Aktivkohle: Entsalzungsanwendungen

Der erste Teil einer fünfteiligen Serie über die Anwendungen von Aktivkohle, die Entsalzung, wird hier besprochen. Da bestimmte Teile der Welt ständig unter einer schlechten Trinkwasserversorgung leiden, ist das Konzept der Entsalzung attraktiv. Moderne Methoden zur Entfernung des Salzes aus Meerwasser sind teuer und energieintensiv. Die Verwendung von Aktivkohle kann dazu beitragen, einige dieser Bedenken zu lindern.

Aktueller Stand der Technik

Sie ist nicht nur für die Erhaltung des Lebens unerlässlich, sondern auch für den anhaltenden Erfolg und die Stabilität eines Landes von entscheidender
Bedeutung, sondern
auch für den anhaltenden Erfolg und die Stabilität eines Landes. Da die globale Erwärmung steigende Temperaturen verursacht, die zu Dürren und damit zur Dehydrierung von Menschen und Tieren und zu Ernteausfällen führen, war die Aufrechterhaltung einer stetigen Versorgung mit sauberem Wasser noch nie so wichtig wie heute. Moderne Entsalzungsanlagen verwenden Meerwasser (das reichlich vorhanden ist) und produzieren durch einen Prozess der Filtration durch Größenfilter, Membranen und andere saubere, trinkbare Vorräte. Meerwasser kann bis zu 35 g L-1 gelöste Feststoffe enthalten(1).

Der führende Entsalzungsanlagentyp ist die Umkehrosmoseanlage. Dadurch wird sauberes Wasser über eine teilweise durchlässige Membran von einem Ort mit hoher Salzkonzentration zu einem niedrigen Ort gedrückt. Dabei wird elektrische Energie verbraucht. Es entfernt auch andere Ionen und Verunreinigungen aus dem Salzwasser. Die Effizienz geht jedoch verloren, wenn diese Membranen verstopft oder zum Beispiel durch Schadstoffe, Organismen und Mikroplastik blockiert werden. Moderne Umkehrosmoseanlagen arbeiten nur mit einem Wirkungsgrad von etwa 30%, daher ist die Notwendigkeit einer Vormembranfiltration von entscheidender Bedeutung.

Moderne Umkehrosmoseanlagen verwenden eine schrittweise Filtration vor der durchlässigen Membran, um einen möglichst effizienten Prozess zu gewährleisten. Mit der Idee, Feststoffansammlungen am Membranstandort zu reduzieren, kann der Energiebedarf reduziert werden. Beliebte Optionen für Filtrationsmedien sind Anthrazit, Sand und körnige
Aktivkohle
. Solche Filtrationspfade können im Laufe des Jahres eine Verbesserung der Wasserrückgewinnung um 35% im Vergleich zu keiner Filtration ermöglichen. Solche Multimediafilter können bis zu 40 Kubikmeter Meerwasser pro Stunde verarbeiten - oft entstehen etwa 10 Kubikmeter Trinkwasser(2).

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Hinzufügen von GAC als Vorumkehrosmosefilter

Genau wie bei Anthrazit ist der Einsatz von GAC als Präosmosefilter üblich. Oft werden diese nebeneinander eingesetzt, um eine möglichst umfassende Filtration zu ermöglichen - vorteilhaft, um den Filter weiter zu schützen, praktisch, da sowohl GAC als auch Anthrazit hochbelastbare Materialien sind. Ein solches Beispiel für die gemeinsame Verwendung ist, wenn die Gesamtsystemeffizienz verbessert wurde, indem der GAC gelöste organische Materialien effektiv (um bis zu 70 %) und cTEP (um bis zu 90 %) entfernte, wobei die Gesamteffizienz durch eine begrenzte Verringerung der Permeabilität verbessert wurde(3). Bei Verwendung als Teil einer Ultrafiltration sind die Effizienzgewinne noch größer.

Zur Entfernung von bakteriellen Rückständen wurden GAC und Anthrazit in einer konkurrierenden Studie verwendet. Es wurde festgestellt, dass beide als Vorbehandlung für die Meerwasserentsalzung in Fällen, in denen dieses Meerwasser bakterienreich war, sehr wirksam sind. In einer festen Bettsäule mit einer Betttiefe von 1 m waren beide ebenso wirksam, aber Anthrazit neigte dazu, eine stärkere bakterielle Agglomeration an der Oberseite des Filterbetts zu ermöglichen(4). Tatsächlich gilt die Verwendung von GAC als Teil des Vormembranfiltrationssystems seit langem als wirksam gegen biologische Materialien(5).

