Neuartiges Adsorptionsverfahren mit Mikro-Adsorbentien zur Halb- und Schwermetallentfernung aus Wasser mit vorrangigem Bezug auf Arsen (MikroAd)

Wasser ist die die wichtigste Ressource für Mensch, Natur und Wirtschaft. Diese begrenzte Ressource wird durch Wirtschaftstätigkeiten wie Energieerzeugung, Industrie und Landwirtschaft zukünftig stärker beansprucht. Eine zunehmende Belastung des Wassers durch Schadstoffemissionen ist die Folge. Eine nachhaltigere Bewirtschaftung der Ressource Wasser lässt sich erreichen durch eine Minimierung des Wasserverbrauchs, durch eine Maximierung der Wasserverfügbarkeit sowie durch Technologien zur Wassergewinnung und -aufbereitung. Technologische Lösungen in der Wasseraufbereitung mit materialspezifischen Ansätzen spielen hier eine zentrale Rolle.

Die Liste verunreinigender Stoffe und Stoffgruppen, die im Grund- und Tiefenwasser nachgewiesen und beschrieben wurden ist lang. Insbesondere die Halb- und Schwermetallbelastung stellt ein globales Problem dar. So wurden mindestens 20 Halb- und Schwermetalle als toxisch charakterisiert, wobei die Hälfte dieser Metalle in Konzentrationen in der Umwelt vorkommen, in denen sie ein bedeutendes Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. Zu diesen gesundheitsgefährdenden Substanzen gehören Arsen, Chrom, Kupfer, Kadmium, Nickel, Quecksilber, Selen, Uran und Zink. Auch die vergleichsweise selten vorkommenden Elemente Antimon und Thallium - meist eingetragen in die Umwelt durch Minenabwässer - werden in toxikologisch relevanter Konzentration im Trinkwasser nachgewiesen.

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Abb. 1: Vereinfachtes Prozessfließschema

Das Institut für Lebensmitteltechnologie der HSWT arbeitet im Rahmen einen kooperativen Forschungsvorhabens an einem Wasseraufbereitungsverfahren, das eine effektive und kostengünstige Entfernung dieser Halb- und Schwermetalle aus dem Trinkwasser ermöglichen soll. Arsen besitzt in diesem Zusammenhang die weltweit größte Relevanz im Trinkwasserbereich. Arsen kommt weltweit häufig in Konzentrationen weit über dem WHO-festgelegten Grenzwert von 10 µg/L im Trinkwasser vor Auch in Deutschland gibt es Brunnen mit erhöhten Werten. Daher wird zur Etablierung des Verfahrens der Fokus auf dieses Halbmetall gerichtet.

Eine der effizientesten und einfachsten Technologien zur Entfernung von Arsen aus Trinkwasser ist die Adsorption an granuläre Eisenoxide und Eisenhydroxide im Festbettreaktor. Der laufende Bedarf von frischen Sorptionsmitteln ist der größte Kostenfaktor dieses Verfahrens. Um die Kosten der Entfernung von Arsen zu senken, soll ein neues Verfahren auf Basis von Eisenhydroxid-Mikropartikeln entwickelt werden.

Einen Vorteil von den Mikropartikeln gegenüber dem Granulat ist die günstigere Anschaffung, da sie als Abfallprodukt bei der Herstellung von Eisenhydroxid-Granulat anfallen oder in einem vereinfachten Verfahren produziert werden können. Jedoch ist die Anwendung dieser Mikropartikel im einfachen Festbettreaktor nicht möglich, da ein nicht hinnehmbarer Druckverlust entstehen würde. Deshalb wird die Eignung von anderen Reaktortypen und Anlagekonzepten unter Berücksichtigung von Investitionskosten und Anlagenkomplexität betrachtet.

