Ziel der Entwicklung
Altholz der Kategorie A IV fällt in relevanten Mengen im Recycling an, wird jedoch aufgrund von Grenzwertüberschreitungen (insbesondere durch anorganische Holzschutzmittel wie chrom- und kupferhaltige Imprägnierungen) nach Stand der Technik ausschließlich der thermischen Verwertung zugeführt. Damit gehen potenziell nutzbare lignocellulosebasierte Rohstoffe für die Holzwerkstoffindustrie verloren, während zugleich steigende Entsorgungs- und Rohstoffkosten sowie der regulatorische Druck zur Erhöhung stofflicher Verwertungsquoten den Bedarf an alternativen Verwertungswegen verstärken. Aus dem Austausch mit Akteuren der Altholzaufbereitung und potenziellen Abnehmern (Holzwerkstoffhersteller, Recyclingunternehmen) ergab sich daher der Impuls, eine technologisch robuste Vorstufe zu entwickeln, die A IV-Sortimente gezielt dekontaminiert und dadurch eine (Re-)Klassifizierung in eine stofflich verwertbare Rohstoffkategorie ermöglicht.
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung und verfahrenstechnische Bewertung einer integrierten Prozesskette zur Dekontamination schwermetallbelasteter A IV-Althölzer als Vorstufe für eine stoffliche Nutzung. Im Mittelpunkt stand die Fragestellung, ob sich durch die Kombination aus chemischer Vorbehandlung (komplexierend, z. B. EDTA, sowie oxidativ, z. B. H₂O₂) und hydrothermischem Aufschluss mittels Steam-Explosion (Steamex) die für die Einstufung als A IV maßgeblichen Metallbelastungen im Faserstoff signifikant reduzieren lassen. Damit verbunden war die Zielstellung, das Verfahren produktorientiert so zu optimieren, dass ein definierter Faserstoff entsteht, der perspektivisch in Holzwerkstoffanwendungen eingesetzt werden kann und dessen Qualität über eine belastbare Methodik zur Rohstoffcharakterisierung, Prozessführung und Neubewertung nachweisbar ist (u. a. RFA-Screening und ICP-OES-Quantifizierung).
Ein zweites, gleichrangiges Entwicklungsziel war die systemische Beherrschung der Prozesswässer: Die aus dem Holz abgetrennten Inhaltsstoffe sollen nicht lediglich in die wässrige Phase verlagert werden, sondern in einer nachgeschalteten Aufbereitung (pH-gesteuerte Fällung, Filtration, ggf. Flotation) als metallhaltige Feststofffraktionen konzentriert und damit einer geregelten Entsorgung bzw. einer stofflichen Rückführung zugeführt werden. Dadurch sollte eine technische Grundlage geschaffen werden, um Entsorgungsaufwände zu senken, Kreislaufwasserführung perspektivisch zu ermöglichen und die Verwertungsroute insgesamt ökologisch wie ökonomisch gegenüber der alleinigen Verbrennung aufzuwerten.
Vorteile und Lösungen
Der Lösungsansatz basiert auf einer gekoppelten Prozesskette aus Rohstoffcharakterisierung, chemischer Vorbehandlung, hydrothermaler Prozessintensivierung mittels Steam-Explosion (Steamex) und nachgeschalteter Prozesswasserbehandlung. Ausgangspunkt ist die hohe Heterogenität von Altholz der Kategorie A IV. Um trotzdem reproduzierbare Prozessfenster ableiten zu können, wurde eine praxistaugliche Eingangskontrolle aufgebaut: schnelle Vorsortierung per tragbarer RFA (Screening) und belastbare Quantifizierung der relevanten Elemente (u. a. Cr, Cu) via ICP-OES. Damit können definierte Sortimente gebildet und Prozesse zielgerichtet bewertet werden.
Für die Dekontamination wurde das Material vor dem Aufschluss mit ausgewählten Additiven (Komplexbildner) imprägniert. Komplexbildner (z. B. EDTA, Phosphonate) dienen dazu, Schwermetallionen zu mobilisieren, also aus Bindungszuständen im Holz in eine lösliche Form zu überführen. Im Technikumsmaßstab wurde dieses Prinzip mit dem Steamex-Aufschluss kombiniert. Der zentrale Vorteil gegenüber rein nasschemischen Auslaugungsverfahren liegt in der Prozessintensivierung: kurze Prozesszeiten bei erhöhter Temperatur/Druck, Aufschluss zu hochoberflächigen Faserfraktionen und damit verbesserte Stoffübertragung. Der Wettbewerbsvorteil entsteht damit weniger durch „Chemie allein“, sondern durch die Kombination aus Aufschlussintensivierung, definierter Additivierung und nachgeschalteter Wasser- bzw. Wertstoffaufbereitung.
