DE10120433C1 - Verfahren zur Herstellung von Dauerhumusstoffen - Google Patents

Abstract

Es gibt Böden, in denen aus den unterschiedlichsten Gründen kein oder zu wenig Dauerhumus vorhanden ist. Das neue Verfahren ermöglicht die Herstellung eines künstlichen Dauerhumus unter Verwendung von Naturrohstoffen durch hydromechanische Rohstoffveredlung ohne Verluste durch Rohstoffumwandlung sowie ohne Anfall von Nebenprodukten und das Auftreten von Emissionen. DOLLAR A Der Dauerhumus wird erzeugt, indem aus Tonmineralien in Form von Tonen und/oder Lehmen sowie aus jungtertiärer Weichbraunkohle im optimalen Masseverhältnis von 30 : 70 bis 70 : 30, vorzugsweise 50 : 50, durch intensive und länger mit möglichst vielen Beanspruchungsarten auf die Rohstoffe einwirkende Nassaufschlussmahlung durch partielles Auflösen, durch Aufquellen und kolloide Dispergierung ein Mahlgut hergestellt wird, aus dem während der aktivierend wirkenden Mahlung durch Reaktionen zwischen den aufgeschlossenen Ton- und Kohlebestandteilen ein durch Neben- und Hauptvalenzbindungen fixiertes Assoziationsprodukt mit einem enorm hohen Potential an Bindungspotentialen für die Ad- und Chemiesorption von Nährstoffen und Spurenelementen in Form von Anionen, Kationen oder Komplexverbindungen, von Wasser und Schadstoffen sowie günstige Ansiedlungsbedingungen für Mikroorganismen entsteht. DOLLAR A Der Dauerhumusstoff eignet sich zur Bodenverbesserung und damit zur Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit.

Description

Eine wichtige Voraussetzung für eine hohe Fruchtbarkeit von Böden ist ein hoher Gehalt an Dauerhumusstoffen. Der Dauerhumus wird in den Böden ständig langsam abgebaut sowie durch vielschichtige Zersetzungsprozesse von Biomasse immer neu nachgebildet. Die Böden sind dann besonders fruchtbar, wenn sich zwischen dem Abbau und der Neubildung von Dauerhumusstoffen ein Gleichgewicht mit einem hohen konstanten Gehalt an Dauerhumus einstellt bzw. sogar die Neubildung überwiegt, wie es z. B. bei einigen Schwarzerdeböden der Fall ist.

Der Dauerhumus entsteht beim Abbau von Biomasse (Stroh, Wurzeln, Gräser, Gründünger, Dung u. a. m.) im Boden durch Mikroorganismen. Bei diesem Umwandlungsprozess werden zunächst in einem Zeitraum von wenigen Monaten bis etwa 2 Jahren die schnell abbaubaren Bestandteile der Biomasse, wie z. B. Zucker, Eiweiße, Stärken, Hemizellulosen, Zellulosen u. a. m. abgebaut. Die genannten Produkte sind die Basisnahrung für die enorm vielstufige Nahrungskette der Bodenorganismen. In dieser Nahrungskette entstehen zuletzt mineralisierte Endprodukte, die wieder für die Pflanzen die erforderlichen Nährstoffe sind und als Nährhumus bezeichnet werden. Die Nährhumusstoffe fungieren für die Pflanzen vorrangig als Düngestoffe.

