Aktivkohle: Schwermetallentfernung

Im zweiten Teil einer fünfteiligen Serie über die Anwendungen von Aktivkohle wird der Einsatz von Aktivkohle zur Sequestrierung von Schwermetallen untersucht. Schwermetalle, zum Beispiel Cadmium und Blei, sind bekanntermaßen schwer aus der Lösung zu entfernen und es hat schwerwiegende Folgen, wenn diese in Wasserläufe, Trinkwasser oder ins Meer gelangen. Aktivkohle ist Teil der Lösung.

Einleitung

Schwermetalle sind in vielen Fällen giftig für Pflanzen und Wasserlebewesen. Abflüsse aus Bergbaupraktiken, schlecht bewirtschaftete Abfalldeponien und unterregulierte Industrietätigkeiten können dazu führen, dass Wasserläufe und die daraus resultierenden Böden nicht genutzt werden können. Schwermetalle müssen so schnell wie möglich entfernt werden – um Krankheiten und Umweltschäden vorzubeugen. Der Einsatz eines Aktivkohlefilters ist eine der effektivsten, zuverlässigsten und widerstandsfähigsten Methoden zur Immobilisierung von Schwermetallen. Andere Quellen von Schwermetallen im Wasser sind die Verwitterung von Gebäuden (insbesondere Kupfer und Eisen), Fahrzeugemissionen und von Sanitäranlagen. Die primäre Methode der Filtration ist der Größenausschluss durch Adsorption. Viele Schwermetalle eignen sich aufgrund ihrer komplementären elektronischen Eigenschaften (wie Elektronegativität) und Atomgröße gut für die GAC-Filtration.

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Hinzufügen eines Kohlefilters


Aktivkohlefilter
können auf verschiedene Arten verwendet werden. In-Line-Filtration als Teil einer industriellen Behandlungsstrategie oder als Nachbehandlungsmethode, bei der stagnierendes oder anderweitiges Abwasser vor einer anderen Verarbeitung durch einen Aktivkohlefilter geleitet wird. Es ist wichtig zu beachten, dass in der Regel eine andere Verarbeitung erforderlich ist, um die Eignung des Wassers für die Rückkehr in Flüsse oder das Meer sicherzustellen. Dies geschieht auf traditionelle Weise, genau wie häusliches Abwasser behandelt wird.

Industrieabfälle sind die Hauptquellen für Schwermetallkontaminationen. Chrom(iii)-Ionen sind ein häufiges Merkmal im Abwasser von Gerbereien. Aufgrund der Prävalenz ihrer Standorte in den Entwicklungsländern könnte eine gewisse Wasseraufbereitung in der Vergangenheit schlecht gewesen sein. In der Forschung wurde gezeigt, dass zwei Arten von kommerzieller granulierter Aktivkohle 98,6 und 93% des im Abwasser vorhandenen Chroms entfernen(1). Diese hohe Erfolgsquote wird direkt auf die Oberfläche zurückgeführt.

Das Vorhandensein von Eisen und Mangan im Grundwasser stellt ähnliche Probleme dar wie Chrom. Solches Grundwasser sieht aufgrund der Oxidation oft rötlich aus. Wenn das Grundwasser mit körniger Aktivkohle behandelt wurde, wurde das Wasser in nur sechs Stunden bei Raumtemperatur fast vollständig klar, wobei der GAC Berichten zufolge bis zu 3,60 bzw. 2,55 mg Eisen und Mangan pro Gramm Kohlenstoff entfernte(2). Fe und Mn eignen sich aufgrund ihrer Elektronegativitäten und Atomradien besonders für die Entfernung über GAC.

Zu den gefährlicheren Stoffen gehören Cadmium und Blei. Simulationsstudien zu ihrer Entfernung haben gezeigt, dass die Verwendung von GAC wirksam ist, wenn sie in einer Festbettsäule eingesetzt wird (die eine konstante Filtration in der Linie replizieren soll) mit nahezu vollständiger Entfernung(3). Durch die Anwendung dieser Ideen in der realen Welt konnten die Forscher zeigen, dass GAC neben Kupfer und Chrom auch Cadmium und Blei aus Flusssedimenten immobilisieren und damit entfernen kann. Die Forscher stellten fest, dass die ideale Porengröße für dieses reale Beispiel im Bereich von 0,075 - 0,18 mm lag. Wie andere Forschungen stellten die Autoren die Hypothese auf, dass eine Kombination aus hoher Porosität und kompatiblen elektronischen Eigenschaften entscheidend für die effektive Entfernung war(4).

