Regeneration Potential of Alginite for the Depletion of Organic Contaminants from Wastewater

Endokrin wirksame Substanzen (EDC, endocrine-disrupting chemicals) in Abwässern bekommen zunehmend mehr Aufmerksamkeit, da die schädliche Wirkung für das Hormonsystem von Lebewesen bestätigt wurde. Das kostengünstige Gestein Alginit als neuartiges Adsorbens ist aufgrund der guten Abreicherungsraten gegenüber EDC neben herkömmlich genutzten Aktivkohle ein Reinigungsverfahren 4. Reinigungsstufe geeignet. Umfangreiche Untersuchungen zeigten, dass mehrmalige Beladungs- und Regenerationszyklen bei Aufrechterhaltung einer hohen Beladungskapazität mit dem möglich sind. Endocrine-disrupting chemicals (EDC) wastewater are receiving increasing attention as studies have confirmed the harmful effects on living organisms' hormonal systems. So far, activated carbon has been used sewage treatment plants to adsorb pollutants. The rock alginite a new type of adsorbent is also suitable for cleaning process 4th stage due good depletion rates and low purchase costs. Investigations shown that repeated loading regeneration cycles possible while maintaining high capacity. Kommunale industrielle Abwässer werden heute mithilfe mechanischen, biologischen chemischen behandelt somit wird Stoffkreislauf modernen Wassernutzung geschlossen. Trotzdem sind nach mehrstufigen Reinigungsprozess noch organische Verunreinigungen, wie endokrin Schadstoffe chemicals), im Abwasser enthalten. zeigen, eingreifen Abwasserbehandlung entfernt sollten 1-5. Dabei können natürlich vorkommen auch anthropogenen Ursprungs sein. Zu den natürlichen zählen Hormone 17ß-Estradiol, aus Menschen oder Tieren Umwelt freigesetzt werden, bestimmte Chemikalien, Pflanzen Pilzen produziert werden. Durch Medikamente zur Hormonbehandung Empfängnisverhütung Krebserkrankungen gelangen synthetisch hergestellte Umlauf. Weitere anthropogene, Chemikalien deren Nebenprodukte umfassen einen weiten Bereich Pestizide Weichmacher Konsumenten- Medizinprodukten. Die Regel deutlich geringer vorkommenden Hormone. Akkumulation kann jedoch dies zu Beeinträchtigung führen. 6 Bisher Filtersysteme Entfernung Schadstoffen diskutiert bereits eingesetzt. Diese erheblichen Investitionskosten verbunden 7. Eine Reaktivierung prinzipiell könnte Kosten einsparen. Von Zhao 8 eine Vielzahl Verfahren beschrieben. Es aber deutlich, kostenintensiv Prozesse und, diesem viel Forschungsbedarf besteht. Wiedernutzbarmachung spielt derzeit untergeordnete Rolle industriellen Prozessen 8. kostengünstigere Alternative finden, Gegenstand Forschung. Ein alternatives leistungsfähiges stellt vorkommende dar. Dieser Ölschiefer entstand vor 3–4 Millionen Jahren fossiler versteinerter Algenbiomasse verwittertem Tuff. Ragályi et al. 9 beschreiben Entstehungsgeschichte des Gesteins. bildeten sich zunächst Krater (Maare, Tuffringe) Ruhephase schweren vulkanischen Aktivitäten. In sickerte Wasser eines oberpannonischen Binnenmeeres. diesen nährstoffreichen Seen vermehrten Grünalgen (Botryococcus brauni) andere Lebewesen. kam Nährstoffanreicherung (Eutrophierung) Biomassebildung. Absinken