Phosphor – Grundlage für Industrie und Natur

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

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 H3PO4 • 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

7. 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

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 ΔH = ca. 45 kJ/mol • ATP → ADP + Phosphat ΔH = ca. - 45 kJ/mol

9. Notwendigkeit von Phosphor (4) • Pflanzennährstoff • Phosphor ist ein limitierender Nährstoff • Gebundenes Phosphat nicht pflanzenverfügbar • Gelöstes Phosphat (H2PO4- oder HPO42-) 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 „FrentePolisario“ ruft eigenen Staat aus, die Demokratische Arabische Republik Sahara (DASR) • „FrentePolisario“ 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 Phosphoreinsatz in der deutschen Landwirtschaft Aus Abwasser ließen sich in Deutschland ca. 70.000 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. 10-20 kg Getreide angebaut werden • Weniger Nahrung wegwerfen

29. 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

30. Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit!