Herkunft und charakteristische Zusammensetzung
Herkunft
Allgemein
Katalysatoren besitzen die Eigenschaft, die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Herab- oder Heraufsetzung der Aktivierungsenergie, was die Kinetik chemischer Reaktionen verändert, d. h. die Reaktionen laufen schneller oder langsamer ab. Das betrifft Hin- und Rückreaktionen gleichermaßen, weshalb das Gleichgewicht der chemischen Reaktion unverändert bleibt. Eine Beschleunigung einer Reaktion wird als positive Katalyse und eine Verlangsamung einer Reaktion, der gegenteilige Prozess, als negative Katalyse (auch Inhibition) bezeichnet. Katalysatoren wirken dabei selektiv, d. h. eine bestimmte gewünschte Reaktion benötigt einen bestimmten Katalysator. Etwa 80 % aller chemischen Produktionsprozesse haben mindestens einen katalytischen Schritt.
Es wird außerdem zwischen heterogener und homogener Katalyse unterschieden. Bei der homogenen Katalyse sind die Ausgangsstoffe und der Katalysator im gleichen Aggregatzustand (am häufigsten flüssig). Hierbei werden vielfach die Übergangsmetalle verwendet.
Die enzymatische Katalyse ist ein Sonderfall der homogenen Katalyse mit bioorganischen Komplexen als Katalysatoren (Biokatalysatoren), welche z. B. Enzyme sind.
Bei der heterogenen Katalyse liegen Katalysator und die Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion in unterschiedlichen Phasen, z. B. als Gas und Feststoff, Flüssigkeit und Feststoff oder als nicht mischbare Flüssigkeiten, vor. Am häufigsten mit ca. 80 – 85% der gesamten verwendeten Katalysatoren in Deutschland werden Feststoffkatalysatoren eingesetzt. Sie bestehen entweder vollständig aus der aktiven Komponente (Vollkatalysatoren) oder die katalytisch wirksame Komponente oder auch mehreren Komponenten ist/sind auf einem Trägermaterial aufgebracht (Trägerkatalysatoren).
Die Trägermaterialien sind:
Die Katalysatoren, insbesondere feste Katalysatoren, unterliegen einem sogenannten Alterungsprozess. Dieser Prozess ist gekennzeichnet durch:
Hauptsächlich feste Katalysatoren werden je nach Art und Einsatzbereich regeneriert, wiederverwendet oder werkstofflich verwertet.
Biokatalysatoren
In der organischen Chemie und in der Pharmaindustrie werden zunehmend Biokatalysatoren (bioorganische Katalysatoren) eingesetzt. Es sind Biopolymere, die biochemische Reaktionen beschleunigen, z. B. Hefepilze, Ribonukleinsäuren oder Enzyme. Sie spielen bei sehr vielen Stoffwechselreaktionen in tierischen sowie pflanzlichen Organismen eine Rolle und werden auf diesen Kenntnissen aufbauend bei biotechnologischen Prozessen verwendet. Sie werden mit Hilfe von i. d. R. gentechnisch veränderten Mikroorganismen wie Bakterien (z. B. Bacillus) und Pilzkulturen (z. B. Aspergillus, Fusarium) hergestellt. Biokatalysatoren werden z. B. bei Wasch- und Reinigungsmitteln zur Verbesserung der Waschwirkung bei niedrigen Temperaturen oder als Ersatz für Chlorbleiche bei der Papier- und Zellstoffherstellung verwendet. Sie lassen sich bei sehr vielen Prozessen nicht mehr rückgewinnen, sondern sind in Nebenprodukten enthalten. Gebrauchte Biokatalysatoren fallen daher im Allgemeinen nicht unter die Abfalluntergruppe 1608, sondern als Inhaltsstoff von z. B. Schlämmen unter AS 190206 „Schlämme aus der physikalisch-chemischen Behandlung“.
Katalysatoren in der chemischen und petrochemischen Industrie
Katalysatoren werden industriell u. a. bei der Erdölverarbeitung, chemischen Produktionsprozessen oder Polymerisation eingesetzt. Sie werden nach der Katalysatorart in Edelmetallkatalysatoren, Nichtedelmetallkatalysatoren, Säure-Basen-Katalysatoren und Mineralsäuren unterteilt.
In der Petrochemie sind die gebräuchlichen katalytischen Prozesse:
Bei der Herstellung von Feinchemikalien haben die katalytischen Prozesse nur einen geringen Anteil, wobei vor allem Edel- und Nichtedelmetallkatalysatoren (z. B. zur Verbindung von zwei Kohlenstoffatomen mit löslichen Palladiumkatalysatoren, Rhodium-katalytische Hydroformylierung bei der Synthese von Aldehyden oder Hybrid-Katalysatoren mit Eisen und Barium, Magnesium oder Calcium) verwendet werden. Ursache für die geringe Verwendung ist die meist sehr aufwändige Abtrennung der Katalysatoren vom Lösungsmittel.
In der Polymerindustrie werden überwiegend Katalysatoren für die Herstellung von Polyolefinen als Initiatoren (Starter) eingesetzt, z. B. für die Herstellung von HDPE Ziegler-Natta-Katalysatoren (mit Titan- oder Vanadium- und Aluminiumverbindungen) oder von LDPE Metallocenkatalysatoren (mit u. a. Zirconium) oder von PUR Metallsalzkatalysatoren bzw. organischen Katalysatoren (mit Stickstoff). Die Polymerisationskatalysatoren werden in kleineren Mengen eingesetzt und verbleiben im Produkt oder in Nebenprodukten.
Für die Wasserstoffherstellung werden bei der dafür notwendigen Spaltung des Wassers in den Elektrolyse-Einheiten Katalysatoren mit z. B. Iridium oder Rhodium als aktiver Komponente auf oxidischem Trägermaterial (komplexe Verbindungen der Elemente Barium, Strontium, Cobalt, Eisen und Sauerstoff) oder Calciumtitanoxid (Perowskit) verwendet.
