Allgemeines zu Phosphor

Phosphor ist ein chemisches Element, das zur Gruppe der Nichtmetalle gehört und in der Natur in verschiedenen Modifikationen vorkommt, darunter weißer, roter und schwarzer Phosphor. Es ist ein essenzieller Bestandteil von lebenden Organismen, insbesondere als Teil der DNA, RNA und des Energieträgers ATP (Adenosintriphosphat). In reiner Form ist Phosphor ein reaktives Element, das in der Natur nicht elementar, sondern gebunden als Phosphat vorkommt. Der Name „Phosphor“ leitet sich vom griechischen Wort „phosphoros“ ab, was „Lichtträger“ bedeutet, da weißer Phosphor bei Kontakt mit Sauerstoff leuchtet.

Vorkommen

Phosphor ist in der Erdkruste weit verbreitet, insbesondere in Form von Phosphatmineralien wie Apatit. In China, Marokko, den USA, Jordanien und Südafrika konzentrieren sich mehr als 80 Prozent der derzeit als wirtschaftlich abbaubar geltenden Phosphor-Vorkommen. Deutschland hat keine eigenen Vorkommen. Phosphorverbindungen kommen auch in Meeressedimenten und in lebenden Organismen vor. In der Biosphäre wird Phosphor in den biogeochemischen Kreislauf eingebunden und durch Verwitterung und biologische Prozesse verfügbar gemacht.

Gewinnung

Die industrielle Gewinnung von Phosphor erfolgt durch Reduktion von Phosphatgestein mit Kohlenstoff in Hochöfen. Dazu verwendet man Rohphosphat aus dem Mineral Apatit und reduziert dieses mit Kohlenstoff (Koks oder Kohle) im elektrischen Lichtbogen bei ca. 1.400 °C. Es bildet sich zuerst Diphosphorpentoxid, welches dann durch den Kohlenstoff zu Phosphor reduziert wird. Durch die große Hitze entsteht gasförmiger Phosphor, der entweicht, abgekühlt und durch Destillation gereinigt wird. Ein alternatives Verfahren ist die Gewinnung von Phosphor durch Nasschemie, bei der Phosphatmineralien in Säuren aufgelöst werden. Dieses Verfahren wird bevorzugt für die Herstellung von Düngemitteln und chemischen Verbindungen.

Verwendung von Phosphor

Phosphor spielt eine unverzichtbare Rolle in der modernen Industrie und im biologischen Leben, denn er ist für alle Lebewesen ein lebenswichtiger Mineralstoff. Phosphor findet daher vielfältige Anwendungen: Etwa 90 % des abgebauten Phosphors werden zur Herstellung von Düngemitteln verwendet, die für das Pflanzenwachstum unerlässlich sind. Roter Phosphor wird in der Zündmittelindustrie eingesetzt, insbesondere in Zündhölzern und Feuerwerkskörpern. Außerdem wird es als Legierungselement in der Stahlproduktion verwendet, um bestimmte Eigenschaften des Stahls zu verbessern.

Aktuelles zur Phosphor-Rückgewinnung

Die weltweiten Vorkommen sind begrenzt; Phosphor gilt als kritischer Rohstoff. Die Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser und Klärschlamm spielt daher eine wichtige Rolle bei der Sicherung der zukünftigen Versorgung. Mit der Novellierung der Klärschlammverordnung hat die Bundesregierung 2017 auch die Verwertung neu geregelt. So stehen die Betreiber von Kläranlagen nun vor einer riesigen Herausforderung: Sie sind per Gesetz verpflichtet, Phosphor aus dem Klärschlamm zurückzugewinnen. Für Anlagen mit einer Kapazität von mehr als 100 000 Einwohnerwerten gilt dies ab 2029. Für kleinere Anlagen mit mehr als 50 000 Einwohnerwerten besteht bis 2032 Handlungsbedarf.

Die Technische Universität Braunschweig treibt diese Rückgewinnung mit ihrem Projekt „P-Net“ maßgeblich voran. Im Mittelpunkt stehen dabei die Erzeugung des kristallinen Phosphorprodukts Struvit und der Aufbau eines Netzwerks zum Phosphor-Recycling in der Region zwischen Harz und Heide. Erster Erfolg des Projekts: Auf der Kläranlage Braunschweig testen die Projektpartner erstmalig großtechnisch ein Verfahren zur Struvitfällung, um künftig die durch die Klärschlammverordnung geforderte Rückgewinnungsquote zu erreichen.

Die Deutsche Phosphor-Plattform e.V. (DPP) bildet das Netzwerk zur Förderung der Rückgewinnung von Phosphor und zum nachhaltigen Einsatz der rückgewonnenen Produkte. Mit Blick auf diese Ziele führt die DPP Wissen und Erfahrungen der Akteure aus den einschlägigen Industrien, öffentlichen und privaten Organisationen sowie aus Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen zusammen.

Biologische Bedeutung und Toxizität

Weißer Phosphor ist hochgiftig und entzündet sich spontan an der Luft, weshalb er unter Wasser aufbewahrt wird. Roter und schwarzer Phosphor sind weniger reaktiv und weniger toxisch, sollten jedoch ebenfalls mit Vorsicht gehandhabt werden.