Adsoptionsverfahren:

Adsorptionsverfahren zur Wasseraufbereitung am Beispiel der Aktivkohle:

Vereinfachte Begriffsbedeutung Adsorption:

Das Anlagern von Gasen, Dämpfen oder in Flüssigkeiten gelösten oder suspendierten Stoffen (suspendierte Stoffe= Schwebstoffe) an der Oberfläche eines festen Stoffes (Phasengrenzfläche) durch physikalische, molekulare Bindekräfte.

Bekannte Adsorbentia sind Aktivkohle, Zeolithe, Silicagel.

 

    
Aktivkohlestäbchen                                         Lichtmikroskopaufnahme 

 

Den inneren Aufbau der Aktivkohle kann man sich idealisiert wie die Struktur eines Schwammes vorstellen.

 
Rasterelektronenmikroskopaufnahme Querschnitt Aktivkohlestäbchen
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Rasterelektronenmikroskopaufnahme Querschnitt Aktivkohlestäbchen  

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Die Wirkungsmechanismen die bei der Aktivkohlenfilterung zum Tragen kommen sind:
1.    physikalische Filterung durch die Makro- und  Mikro- Poren wie bei einem Sieb.
2.    Adsorption der Schadstoffe an den Oberflächen (Phasengrenzflächen) der inneren Poren.

Makroporen:    Poren mit Durchmesser >  50 nm
Mikroporen:     Poren mit Durchmesser <    2 nm

 

Adsorption wird häufig mit Absorption verwechselt.

Absorption:
(lat.: absorbere = ab-/aufsaugen);
Bei der Absorption findet eine Chemische Bindung (nicht Verbindung) zwischen Molekülen statt. Es ist also mehr als nur reine Oberflächenhaftung.

Größenbeispiel Filterung bei Aktivkohle:
5 g Aktivkohle haben die innere Fläche eines Fußballfeldes oder
1 Gramm hat im Mittel eine innere Oberfläche von 1 000 qm.

Die Wirkungsweise der Aktivkohle beruht zum großen Teil auf den Adhäsionskräften zwischen den  Schadstoffen im durchströmenden Medium und der Oberfläche (genauer der Phasengrenzfläche) der Makro- und Mikro- Poren.
Es lagern sich Schadstoffe an den inneren Phasengrenzflächen der feinen Poren / Kanäle an
und zwar so solange bis eine Sättigung des Aufnahmenvermögens der Grenzschicht erreicht ist.

Die besondere Eigenschaft der Aktivkohle liegt in der sehr großen inneren Gesamtoberfläche, welche durch die Mikroporosität der Aktivkohle, dem sehr engen Netzwerk mikrofeiner Kanäle und Poren bedingt ist. Dadurch können große Mengen von Schadstoffen gebunden werden.

Anwendung:
Einsatzgebiete sind beispielsweise:
Wasserhaushaltsfilter, Luftfilter, Vorfilter im System einer häuslichen mehrstufigen Wasseraufbereitungsanlage, vor Umkehrosmose-Anlagen zum Schutz von teuren Osmosemembrane, zusammen mit Ionentauschern um geruchs- und geschmacksstörende Stoffe zu entfernen, in der Abwasserreinigung, in der Chemie und im Arbeitsschutzbereich, sowie in der Getränkeindustrie und in der Aquaristik.
Häufig werden Aktivkohlefilter in Kombination mit weiteren folgenden Filtern eingesetzt.

Aktivkohle ist verschiedenartig, was die Filtereigenschaften im Detail angeht, da sie
a) natürlichen Ursprungs ist und b) es ein Vielzahl verbraucherorientierte Produktionsmethoden gibt.

Neben Porengröße und Gestaltung des Netzwerkes der feinen Kanäle ist auch die chemische Beschaffenheit der inneren Oberfläche der Poren der Aktivkohle und damit die adsorbierende Wirkung verschieden und kann auch herstellungsmäßig verändert werden.

Bei Aktivkohle, anders als bei einigen künstlich hergestellten Filtern (Keramikmembranen), lässt sich die Größenordnung der Filtereigenschaft nicht 100% festzumachen, sondern könnte nur innerhalb einer gewissen Variabilität stoffunterschiedlich (gemeint die zu filternden Schadstoffe) genannt werden.
Zur Filterleistung der Aktivkohle ist demzufolge nur eine grobe Aussage möglich und einige im Netz zu findende Angaben sind deshalb unterschiedlich.
Dennoch gehört Aktivkohle zu einer der verbreitesten Adsobien, da kostengünstig, natürlichen Ursprunges, modifizierbar und vielseitig einsetzbar.

Herstellung von Aktivkohle:
Aktivkohle wird traditionell vor allem aus Holz und anderem kohlenstoffhaltigem Material hergestellt:
Ursprung:
Holz,
Braun- und Steinkohle,
Torf,
Fruchtkernen und Nussschalen,
Verwertungen aus bestimmten Recyclinganlagen.

Nachdem das Rohmaterial verkohlt wurde, hat es noch nicht die gewünschte innere Oberflächenstruktur mit seinen geforderten zahllosen Mikroporen. Es muss deshalb noch ein Aktivierungsprozess stattfinden.
Zu diesem Zweck wird das Rohmaterial einer Temperatur von 700 – 1000 °C unter Verwendung von Wasserdampf  und Kohlendioxyd ausgesetzt. Dabei werden teerartige Stoffe gelöst und frei gesetzt und das Kohlenstoffgerüst wird dabei weitgehend frei gelegt. Im Innern des Produktes werden nun die feineren Poren gebildet. Beim Endprodukt entsteht so ein Netzwerk feinster Poren von Makroporen, das sind die Zuleitungsporen (Durchmesser >50 nm) bis zu Mikroporen (Durchmesser 2,0 nm bis 0,4 nm).

Die Aktivkohle-Struktur  kann den Erfordernissen entsprechend durch modifizierte Herstellungsprozesse verändert werden (Porengröße, Netzstruktur, Beschaffenheit der Oberfläche)
um gezielt für bestimmte Stoffgruppen einsetzbar zu sein.
Entsprechend ist das Aktivkohlefiltergut in der Filterleistung zu bewerten und es ergeben sich  unterschiedliche Leistungskriterien.

Beispiele hierzu:
Aktivkohle ist erhältlich in Form von:
Gebrochener Aktivkohle:    vorwiegend zur Wasseraufbereitung
Pellets, Größe 2-4 mm:    vorwiegend zur Luftreinigung
Pulver:    Pulveraktivkohle wird zur industriellen Reinigung von Flüssigkeiten eingesetzt. Anschließend muss das Pulver von der Flüssigkeit mittels Filtration wieder getrennt werden.

Die hier aufgeführten Angaben der Filtereigenschaften haben von daher nur einen verallgemeinerten Aussagewert.
Aktivkohle ist ein günstiges, umweltschonendes Produkt mit hoher Effizienz, produktmodifizierbar und kann prinzipiell regeneriert werden.

Rückhalt von Schadstoffen:
Unter Betrachtung obiger Aussagen wird im „unterschiedlichem Umfang“ zurückgehalten:
Trübstoffe,
Bakterien,
Chlor, Ozon.
Pestizide, werden nach einigen Herstellerangaben gemindert.
In gewissem Umfang Schwermetallrückstände. Z.B.: Ablagerungen aus veralterten Haus-Rohrleitungen.
Rückhalt von Geschmacksstoffen

 

Entsprechend einiger Herstellerangaben sollen einige gelöste organische Substanzen und bedingt einige Medikamentenrückstände in der Konzentration gemindert werden.                                                                                                                                                                             
Die Verifizierung der Aussage des letzten Satzes bezogen auf konkrete organische Substanzen und Medikamentenrückständen  ist wegen der Komplexität der Stoffe vom Autor nicht vollzogen worden.

Aktivkohlefilter werden auch zur Reduzierung von unerwünschten Aromastoffen im Herstellungsprozess von Getränken und Sperituosen wie Wodka und anderen Spirituosen eingesetzt.

Weitere Anwendungsgebiete:
-   Wasseraufbereitung
-   Aquaristik
-   Luftfilter:
    Geruchsstoffsminderung. Beispiel: Küchenfilter. Bakterielle Entkeimung. Beispiel: Klimaanlage  
-   Giftstoffe aus der Luft. Beispiel: Gasmaske, Belüftungsanlagen für Schutzräume.