Phosphorsäure wird auch als flüssiger/gelartiger Katalysator bei der Synthese von Aspirin verwendet. Orthophosphorsäure wird als Elektrolyt und Katalysator in Brennstoffzellen eingesetzt.
Tabelle: Beispiele für Katalysatoren in chemischen und petrochemischen Prozessen. Diese Tabelle erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Katalysatoren aus der stationären Abgasreinigung
Katalysatoren für die Reinigung von Abgasen werden z. B. in Kraftwerken, Abfallverbrennungsanlagen oder bei der Glasherstellung mit beheizten Glaswannen eingesetzt. Die häufigsten katalytischen Anwendungen in der Abgasreinigung sind die Oxidation von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffen und anderen flüchtigen organischen Verbindungen sowie die Reduktion von Stickstoffoxiden und der Einsatz in Kombination mit der Feinstaubfiltration. Die Katalysatoren werden als Pellets oder als offenporiger Körper mit einer waben- oder plattenförmigen Struktur installiert. Die Lebensdauer des Katalysators beträgt bei Kohle- und Ölfeuerung ca. 6 bis 10 Jahre, bei Gasfeuerung mehr als 10 Jahre.
Strukturierte keramische Katalysatoren, z. B. offenzellige Schaumkeramiken oder hochporöse Keramikwaben/Filter, werden aufgrund ihrer großengeometrischen Oberfläche und ihres guten Durchströmungsverhaltens in heterogen katalysierten Gasphasenprozessen der Abgasbehandlung zur Oxidation und Rauchgasentstickung (DeNOx) eingesetzt. Dünne Schichten der aktiven katalytischen Materialien auf dem Substratkörper erreichen vergleichbare katalytische Umsätze wie die aktuell noch verwendeten Katalysatorschüttungen aus Pellets, z. B. aus kleinen Kugeln oder Zylinder.
Zur Minimierung von Stickoxiden (NO und NO2 zusammengefasst als NOx) in Abgasen stationärer Einrichtungen (Feuerungs-, Müllverbrennungs- und Industrieanlagen, Gasturbinen und Motoren) wird zumeist das Verfahren Selective Catalytic Reduction (SCR) angewandt.Dem Abgas wird Ammoniak (NH3 ) oder eine wässrige Harnstoff-Lösung, die sich im Abgas zu Ammoniak zersetzt, als Reduktionsmittel zugemischt; durch die Reaktion entstehen Wasser (H2 O) und Stickstoff (N2 ). Die SCR- oder auch DeNOx -Katalysatoren bestehen aus dem Basismaterial Titandioxid oder Zeolithe mit den aktiven Komponenten Vanadiumpentoxid, Wolfram- oder Molybdänoxiden.
Zur Minimierung von VOC-Emissionen werden häufig Edelmetallkatalysatoren auf Aluminiumsilicat zur katalytischen Oxidation verwendet. Als Strukturbasis dient ein Metallgitter, worauf eine hochporöse Aluminiumoxidschicht aufgebracht ist, in der die katalytisch aktive Substanz, z. B. Platin- oder Metall-Mischoxide, eingebettet ist.
Katalysatoren von Kraftfahrzeugmotoren
Bei Kraftfahrzeugen mit Otto-Motoren dient der Katalysator der Abgasentgiftung. Die im Abgas enthaltenen Schadstoffe Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide werden in die unschädlichen Verbindungen Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umgewandelt. Die Katalysatoren für PKW wiegen im Schnitt ca. 5 bis 7 kg/Stück.
Der Kraftfahrzeugkatalysator besteht meistens aus mehreren Komponenten. Der Träger ist ein temperaturstabiler Wabenkörper aus Keramik mit vielen dünnwandigen Kanälen aus in der Regel Cordierit oder Metallfolien. Der Washcoat besteht aus porösem Aluminiumoxid (Al2O3) und dient der Vergrößerung der Oberfläche bis zu mehreren hundert Quadratmetern pro Gramm Katalysator. In ihm sind die je nach Katalysatortyp unterschiedlichen katalytisch aktiven Substanzen eingelagert.Bei Dreiwegekatalysatoren sind es z. B. Platin, Rhodium, Palladium oder eine Kombination aus diesen.Der keramische Träger ist mittels spezieller Lagermatten, den sogenannten Quellmatten aus z. B. Hoch-temperaturwolle oder seltener in Kombination mit Drahtgestricken, in einem metallischen Gehäuse, dem sogenannten Canning, gelagert.
Einige der künstlichen Mineralfasern in den Quellmatten stehen im Verdacht, krebsauslösend zu sein. Sie werden zunehmend durch Katalysatoren mit dem Umweltzeichen Blauer Engel (seit 2013 zur Kennzeichnung von Katalysatoren erhältlich) ersetzt, die ausschließlich gesundheitlich völlig unbedenkliche Quellmatten mit einem KI-Wert (Kanzerogenitätsindex) größer als 40 verwenden.
Werden stattdessen Metall-Katalysatoren eingesetzt, ist kein zusätzliches Canning notwendig. Das Canning ist im Abgasstrang des Fahrzeuges fest verbaut und besitzt zum Teil weitere Anschlussmöglichkeiten für z. B. Lambdasonden oder Thermoelemente. Lambdasonden sind teilweise auch schon im Katalysator integriert.