Einer der Hauptvorteile von GAC als Vormembranfilter ist seine Fähigkeit, die erforderliche Dosis an Flockungsmitteln zu reduzieren. GAC ist in der Lage, mehr als 70% der niedermolekularen Verbindungen - sowohl neutral als auch sauer - zu entfernen, was die Biofoulbildung der Membran reduziert. In herkömmlichen Systemen ist normalerweise eine Dosis Eisenchlorid und Polyeisensulfat (3 bzw. 2 mg L-1 ) erforderlich, um die Entfernung organischer Rückstände durch Flockung sicherzustellen. Die Verwendung von GAC als Filter reduziert die Menge an Eisenchlorid und -sulfat konsequent auf etwa 1 mg L-1 und reduziert so Kosten und Komplexität(6).

Die mikrobielle Aktivität im GAC-Biofilter ist kein Problem. GAC reduziert die Menge an Biofoulants durch Adsorption und biologischen Abbau, wobei biologisches Material auf dem Filter wünschenswert ist, da diese zum Abbau anderer Schadstoffmoleküle führen können(7). GAC-Biofilter führen konsequent zu einer Verringerung der Konzentration von transparenten Exopolymerpartikeln und assimilierbarem organischem Kohlenstoff.

Selbst ölkontaminiertes Meerwasser ist mit GAC behandelbar. Natürlich ist es schwieriger und große Einsätze sollten die Verwendung anderer Materialien in Betracht ziehen, um Öl zusätzlich zu entfernen, aber Untersuchungen haben gezeigt, dass die GAC-Filtration bis zu 98% des gelösten organischen Kohlenstoffs aus verwittertem ölkontaminiertem Meerwasser entfernen kann(8). Dies stellt eine beeindruckende Verbesserung gegenüber dem dar, was mit der Eisenchlorid-Flockung allein möglich ist, die nur ein Viertel des gelösten organischen Kohlenstoffs entfernen konnte.

Insgesamt kann ohne Zweifel gesagt werden, dass GAC ein wirksamer Vor-Umkehrosmose-Membranfilter-Behandlungsweg ist, der eine angemessene bis ausgezeichnete Entfernung von gelösten organischen Verbindungen, Bakterien und anderen gewährleistet, um die Membran zu schützen.

Eine weitere Deionisationsmethode ist die kapazitive Deionisation der Membran, bei der Flüssigkeiten in kleinem Maßstab elektrolyseartig entionisiert werden. Während sich ein Großteil der Aufmerksamkeit auf die Identitäten der Elektroden selbst konzentriert, ist die Identität des Materials, das sie trennt, nicht. Gängige Materialien sind Edelstahlfasern und Filterpapier. GAC übertrifft diese bei der Entsalzung deutlich. GAC ist in der Lage, mit einer Rate von 513,4 mg L-1 h-1 zu entsalzen, während für die traditionellen Materialien Werte von 374,1 bzw. 297,9 mg L-1 h-1 beobachtet wurden(9).

Sauberes Wasser gießen nach Filterung durch Glasfiltermedien

Erforderliche Überlegungen

GAC ist keine Wunderwaffe und wird oft aus gutem Grund zusammen mit anderen Behandlungsmethoden verwendet. Studien haben gezeigt, dass GAC zwar überwältigend wirksam ist wie eine Vormembranbehandlung, aber möglicherweise nicht so wirksam gegen Verunreinigungen wie niedermolekulare Humics-Moleküle, die an Polysaccharide und Proteine gebunden sind(10). Glücklicherweise ist GAC auf den meisten anderen Linien wirksam, einschließlich und insbesondere biologisch abbaubarer Stoffe und anderer organischer Stoffe, die ohnehin die meisten Verunreinigungen darstellen, die für die Verschmutzung verantwortlich sind.