Gelöste Salzmoleküle werden vom Aktivkohlefilter nicht zurückgehalten.

Lebensdauer:
Da die Filterleistung von Parametern des verwendeten Granulates und auch von dem Verschmutzungsgrad des belasteten Wassers abhängt, ist eine genaue Verwendungsdauer eines für den Hausgebrauch üblichen Aktivkohlefilters schwer bestimmbar.  Für eine exakte Aussage müssten Wasserproben genommen werden. Bei industriell verwendeten Großfiltern geschieht dies. Der Austausch- bzw. die Regenrations- Zeitpunkt von Filtern kann in diesem Fall auch mit Tabellen  von lokalen Erfahrungswerten geschehen.Als „groben Anhaltswert“ für die Leistungsfähigkeit von Aktivkohle für Leitungswasser „im Landesdurchschnitt“  in Deutschland und in den USA geben Firmen einen Schätzwert an von:
1000 Liter Wasser pro 1 Liter Aktivkohle.
Einige Haushaltswasserfilter besitzen deshalb eine wassermengenabhängige Anzeige.

Regenerieren:
Nach einer gewissen Zeit ist der Aktivkohlefilter mit Schadstoffen gesättigt und erreicht seine  Aufnahmegrenze.
Zur Reaktivierung von Aktivkohlefilter zur Wasseraufbereitung sind Temperaturen von 400 bis 800 °C  erforderlich. (Für Luftfilteraktivkohle gilt > 100 °C).
Dabei verdampft ein Teil der Schadstoffe, ein anderer Teil kann verkoken. Durch das Verkoken verliert die Aktivkohle einen Teil seiner Adhäsionsfähigkeit (geringere Oberfläche).

Im industriellen Prozeß wird dann wegen der teilweisen Verkokung die Aktivkohle bei einer nur konstanten Temperaturbeaufschlagung, statt dessen diese dann beispielsweise mittels Heißdampf  in  einem Temperaturwechselverfahren wieder aktiviert.
Chemische Ergänzungsverfahren sind möglich. Bei diesem industriellen Prozess werden wieder neue Mikroporen gebildet, die dann Schadstoffmolekühle aufnehmen können.

Dieses hier beschriebene Verfahren ist aber für kleine Mengen unwirtschaftlich und im privaten Haushalt nicht möglich.
Haushaltsfilter müssen deshalb entsorgt werden.

Vorteile eines Aktivkohlefilters:
-    kostengünstig
-    Filtert bzw. reduziert wesentliche Schadstoffe
-    breiter Anwendungsbereich
-    umweltschonend
-    chemiefrei

 

Gefahrenpotential:
-    Niemals Aktivkohlefilter mit warmem Wasser durchspülen. Warmes oder gar heißes Wasser löst die angelagerten Schadstoffe und man erhält so einen hochprozentigen Cocktail von Schadstoffen anstatt sauberes Trinkwasser. Nur kaltes Wasser für den Wasserzulauf verwenden.
-    Nach längerem, mehrtägigem Nichtgebrauch des Filters (Urlaub) sollte dieser erst kräftig durchgespült werde. Bei Nichtgebrauch kommt es, genauso wie bei stehendem Wasser, zur Keimbildung.
Aktivkohlefilter möglichst täglich im Gebrauch halten, dann erfüllen sie ihren Zweck
für täglich sauberes Trinkwasser.

Wasserfilter Beispiele:
-  Haushaltswasserfilter. Diese sind häufig eine Kombination aus Ionentauscher mit einem Aktivkohlefilter.
Bei diesen entkalkt der Ionenaustauscher das Wasser und die A.- Kohle entfernt geruchs- und geschmacksstörende Stoffe wie z.B. Chlor und reduziert ebenfalls einige der oben beschriebenen Schadstoffe.
Beispiel: 
-  Kaffeemaschinen mit integriertem Wasserfilter
-  Aquarienfilter:
Für Aquarien wird häufig ein Aktivkohlefilter plus Feinfilter einer vorhandenen Umkehrosmoseanlage vorgeschaltet um vor Verunreinigungen und vor Chloreintrag zu schützen.