Dieselmotoren und Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung arbeiten mit Luftüberschuss, daher ist ein spezieller DeNOx Katalysator notwendig, bei dem Metallträger, z. B. aus Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat, Mullit und Cordierit, mit kleinen Querschnitten oder mit strukturierten Kanälen verwendet werden. Regelmäßig wird dieser Katalysator zur Entfernung von Sulfateinlagerungen (Desulfatierung), welche die NOx-Einlagerung blockieren, aufgeheizt. Er gehört i. Allg. zum Rußpartikelfilter, um die Zündtemperatur des Rußes für die Regeneration des Partikelfilters herabzusetzen.
Eine DeNOx-Abgasnachbehandlung (NOx-Speicherkatalysatorund/oder SCR-Technologie) ist auch notwendig, da infolge der fokussierten Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes mehr Stickoxide gebildet werden.
160801 gebrauchte Katalysatoren, die Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Palladium, Iridium oder Platin enthalten (außer 160807)
Hierunter fallen gebrauchte edelmetallhaltige Katalysatoren aus der chemischen Industrie, z. B. silberhaltige Katalysatoren aus der Herstellung von Formaldehyd, und vor allem die Kraftfahrzeugkatalysatoren, die die Edelmetalle Platin, Palladium und Rhodium enthalten. Die Katalysatoren können nur dann dem Schlüssel 160801 zugeordnet werden, wenn keine gefährlichen Bestandteile oder Anhaftungen enthalten sind, wie z. B. kanzerogene Mineralfasern in Quellmatten oder Ruß.
160802* gebrauchte Katalysatoren, die gefährliche Übergangsmetalle oder deren Verbindungen enthalten
Die Einstufung dieser Abfallfraktion als gefährlich ist davon abhängig, welche Übergangsmetalle und übergangsmetallhaltigen Verbindungen gefährlich sind. Neben den Katalysatoren aus einigen chemischen Prozessen enthalten vor allem die zur Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsanlagen verwendeten Katalysatoren des SCR-Verfahrens Titan-, Vanadium-, Wolfram- und teilweise auch Molybdänverbindungen und sind ggf. dem Abfallschlüssel 160802* zuzuordnen.
160803 gebrauchte Katalysatoren, die Übergangsmetalle oder deren Verbindungen enthalten, a. n. g.
Dem Abfallschlüssel 160803 sind die Katalysatoren aus der chemischen und petrochemischen Industrie sowie aus der Abgasbehandlung von Verbrennungsanlagen zuzuordnen, die Übergangsmetalle oder deren Verbindungen enthalten, die nicht als gefährlich eingestuft sind und die keine sonstigen gefährlichen Bestandteile enthalten. Im Einzelfall ist auf die Beschreibungen der Hersteller zurückzugreifen.
160804 gebrauchte Katalysatoren von Crackprozessen (außer 160807)
In petrochemischen Crack- und Hydrocrack-Prozessen wird eine Vielzahl unterschiedlicher Katalysatoren eingesetzt. In der Regel verwendet man ein festes Trägermaterial, z. B. Silizium- und Aluminiumoxid, modifizierte Zeolithe oder eine Mischung aus beiden. Eine Metallkomponente unterstützt den Crackprozess bzw. den Hydrierungs- und Dehydrierungsprozess, z. B. Ruthenium, Rhodium, Palladium, Platin oder Nichtedelmetallsulfide auf Basis von Molybdän, Wolfram, Cobalt, Cobalt-Molybdänsulfide, Nickel oder Eisen. Auch wenn die Katalysatoren Edelmetalle oder Übergangsmetalle enthalten, werden sie aufgrund ihrer Herkunft, dem Crackprozess, dem Abfallschlüssel 160804 zugeordnet. Wenn sie jedoch z. B. mit gefährlichen Kohlenwasserstoffen verunreinigt sind, fallen sie unter 160807*.
160805* gebrauchte Katalysatoren, die Phosphorsäure enthalten
Phosphorsäurehaltige Katalysatoren lassen sich zur selektiven Führung bei einer Vielzahl organischer Reaktionen in der chemischen, petrochemischen und pharmazeutischen Industrie verwenden, z. B. bei der Polymerisierung, der Alkylierung oder der Carbonylierung. Bei der Alkylierung von Benzol mit Propylen zu Phenol (Grundchemikalie zur Herstellung von Kunststoffen) werden z. B. Katalysatorenpellets auf Basis von Siliziumdioxid, welche mit Phosphorsäure (Massenanteil von 10 bis 20%) imprägniert sind, eingesetzt. Neben der Phosphorsäure können Promotoren, z. B. Bor oder Fluorid, und Verunreinigungen wie Kohlenwasserstoffe enthalten sein.
160806* gebrauchte Flüssigkeiten, die als Katalysatoren verwendet wurden
Flüssige Katalysatoren finden in der organischen Chemie und der Petrochemie Anwendung und bestehen in der Regel aus organischen Säuren. Einsatzbedingt sind sie mit organischen Stoffen, z. B. Kohlenwasserstoffen, verunreinigt
160807* gebrauchte Katalysatoren, die durch gefährliche Stoffe verunreinigt sind
Unter den Abfallschlüssel 160807* fallen insbesondere die Kraftfahrzeugkatalysatoren, deren Quellmatte aus kanzerogenen Mineralfasern besteht. Bei den neueren Herstellungsprozessen werden aktuell nicht-kanzerogene Materialien eingesetzt.
Dem Schlüssel 160807* werden oftmals auch die Rußpartikelfilter aus Dieselfahrzeugen zugeordnet, da sie aufgrund ihrer Verunreinigung mit Ruß als gefährlicher Abfall einzustufen sind und eine katalytische Oberfläche besitzen.
