Mit dem mit 2000 Euro dotierten Preis würdigt das Leonberger Unternehmen LEWA herausragende Dissertationen an der Universität Stuttgart im Bereich der Verfahrenstechnik. Daniel Frank, der seine Doktorarbeit mit dem Titel »Experimentelle Untersuchung und Modellierung der Fällung von Kalium-Magnesium-Phosphat« im Jahr 2013 am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP abschloss, wurde am 18. Juli 2014 bei der feierlichen Urkundenübergabe der Maschinenbau-Fakultäten durch Stefan Glasmeyer, den Geschäftsführer der LEWA Gmbh, ausgezeichnet.

Wertvoller Kaliumdünger aus Gülle

In seiner Doktorarbeit untersuchte der angehende Wissenschaftler, wie sich der Nährstoff Kalium, der über das Futter von Nutztieren mit deren Ausscheidungen in die Gülle gelangt, als konzentrierter Dünger zurückgewinnen lässt. Gülle enthält neben Stickstoff und Phosphor auch größere Mengen an Kalium. Das Mineral unterstützt die Photosynthese der Pflanzen und macht sie resistenter gegen Umwelteinflüsse. Darüber hinaus wird Kalium eine schädlingsbekämpfende Wirkung zugeschrieben, sodass die Rückgewinnung eines kaliumhaltigen Düngers wie Kalium-Magnesium-Phosphat aus landwirtschaftlichen Reststoffen auch wirtschaftlich interessant ist. Ein optimiertes Fällungsverfahren für Kalium-Magnesium-Phosphat (KMP) existierte bislang jedoch nicht. Das Düngemittel, das die Nährstoffe wegen seiner geringen Wasserlöslichkeit nur langsam freisetzt, kann direkt – ohne weitere Aufbereitung – in der Landwirtschaft eingesetzt werden.

»Ziel meiner Dissertation war es daher, die KMP-Fällung mit einer thermodynamischen und einer kinetischen Modellierung zu simulieren, um anhand von Löslichkeitsmodell und -gleichungen Einflussfaktoren wie pH-Wert, Konzentration der zu fällenden Ionen, Reaktionsdauer und -temperatur zu bestimmen und anschließend im Labor gezielt steuern zu können«, erläutert Frank.

Bedingungen für eine kontinuierliche KMP-Fällung

Im Labor ging der Doktorand folgendermaßen vor: Die Gülle trennte er nach einer Aufbereitungsstufe in eine flüssige und eine feste Fraktion auf. Während in der festen Fraktion in erster Linie die organischen Bestandteile der Gülle verblieben, enthielt die flüssige Fraktion die gelösten Ionen, unter anderem Phosphat, Kalium und Magnesium. Bei einer Fällung werden die gelösten Ionen in fester Form, häufig als Salzkristalle, aus der flüssigen Fraktion abgeschieden. »Durch Modellierungen und anschließende verifizierende Untersuchungen im Labor habe ich herausgefunden, dass sich KMP optimal bei einem sehr hohen pH-Wert, der weit im alkalischen Bereich liegt, fällen lässt«, erläutert Frank. Da die Konzentration von Magnesium in der Gülle niedriger ist als die von Kalium und Phosphor, muss es für eine optimale Fällung des KMP-Salzes, bei der nahezu alles Phosphor entfernt wird, zudosiert werden. Ob chemisch über eine Lösung oder elektrochemisch über eine Opferelektrode, spielte dabei, wie Frank in seinen Experimenten zeigen konnte, keine Rolle. Allerdings führte die Fällung in der Praxis immer auch zu den unerwünschten Nebenprodukten Hydroxylapatit, ein Calciumphosphat, und Magnesium-Ammonium-Phosphat. »Die kinetische Betrachtung der Fällung zeigte, dass sich KMP schneller bildet als Magnesium-Ammonium-Phosphat. Für eine optimierte Fällung waren demnach kurze Reaktionszeiten vorzuziehen«, führt Frank aus. Um die Bildung von Hydroxylapatit zu vermeiden, setzte der Doktorand Zitronensäure zu. Die Säure komplexierte das Calcium, sodass mehr Phosphor für eine KMP-Fällung zur Verfügung stand und insgesamt die Ausbeute an KMP erhöht werden konnte.

Transfer in die Praxis

»Die Dissertation lieferte wichtige Grundlagen, auf denen Frank heute als Wissenschaftler am Fraunhofer IGB in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt eine Pilotanlage für einen kontinuierlichen Fällungsprozess für KMP entwickelt«, beschreibt Professor Thomas Hirth, der das IGVP und das Fraunhofer IGB in Personalunion leitet. Die Anlage wird derzeit bei einem Industriepartner getestet. Im Anschluss an diese Arbeiten soll eine geeignete Ausbringungsform für die landwirtschaftliche Nutzung des Materials entwickelt werden.