Beispiele aus der Praxis

Während umfangreiche Labortests nützlich sind, kann nichts die in der realen Welt gesammelten Erfahrungen übertreffen. GAC wird an mehreren Orten auf der ganzen Welt als Teil eines umfassenden Entsalzungsprogramms eingesetzt. Auf Curacao auf den Niederländischen Antillen wird GAC verwendet, um Borarten zu immobilisieren, nachdem sie die Umkehrosmosemembran passiert haben. Als karibische Insel ist Curacao für einen großen Teil seines Trinkwasserbedarfs auf Umkehrosmose angewiesen. Das GAC der Curacao-Anlage ist für die Entfernung von Borgehalten bis unter den gesetzlichen Grenzwert von 0,3 mg L-1 verantwortlich, und dieser Prozess liefert 50% des Wassers der Insel(11).

Brackwasser in den Einzugsgebieten der Flüsse Llobregat und Ter - in der Nähe von Barcelona - enthält erhöhte Mengen an natürlichen organischen Stoffen und Trihalomethanen. Die GAC-Filtration wird im Vorfeld eines Elektrodialyseumkehrentsalzungsprozesses eingesetzt. Im Gegensatz zur Umkehrosmose besteht das Hauptziel nicht darin, eine Membran an sich zu schützen, sondern die Entfernung von Halogenalkanen und organischen Rückständen bedeutet, dass der Elektrolyseur unter viel geeigneteren Bedingungen arbeiten kann(12). Die Anlage ist in der Lage, 2,3 m3 s-1 Trinkwasser für die 4,5 Millionen Einwohner zu produzieren, die darauf angewiesen sind.

Besser anwendbar für die Entwicklungsländer ist die solare Entsalzung. Dies ist auch nicht membranbasiert und kann als eine gröbere - aber robustere - Methode beschrieben werden. Da ein solares Entsalzungssystem auf kochendes und kondensierendes Wasser angewiesen ist, ist es unerlässlich, dass die einzigen Dinge, die Wasser enthält, Wasser und Salz sind. Granulare Aktivkohle wird als Weitbereichsfilter verwendet, um eine Vielzahl von Verunreinigungen zu entfernen. Dieser poröse Adsorptionsfilter führt zu einer besseren Solarleistung, niedrigeren Betriebskosten und geringeren Gesamtemissionen(13).

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Beratung von Manganoxid

  • Granulierte Aktivkohle ist ein weit verbreiteter und nützlicher Filter für eine Vielzahl von Anwendungen
  • Aufgrund seiner Porosität und einzigartigen Oberflächenchemie findet es Verwendung in Entsalzungsanwendungen als Teil des Vorbehandlungswegs, oft neben Materialien wie Anthrazit und Sand.
  • Entsalzung ist eine der am besten untersuchten und am weitesten verbreiteten Methoden zur Sicherstellung der Versorgung mit sauberem Wasser
  • Als Vorbehandlung schützt GAC die Umkehrosmose-Filtermembran und stellt sicher, dass sie unvermindert und ungestört von Molekülen betrieben werden kann, die nicht aus Salz und Wasser bestehen.
  • Durch einen Vorbehandlungsprozess wird weniger Energie für die Umkehrosmose benötigt und die Membran hält länger - dadurch wird bis zu 35% mehr Trinkwasser produziert
  • Die Verwendung von GAC als Vormembranfilter wird heute erfolgreich auf den Niederländischen Antillen zur Umkehrosmose und in Spanien zur umgekehrten Elektrodialyse-Entsalzung eingesetzt.
  • Es ist auch nützlich bei der kapazitiven Deionisation der Membran und übertrifft herkömmliche Trenntechnologien
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Verweise

1 S.-H. Kim et al., Entsalzung und Wasseraufbereitung, 2011, 32, 339

2 Department of the Army, Water Desalination Technical Manual, Washington, D.C., 1986

3 S. Laborie et al., Entsalzung, 2016, 383, 1

4 G. Naidu et al., Ökolog. Eng., 2013, 60, 370

5 S. Vigneswaran et al., Desalination, 2009, 247, 77

6 S. Vigneswaran et al., Entsalzung, 2014, 354, 9

7 S. Vigneswaran et al., Entsalzung, 2013, 309, 254

8 W.-H. Kim und M. Okada, Kor. J. Wasser Env., 2004, 20, 447

9 P. Liang et al., Entsalzung, 2016, 381, 95

10 C. G. Dosoretz et al., Water Res., 2008, 42, 1595

11 V. Bonnélye et al., Entsalzung, 2007, 205, 200

12 F. Valero und R. Arbós, Desalination, 2010, 253, 170

13 G. B. Abdelaziz et al., Prozesssicherheit Umwelt. Schutz, 2021, 147, 1052