Katalysatoren besitzen die Eigenschaft, die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Herab- oder Heraufsetzung der Aktivierungsenergie, was die Kinetik chemischer Reaktionen verändert, d. h. die Reaktionen laufen schneller oder langsamer ab. Das betrifft Hin- und Rückreaktionen gleichermaßen, weshalb das Gleichgewicht der chemischen Reaktion unverändert bleibt. Eine Beschleunigung einer Reaktion wird als positive Katalyse und eine Verlangsamung einer Reaktion, der gegenteilige Prozess, als negative Katalyse (auch Inhibition) bezeichnet. Katalysatoren wirken dabei selektiv, d. h. eine bestimmte gewünschte Reaktion benötigt einen bestimmten Katalysator. Etwa 80 % aller chemischen Produktionsprozesse haben mindestens einen katalytischen Schritt.
Es wird außerdem zwischen heterogener und homogener Katalyse unterschieden. Bei der homogenen Katalyse sind die Ausgangsstoffe und der Katalysator im gleichen Aggregatzustand (am häufigsten flüssig). Hierbei werden vielfach die Übergangsmetalle verwendet.
Die enzymatische Katalyse ist ein Sonderfall der homogenen Katalyse mit bioorganischen Komplexen als Katalysatoren (Biokatalysatoren), welche z. B. Enzyme sind.
Bei der heterogenen Katalyse liegen Katalysator und die Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion in unterschiedlichen Phasen, z. B. als Gas und Feststoff, Flüssigkeit und Feststoff oder als nicht mischbare Flüssigkeiten, vor. Am häufigsten mit ca. 80 – 85% der gesamten verwendeten Katalysatoren in Deutschland werden Feststoffkatalysatoren eingesetzt. Sie bestehen entweder vollständig aus der aktiven Komponente (Vollkatalysatoren) oder die katalytisch wirksame Komponente oder auch mehreren Komponenten ist/sind auf einem Trägermaterial aufgebracht (Trägerkatalysatoren).
Die Trägermaterialien sind:
- Formkörper wie Metalloxide in Form von Pellets oder Kugeln,
- offenporige waben- oder plattenförmige Keramikkörper aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirconiumoxid, Cordierit, Zeolithe, Aktivkohle oder Siliziumoxid,
- Metallgitter, -folien bzw. –schwämme oder
- Membranen in Brennstoffzellen (MEA, Membrane Electrode Assembly).
Die Katalysatoren, insbesondere feste Katalysatoren, unterliegen einem sogenannten Alterungsprozess. Dieser Prozess ist gekennzeichnet durch:
- stoffliche Ablagerungen, wodurch Poren verstopfen, d. h. ein Durchströmen/-fließen der Ausgangsstoffe ist nicht mehr möglich,
- Brüche oder Veränderungen der Oberfläche durch z. B. Sintervorgänge infolge einer thermischen Beanspruchung,
- Maskieren oder Vergiften der aktiven katalytischen Schichten, sogenannte Katalysatorgifte verlangsamen/inhibieren häufig die gewünschte Reaktion, durch physikalische und chemische Einflüsse.
Hauptsächlich feste Katalysatoren werden je nach Art und Einsatzbereich regeneriert, wiederverwendet oder werkstofflich verwertet.
Biokatalysatoren
In der organischen Chemie und in der Pharmaindustrie werden zunehmend Biokatalysatoren (bioorganische Katalysatoren) eingesetzt. Es sind Biopolymere, die biochemische Reaktionen beschleunigen, z. B. Hefepilze, Ribonukleinsäuren oder Enzyme. Sie spielen bei sehr vielen Stoffwechselreaktionen in tierischen sowie pflanzlichen Organismen eine Rolle und werden auf diesen Kenntnissen aufbauend bei biotechnologischen Prozessen verwendet. Sie werden mit Hilfe von i. d. R. gentechnisch veränderten Mikroorganismen wie Bakterien (z. B. Bacillus) und Pilzkulturen (z. B. Aspergillus, Fusarium) hergestellt. Biokatalysatoren werden z. B. bei Wasch- und Reinigungsmitteln zur Verbesserung der Waschwirkung bei niedrigen Temperaturen oder als Ersatz für Chlorbleiche bei der Papier- und Zellstoffherstellung verwendet. Sie lassen sich bei sehr vielen Prozessen nicht mehr rückgewinnen, sondern sind in Nebenprodukten enthalten. Gebrauchte Biokatalysatoren fallen daher im Allgemeinen nicht unter die Abfalluntergruppe 1608, sondern als Inhaltsstoff von z. B. Schlämmen unter AS 190206 „Schlämme aus der physikalisch-chemischen Behandlung“.
Katalysatoren in der chemischen und petrochemischen Industrie
Katalysatoren werden industriell u. a. bei der Erdölverarbeitung, chemischen Produktionsprozessen oder Polymerisation eingesetzt. Sie werden nach der Katalysatorart in Edelmetallkatalysatoren, Nichtedelmetallkatalysatoren, Säure-Basen-Katalysatoren und Mineralsäuren unterteilt.
In der Petrochemie sind die gebräuchlichen katalytischen Prozesse:
- Cracken bzw. Hydrocracken
- Reforming und
- Hydrotreating.
Bei der Herstellung von Feinchemikalien haben die katalytischen Prozesse nur einen geringen Anteil, wobei vor allem Edel- und Nichtedelmetallkatalysatoren (z. B. zur Verbindung von zwei Kohlenstoffatomen mit löslichen Palladiumkatalysatoren, Rhodium-katalytische Hydroformylierung bei der Synthese von Aldehyden oder Hybrid-Katalysatoren mit Eisen und Barium, Magnesium oder Calcium) verwendet werden. Ursache für die geringe Verwendung ist die meist sehr aufwändige Abtrennung der Katalysatoren vom Lösungsmittel.