Wenn GAC auf andere Kohlenstofftypen wie Kohlenstoffnanoröhren und kohlenstoffverkapselte magnetische Nanopartikel abgeschieden wird, kann es auch Kobaltionen wirksam aus der Lösung entfernen. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass die Pfropfung auf andere Kohlenstofftypen für GAC von Vorteil ist, aber die Zugabe von GAC zu Nanoröhren würde beispielsweise das Adsorptionsverhalten dieser Nanoröhren nicht erhöhen(5). Ungeachtet dessen stellen die Autoren eindeutig fest, dass die Partikelgröße der Verunreinigung ein wichtiger Schiedsrichter dafür ist, ob sie durch Filtration entfernt werden kann oder nicht.

Wasserreinigungsprozess
Wassertröpfchen, die auf Wasser treffen

Granulierte Aktivkohlefilter in biologischen Umgebungen

Schwermetalle neigen dazu, nicht gut mit biologischen Systemen zu spielen (mit Ausnahme der direkt Beteiligten, natürlich) und daher ist ihre Entfernung der Schlüssel.

Die Verwendung biologischer Systeme zur Verbesserung der Entfernung mit GAC wurde bei der Verwendung von Hefe gezeigt. Diese Kombination GAC-Biosorbens hat sich als wirksam bei der Entfernung von Cadmium, Kupfer und Zink aus Lösung erwiesen. Bei Verwendung des kombinierten heterogenen GAC-Hefe-Alginat-Filters werden etwa 90% der Metallionen aus der Lösung entfernt(6). Weitere Bioadsorptionsverfahren mit körniger Aktivkohle haben sich als geeignet erwiesen, verschiedene Schwermetalle aus primär behandelten Abwässern zu entfernen. Eine GAC-Dosis von 5 g L-1 war für 54 % bzw. 96 % der Schadstoffentfernung durch Adsorption bzw. Bioadsorption verantwortlich(7).

Blei- und Nickelionen können über einen Sequenzierreaktor mit Bioschlamm und körniger Aktivkohle aus wässriger Lösung und Abfluss entfernt werden. Dieses Verbundsystem ähnelt in vielerlei Hinsicht einem Festbettreaktor, unterscheidet sich jedoch in seiner Heterogenität und Betriebstemperatur. Interessanterweise wurde die Adsorption von Verunreinigungen mit einer längeren hydraulischen Verweilzeit erhöht. D.h. je länger im Filter verweilt, desto besser ist die Entnahme. Dies ist bis zur Gesamtkapazität des Filters zu erwarten. Mehr als 800 bzw. 750 mg Nickel bzw. Blei werden pro Gramm Aktivkohle-Bioschlamm-Verbund leicht entfernt. Metallionen wurden anschließend durch Behandlung mit verdünnter Salpetersäure aus dem Verbundfilter gewonnen. (8).

Granulierte Aktivkohle kann aus nichtkommerziellen Mitteln bezogen werden, und solche Aktivkohle, die aus Aprikosenstein hergestellt wurde, ist bei einer Reihe von Schwermetallen wirksam. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass GAC aus nichtkommerziellen Quellen unter mangelnder Homogenität leidet und dazu neigt, einen definierteren pH-Bereich zu benötigen, um effektiv arbeiten zu können(9).

Modifikationen am traditionellen Aktivkohlefilter-Setup

Wie oben ausführlich diskutiert, ist die Tatsache, dass Aktivkohle eine große Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen besitzt, der Schlüssel zu ihrer Fähigkeit, Schwermetalle aus Lösung zu adsorbieren. Die Fähigkeit eines Chemikers oder Ingenieurs, Oberflächenmodifikationen an körniger Aktivkohle durchzuführen - also die Oberflächeneigenschaften durch eine chemische Reaktion oder physikalische Behandlung zu verändern - um die bereits etablierten Eigenschaften weiter zu verbessern, stellt eine spannende Entwicklung dar. Faktoren wie größere Oberfläche, größere chemische Inertheit und noch stärkere mechanische Festigkeit sind gängige Eigenschaften(10) für die Abwasserbehandlung.

Beispiele sind, wo Forscher versuchten, den Säuregehalt an der Oberfläche der Aktivkohle zu erhöhen. Durch einen Prozess der Salpetersäuresäuerung, dem eine Entaschelung vorausging und eine Behandlung bei 1.273 K folgte, stellten sie fest, dass die Adsorption von Schwermetallen einschließlich Cadmium viel stärker war, während die Adsorption von Aromaten schlechter war(11). Andere solche Leistungssteigerungen wurden mit granulierter Aktivkohle festgestellt, die durch Mikrowellenbehandlung, Dampfaktivierung und Ultraschallbehandlung modifiziert wurde. Jede dieser Maßnahmen hat sich im Labor als wirksam erwiesen, um das Entfernungsprofil für bestimmte Schwermetalle und ihre Verbindungen zu verbessern(12).