Die in den Boden eingetragene Biomasse enthält auch geringe Anteile an Lignin und sonstige schwerabbaubare Stoffe wie Harze, Wachse, Gerbstoffe, Kristalline, Zellulose u. a. m. Diese Stoffe und insbesondere das Lignin werden in Abhängigkeit von den Klimabedingungen über einen längeren Zeitraum von häufig mehr als 15 bis 30 Jahren durch einen vielstufigen Abbauprozess sukzessiv umgewandelt und schließlich ebenfalls mineralisiert. Die Zwischenprodukte dieses Abbau- und Umwandlungsprozesses sind sehr bindungsaktiv. Das ist u. a. auch deshalb der Fall, weil beim Abbauprozess auch Karboxylgruppen gebildet werden und so hochmolekulare Huminsäuren und Humine mit einer komplizierten Struktur aus aromatischen und aliphatialen Bausteinen entstehen. Diese Abbauprodukte haben ein hohes Potential an Neben- und Hauptvalenzkräften. Das befähigt sie zur Ausbildung von Mischverbindungen, z. B. mit Ton- und Lehmmaterialien. Mit dieser Assoziation von hauptsächlich Ligninumwandlungsprodukten (Humine, Huminsäuren) mit Tonmineralien entsteht der für einen fruchtbaren Boden unerlässliche Dauerhumus (Fig. 1). Es handelt sich um einen nur temporär bestehenden Assoziationsverbund auf der Basis von Neben- und Hauptvalenzbindungen. Beide Hauptkomponenten des Dauerhumus, nämlich die Ligninumwandlungsprodukte und die Tonmineralien besitzen auch nach der Ausbildung des Assoziationsverbundes durch ihre enorm hohe Anzahl an polarisierten Gruppen, wie z. B. Hydroxyl-, Carbonyl-, Carbonyl- Chinoncarbonyl- und Karboxylgruppen sowie die polarisierten Teilbereiche in der aromatischen, aliphatischen und mineralischen Molekülstruktur ein sehr hohes Bindungspotential, z. B. für Wasser, Kationen und Anionen. Die Bindung erfolgt durch Ad- und Chemisorption. Der Dauerhumus ist also in diesem Zustand kein Düngestoff, sondern vordergründig ein Speicherstoff für Nährstoffe und Spurenelemente. Außerdem fixiert er Schadstoffe. Er bindet zudem Wasser durch Adsorption und fungiert als Ansiedlungsstandort für Mikroorganismen.

Der Nährhumus kann zu einem großen Teil durch Mineraldüngestoffe ersetzt werden. Die Aufgaben des Dauerhumus können nur von den beschriebenen Verbundassoziaten aus Ton und den Ligninumwandlungsprodukten übernommen werden. Für die Bildung von Dauerhumus ist deshalb die Zufuhr von organischen Düngestoffen mit Lignin sowie den anderen schwer abbaubaren Stoffen in den Boden unerlässlich notwendig. Hohe Erträge sind deshalb langfristig nur auf der Basis einer optimalen Versorgung der Böden mit mineralischen und mit dauerhumusbildenden organischen Düngestoffen möglich.

Es gibt viele Regionen in der Welt, in denen die Böden keinen oder zu wenig Dauerhumus haben. Dafür gibt es viele Gründe. Die wichtigsten sind z. B. ein klimabedingter zu schneller Abbau des Dauerhumus im Boden, fehlende oder unzureichende Zufuhr organischer Düngestoffe, Erosionen, schlechte physikalische, chemische und/oder mikrobiologische Bedingungen für den Abbau organischer Stoffe zu Dauerhumus z. B. als Folge von Kargheit, Verkarstung, Versalzung, Umweltbelastung, Trockenheit, Mangel an Stickstoff und Phosphor sowie das Fehlen von Tonmineralien für die Fixierung der entstehenden Ligninabbauprodukte. Es gibt deshalb auch Böden, bei denen trotz Zufuhr von organischen Düngestoffen kein oder zu wenig Dauerhumus gebildet werden kann, weil die dafür erforderlichen Mikroorganismen nicht da sind oder aus unterschiedlichen Gründen die Biomasse nicht zersetzen können. Andere Böden könnten noch fruchtbarer werden, wenn der Anteil des Dauerhumus im Boden ansteigen würde.

In einer Reihe von Patenten und Veröffentlichungen wird vorgeschlagen, Braunkohle als Bodenverbesserungsmittel, Humusbildner oder Düngestoff einzusetzen. Die Herstellung eines Produktes mit der beschriebenen Qualität eines Dauerhumus­ stoffes, gekennzeichnet durch den typischen Assoziationsverbund zwischen organischer Substanz und Tonmineralien, ist jedoch an keiner Stelle beschrieben. Im US-Patent 1,196,889 zum Beispiel wird die Braunkohle gemahlen, mit einer Salzlösung getränkt, zur Imprägnierung mit der Salzlösung erwärmt und anschlie­ ßend mit Tonpulver vermischt. Es entsteht eine Mischung, die nach einer gewissen Stehzeit (Alterung) als Düngemittel verwendet wird. Unter den hier genannten ein­ fachen Mischbedingungen kann der geforderte stabile Assoziationsverbund von organischer Substanz und Tonmineralien nicht entstehen. Ein weiterer Nachteil dieses Produktes ist sein Chemiekaliengehalt infolge der Salzimprägnierung.