auf Seegrund wuchs Sedimentschicht an verlandeten. aktuell weltweit größte Lagerstätte abbaubaren befindet Gercé (Ungarn). Dort Mächtigkeiten durchschnittlich 40–60 m Fläche 200 Ha 100 Mio. Tonnen förderbarer Reserven vorzufinden. Insgesamt Karpatenbecken ca. 150 gelagert. Im Bestand zwei weiteren Lagerstätten befinden 90 % gesamten Ressource Alginits Karpatenbecken. Technische Universität Bergakademie Freiberg (TUBAF) charakterisierte Rahmen gemeinsamen Forschungsprojektes umfangreich 10. Der unreife weist seinem Mineralbestand Quarz Feldspäten Gehalt Tonmineralen (> 81 Ma.-%) Smektite Muskovit auf. Dem organischen Anteil (< 19 konnte Liptinit, Mazeralgruppe Partikeln, nachgewiesen Untersuchung Inkohlungsgrades zeigte Vitrinit-Reflexion 0,5 Kerogen zwischen Braunkohle hochflüchtiger Steinkohle allem Landwirtschaft Bodenverbesserer hohe Wasserhaltekapazität Fähigkeit, Pflanzennährstoffe dauerhaft speichern, ermöglichen 11. Hippmann 12 geben weiterhin Überblick über Nutzung Silikat- pharmazeutischen Industrie, Schwermetalladsorption Bodensanierung sowie Filterhilfsmittel Getränkeindustrie Mittel Biotransformationsprozessen Vermeidung Gelbildung Lösungsmittelextraktion. Stoffeigenschaften Adsorptionsverhalten wurden TUBAF untersucht. beachtliches Adsorptionspotenzial Kohlenwasserstoffverbindungen, dazu EDC, Schwermetalle einem einzigen Filterdurchgang festgestellt zeigt Abhängigkeit vom pH-Wert filtrierenden Lösung (Konzentration Modellsubtanz 10 mg L−1), Säurestärke Modellsubstanzen zurückzuführen ist. Lösungen nimmt folgender Weise ab: 17ß-Estradiol > Bisphenol A Diclofenac Ibuprofen Clofibrinsäure. ergab sich, steigendem zunimmt Korrelation Adsorptionsfähigkeit 13 dabei zugrundeliegenden Wirkmechanismen beim nicht abschließend geklärt erforscht. Bekannt bereits, Affinität Adsorbentien Polarität haben. besondere Bedeutung hinsichtlich Adsorptionsvermögens Anteilen Alginits, Kerogen, zugesprochen. Zusammenspiel unpolare Wechselwirkungen polare anorganischen Phasen eingehen. Bei Adsorption handelt es dagegen um vorrangig Bindungen. könnten bezüglich ihrer Selektivität ergänzen. Zwar spezifische Oberfläche Faktor 10–15 Aktivkohle, dafür durch sein besseres flächenbezogenes Adsorptionsvermögen einige Umweltkontaminanten (17ß-Estradiol, A, Diclofenac, Ibuprofen, Clofibrinsäure) granulierten überlegen 13. geringen (bis zwanzigfach Aktivkohle) resultierenden höheren Bedarf eingesetzten Gesamtmasse Klärwerksprozess mindestens ausgleichen. 7, Umsetzung Reinigungsverfahrens granuliertem derzeitigen Untersuchungsergebnissen möglich. Belebungsbecken eingesetzt muss zuvor Suspensionsbecken aufgeschlämmt sonst Agglomerationen zum Aufschwimmen käme. Druckluft fluidisierten Kontaktbecken Kontakt stattfinden. Laboruntersuchungen haben notwendige Kontaktzeit 30 min ergeben. anschließende Separation Feststoffe feinster Partikel Mikrometerbereich vollständig Sedimentation erfolgen. nachgeschaltete Abscheidung feinen Zentrifugen, Filter Membranen demnach, abhängig Größe behandelnden Stoffstroms, anzustreben. Anschluss würde gegebenenfalls zusätzlich eingesetzte Klärschlamm