In der Polymerindustrie werden überwiegend Katalysatoren für die Herstellung von Polyolefinen als Initiatoren (Starter) eingesetzt, z. B. für die Herstellung von HDPE Ziegler-Natta-Katalysatoren (mit Titan- oder Vanadium- und Aluminiumverbindungen) oder von LDPE Metallocenkatalysatoren (mit u. a. Zirconium) oder von PUR Metallsalzkatalysatoren bzw. organischen Katalysatoren (mit Stickstoff). Die Polymerisationskatalysatoren werden in kleineren Mengen eingesetzt und verbleiben im Produkt oder in Nebenprodukten.
Für die Wasserstoffherstellung werden bei der dafür notwendigen Spaltung des Wassers in den Elektrolyse-Einheiten Katalysatoren mit z. B. Iridium oder Rhodium als aktiver Komponente auf oxidischem Trägermaterial (komplexe Verbindungen der Elemente Barium, Strontium, Cobalt, Eisen und Sauerstoff) oder Calciumtitanoxid (Perowskit) verwendet.
Phosphorsäure wird auch als flüssiger/gelartiger Katalysator bei der Synthese von Aspirin verwendet. Orthophosphorsäure wird als Elektrolyt und Katalysator in Brennstoffzellen eingesetzt.
Tabelle: Beispiele für Katalysatoren in chemischen und petrochemischen Prozessen. Diese Tabelle erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Verfahren/Prozess | Katalysator bzw. deren Bestandteile (herkömmlich) | Katalysator bzw. deren Bestandteile (zukünftig,tendenziell) | Katalysatorgift/Inhibitor (Bestandteile/Verbindungen von bzw. mit) |
---|---|---|---|
Chemische Industrie | |||
Herstellung von Wasserstoff und Ammoniak, Dampfreforming, Methanisierung | rein oder Verbindungen von Nickel, Eisen, Ruthenium (selten Zirconium oder Aluminium) | Perowskite (enthalten u. a. Calcium und Titan), Iridium, Magnesiumoxid und/oder modifizierte Zeolithe oder ähnliches, Bornitrid, Metallorganika | Verbindungen von Schwefel, Phosphor, Arsen und Chlor |
Hydrierungen z. B. von Speisefetten und Mineralölen, Hydrierung von Olefinen | modifizierte Zeolithe mit Platin und/oder Palladium; rein oder Verbindungen von Nickel, Eisen oder selten Kupfer, Chrom, Zink, Rhodium-Komplex | Verbindungen von Blei, Schwefel, bei Platin auch Verbindungen mit Kupfer, Nickel, Quecksilber | |
Dehydrierungen, z. B. Butadien aus Butan oder Styrol aus Ethylbenzol | rein oder Verbindungen von Chrom, Aluminium, Eisen häufig als Oxide, Magnesium | Metallfasern mit Kupfer, verschiedene Kombinationen von Kupfer-Nickel-Titan-Zirconium-Zinn-Aluminium-Eisen | Verbindungen von Schwefel |
Oxidationen, z. B. Ethylenoxid, Kontakt-Schwefelsäure; von Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) nach Kraftstoffverbrennung | Silber oder modifizierte Zeolithe mit Platin, Rhodium, Palladium oder Vanadium | Perowskite (enthalten u. a. Calcium und Titan) | Verbindungen von Schwefel, Blei, Phosphor, Arsen, Antimon, Zink, Cadmium, Bismut |
organische Synthesen, z. B. Friedel-Crafts-Alkylierung | Chloride von Aluminium, Eisen, Bor oder auch Schwefel- bzw. Phosphorsäure | ||
Polymerisationen, z. B. Herstellung von Kunststoffen wie HDPE, LDPE oder PUR | häufig organische Verbindungen (Polymere) mit Titan, Vanadium, Chrom; anorganischen Säuren, z. B. Phosphorsäure | ||
Petrochemische Industrie | |||
Katalytisches Cracken (ohne Wasserstoff) | modifizierte Zeolithe | ||
katalytisches Reformieren | modifizierte Zeolithe oder Aluminiumoxid mit Platin bzw. Kombinationen aus Platin, Zinn, Rhenium | Verbindungen von Schwefel, Amine | |
Wasserstoffbehandlung, Entaromatisieren | Kombinationen von Cobalt-Molybdän, Nickel-Molybdän oder Nickel-Wolfram | Verbindungen von Schwefel, Amine | |
Katalytisches Cracken mit Wasserstoff (Hydrocracken) | modifizierte Zeolithe mit Nickel oder z. B. Rhutenium, Rhenium, Platin oder Palladium | Verbindungen von Schwefel, Koks |
Katalysatoren aus der stationären Abgasreinigung
Katalysatoren für die Reinigung von Abgasen werden z. B. in Kraftwerken, Abfallverbrennungsanlagen oder bei der Glasherstellung mit beheizten Glaswannen eingesetzt. Die häufigsten katalytischen Anwendungen in der Abgasreinigung sind die Oxidation von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffen und anderen flüchtigen organischen Verbindungen sowie die Reduktion von Stickstoffoxiden und der Einsatz in Kombination mit der Feinstaubfiltration. Die Katalysatoren werden als Pellets oder als offenporiger Körper mit einer waben- oder plattenförmigen Struktur installiert. Die Lebensdauer des Katalysators beträgt bei Kohle- und Ölfeuerung ca. 6 bis 10 Jahre, bei Gasfeuerung mehr als 10 Jahre.
Strukturierte keramische Katalysatoren, z. B. offenzellige Schaumkeramiken oder hochporöse Keramikwaben/Filter, werden aufgrund ihrer großengeometrischen Oberfläche und ihres guten Durchströmungsverhaltens in heterogen katalysierten Gasphasenprozessen der Abgasbehandlung zur Oxidation und Rauchgasentstickung (DeNOx) eingesetzt. Dünne Schichten der aktiven katalytischen Materialien auf dem Substratkörper erreichen vergleichbare katalytische Umsätze wie die aktuell noch verwendeten Katalysatorschüttungen aus Pellets, z. B. aus kleinen Kugeln oder Zylinder.