 

Der Kapitelinhalt Adsorption wurde erarbeitet u.a. mit Verwendung von:
-     http://www.enzyklo.de/suche.php?woord=aktivkohle ,   , (Juli2013)
-     Grundwasser: http://gutmbh.de/AktivkohleVortrag1.htm , (Juli 2013)

 

Weitere Adsorptionsmedien aus der Wasseraufbereitung:

Kieselgur:     
K. zählt neben der Aktivkohle zu den wichtigsten Adsorptionsmedien. Kieselgur auch Diatomeenerde oder Diatomit genannt ist eine weißliche, pulverförmige Substanz die aus fossilen Kieselalgen (Diatomeen) besteht und vor Millionen von Jahren aus fossilen Kieselalgen entstanden ist. K. ist von porenreiche Struktur und eignet sich deshalb hervorragend als Filtrationsmittel zur Wasseraufbereitung. Es besteht zum großen Teil aus Siliziumdioxid (SiO2). Es filtert Trüb- und Schwebstoffe und ist geeignet Bakterien zurück zu halten,
Anwendungen z.B.: Filtermedium und als solches auch in der Getränkeindustrie (Biere), Wärmedämmung, Schleif- Poliermittel, Träger für Düngemittel.

Zeolithe:       
Z. sind Modifikationen von Kieselgur und gelten als Molekularsiebe. Es gibt etwa 48 natürliche und 150 synthetisch hergestellte Zeolithtypen. (Stand 2013) Zeolithe können Wasser und andere niedermolekulare Stoffe aufnehmen und beim Erhitzen wieder abgeben, ohne dass ihre Kristallstruktur dabei zerstört wird. Bekannt geworden sind die Zeolithe u.a. durch ihre Eigenschaft, vorher gebundene Wassermoleküle durch Aufheizen auf 300 bis 500 Grad Celsius oder einer Druckminderung auf 0,013 – 0,006 bar diese wieder abzugeben. Z. lassen sich so wieder reaktivieren.
Zeolithe haben eine sehr große innere Oberfläche von um 600  bis über 1000 qm/g.
Sie sind für viele technische Anwendungen wie zur Trennung von chemischen Substanzen, als Katalysator oder als Wasserenthärter in Waschmitteln geeignet.
Hauptsächliche Anwendungen:
-   als Molekularsieb
-   Trennung und Reinigung von chem. Stoffen im weitesten Sinne
-   Entkalkung, Wasserenthärtung in Waschmittel
-   Trockenmittel
-   Ionenaustauscher

Anthrazit-Spezial:
A.-S. ist ein thermisch behandeltes Filtermaterial (Rohstoff: Anthrazit), das für die Schwimmbadwasseraufbereitung zum Abbau von Chlor, Fluor, Jod und Brom  entwickelt wurde.
Der Abbau der Schadstoffe geschieht durch Einlagerung (Adsorption) als auch durch Zersetzung an den Grenzschichten des Materials.

Aktivtonerde: 
(aktivierte Aluminiumoxyde) Verwendung als Adsobium, innere Oberfläche um 320 -380 m2/g.

Silicagel:        
S.
auch Kieselgel. K. ist bereits seit 1640 bekannt und wird seit Jahrzehnten als Adsorptionsmittel zur Bindung von Dämpfen und Gasen verwendet.
Wegen seiner großen inneren Oberfläche und seiner hygroskopischen (wasseranziehenden) Wirkung eignet es sich besonders als Filter- und  Adsorptionsmaterial sowie als Trockenmittel.
Die maximale Wasseraufnahme des "handelsüblichen" Silicagels beträgt etwa ein Drittel des eigenen Gewichts.
Silicagel liegt vielfach in kleinen Beuteln als Trocknungsmittel für den Endverbraucher sichtbar Warensendungen bei.
Häufig wird dem Silicagel im Herstellungsprozess ein Wasser-Indikator  beigegeben.
Das S. verfärbt sich dann von Trocken mit blauer Farbe zu Rosa bei Sättigung.

Es kann leicht bei 120 bis 150 °C wieder regeneriert werde. Ein Backofen wäre ausreichend.