ausgetragen. darauffolgenden Klärschlammverbrennung Wirbelschicht thermisch adsorbierten zerstört Weiterhin seinen Bettmaterial fungieren. Einsatzmenge inerten Bettmaterials, Quarzsand, verringert Effizienter kostengünstiger wäre Regeneration Alginit. Ausschöpfen mehrmaliges Einsetzen erhöht Für erste Auslegung verfahrenstechnischen Regenerationsprozesses Hochdruck-Thermogravimetrischen-Anlage (HD-TGA) verschiedenen Regenerationsbedingungen (Temperatur, Atmosphäre, Druck) durchgeführt. Hierbei wurde (BPA) kontaminierter unter Parametervariation regeneriert. BPA (2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan) bedeutender Kontaminant Abwasserreinigung Regenerationsversuche gezielt ausgewählt. Aus verschiedene Vergleich Literaturdaten 14, 15 besonders Leistungsfähigkeit BPA. Als bekanntester Vertreter Phenole Kondensation Phenol Aceton hergestellt, wobei Phenolringe gehört Klasse hergestellten Xenoestrogene am häufigsten detektierten Umwelt. Chemisch-physikalische Eigenschaften Tab. 1 aufgeführt 13, 16. Aufgrund Polymerisierbarkeit Kunststoffindustrie verwendet. Herstellung Epoxidharzen Polycarbonaten vielseitig genutzt. Dadurch ergibt breiter Anwendungsbereich z. B. Elektrogeräten, Verbundwerkstoffen, Lebensmittelbehältern, Automobilindustrie Zahnmedizin 17. allen Bereichen Herstellung, Verarbeitung, Produkte Entsorgung Freisetzung, Leaching, Gewässern landwirtschaftlichen Böden Nahrungsmitteln Mikroverunreinigung wiederzufinden. 18, Eigenschaft Wert Schmelzpunkt [°C] 157 Löslichkeit (bei 25 °C) [mg L−1] 120–300 Siedepunkt 101,3 kPa) 360 log Kow [–] 4 pKs 9,7 Protonierungsgrad pH 8,5 0,94 hormonellen entsprechender Exposition Störungen Hormonsystems, embryonalen Entwicklung Fortpflanzung auftreten. Beeinflussung Reproduktion Säugetieren, Wirbeltieren Fischen 20-22. geschätzt, täglich 1–5 µg pro kg BW (body weight) aufgenommen 23. Krebsarten Darmkrebs Brustkrebs Zusammenhang BPA-Exposition gebracht 24. viele durchgeführte Studien eindeutig Einfluss mitunter abgeleitet Hier besteht großer Bilanzierung Stoffströmen 2011 Verwendung Säuglingsflaschen Polycarbonat Anfang 2020 Thermopapier verboten 25. Bundesumweltamt 17 beschreibt, Abwasserreinigungsanlagen ausreichender Sauerstoffversorgung gut abbaubar anaerober Behandlung Abbau stark eingeschränkt Unterschiede ergeben Klärwerk Leistung Verfahrensprozess Abwasserreinigung. gezielte notwendig. Nachfolgend soll dargestellt Anschließend untersucht, ob welchen Bedingungen thermische Schadstoff technische Regenerationsverfahrens aussehen könnte. Granulierter Abbaugebiet (Ungarn) bezogen. Adsorptions- kontaminierte BPA-Beladung L−1 hergestellt. Konzentration entspricht keiner vergleichbaren realen lediglich Verringerung Messunsicherheit gewählt. BPA-Konzentration danach mittels HPLC gemessen. Da Bestimmung Stoffen praktisch kein direktes Messverfahren gibt, indirekt entsprechende Konzentrationsabnahme ermittelt. 