Zur Minimierung von Stickoxiden (NO und NO2 zusammengefasst als NOx) in Abgasen stationärer Einrichtungen (Feuerungs-, Müllverbrennungs- und Industrieanlagen, Gasturbinen und Motoren) wird zumeist das Verfahren Selective Catalytic Reduction (SCR) angewandt.Dem Abgas wird Ammoniak (NH3 ) oder eine wässrige Harnstoff-Lösung, die sich im Abgas zu Ammoniak zersetzt, als Reduktionsmittel zugemischt; durch die Reaktion entstehen Wasser (H2 O) und Stickstoff (N2 ). Die SCR- oder auch DeNOx -Katalysatoren bestehen aus dem Basismaterial Titandioxid oder Zeolithe mit den aktiven Komponenten Vanadiumpentoxid, Wolfram- oder Molybdänoxiden.
Zur Minimierung von VOC-Emissionen werden häufig Edelmetallkatalysatoren auf Aluminiumsilicat zur katalytischen Oxidation verwendet. Als Strukturbasis dient ein Metallgitter, worauf eine hochporöse Aluminiumoxidschicht aufgebracht ist, in der die katalytisch aktive Substanz, z. B. Platin- oder Metall-Mischoxide, eingebettet ist.
Katalysatoren von Kraftfahrzeugmotoren
Bei Kraftfahrzeugen mit Otto-Motoren dient der Katalysator der Abgasentgiftung. Die im Abgas enthaltenen Schadstoffe Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide werden in die unschädlichen Verbindungen Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umgewandelt. Die Katalysatoren für PKW wiegen im Schnitt ca. 5 bis 7 kg/Stück.
Der Kraftfahrzeugkatalysator besteht meistens aus mehreren Komponenten. Der Träger ist ein temperaturstabiler Wabenkörper aus Keramik mit vielen dünnwandigen Kanälen aus in der Regel Cordierit oder Metallfolien. Der Washcoat besteht aus porösem Aluminiumoxid (Al2O3) und dient der Vergrößerung der Oberfläche bis zu mehreren hundert Quadratmetern pro Gramm Katalysator. In ihm sind die je nach Katalysatortyp unterschiedlichen katalytisch aktiven Substanzen eingelagert.Bei Dreiwegekatalysatoren sind es z. B. Platin, Rhodium, Palladium oder eine Kombination aus diesen.Der keramische Träger ist mittels spezieller Lagermatten, den sogenannten Quellmatten aus z. B. Hoch-temperaturwolle oder seltener in Kombination mit Drahtgestricken, in einem metallischen Gehäuse, dem sogenannten Canning, gelagert.
Einige der künstlichen Mineralfasern in den Quellmatten stehen im Verdacht, krebsauslösend zu sein. Sie werden zunehmend durch Katalysatoren mit dem Umweltzeichen Blauer Engel (seit 2013 zur Kennzeichnung von Katalysatoren erhältlich) ersetzt, die ausschließlich gesundheitlich völlig unbedenkliche Quellmatten mit einem KI-Wert (Kanzerogenitätsindex) größer als 40 verwenden.
Werden stattdessen Metall-Katalysatoren eingesetzt, ist kein zusätzliches Canning notwendig. Das Canning ist im Abgasstrang des Fahrzeuges fest verbaut und besitzt zum Teil weitere Anschlussmöglichkeiten für z. B. Lambdasonden oder Thermoelemente. Lambdasonden sind teilweise auch schon im Katalysator integriert.
Dieselmotoren und Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung arbeiten mit Luftüberschuss, daher ist ein spezieller DeNOx Katalysator notwendig, bei dem Metallträger, z. B. aus Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat, Mullit und Cordierit, mit kleinen Querschnitten oder mit strukturierten Kanälen verwendet werden. Regelmäßig wird dieser Katalysator zur Entfernung von Sulfateinlagerungen (Desulfatierung), welche die NOx-Einlagerung blockieren, aufgeheizt. Er gehört i. Allg. zum Rußpartikelfilter, um die Zündtemperatur des Rußes für die Regeneration des Partikelfilters herabzusetzen.
Eine DeNOx-Abgasnachbehandlung (NOx-Speicherkatalysatorund/oder SCR-Technologie) ist auch notwendig, da infolge der fokussierten Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes mehr Stickoxide gebildet werden.
160801 gebrauchte Katalysatoren, die Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Palladium, Iridium oder Platin enthalten (außer 160807)
Hierunter fallen gebrauchte edelmetallhaltige Katalysatoren aus der chemischen Industrie, z. B. silberhaltige Katalysatoren aus der Herstellung von Formaldehyd, und vor allem die Kraftfahrzeugkatalysatoren, die die Edelmetalle Platin, Palladium und Rhodium enthalten. Die Katalysatoren können nur dann dem Schlüssel 160801 zugeordnet werden, wenn keine gefährlichen Bestandteile oder Anhaftungen enthalten sind, wie z. B. kanzerogene Mineralfasern in Quellmatten oder Ruß.
160802* gebrauchte Katalysatoren, die gefährliche Übergangsmetalle oder deren Verbindungen enthalten
Die Einstufung dieser Abfallfraktion als gefährlich ist davon abhängig, welche Übergangsmetalle und übergangsmetallhaltigen Verbindungen gefährlich sind. Neben den Katalysatoren aus einigen chemischen Prozessen enthalten vor allem die zur Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsanlagen verwendeten Katalysatoren des SCR-Verfahrens Titan-, Vanadium-, Wolfram- und teilweise auch Molybdänverbindungen und sind ggf. dem Abfallschlüssel 160802* zuzuordnen.
160803 gebrauchte Katalysatoren, die Übergangsmetalle oder deren Verbindungen enthalten, a. n. g.
