Aktivkohle als Filtermaterial

Aktivkohlefilter haben einen ähnlichen Aufbau wie Sandfilter.

Das Hauptanwendungsgebiet von Aktivkohlefilter ist die Entfernung von unpolaren Wasserinhaltsstoffen, wie Mineralöl und organische Verbindungen (d.h. BTX, PAK und Chlorphenole). Die Aktivkohle muß in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden und kann in einigen Fällen regeneriert werden.

Prozessbeschreibung:

Wasser wird in eine Säule gepumpt, die mit Aktivkohle gefüllt ist. Dieses Waser verlässt die Säule über ein Entwässerungssystem. Die Funktionalität einer Aktivkohlesäule hängt von der Temperatur und den Substanz-
eigenschaften ab. Wasser durchläuft die Säule gleichmäßig, was zu einer Anlagerung von Substanzen auf dem
Filter führt. Deshalb muss der Filter regelmäßig ausgetauscht und regeneriert werden. Ein benutzter Filter kann
auf verschiedene Weise regeneriert werden.
Granulierter Kohlenstoff kann leicht durch Oxidation des organischen Materials regeneriert werden. ( Nach Regenerierung
nimmt die Leistungsfähigkeit der Aktivkohle um 5-10% ab ). Ein geringer Anteil der Aktivkohle geht bei dem Prozess ebenfalls verloren und muss ersetzt werden. Wenn Sie mit verschiedenen, in Reihe geschalteten Säulen arbeiten, können Sie sicher sein, dass Sie nie eine vollständige Beladung bzw. Ausschöpfung Ihrer Reinigungsanlage haben werden. Hinter die Aktivkohle- Säule schalten wir normalerweise zusätzlich eine UV- Desinfektionseinheit.

Beschreibung der Adsorption:

Moleküle von Gasen oder Flüssigkeiten werden aufgrund physikalischer Kräfte an eine Oberfläche gebunden, in diesem Fall ist es die Oberfläche von Aktivkohle. Der Adsorptionsprozess findet in 3 Stufen statt:

• Makro- Transport: Die Bewegung von organischen Material durch das Makroporensystem der Aktivkohle
  (Makropore >50 nm)

• Mikro- Transport: Die Bewegung von organischen Material durch das Meso- und Mikroporensystem der Aktivkohle (Mikropore < 2nm; Mesopore 2-50 nm)

• Sorption: Die physikalische Bindung von organischen Material auf der Oberfläche von Aktivkohle in den Meso- und Mikroporen der Aktivkohle

Die Leistungsfähigkeit der Adsorption basiert auf der Konzentration der Substanzen im Wasser, der Polarität sowie der Temperatur der Substanzen. Eine polare Substanz (= ein Stoff, der gut wasserlöslich ist) kann nicht oder nur sehr schlecht von Aktivkohle adsorbiert werden. Eine unpolare Substanz kann vollständig von Aktivkohle absorbiert werden. Jede Art von Kohlenstoff hat eine eigene Adsorptionsisotherme (Abbildung 1). In der Wasserbehandlung ist diese Isotherme definiert durch die "Freundlich-Funktion".

Die "Freundlich-Funktion" :
x/m = adsorbierte Substanzmenge pro Gramm Aktivkohle
Ce = Konzentrationsdifferenz (vor und nach Adsorption)
Kf = Freundlich-Verteilungskoeffizient
n = Freundlich-Exponent

Die 2. Grafik der Aktivkohle (Abbildung 2) zeigt die Beladung des Filters.

Was ist der Unterschied zwischen Adsorption und Absorption?

Wenn eine Substanz auf einer Oberfläche anhaftet, handelt es sich um eine Adsorption. In diesem Fall wird die Substanz an der innenliegenden Aktivkohle-Oberfläche gebunden. Wenn eine Substanz in einen Stoff/Medium eindringt und nicht nur an der Oberfläche verbleibt, dann spricht man von Absorbtion. Wenn z.B. ein Gas in Lösung geht, wird es absorbiert.

	Abbildung 1 zeigt eine spezifische Adsorptionsisotherme für Aktivkohle. Auf der horizontalen Achse befindet sich die Konzentration und auf der vertikalen Achse die benötigte Menge an Aktivkohle. Mit Hilfe der Isothermen können Sie Ihre Säule optimieren. Quelle Abbildung 1: http://www.aapspharmscitech.org/scientificjournals/ pharmscitech/volume2issue1/056/manuscript.htm
	Abbildung 2 zeigt die Belastung des Filters während des Gebrauchs. Am Punkt C3 beginnt der Filterdurchbruch und nahe C4 wird nichts mehr adsorbiert, die Säule reinigt nicht mehr. Zwischen Punkt C3 und C4 müssen Sie die Aktivkohle-Säule regenerieren. Quelle Abbildung 2: http://www.activated-carbon.com

Faktoren, welche die Aktivität von Aktivkohle im Wasser beeinflussen:

• Die Art von Verbindung, welche entfernt werden soll: Verbindungen mit hohen Molekulargewicht und geringer Löslichkeit werden besser adsorbiert.
  
• Die Konzentration der Verbindung, welche entfernt werden soll: Je höher die Konzentration, desto größer ist die Aufnahme durch die Aktivkohle.
  
• Das Vorhandensein anderer organischer Komponenten, welche um die verfügbaren Adsorptionsstellen der Aktivkohle konkurrieren.
  
• Der pH- Wert des zu reinigenden Wassers. Zum Beispiel, ätzende Verbindungen werden besser bei niedrigem pH- Wert entfernt.

In Bezug darauf können wir einige Chemikalien nach ihrer Wahrscheinlichkeit einteilen, im Wasser durch Aktivkohle effektiv adsorbiert zu werden.

1.- Chemikalien mit sehr hoher Adsorbtionswahrscheinlichkeit :

2.- Chemikalien mit hoher Adsorbtionswahrscheinlichkeit :

3.- Chemikalien mit mittlerer Adsorbtionswahrscheinlichkeit*:

*(für diese Chemiaklien ist Aktivkohle nur begrenzt einsetzbar)


4.- Chemikalien mit geringer Adsorbtionswahrscheinlichkeit bzw. welche nicht für eine Adsorption mit Aktivkohle geeignet sind. Jedoch ist diese in einigen Fällen durchführbar, z.B. wenn ein geringer Durchfluss bzw. eine geringe Konzentration vorhanden ist.

1) Quelle: Wastewater Engineering; Metcalf & Eddy; third edition; 1991; page 317