Als belastbares Betriebsfenster wurde ein milderes Druckregime identifiziert, das in Kombination mit erhöhter Komplexbildnerkonzentration deutlich verbesserte Dekontaminationsraten zeigte. Für dieses Sortiment wurde gezeigt, dass die Kombination aus 0,066 M EDTA-Imprägnierung und Steamex (30 min, 3 bar) bereits zu einer sehr hohen Cu-Reduktion führt (bis zu 91 %).
Zur weiteren Steigerung der Gesamtwirkung wurde eine zweistufige Route geprüft: nach dem Steamex-Aufschluss erfolgte eine Nachbehandlung mit 10 %iger H₂O₂-Lösung (50 °C, 6 h). Diese Stufe erhöhte die Gesamtmobilisierung insbesondere für Cu (bis ca. 98 %) und senkte den Cu-Gehalt im Faserstoff in der geprüften Variante bis auf 43 mg/kg. Damit wird für Cu eine Annäherung an regulatorische Zielwerte plausibel und es eröffnet sich ein realistischer Pfad zur stofflichen Nutzung für Cu-limitierte Teilströme.
Parallel zur Faserstoffroute wurde die Aufreinigung der Prozesswässer als eigenständiger Nutzenbaustein adressiert (Wertstoffpfad). Ziel ist es, Metallfrachten aus Prozess- und Waschwässern in Feststofffraktionen zu konzentrieren, um Entsorgungsaufwände zu reduzieren und perspektivisch Kreislaufführung zu ermöglichen. Nachgewiesen wurden pH-Wert-gesteuerte Fällung/Filtration sowie Flotation (Proof-of-Concept), wobei deutliche Systemunterschiede zwischen EDTA- und Phosphonat-Regimen sichtbar wurden. Bei ATMP-basierten Prozesswässern gelang die Fällung sehr gut (bis 98 % Cr und 97 % Cu als Niederschlag), während bei EDTA-basierten Aufschlüssen die Dekontamination im Faserstoffpfad deutlich besser ist, die Metallabtrennung aus dem Prozesswasser jedoch anspruchsvoller bleibt (im Projekt über Schaumbildung/Flotation insgesamt 33 % Cr und 35,5 % Cu aus dem Prozesswasser abgetrennt).
In Summe zeigt die entwickelte Lösung folgende Logik: Steamex erhöht die Reaktions- und Stofftransportgeschwindigkeit, Additive verschieben die Metallbindung in Richtung löslicher/abtrennbarer Spezies, und die Wasseraufbereitung koppelt Faser- und Wertstoffpfad. Grenzen wurden ebenfalls transparent aufgezeigt: Chrom bleibt im Vergleich zu Kupfer deutlich stärker fixiert und erfordert mittel- bis langfristig eine zusätzliche Cr-Strategie (z. B. Rohstoffselektion, alternative Chemie / Prozessführung), um eine robuste regulatorische Freigabefähigkeit zu erreichen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Projektergebnisse adressieren entlang der Prozesskette sowohl Anwender (Endkunden) als auch Transferakteure, die die Umsetzung in den industriellen Maßstab (Engineering, Anlagenbau, Betrieb) realisieren. Im Zielmarkt steht belastetes Altholz der Kategorie A IV im Fokus, das heute ausschließlich thermisch verwertet wird und für eine stoffliche Nutzung noch nicht zulässig ist.
Zielgruppen und Endkundenmarkt (Anwender):
Holzwerkstoffindustrie (MDF/Spanplatten)
Ziel ist die Bereitstellung eines Sekundärfaserstoffs bzw. Sekundärspanes als (zunächst begrenzte) Substitution von Frischholzfasern/-spänen. Der Nutzen liegt in der Erschließung zusätzlicher Rohstofffenster, der perspektivischen Entkopplung von Frischholzverfügbarkeiten sowie der Möglichkeit, definierte A-IV-Teilstoffströme nach Dekontamination in die werkstoffliche Nutzung zu überführen. Die Projektergebnisse zeigen für Kupfer eine hohe Mobilisierbarkeit (z. B. durch 0,066 M EDTA-Imprägnierung und Steamex-Aufschluss), wodurch eine Annäherung an regulatorische Zielwerte für Cu plausibel wird; für Chrom wurden zugleich klare Grenzen der untersuchten Route aufgezeigt, sodass die stoffliche Nutzung kurz- bis mittelfristig insbesondere dort realistisch ist, wo Cu-limitierte und/oder Cr-arme Teilströme adressiert werden können.