Des Weiteren wird in der österreichischen Patentschrift Nr. 153479 vorgeschlagen, Humussubstanzen aus huminsäurehaltigen Ausgangsstoffen, wie z. B. Torf, durch chemische Modifikation zu erzeugen. Die Ausgangsstoffe werden in Reaktoren oder Autoklaven mit Ammoniak aufgeschlossen, und mit Kieselsäure und Tonerde entstehen, die als Ionenaustauscher fungieren können. Das Produkt entspricht nicht den oben erläuterten Assoziationsverbund von rein organischer Substanz und Tonmineralien, sondern ist eine durch gezielte chemische Reaktion mit hohem reaktionstechnischen Aufwand und Nebenprodukten erzeugte synthetische Substanz. Das Gesagte gilt auch für das in der deutschen Patentschrift Nr. 909 104 vorgeschlagene Produkt. Es entsteht durch alkalisches Lösen von Huminsäure aus z. B. Braunkohle und Umsetzen der gelösten Substanz mit Kalkstickstoff zu einer festen wasserunlöslichen synthetischen Humuskomplexverbindung.

Das Ziel der Erfindung ist deshalb die Herstellung eines Produktes, dass als Dauerhumus wirksam wird und bei der Vermischung mit den Böden alle Funktionen von natürlich entstandenen Dauerhumus erfüllt. Es soll ökonomisch herstellbar sein, in den erforderlichen großen Mengen produziert werden können und möglichst lange ohne negative Nebenwirkungen im Boden wirksam sein. Es soll die natürliche Bildung von Dauerhumus ergänzen und begünstigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Herstellung eines künstlichen Dauerhumus mit einer in Fig. 1 skizzierten Grundstruktur unter Verwendung von Naturrohstoffen sowie ohne Rohstoffverluste durch Rohstoffumwandlung und ohne Anfall von Nebenprodukten oder das Auftreten von Emissionen gelöst.

Für die Herstellung des Dauerhumus wird ein Rohstoff ausgewählt, der ebenfalls hauptsächlich aus dem Lignin, Wachsen, Harzen, Gerbstoffen von früheren Pflanzen durch biochemische Umwandlungsprozesse entstanden ist und eine ähnliche makromolekulare Struktur mit aromatischen und aliphatischen Bausteinen sowie einer enorm hohen Anzahl an funktionellen Gruppen, insbesondere auch Karboxylgrupppen und polarisierten Strukturen hat, wie sie in Böden als Dauerhumuskomponente entstehen. Diese Anforderungen erfüllen jungtertiäre Weichbraunkohlen mit Sättigungswassergehalten von etwa 40 bis 65%. Die Weichbraunkohle besteht dominierend aus Huminen und Huminsäuren mit einer ähnlichen Struktur wie die in Fig. 1 an die Tonmineralien angebundenen organischen Substanzen.

Der für die Bildung von Dauerhumus unerlässlich notwendige Assoziationsverbund zwischen den organischen Substanzen und den Tonmineralien auf der Basis von Neben- und Hauptvalenzbindungen in makromolekularer Verteilungsdichte ist aber nicht erreichbar, wenn feinkörnige Kohle und feinkörniger Ton bzw. Lehm vermischt werden. Unter den gegebenen Bedingungen entsteht nur ein Mischgut in vergleichsweise zu grober Partikelverteilung, aber kein homogener und durch Bindekräfte stabilisierter Assoziationsverbund. Das liegt darin begründet, dass die Bindekräfte bei beiden Rohstoffen durch die lange Lagerung in der Lagerstätte sowie die Einwirkung von Druck und Wasser "in sich selbst" abgesättigt sind und wegen ihrer inneren Festigkeit trotz hoher mechanischer Beanspruchung eine körnige Masse bleiben.