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Abb. 2: Pilotanlage für halbtechnische Versuche (1 – Suspensionsbehälter, 2 – Pumpenblock, 3 – Rührkessel, 4 – Querstromfiltrationsmodul, 5- Schaltschrank)

Ziele

» Charakterisierung der Mikropartikel
» Adsorptionseigenschaften – Kapazität und Kinetik unter verschiedenen Bedingungen
» Regenerierung, Weiterverwendung und/oder Entsorgung von beladenem Adsorptionsmittel
» Anlagenprojektierung
» Durchführung von halbtechnischen Versuchen

Umsetzung

Auf Basis von Ergebnissen zur Adsorptionskapazität und -kinetik sowieso zur Partikelabtrennung wurde eine Pilotanlage konzipiert (siehe Abb.1). In einem Rührkessel wird das Sorptionsmittel in Kontakt mit dem Wasser gebracht und über Querstromfiltration wieder abgetrennt. Weil die benötigte Verweilzeit des Sorptionsmittels bis zur maximalen Beladung viel länger ist als die des aufzubereitenden Wassers, wird das abgetrennte Sorptionsmittel wieder in den Rührkessel zurückgeführt.
Die Steuerung dieser Anlage wurde so ausgelegt, dass verschiedene Betriebsmodi umsetzbar sind. So ist sowohl halb-kontinuierlicher, d. h. kontinuierlicher Durchlauf des Wassers und absatzweise Dosierung und Entfernung von Sorptionsmittel, als auch kontinuierlicher Anlagenbetrieb, d. h. kontinuierlicher Durchlauf von Wasser mit ständigem, partiellen Ersatz des Sorptionsmittels, möglich.

Seit März 2017 steht die Pilotanlage am Institut für Lebensmitteltechnologie und wird nach Kontrolle und Validierung für die halbtechnischen Versuche eingesetzt (siehe Abb. 2). Die Ziele dieser Experimente sind die Validierung der kontinuierlichen Aufbereitung von arsenhaltigem Modellwasser mittels der Mikropartikel und die Untersuchung der Einflüsse verschiedener maßgebender Parameter, wie pH, Konzentrationen von Ziel- und Störionen und Adsorbentien, Mischintensität und Verweilzeit.
Weitere Aspekte, zum Beispiel die Änderung der Partikelgrößenverteilung während der Verweildauer in der Anlage, werden ebenfalls betrachtet. Diese Informationen bilden die Basis für Aufbau und Validierung eines Modells, das diesen Prozess beschreiben soll. Anschließend soll das Verfahren auch unter Realbedingungen getestet werden. Dabei wird die Anlage bei ausgewählten Trinkwasserbrunnen aufgestellt, welche erhöhten Arsenwerte aufweisen. Dort soll die Tauglichkeit des neu entwickelten Prozesses zur Arsenentfernung bei Einspeisung von Realwässern erprobt werden.

Ein ebenfalls wichtiger Aspekt bei diesem Forschungsprojekt ist die Handhabung von beladenem Adsorptionsmittel. Einige Möglichkeiten wurden identifiziert, von der einfachen Entsorgung in einer Deponie, was aktuell die etablierte Vorgehensweise für das Granulat ist, bis zur Weiterverwendung als sekundärer Rohstoff in der Zementherstellung. Das pulverförmige Material weist gegenüber dem granulären immer eine gewisse Problematik auf, da es beim Austrocknen leicht stauben kann, was ein erhöhtes gesundheitliches Risiko darstellt.

Die kleineren Partikel zeigen im Vergleich zu Granulat eine beschleunigte Kinetik, was bei der Adsorption vom Vorteil ist, aber ebenso bei der Desorption zu erwarten ist. Das heißt, dass Arsen schneller eluieren könnte und beim Elutions-Verfahren, der Analysemethode zur Einstufung der Deponieklassen, ein höheres Auswaschungsrisiko nachgewiesen würde. Es ist zu betrachten, inwiefern dies relevant ist und gegebenenfalls mögliche Lösungen oder Vorgehensweisen zu erarbeiten.

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Projektleitung


Prof. Dr. Dirk Rehmann (Koordination)

Projektbearbeitung

M.Sc. Dipl.Ing. Peter Rose


Dr. Andreas Steiner
AiF Projekt GmbH Link

Projektmitwirkung extern

Dr. Florian Eichinger
HI - Hydroisotop GmbH Link




Josef Picklmaier
HI - Hydroisotop GmbH Link


Projektdauer

01.07.2015 - 30.06.2018

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