Dem Abfallschlüssel 160803 sind die Katalysatoren aus der chemischen und petrochemischen Industrie sowie aus der Abgasbehandlung von Verbrennungsanlagen zuzuordnen, die Übergangsmetalle oder deren Verbindungen enthalten, die nicht als gefährlich eingestuft sind und die keine sonstigen gefährlichen Bestandteile enthalten. Im Einzelfall ist auf die Beschreibungen der Hersteller zurückzugreifen.
160804 gebrauchte Katalysatoren von Crackprozessen (außer 160807)
In petrochemischen Crack- und Hydrocrack-Prozessen wird eine Vielzahl unterschiedlicher Katalysatoren eingesetzt. In der Regel verwendet man ein festes Trägermaterial, z. B. Silizium- und Aluminiumoxid, modifizierte Zeolithe oder eine Mischung aus beiden. Eine Metallkomponente unterstützt den Crackprozess bzw. den Hydrierungs- und Dehydrierungsprozess, z. B. Ruthenium, Rhodium, Palladium, Platin oder Nichtedelmetallsulfide auf Basis von Molybdän, Wolfram, Cobalt, Cobalt-Molybdänsulfide, Nickel oder Eisen. Auch wenn die Katalysatoren Edelmetalle oder Übergangsmetalle enthalten, werden sie aufgrund ihrer Herkunft, dem Crackprozess, dem Abfallschlüssel 160804 zugeordnet. Wenn sie jedoch z. B. mit gefährlichen Kohlenwasserstoffen verunreinigt sind, fallen sie unter 160807*.
160805* gebrauchte Katalysatoren, die Phosphorsäure enthalten
Phosphorsäurehaltige Katalysatoren lassen sich zur selektiven Führung bei einer Vielzahl organischer Reaktionen in der chemischen, petrochemischen und pharmazeutischen Industrie verwenden, z. B. bei der Polymerisierung, der Alkylierung oder der Carbonylierung. Bei der Alkylierung von Benzol mit Propylen zu Phenol (Grundchemikalie zur Herstellung von Kunststoffen) werden z. B. Katalysatorenpellets auf Basis von Siliziumdioxid, welche mit Phosphorsäure (Massenanteil von 10 bis 20%) imprägniert sind, eingesetzt. Neben der Phosphorsäure können Promotoren, z. B. Bor oder Fluorid, und Verunreinigungen wie Kohlenwasserstoffe enthalten sein.
160806* gebrauchte Flüssigkeiten, die als Katalysatoren verwendet wurden
Flüssige Katalysatoren finden in der organischen Chemie und der Petrochemie Anwendung und bestehen in der Regel aus organischen Säuren. Einsatzbedingt sind sie mit organischen Stoffen, z. B. Kohlenwasserstoffen, verunreinigt
160807* gebrauchte Katalysatoren, die durch gefährliche Stoffe verunreinigt sind
Unter den Abfallschlüssel 160807* fallen insbesondere die Kraftfahrzeugkatalysatoren, deren Quellmatte aus kanzerogenen Mineralfasern besteht. Bei den neueren Herstellungsprozessen werden aktuell nicht-kanzerogene Materialien eingesetzt.
Dem Schlüssel 160807* werden oftmals auch die Rußpartikelfilter aus Dieselfahrzeugen zugeordnet, da sie aufgrund ihrer Verunreinigung mit Ruß als gefährlicher Abfall einzustufen sind und eine katalytische Oberfläche besitzen.
Charakteristische Zusammensetzung
Inhaltsstoffe | Gehalte / Konzentrationen | Erläuterungen |
---|---|---|
160801 gebrauchte Katalysatoren, die Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Palladium, Iridium oder Platin enthalten (außer 160807) | ||
Edelmetalle | < 1 % | Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Palladium, Iridium oder Platin; Abgasreinigungskatalysatoren von Kraftfahrzeugen mit z. B. Platin, Palladium, Iridium und Rhodium (oft direkt in metallischer Form); Prozesskatalysatoren mit z. B. Silber für Formaldehyd-Herstellung |
Metalloxide | < 3 % | Washcoat aus Gemisch von Silizium- und Metalloxid-Gemischen in dünner Schicht auf dem Trägermaterial, z. B. Cordierit |
Keramik | < 100 % | Trägermaterial (Schüttgut wie Pellets, Kugeln oder Waben), z. B. Aluminiumoxid |
Mineralfasern, Quellmatten | Trägermaterial, künstlich hergestellt, z. B. Glas-, Stein-, Schlackefasern | |
Metallgitter oder -schwämme | < 95 % | Trägermaterial, Monolithen, meist aus Stahl (Eisen und Kohlenstoff) |
Membranen | < 100 % | Trägermaterial in Brennstoffzellen aus z. B. Polymeren, Alkali-Carbonaten |
160802* gebrauchte Katalysatoren, die gefährliche Übergangsmetalle oder deren Verbindungen enthalten | ||
Übergangsmetalle | < 2 % | häufig als Oxide, Chloride oder Sulfide; Katalysatoren für Abgasreinigung von Verbrennungsanlagen für z. B. SCR-Verfahren mit Titan, Vanadium oder Wolfram; für Prozesse z. B. Entschwefelung von Erdölfraktionen mit Nickel |
Keramik | < 100 % | Trägermaterial (Schüttgut wie Pellets, Kugeln oder Waben), z. B. Aluminiumoxid |
Metallgitter oder -schwämme | < 95 % | Monolithen, meist aus Stahl (Eisen und Kohlenstoff) |
160803 gebrauchte Katalysatoren, die Übergangsmetalle oder deren Verbindungen enthalten, a. n. g. | ||
