Nachhaltige Aktivkohleverfahren

Um Mikroschad­stoffe wie Arzneimit­tel­rück­stände aus Abwass­er zu eli­m­inieren, kommt in Kläran­la­gen häu­fig Aktivkohle zum Ein­satz, die meist aus fos­siler Steinkohle hergestellt wird. Im Ver­bund­pro­jekt »Zero­Trace« will Fraun­hofer UMSICHT nun Adsorp­tion­s­ma­te­ri­alien aus nachwach­senden Aus­gangsstof­fen entwick­eln, die ort­snah regener­iert wer­den und in kom­mu­nalen und indus­triellen Kläran­la­gen imple­men­tiert wer­den kön­nen. Das Pro­jekt ist im Feb­ru­ar offiziell mit einem Auf­tak­t­tr­e­f­fen der sieben Pro­jek­t­part­ner an der Kläran­lage Wup­per­tal-Buchen­hofen gestartet.

Weltweit sind 50 Mil­lio­nen organ­is­che Verbindun­gen im Wass­er im Umlauf, von denen 5000 als poten­ziell umwel­trel­e­vant eingestuft wer­den. So sind die Ab- und Gewäss­er in Deutsch­land mit Mikroschad­stof­fen wie Arzneimit­tel­rück­stän­den, Pflanzen­schutzmit­teln oder Schw­er­met­allen belastet, die über die Land­wirtschaft, Indus­trie und die Entwässerung von Wohn- und Indus­triege­bi­eten in Grund- und Trinkwass­er gelan­gen. Mikroschad­stoffe sind schw­er abbaubar und kön­nen trotz ihrer gerin­gen Konzen­tra­tion tox­isch wirken. Um die Sub­stanzen zu ent­fer­nen, wer­den in Kläran­la­gen häu­fig Aktivkohle­filter einge­set­zt, die die organ­is­chen Stoffe an ihrer Ober­fläche binden. Die für den Prozess gebrauchte Aktivkohle wird anschließend entwed­er entsorgt oder in zen­tralen Ver­bren­nungsan­la­gen regeneriert.

Ein Nachteil dieses Ver­fahren ist, dass der über­wiegende Anteil an Aktivkohle aus Steinkohle gewon­nen wird – einem fos­silen und nicht nachwach­senden Rohstoff. Gle­ichzeit­ig find­et die Regen­er­a­tion der Aktivkohle derzeit unter hohem ener­getis­chen und logis­tis­chen Aufwand statt. Vor diesem Hin­ter­grund möchte das Fraun­hofer Insti­tut für Umwelt‑, Sicher­heits- und Energi­etech­nik UMSICHT unter der Pro­jek­tleitung des Wup­per­ver­bands gemein­sam mit Part­nern aus Indus­trie und Forschung im Pro­jekt »Zero­Trace« Aktivkohlen entwick­eln, die aus regen­er­a­tiv­en Rohstof­fen wie Kokos­nusss­chalen hergestellt wer­den und in großen Men­gen preiswert ver­füg­bar sind. »Die Aktivkohle soll außer­dem effizient regener­ier­bar sein sowie möglichst viele Arten von Mikroschad­stof­fen ent­fer­nen«, sagt Dr. Ilka Gehrke, Abteilungslei­t­erin Pho­tonik und Umwelt bei Fraun­hofer UMSICHT. Ein weit­eres Pro­jek­tziel ist deshalb die Entwick­lung neuer Regen­er­a­tionsver­fahren für kom­mu­nale und indus­trielle Kläran­la­gen, die vor Ort stat­tfind­en, energieef­fizient sind und somit beste­hende Prozesse optimieren.
Nach­haltige Komposit-Aktivkohle

Der Lösungsweg umfasst ent­lang der kom­plet­ten Wertschöp­fungs­kette zunächst die Entwick­lung von Aktivkohle als Kom­posit, das von der Bun­de­sanstalt für Mate­ri­al­prü­fung und ‑forschung mod­i­fiziert und von EVERS Wassertech­nik und Anthraz­itvered­lung für die spätere Anwen­dung kon­fek­tion­iert wird. Gemein­sam mit Envi­ro­Chemie wird Fraun­hofer UMSICHT ein Ver­fahren auf Basis von »Elec­tric Field Swing Adsorp­tion« (EFSA) entwick­eln, mit dem sich Aktivkohlen vor Ort regener­ieren lassen, statt sie unter Aufwand zu ein­er zen­tralen Ver­bren­nungsan­lage zu fahren. Das neue Ver­fahren soll die Wärme zum Aus­bren­nen der Aktivkohle elek­trisch erzeu­gen, weshalb den Aktivkohlen elek­trisch lei­t­ende Mate­ri­alien wie Graphit zugegeben wer­den. Denn je elek­trisch leit­fähiger die Aktivkohle ist, desto bess­er erwärmt sie sich und desto voll­ständi­ger wer­den die Mikroschad­stoffe in der Regen­er­a­tion wieder abgelöst. Der gesamte Prozess soll schließlich von Envi­ro­Chemie anla­gen­tech­nisch umge­set­zt und auf zwei Kläran­la­gen des Wup­per­ver­bands unter realen Bedin­gun­gen demon­stri­ert wer­den. Zudem betra­chtet inter3 erst­ma­lig die Entwick­lung neuer Aktivkohle­ma­te­ri­alien und ‑ver­fahren im Rah­men ein­er Multi-Kriterien-Analyse.

Beim Auf­tak­t­tr­e­f­fen des »Zero­Trace« Kon­sor­tiums am 21. Feb­ru­ar 2017 waren sich die beteiligten Fach­leute einig, dass Aktivkohle langfristig in der Mikroschad­stoff-Eli­m­inierung nicht erset­zbar ist. Deshalb gilt es, den für den Fil­tra­tionsprozess wichti­gen Aus­gangsstoff ressourcenscho­nen­der und seine Regen­er­a­tion effizien­ter zu gestal­ten. Vor dem Hin­ter­grund, dass in Deutsch­land voraus­sichtlich eine vierte Klärstufe einge­führt wer­den soll, müssen in den näch­sten Jahren ver­mut­lich weit über hun­dert Kläran­la­gen und Wasser­w­erke mit ein­er Adsorp­tion­sstufe aus­gerüstet wer­den. »Wir erhof­fen uns vom Pro­jekt somit nicht nur einen Erken­nt­nis­gewinn zur Her­stel­lung von Kom­posit-Aktivkohle aus nachwach­senden Rohstof­fen«, so Dr. Gehrke. Auch die wirtschaftlichen Erfol­gsaus­sicht­en der im Rah­men von »Zero­Trace« zu entwick­el­nden Adsorp­tion­ssys­teme und ‑mate­ri­alien schätzt das Pro­jek­tkon­sor­tium hoch ein.