Die Herstellung eines Produktes mit dem Dauerhumus äquivalenten Eigenschaften wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, dass jungtertiäre Weichbraunkohle und Ton und/oder Lehm im richtigen Masseverhältnis durch eine gemeinsame, sehr intensive und länger einwirkende Nassaufschlussmahlung in der erforderlichen makromolekularen Verteilung und mit der bindungsmäßigen Stabilität verbunden werden. Das Wasser fungiert durch seine partielle Löse- und seine Quellwirkung als Dispergiermittel und zugleich als Reaktionsvermittler. Die Nassaufschlussmahlung ist ein Zeitprozess, dessen Dauer von vielen Faktoren abhängig ist. Das erwartete Ergebnis wird aber nur dann erreicht, wenn die mechanische Beanspruchung sehr intensiv ist sowie gleichzeitig unterschiedliche Beanspruchungsarten wie Druck-, Schlag-, Zug- und Scherbeanspruchung auf das Gut ausreichend lange einwirken, damit alle Partikelstrukturen mit unterschiedlichen Zerkleinerungseigenschaften schnell aufgelöst, aufgequollen oder möglichst kolloidal dispergiert werden. Der Wasseranteil muss mindestens so groß sein, dass während der Zerkleinerung wenigstens eine dick fließfähige Substanz entsteht. Eine Erwärmung vor, während oder nach der Zerkleinerung ist nicht notwendig, aber für die Homogenisierung und für die Reaktion zwischen organischen und anorganischen Substanzen förderlich. Die Mahldauer ist von der Beanspruchungsintensität und der Mühlenart abhängig und muss mindestens 1 Minute und vorzugsweise 3 bis 10 Minuten betragen.

Für die Nassaufschlussmahlung sind alle Mühlentypen geeignet, die eine Nassaufschlussmahlung ermöglichen, bei denen die Beanspruchung intensiv und länger anhaltend gestaltet werden kann und bei denen das Mahlgut durch unterschiedliche Beanspruchungsarten gleichzeitig zerkleinert wird. Geeignet sind z. B. Schwingmühlen, Doppelschneckenextruder bzw. Doppelschneckenzerfaserer, Wälzschüssel- bzw. Kollergangmühlen, Kolloidmühlen mit einem inneren Mahlgutkreislauf(-rückfluss).

Von entscheidender Bedeutung ist zudem das Masseverhältnis von jungtertiärer Weichbraunkohle und Tonmineralien. Das Masseverhältnis von Tonmineralien im festen Rohzustand und Rohbraunkohle mit Sättigungswassergehalt beträgt für die Herstellung eines hochwertigen Produktes mit den Eigenschaften eines Dauerhumus vorzugsweise 50 : 50 und kann in vielen Anwendungsfällen in den Grenzen von Ton : Rohbraunkohle von maximal 30 : 70 bis 70 : 30 variieren.

Das Produkt wird wahlweise im feuchten Zustand und vorzugsweise im erdfeuchten krümligen Zustand oder getrocknet mit dem aufzuwertenden Böden vermischt. Es ist aber auch allein ohne Vermischung mit anderen Böden eine hochwertige Bodensubstanz.

Der Zusatz von Nährstoffen bei der Nassaufschlussmahlung ist nicht notwendig und erfindungsrelevant, aber möglich. Auf diese Weise kann ein Dauerhumusstoff mit dem von der Art der Pflanzen abhängigen Grundbestückung mit den optimalen Anteilen an Nährstoffen und/oder Spurenelementen hergestellt werden. Auch der Zusatz von Stoffen zur langfristigen Einstellung des optimalen pH-Wertes ist möglich. Analoges gilt für organische Hilfsstoffe und Mikroorganismen. Durch den Einsatz von jungtertiärer Weichbraunkohle entsteht ein Dauerhumus, der besonders lange im Boden wirksam bleibt, weil die Braunkohle vergleichsweise nur sehr langsam abgebaut wird.

Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Beispielen näher erläutert werden:

Beipiel 1

55% einer jungtertiären koniferen Weichbraunkohle aus dem Lausitzer Förderrevier wird als Rohfeinkohle mit einem Wassergehalt von 58% und einer Körnung von 0 bis 6 mm mit 45% feinkörnigem Rohton mit einem Wassergehalt von 22% ver­ mischt. Das Rohkohle-Ton-Gemisch wird danach mit Wasser versetzt. Das Mühlen­ aufgabegut besteht aus 50% des Rohkohle-Ton-Gemisches und 50% Wasser. Das Mühlenaufgabegut wird in einer Rohrschwingmühle zerkleinert, deren Mahlraum zu 55% mit 15 mm-Stahlkegeln gefüllt ist. Die Durchlaufdauer des Mahlgutes durch die Mühle beträgt 6 Minuten. Das fließfähige Mahlgut zeichnet sich durch eine hohe Feuchtigkeit aus. Mehr als 85% der Feststoffpartikel im Mahlgut haben eine Parti­ kelgröße von kleiner/gleich 0,2 mm und 45% der Partikel haben eine Korngröße von kleiner/gleich 0,02 mm. Zwischen Weichbraunkohle und Tonmineralien sind Parti­ kelassoziate entstanden.

Das fließfähige Mahlgut wird direkt z. B. mit den sandreichen oder kalkreichen Böden durch Versprühen vermischt. Zur Verbesserung der Handhabungseigenschaften kann das fließfähige Mahlgut durch Zusatz von spänigen oder fasrigen Stoffen z. B. aus Asche, Braunkohlenxylit oder Holz in eine körnige Substanz überführt werden.

Beispiel 2

50% einer jungtertiären koniferen Weichbraunkohle aus dem Lausitzer Förderrevier wird als Rohfeinkohle mit einem Wassergehalt von 58% und einer Körnung von 0 bis 6 mm mit 50% Lehm mit einem Wassergehalt von 17% vermischt. Das Rohkohle-Lehm-Gemisch wird danach mit Wasser versetzt. Das Mischgut besteht aus 80% des Rohkohle-Lehm-Gemisches und 20% Wasser. Das befeuchtete Mischgut wird mit einem Doppelschneckenextruder intensiv gemischt und zerkleinert. Durch die starke Scher- und Druckbeanspruchung erwärmt sich das Mahlgut im Doppelschneckenextruder ohne gesonderte Wärmezufuhr auf 75°C. Die Durchlaufzeit des Mahlgutes durch den Doppelschneckenextruder beträgt 90 Sekunden. Im Zerkleinerungsraum wird das Mahlgut durch hohe Druck- und Scherbeanspruchung zerkleinert und durchknetet. Im Doppelschneckenextruder besteht ein hydrostatischer Überdruck von 1,5 bar. 85% der Feststoffpartikel haben im Mahlgut eine Korngröße von kleiner/gleich 0,25 mm. Weichbraunkohle und Tonmineralien sind nicht mehr getrennt erkennbar.

Das dickpastöse Mahlgut wird direkt mit den Böden vermischt oder vorzugsweise zuvor mit spänigen oder fasrigen Stoffen z. B. aus Asche, Holz oder Braunkohlen­ xylit in ein krümliges Gut mit verbesserten Handhabungseigenschaften überführt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stoffes mit Dauerhumuseigenschaften für das Pflanzenwachstum aus Weichbraunkohle und Tonmineralien, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jungtertiäre Weichbraunkohle mit Tonen und/oder Lehmen im Masseverhältnis von 30 : 70 bis 70 : 30 durch eine Nassaufschlussmahlung intensiv gemischt und kolloidal dispergiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Was­ sers bei der Nassaufschlussmahlung mindestens so hoch sein muss, dass eine breiig fließfähige Masse entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mühlen mit hoher Be­ anspruchungsintensität das Mahlgut zeitlich anhaltend zerkleinern.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mühlen Schwing­ mühlen, Ein- und Doppelschneckenextruder, Doppelschneckenzerfaserer, Wälz­ mühlen oder Kollergangmühlen eingesetzt werden.

5. Verwendung des Stoffes, hergestellt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er allein oder nach Vermischen mit natürlich gewachsenen oder künstlich erzeugten Böden eingesetzt wird.

6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff in feuch­ tem Zustand oder getrocknet eingesetzt wird.