Einbindung mineralbegleitender Schwermetalle in Ziegeln unter energetischen Gesichtspunkten durch brenntechnische Maßnahmen im Tunnelofen

1 Einleitung und Zielsetzung

Bislang fehlen bundeseinheitliche Regelungen zum Wiedereinsatz industrieller Nebenprodukte oder von Recyclingbaustoffen. Mit der geplanten Ersatzbaustoffverordnung soll diese Gesetzeslücke geschlossen werden, um zukünftig bundeseinheitliche Regelungen zum Recycling zu schaffen. Derzeit gelten uneinheitliche Regelungen in den einzelnen Bundesländern oder Genehmigungsbehörden. Im ersten Arbeitsentwurf der Ersatzbaustoffverordnung wurden Anforderungen festgelegt, die nicht auf dem bisherigen Standardauslaugverfahren (Wasser-/Feststoffverhältnis W/F = 10:1) beruhen. Vielmehr wurde ein neues Auslaugverfahren, das Säulenverfahren gemäß DIN E 19528, mit einem Wasser-/Feststoffverhältnis W/F = 2:1 eingeführt. Für Recycling-Baustoffe wurden entsprechende Anforderungen an einzuhaltende Material-(Eluat-)werte gestellt.

Die zur Ziegelherstellung verwendeten Tone bringen einen gewissen Anteil an Carbonaten, Sulfaten und Metallen mit sich, die meist als Begleitelemente den verschiedenen Mineralien zuzuordnen sind. Die Einführung der neuen Ersatzbaustoffverordnung, mit den geplanten Grenzwerten zur Recyclingfähigkeit, birgt hier gewisse Risiken, da auch aufgrund geänderter Analyseverfahren keine Vergleichswerte und belastbare Daten vorliegen.

Das Ziel dieses Vorhabens war es, brenntechnische Möglichkeiten oder rohstoffseitige Maßnahmen zu erarbeiten, die die Mobilität der zunächst als kritisch einzustufenden Schwermetalle sowie der Sulfate in den Eluaten einschränken bzw. sogar unterbinden. So soll die Recyclingfähigkeit von Ziegelmaterialien sichergestellt werden.

2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse

Um das Auslaugverhalten der Metalle aus Ziegelmaterial zu bestimmen, wurde zunächst eine Vielzahl von Proben unterschiedlichster Ziegelmaterialien eluiert und die Eluate analysiert. Es stellte sich heraus, dass die relevanten, auslaugbaren Stoffe die Metalle Vanadium und Chrom sowie Sulfat-An­ionen sind. Aufgrund dieser Vorversuche beschränkten sich die Hauptversuche daher auf diese drei Stoffe. Sulfate stellen für viele metallische Elemente die wichtigsten mineralischen Verbindungen dar. Die Metalle sind als Spuren in der Erdkruste vorhanden und somit als Begleitelemente in den Rohstoffen.

In den nächsten Versuchsreihen wurde versucht, das Auslaugverhalten bereits während der Aufbereitung der Rohstoffe mit Additiven bzw. reduzierenden Zuschlagstoffen zu beeinflussen. Es stellte sich jedoch heraus, dass sämtliche,  während der Aufbereitung erreichten Reaktionen durch eine oxidierende Ofenatmosphäre während des Brandes wieder aufgehoben werden. Der Einsatz von reduzierenden Additiven nach dem Brand veränderte die Optik des fertigen Produktes und schied damit aus.

Einheitliche Aussagen zum Auslaugverhalten von Ziegeln können kaum getroffen werden. Gründe dafür sind, dass die verschiedenen Rohstoffe, die zur Herstellung der unterschiedlichen Ziegelprodukte verwendet werden, ein Vielstoffgemisch darstellen. In diesem können unzählige Reaktionen ablaufen, die sich gegenseitig beeinflussen und auch Auswirkungen auf den pH-Wert des Eluats haben. Der pH-Wert wiederum ist eine entscheidende Einflussgröße für die Mobilität, d.h. das Auslaugverhalten der verschiedenen Metalle. Durch die zahlreichen Versuche konnte jedoch eine Vielzahl neuer Erkenntnisse über das Auslaugverhalten der Metalle aus Ziegelrohstoffen gewonnen werden.

Der einzige gangbare Weg zur positiven Beeinflussung des Auslaugverhaltens ist die Reduktion des Sauerstoffs in der Ofenatmosphäre. Hierzu ist es nicht notwendig, den kompletten Brennprozess in reduzierender Atmosphäre oder mit niedrigem Sauerstoffgehalt durchzuführen. Eine kontrollierte Brennzone oberhalb von ca. 650 °C mit Sauerstoffgehalten von weniger als 10 Vol.-% sollte dazu ausreichen, wie die Versuche gezeigt haben.

Dieses Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. (FGZ) wurde vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V. (IZF) durchgeführt. Das IGF-Vorhaben 16329 N der Forschungsvereinigung Ziegelindustrie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der 51 Seiten lange Schlussbericht kann bei der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. in Berlin angefordert werden.