Ein Paradebeispiel für das einfachere Ende der Oberflächenmodifizierung ist die Behandlung eines körnigen Aktivkohlematerials mit Zitronensäure. Die Forscher fanden heraus, dass eine bescheidene Dotierung die Aktivkohleoberfläche um 34% vergrößerte und ihre Kupferadsorptionskapazität auf fast 15 mg Cu pro g erhöhte(13), etwa 140% besser als der unmodifizierte Kohlenstoff. In ähnlicher Weise wurde die Entfernung von Schwermetallionen aus wässriger Lösung beschleunigt, wenn mit Natriumsulfid behandelte körnige Aktivkohle als Adsorptionsmittel zur Entfernung von Quecksilber, Blei und Nickel verwendet wurde(14). Interessanterweise zeigte diese Studie, dass die Adsorption in diesem Fall überhaupt nicht temperaturabhängig war. Die Säure- und Basenbehandlung ist eine beliebte Wahl, wobei die Vorbehandlung von GAC mit 1,0 M Salpetersäure und Kaliumhydroxid eine verbesserte Adsorption über eine Vielzahl von Schwermetallen, insbesondere Cadmium und Kupfer, zeigt(15).

Während die Oberflächenmodifizierung von körniger Aktivkohle immer beliebter wird, sollte beachtet werden, dass sie zusätzliche Kosten und Komplexität verursacht. Darüber hinaus stellt sich das Problem, wie die für die Behandlung verwendeten Chemikalien selbst entsorgt werden sollten. Eine umfassendere Untersuchung von Kosten und Nutzen sollte in Betracht gezogen werden(16).

Wasseraufbereitungsanlage
sauberes gefiltertes Wasser wird gegossen

Beratung von Manganoxid

  • Granulierte Aktivkohle ist ein hervorragendes Material für die Filtration einer Vielzahl von Materialien und Verunreinigungen aus Wasser
  • Zu den schädlichsten Schadstoffen, die bei Aktivitäten wie dem Bergbau auftreten, gehören Schwermetalle. Eisen- und Manganrückstände werden durch GAC-Filtration leicht entfernt
  • Deutlich toxischere (damit problematischere) Schwermetalle stellen eine größere Gefahr dar und werden durch GAC-Filtration auch aus stehendem oder fließendem Wasser entfernt.
  • Die Kombination der GAC-Filtration mit biologischen Systemen wie Hefe kann einen noch effektiveren Filtrationsweg für einige der am schwierigsten zu isolierenden Verunreinigungen bieten
  • GAC kann an der Oberfläche leicht modifiziert werden, beispielsweise durch Ansäuerung, was dazu beitragen kann, die Oberflächeneigenschaften von GAC zu modulieren, um noch breitere Anwendungsfälle zu haben.
Topf gefüllt mit gefrästen Anthrazit

Verweise

1 N. F. Fahim et al., J. Hazard. Mater., 2006, 136, 303

2 A.bin Jusoh et al., Desalination, 2005, 182, 347

3 L. S. Shiung et al., Desalination, 2007, 206, 9

4 W.-F. Chen et al., Env. Sci. Verschmutzung Res., 2016, 23, 1460

5 M, Bystrzejewski et al., Kolloide und Surfen. Sci. pro, 2010, 162, 102

6 E. Wilkins und Q. Yang, J. Env. Sci. und Gesundheit A, 1996, 31, 2111

7 H. H. Ngo et al., Bioresource Tech., 2008, 99, 8674

8 S. Sirinantapiboon et al., Bioresource Tech., 2007, 98, 2749

9 E. Demirbas et al., Bioresource Tech., 2005, 96, 13

10 W. S. Chai et al., J. Cleaner Prod., 2021, 296, 126589

11 M. Machida et al., Appl. Brandung. Sci., 2007, 8554

12 A. Khalil et al., J. Wasser Proc. Eng., 2021, 102221

13 J. P. Chen et al., Carbon, 2003, 41, 1979

14 G. K. Mishra et al., JSIR, 2010, 69, 449

15 S. H. Kwon et al., J. Ind. Eng. Chem., 2008, 14, 131

16 S.-J. Park et al., Beschichtungen, 2019, 103