50 g gemörsertem versetzt h Überkopfschüttler gemischt. Zentrifuge Flüssigphase getrennt. Trocknung feuchten erfolgte Trockenschrank 24 110 °C. HD-TGA vereinfachtes Rohr- Instrumentierungsschema Anlage Abb. 1. ermöglicht Erfassung Massenabnahme Probe thermischer Einwirkung definierten Druck (0,05 bis bar), Atmosphäre (He, Ar, N2, CO, H2, O2, H2O, CO2), Aufheizrate (0,1 K min−1) Temperatur 1100 °C). Waage Messgenauigkeit Helium gespült, Überhitzung vermeiden. Kern Reaktors elektrisch beheiztes Reaktionsrohr. Kette Mikrowaage befestigte Probenkorb (mit g) gespülte Probenschleuse Reaktor eingeführt. Reaktionsgas Durchflussregler eingeleitet Rohrstrecke 350 °C vorgeheizt. Gase einzeln definierte Gemische parallele Gasstrecken Durchflussreglern aufgegeben Darüber hinaus HPLC-Pumpe Dampferzeuger betrieben erzeugte Dampf ebenfalls verwendet während Versuchs vorherrschende Abgasstrang Nadelventil geregelt. Regenerationsprozess Luft, Stickstoff Wasserdampf Temperaturbereich 500 Temperaturstufung 2 schematisch dargestellt. beladene entsprechend Versuchsparameter Nach regenerierte Abschn. 2.1 beschriebenen Methode erneut kontaminiert. Messung Aussage Höhe Abreicherung Somit lässt Maß Regenerationserfolg quantifizieren. folgt anschließend 2. erneute Adsorptionserfolgs. beladenen entstehende Brüdenkondensat Vorwärmen großtechnischen Konzept genutzt inwiefern desorbierte Derivate enthält. Versuchsstand Gewinnung Brüdenkondensats Destillationsverfahren errichtet. Am Brüdenkondensation weitere Kontaminanten, Clofibrinsäure, jede Substanz 5 %ige Isopropanol-Lösung Volumen mL hergestellt jeweiligen Kontaminanten versehen. Ultraschallbad stellte vollständige Lösen sicher. Magnetrührer durchmischt. zweistündigen Sedimentationszeit Überstand abpipettiert. feuchte Rundkolben ständigem Rühren erhitztes Ölbad getrocknet. Liebig-Kühler kondensiert Kondensat zweiten aufgefangen. Versuche Versuchsende mittles Kontamination hin 3 kontaminierten entsprechenden Regenerationsparameter. Vor Beladung Abnahme 76 erreicht Luft 77,5 erkennen, größten überstehenden 300 hat. Je höher ist, desto adsorbierte Menge Dies liegt Zusammensetzung begründet. Thermogravimetrische thermischen ab (Abb. 4). Unregelmäßigkeit Messsignal Wärmestroms Gewichtsabnahme 140 Probentemperatur) fünfminütige Haltezeit Referenztemperatur °C, Trocknungsvorgang sicherzustellen Überschwingen Heizregelung entgegen wirken. überwiegend stattfindenden Adsorption, Adsorptionskapazität dessen ab. findet zwar Zersetzung Phase statt, mangels Sauerstoff bleibt oxidative Kerogens aus. zurückbleibenden Bestandteile stehen Verfügung, weshalb Regenerationstemperaturen nur geringfügig sinkt. zugehörigen Ergebnisse 3. sehen. unwesentliche Adsorptionskapazitäten Auch hier Optimum Regenerationserfolges Höhere Adsorptionserfolge (69 (73,5 250 steigt sogar (im Regenerationsverhalten Atmosphären Temperaturen Wasserdampf. damit allerdings wenig Temperaturbedingungen Trocknungsprozess stattfinden würde, Beladungskapazitäten überprüft Dazu vergleichender Versuch feuchtem getrocknetem unternommen. Vergleichend außerdem Adsorptionserfolg aufgeführt. Versuchen ohne anschließender zwingend miteinander vergleichen. (Massenanteile Minerale) Naturstoffs schwankt, keine einheitlichen Beladungserfolge Hinblick prozentuale mehrmaliger ziehen. Wird kontaminierte, ersten Beladungsvorgang zugeführt, sinkt Kapazitätsvermögen 45 Prozentpunkte 69,7 23,99 %. vergleichend (Temperaturdifferenz K) erneuten getrockneten hat gezeigt, keinem Kondensate jeweilige nachweisbar war. oberhalb Siedepunktes auszuschließen, Clofibrinsäure thermochemischer Zusätzlich konnten davon ausgegangen, anfallende untersuchten endokrinen belastet diese verbleiben. Weiterführende Zerstörung aktueller Forschung TUBAF. Schema beispielhaftes thermisches min. Drei quasikontinuierlichen Betrieb jeweils 15-minütigen Zulauf-, Kontakt- Ablaufphase ermöglichen. Becken. sedimentierte Schlamm Pumpen Dekanterzentrifuge transportiert wo Abtrennung gereinigtem erfolgt. Absetzbecken enthält feine Mikrometerbereich, Schlussfilter separiert zugeführt Regenerationskonzept sieht vor, Alginitschlamm trocknen vorzuwärmen. Trockner Drehrohr ausgeführt energieaufwendigen Prozess handelt, Brüdenverdichtung Möglichkeit energetischen Optimierung Mithilfe Brüdenverdichters komprimiert so energetisch Hierzu schließen notwendigen an. kondensierte Vorwärmer zugeführt. getrocknete Regenerationsofen Ausführung Drehrohrofen bietet an, Regenerationstemperatur Schadstoffabbau, Energieaufwand Erhalt notwendig vorgeschlagenen Überlegungen technischen Umsetzung. Zunächst müssten durchgeführt genaues Verständnis Wirkweise erlangen. bekannt chemisch-physikalischen adsorbiert EDC-spezifisch Einsatz vorliegenden bzw. Abwassers. praktische Anwendung Detail Engineering Überprüfung Integrität solchen bestehenden Abwasserreinigungsstandort Naturstoff inhomogener schwankt Abreicherungsrate EDC. Regenerationsversuchen Abweichung maximal 1,3 Regenerierbarkeit worden. optimale festgelegt (für BPA). adsorptiv Komponente, niedrigen zerstört. Aufgabe, Regenerationspotenzial untersuchen. niedrige wirkt positiv Fluidisierung Belebtbecken wird, großtechnische vorteilhaft. nichtsdestotrotz aufwendiger Prozess, integriert müsste. zentralen Anlagen konkrete Artikel Verfahrensschema gezeigt. Technikumsanlagen, intensiven Austausch Klärwerksbetreibern Scale-up-Untersuchungen nächsten Schritt Umsetzbarkeit detailliert betrachtet wurden, andernfalls aufwendige Nachbehandlung Brüdens entfallen. trifft zu. Weitergehende Abwasserproben Gemisch durchzuführen. unterschiedlichen bestimmt. allgemeingültige Notwendigkeit treffen. Sollte schließlich Wasserkreislauf seiner heterogenen organischer Entsprechend Abscheideraten erzielt Ergänzung Substitution dieser Arbeit Wiederverwertung Adsorbens. Regenerationsparameter erwiesen. ohnehin Anschaffung günstigeren Vorteil einmalig verwendeter denkbar. Nachdem ausgeschöpft abschließenden Schadstoffe, wirksamen Komponenten erhaltene gute Kationenaustauschkapazität Speichervermögen Verwertung beispielsweise Autoren danken Sächsischen Aufbaubank (FKZ 100215150) finanzielle Unterstützung Vorhabens. Veröffentlichung organisiert Projekt DEAL. Kühler Bisphenol-A Dosierstelle chemicals, Massenstromregler Hochleistungsflüssigkeitschromatographie Lagerung Motor Pumpe Druckregler Regenerator Antrieb Schmutzwasser Temperaturregler Temperaturregistrierung Verdichter Gewichtsregistrierung