Übergangsmetalle | < 2 % | häufig als Oxide, Chloride oder Sulfide; Katalysatoren für Abgasreinigung von Verbrennungsanlagen für z. B. SCR-Verfahren mit Molybdänverbindungen; für Prozesse z. B. Entschwefelung von Erdölfraktionen mit Molybdän oder Eisen |
Keramik | < 100 % | Trägermaterial für katalytisches Element (Schüttgut wie Pellets, Kugeln oder Waben), z. B. Aluminiumoxid |
Metallgitter oder -schwämme | < 95 % | Monolithen, meist aus Stahl (Eisen und Kohlenstoff) |
160804 gebrauchte Katalysatoren von Crackprozessen (außer 160807) | ||
Metalle | < 5 % | Katalysatoren für Crackprozesse, z. B. mit Ruthenium, Rhodium, Palladium, Platin, Wolfram-, Molybdän- oder Cobaltsulfide, Nickel, Eisen |
Keramik | < 100 % | Trägermaterial für katalytisches Element (Schüttgut wie Pellets, Kugeln oder Waben), z. B. Zeolithe, Silizium- oder Aluminiumoxid |
160805* gebrauchte Katalysatoren, die Phosphorsäure enthalten | ||
Phosphor, Phosphorsäure | Katalysatoren für organische Prozesse, z. B. Polymerisation, Alkylierung oder Carbonylierung | |
Promotoren | z. B. Bor oder Fluorid | |
160806* gebrauchte Flüssigkeiten, die als Katalysatoren verwendet wurden | ||
organische Säuren | < 100 % | z. B. Aminosäuren wie Prolin |
Kohlenwasserstoffe | > 1 % | Katalysatoren mit gefährlichen Produkten oder Zwischenprodukten des katalysierten Prozesses verunreinigt, z. B. mit Kohlenwasserstoffen oder Ruß |
160807* gebrauchte Katalysatoren, die durch gefährliche Stoffe verunreinigt sind | ||
Kohlenwasserstoffe | > 1 % | Katalysatoren mit gefährlichen Produkten oder Zwischenprodukten des katalysierten Prozesses verunreinigt, z. B. mit Kohlenwasserstoffen oder Ruß |
Metalle/Übergangsmetalle | < 1 % | Katalysatoren für Abgasreinigung von Verbrennungsanlagen, Katalysatoren für Crackprozesse |
Metalloxide | < 3 % | Washcoat aus Gemisch von Silizium- und Metalloxid-Gemischen in dünner Schicht auf dem Trägermaterial, z. B. Cordierit |
Metallgitter oder -schwämme | < 95 % | Monolithen, meist aus Stahl (Eisen und Kohlenstoff) |
Membranen | < 100 % | in Brennstoffzellen aus z. B. Polymeren, Alkali-Carbonaten |
Quellmatten | < 2 % | als Lagermatten für das Trägermaterial, z. B. mit kanzerogenen Mineralfasern |
Hinweis
Die Zusammensetzung der zu entsorgenden Katalysatoren ist vielfältig aufgrund des Einsatzzweckes und Ad- bzw. Absorption verschiedener Stoffe. Daher sind Einzelfallprüfungen für die Ermittlung der Zusammensetzung notwendig. Dafür können z. B. Sicherheitsdatenblätter, Produktspezifikationen, Produktbeschreibungen, Technische Datenblätter der Hersteller bzw. Prozessbeschreibungen der Firmen, welche die Katalysatoren einsetzen, herangezogen werden.
Katalysatoren tragen bei zur Realisierung einer "Green Chemistry":
Katalysatoren tragen bei zur Realisierung einer "Green Chemistry":
- Minimierung bzw. Vermeidung von Produktionsabfällen,
- verbesserte Ressourceneffizienz durch maximalen Einbezug der am Prozess beteiligten Materialien in das Endprodukt, z. B. Vermeidung von Zusatzstoffen und Derivatisierungen,
- Minimierung des Energiebedarfs,
- erhöhte Wirtschaftlichkeit durch Einsparungen bei materiellen und energetischen Ressourcen.
- EU - Europäische Union
- Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken - für "Großfeuerungsanlagen", UBA, Juli 2006
- Beste verfügbare Techniken - (BVT), Download der BVT-Merkblätter, hier "Abfallverbrennung", UBA, Juli 2005
- BVT - Merkblatt über beste verfügbare Techniken für Mineralöl- und Gasraffinerien, UBA, Februar 2003
- Referenzdokument über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung von Polymeren, UBA, Oktober 2006.
- Referenzdokument über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Grundchemikalien, UBA, Februar 2002
- Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für die Herstellung organischer Feinchemikalien, UBA, Dezember 2005
- Technischer Leitfaden zur Abfalleinstufung, 2018/C 124/01, Europäische Kommission vom 09.04.2018
- DE - Bundesrepublik Deutschland
- Verordnung über das Europäische Abfallverzeichnis (Abfallverzeichnis-Verordnung - AVV)
- Hinweise zur Anwendung der Abfallverzeichnis-Verordnung, BMU, 2001 (nur noch als Erkenntnisquelle angezeigt, da inhaltlich nicht mehr aktuell)
- Abfallvermeidung bei Produktionen für organische Spezialchemikalien durch den Einsatz hochspezifischer Katalysatoren, Umweltbundesamt, Texte 21/04, Mai 2004
- Rohstoffeinsparung durch Kreislaufführung von verbrauchten Katalysatoren aus der chemischen Industrie, Umweltbundesamt, Texte 21/01, März 2001
- GESTIS-Stoffdatenbank, Gefahrstoffinformationssystem der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung
- Stand der Verwertung von verbrauchten Katalysatoren aus der chemischen Industrie sowie Einflussfaktoren zur Verbesserung der Kreislaufführung, Umweltbundesamt, Texte 18/03, Mai 2003