Papier-/Verpackungsanwendungen (nachrangig)
Eine Nutzung in Papier-/Verpackungsanwendungen ist perspektivisch nur für definierte, niedrig kontaminierte Faserfraktionen denkbar, da Anforderungen an Helligkeit, Aschegehalt und Kontaminanten eng sind. Gleichwohl liefern die im Projekt adaptierten Sequenzen (EDTA/H₂O₂) Ansatzpunkte, die in Folgearbeiten hinsichtlich Cr-Mobilisierung und Faserqualität zu konsolidieren sind.
Metallrecycling- und Entsorgungsunternehmen
Für den Wertstoffpfad sind metallhaltige Niederschläge/Feststofffraktionen (z. B. Hydroxide/Sulfide) als Sekundärrohstoffe relevant, die in bestehende Metallrückgewinnungsketten überführt werden können.
Betreiber von Altholzaufbereitungsanlagen sowie Chemie-/Prozessdienstleister
Betreiber können die Wasseraufbereitung als Bestandteil einer Gesamtanlage integrieren, um die stoffliche Nutzung abzusichern. Chemie-/Prozessdienstleister sind als Partner für Aufarbeitung und ggf. Rückgewinnung/Regeneration von Prozesschemikalien (Komplexbildnerkreisläufe) relevant, sofern Prozessstabilität und Kreislaufführung belastbar nachgewiesen werden.
Transfer in Anwenderunternehmen (Transferunternehmen/Multiplikatoren)
Die Umsetzung in den industriellen Maßstab erfolgt typischerweise über Transferakteure. Relevante Transferunternehmen sind Anlagen- und Apparatebau (Steamex-Komponenten, Waschtechnik, Filtration/Flotation, Abwassertechnik), Umwelttechnik- und Recyclinganlagenbetreiber (Stoffstromführung, Genehmigungsmanagement), Analytik- und Prüfdienstleister (RFA/ICP-OES, Qualitätskontrolle, Nachweisführung) sowie Engineering-Dienstleister für Kreislaufwasser- und Chemikalienmanagement (Fouling-, Salz-/Extraktstoffmanagement, Prozessführung). Die im Projekt aufgebaute Kooperation zur Flotation (UVR-FIA GmbH) ist exemplarisch für eine Transferkette mit spezialisierter verfahrenstechnischer Kompetenz für Teilprozesse.
Transfer- und Vermarktungslogik
Die Transferstrategie folgt der Logik einer schrittweisen Industrialisierung der Prozesskette: kurzfristig über standardisierte Dienstleistungs- und Transferangebote (Analytikpakete, Screeningstudien, Prozessberatung), mittelfristig über Pilotierung mit Anlagenbau-/Umwelttechnikpartnern (insbesondere robuste Prozesswasseraufbereitung, Kreislaufführung, Skalierung der Trenntechnik, belastbare Kosten- und Massenbilanzen) und langfristig über Vermarktung/Implementierung (Lizenzierung/Engineeringpakete, Joint-Development mit Endkunden zur Rohstoffspezifikation und Freigabe, “closed loop”-Konzept für metallhaltige Reststoffe und Prozesswässer).
Erwartete wirtschaftliche Effekte für die FuE-Einrichtung (IHD)
Aus den Ergebnissen ergibt sich eine Erweiterung des Dienstleistungsportfolios im Bereich Altholzcharakterisierung und Prozessbegleitung (RFA/ICP-gestützte Bewertung; Methodik zur Neubewertung von Faserstoffchargen). Zusätzlich steigt die Attraktivität als FuE-Partner für Umwelttechnik, Anlagenbau und Holzwerkstoffindustrie durch nachgewiesene Prozessbausteine (Steamex mit Additivierung, Aufreinigung der Prozesswässer, Stoffstrombilanzierung) sowie eine hohe Anschlussfähigkeit für Folgeprojekte (u. a. Cr-Strategie, Kreislaufwasserstabilität/Fouling, skalierbare Wertstoffrückgewinnung und Chemikalienkreisläufe).
