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02.02.2021

Neues Aktivkohleverfahren zur Elimination von Spurenstoffe auf Kläranlagen

ZeroTrace, ein neues ganzheitliches Komposit-Aktivkohleverfahren mit elektrischer Regeneration soll Spurenstoffe effizient auf Kläranlagen aus dem Abwasser entfernen. Entwickelt hat das Verfahren das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Als Ausgangsstoff für ihr Verfahren setzen die Wissenschaftler auf Aktivkohlen aus nachwachsenden Materialien wie Holz oder Kokosnuss in granulierter Form. Derartige Pellets können im Gegensatz zu Aktivkohlepulver bei sehr hohen Temperaturen reaktiviert, dadurch von den adsorbierten Stoffen befreit und wiederverwendet werden. Dies soll direkt vor Ort auf der Kläranlage erfolgen. Zum Einsatz kommt die physikalische Wirkung von elektrischen Feldern, wie sie beispielsweise schon für die Gasreinigung angedacht worden war, dort aber aus Kostengründen nicht weiterentwickelt wurde. Heute kann aber zunehmend der fluktuierende Stromanfall aus regenerativen Energien genutzt werden, die Forscher gehen davon aus, dass bei Stromspitzen Strom zu niedrigen Kosten verfügbar ist. Die Idee hinter dem neuen Verfahren, basierend auf der sogenannten Electric Field Swing Adsorption (EFSA), ist es, die Kohlen elektrisch so zu erhitzen, dass die Schadstoffe auf den Kohlen desorbieren oder schlichtweg verbrennen. Damit dies funktioniert, müssen sowohl die Aktivkohlen als auch der Reaktor bestimmte Voraussetzungen erfüllen. So müssen die verwendeten Aktivkohlen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, damit genug Strom durch sie hindurchfließen kann. Trotzdem muss der Materialwiderstand groß genug sein, dass sie sich dabei ausreichend erhitzen. Die Wissenschaftler haben hierfür eigene Komposit-Aktivkohlen entwickelt. Dem Grundmaterial Holzkohlenmehl mischten sie Graphit bei und erzielten dadurch eine elektrische Leitfähigkeit, die bei gleichbleibender Adsorptionsfähigkeit dreimal so hoch ist wie bei herkömmlichen Aktivkohlen. Bei der Reaktorkonstruktion bestand die Schwierigkeit darin, diesen so zu bauen, dass er auch hohen Temperaturen von bis zu 650 °C standhält. In Bezug auf die Funktionsweise setzen die Wissenschaftler auf eine kontinuierliche Regeneration: Die Idee ist, dem Becken laufend über ein Förderband kleine Aktivkohlemengen zu entnehmen, diese zu regenerieren und wieder zurückzuführen. Dazu reicht dann ein verhältnismäßig kleiner Reaktor aus, weil sich nie alle Aktivkohlen gleichzeitig darin befinden und der Regenerationsprozess nur ein paar Minuten dauert. Da sich die Aktivkohlen im Reaktor selbst nicht bewegen, ist der Verschleiß gering. Die selbst hergestellten Komposit-Aktivkohlen konnten bei Tests auf der Partnerkläranlage Wuppertal-Buchenhofen bereits erfolgreich mit Spurenstoffen beladen werden. Das Regenerationsverfahren führten die Forschenden an einem Protypenreaktor mit einem Fassungsvermögen von 40 bis 50 Litern außerhalb des Kläranlagengeländes durch und erzielten dabei erfreuliche Ergebnisse. Nach einer fast dreijährigen Projektphase ziehen die Wissenschaftler ein positives Fazit: Die Tests haben gezeigt, dass das Verfahren ressourcenschonend und dabei gleichzeitig wirtschaftlich und konkurrenzfähig ist.

Die hergestellten Komposit-Aktivkohlen weisen im Vergleich zu herkömmlichen granulierten Aktivkohlen eine dreifach höhere elektrische Leitfähigkeit auf. (Foto: Fraunhofer UMSICHT)

Dr.-Ing. Ilka Gehrke, Abteilungsleiterin Umwelt und Ressourcennutzung, Fraunhofer UMSICHT

ilka.gehrke@umsicht.fraunhofer.de

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