mittels Modellierung durch einen molekulardynamischen Ansatz und geeignete Potentialgleichungen an der Poren- oder Partikeloberfläche zu erfassen. Diskretisiert und simuliert wird dies mit einem coarse-grained Modell, basierend auf einer Diskreten-Elemente-Methode (DEM), für das verwendete Stoffsystem Phosphat und C-S-H. Die erhaltene Reaktionskinetik wird in die mikro- und makroskaligen Strömungssimulationen überführt und dazu mit den Lattice-Boltzmann-Methoden (LBM) gekoppelt. Die Validierung erfolgt mittels Literaturabgleich sowie vorhandenen und anzufertigen Laborexperimenten. Alle Untersuchungen werden mittels Simulationen auf Basis der LBM und der DEM mit der open source Software OpenLB durchgeführt. So ist eine Implementierung der hydrokinetischen sowie der coarse-grained-Modellierung innerhalb eines einheitlichen Rahmens möglich und zugleich eine Übertragung auf andere Fragestellungen in Verbindung mit zu ermittelnden Reaktionskinetiken sichergestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl