Elementanalyse per ICP-OES Klärschlämme auf Phosphor und andere Elemente analysieren

Die Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm ist in wenigen Jahren in Deutschland Gesetz. Das ICP-OES-Gerät Plasmaquant 9100 von Analytik Jena bestimmt in einem Messvorgang die enthaltenen Nährstoffe und kritischen Elemente, laut Herstellerangaben ohne aufwändige Probenvorbereitung.

Phosphor und Phosphorverbindungen sind essenzielle Bausteine allen Lebens und wichtige Grundstoffe für Düngemittel. Bevölkerungszunahme und die Neuerschließung von Agrarflächen in vielen Regionen haben den Düngemittelverbrauch weltweit ansteigen lassen. „Die Entwicklung führt dazu, dass neben den regional begrenzten Phosphor-Lagerstätten auch Klärschlämme eine immer wichtigere Rolle als Phosphorquellen spielen“, sagt Bernd Bletzinger, Teamleiter für das Industrie-Team Umwelt bei Analytik Jena.

Betreiber brauchen eine belastbare Datengrundlage, um die Elementanteile im Schlamm zu identifizieren und sein Potenzial für eine Wiederaufbereitung zu bewerten. Analytik Jena bietet nach eigenen Angaben mit dem Plasmaquant 9100 dafür das geeignete Messgerät. Damit ist die Bestimmung der enthaltenen Elemente sehr präzise und mit relativ geringem Zeitaufwand möglich.

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Kommende Rechtsvorgaben erfüllen

Auch rechtlich gesehen ist die Phosphor-Rückgewinnung ein Thema. Von der Europäischen Kommission als kritischer Rohstoff eingestuft, sieht die deutsche Klärschlammverordnung (AbfKlärV) ab Januar 2029 die Rückgewinnung verbindlich vor. Kläranlagenbetreiber müssen – in Abhängigkeit von der Größe ihres Eintragsgebiets – stufenweise zur Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlamm oder dessen Verbrennungsasche übergehen, sofern der Phosphoranteil über zwei Prozent liegt.

Klärschlämme enthalten jedoch auch Schwermetalle und andere Schadstoffe, die nicht in die Umwelt gelangen dürfen. Zudem hat man es beim Klärschlamm mit Hochmatrix-Proben zu tun. Diese enthalten eine sehr große Bandbreite an Elementen in sehr unterschiedlicher Konzentration sowie hohe Anteile an Salzverbindungen. Für die Messung im Hochdurchsatz stellt dies eine Herausforderung dar.

Optische Emissionsspektrometrie

Das Plasmaquant 9100 nutzt das Prinzip der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES). Dabei werden die Proben über einer 5.000 bis 10.000 Kelvin heißen Argon-Plasmaflamme atomisiert, angeregt und dann ionisiert. Ein Spektrometer misst die emittierte elektromagnetische Strahlung. Die resultierenden Signalintensitäten geben Aufschluss über die Konzentration der enthaltenen Elemente. Die Anwendung wird in den EPA-Methoden 3050B und 6010C sowie in den Normen DIN EN 16174:2012-11 und ISO 11885:2007 beschrieben.

Eine hohe Messempfindlichkeit ist vor allem für die kritischen Elemente (z. B. Cadmium, Quecksilber und Thallium) bei dieser Anwendung relevant, da für deren Eintrag in die Umwelt strenge Grenzwerte gelten. Das Dualview-Plus-Feature des Plasmaquants 9100 erweitert den linear-dynamischen Bereich und vereinfacht die Multielementanalyse erheblich, indem es durch unterschiedliche Plasmabeobachtungs-Modi das gesamte Element-Screening gleichzeitig in einem Messdurchlauf ermöglicht, und dies bei bestmöglicher Nachweisstärke für kritische Elemente. Der gesamte Analyseprozess wird schneller, zuverlässiger und wirtschaftlicher, heißt es in einer Pressemeldung. Da sich das Plasmaquant 9100 durch ein sehr stabiles Plasma auszeichnet, sind die matrixreichen Proben auch bei hohem Durchsatz langzeitstabil messbar. Auch ein Verdünnen der Probe entfällt.

„Anhand der erhaltenen Ergebnisse können Kläranlagenbetreiber die richtige Entscheidung treffen, wie mit den Klärschlämmen verfahren wird und sowohl gesetzeskonform als auch wirtschaftlich handeln“, erklärt Analytik-Experte Bletzinger. Die Rückgewinnung könne mitunter auch bei geringeren Phosphor-Anteilen interessant sein, vor allem, wenn weitere wertvolle Mineralien wie Natrium oder Kalium enthalten seien.

Die Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm ist ein wichtiger Schritt in die Richtung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Die lokale Rückgewinnung schafft mehr Unabhängigkeit von den wenigen weltweiten Lagerstätten und den globalen Lieferketten. Dies ist nicht nur umweltfreundlich, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur Versorgungssicherheit.

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