Ramsch, B. 1992: Was bewirkt Aktivkohle? D. Aqu. u. Terr. Z. (DATZ) 11: 730-733.

Was bewirkt Aktivkohle?

von Burkhard Ramsch, Dipl.-Biol.


Einleitung
Was ist Adsorption?
Wie wird Aktivkohle hergestellt?
Welche Faktoren beeinflussen das Adsorptionsverhalten?
Welche Aktivkohle für welchen Zweck?
Wie wird Aktivkohle richtig eingesetzt?
Literaturverzeichnis



Einleitung

Im Mini-Biotop Aquarium läuft eine Vielzahl von Stoffbildungs-, Stoffabbau- und Stoffumwandlungsprozessen ab. Um unerwünschte Verbindungen aus dem Wasser zu entfernen, stehen dem Aquarianer verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.

Die einfachsten und dem Aquarianer geläufigen Methoden gehören dem mechanischen Typ an:

  • Fische und Pflanzen können dem Becken entnommen werden. Der Mulm (Detritus) - ein Gemisch aus abgestorbenem Material, Bakterien, Einzellern und kleinen Vielzellern - kann leicht mit dem Aquariumschlauch und einer Absaugglocke oder mit speziellen "Aquarium-Staubsaugern" dem Becken entnommen werden.
  • Sehr wichtig ist die mechanische Schnellfilterung. Dabei muss aber beachtet werden, dass das Filtermaterial in kurzen Abständen (1 x wöchentlich) gesäubert wird.
  • Die letzte Möglichkeit einer mechanischen Säuberung besteht in einem regelmäßigen Teilwasserwechsel. Mit ihm werden nicht oder schwer abbaubare Verbindungen aus dem Wasser entfernt und wird dieses durch Zugabe von aufbereitetem Frischwasser um Spurenelemente und evtl. Vitamine ergänzt.

Die zweite Gruppe der Reinigungsprozesse gehört dem chemischen Typ an:

  • Durch gezielte Ozonierung können unter anderem Stickstoffverbindungen zu Nitrat oxidiert und Bakterien getötet werden.
  • Ähnliche Reaktionen können mit einer UV-Bestrahlung des Wassers erreicht werden.

Bei der dritten Gruppe geht es um die biologische Reinigung:

  • Reduzierte Kohlenstoffverbindungen (u. a. Zucker, Aminosäuren, Proteine, Fettsäuren) werden durch eine Vielzahl von Bakterien, Algen und höheren Pflanzen oxidiert oder assimiliert (aufgenommen).
  • Ammonium/Ammoniak wird durch Mikroorganismen assimiliert oder durch Nitrifikationsbakterien über Nitrit/Salpetrige Säure zu Nitrat/Salpetersäure oxidiert. Nitrat/
  • Salpetersäure kann schließlich durch Denitrifikationsbakterien bei anoxischen (kein Luftsauerstoff vorhanden) Verhältnissen zu Luftstickstoff reduziert werden.

Die vierte Möglichkeit zur Schadstoffentfernung liefern physikalische Methoden:

  • Leicht flüchtige im Wasser gelöste Verbindungen (z.B. kurzkettige Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak, nicht Ammonium!) können durch Strippen (Ausblasen der Verbindungen durch Luftbegasung) entfernt werden.
  • Eine sehr energieaufwendige Methode ist die Destillation. Salze und Verbindungen mit hohem Siedepunkt sind damit effektiv von Wasser zu trennen.
  • Eine Methode, die Salze und organische Verbindungen aus dem Wasser entfernen kann, ist die Umkehrosmose.
  • Ebenfalls zu den physikalischen Verfahren gehören Prozesse, die sich das Prinzip der Adsorption zu Nutze machen.


Was ist Adsorption?

Adsorption ist die Anreicherung eines Adsorptivs an bzw. die Verdrängung eines Adsorpts durch ein anderes Adsorptiv von der Oberfläche eines Adsorbens aufgrund freier Oberflächenkräfte (Näser 1986, Klöppel & Klöppel 1980).

Diese auf den ersten Blick unverständliche Definition soll mit Hilfe der Abbildung 1 erklärt werden.


Abb. 1: Erklärung der Adsorptionsfachbegriffe

Ein gasförmiger oder flüssiger Stoff hat aufgrund von Adhäsionskräften (Anziehungskräfte zwischen zwei verschiedenen Molekülarten) das Bestreben, sich an Grenzflächen anzulagern. Die Substanz, die adsorbiert werden soll, heißt Adsorptiv. Wenn das Adsorptiv sich an das Adsorptionsmittel (Adsorbens) angelagert hat, wird es Adsorpt oder Adsorptionsfilm genannt. Das Adsorbens und das Adsorpt bilden den Adsorptionskomplex, genannt Adsorbat.

Beispiel für einen Adsorptionsprozeß ist die Abschäumung (Abbildung 2) in der Seewasseraquaristik. An der Oberfläche der Luftblasen (Adsorbens) können Proteine, Fettsäuren, Seifen, Chelate und andere Verbindungen adsorbieren. Der ganze Adsorptionskomplex wird in der Schaumsammelschale gesammelt und ist somit dem Aquariumwasser entzogen.


Abb. 2: Schema der Abschäumung in der Seewasseraquaristik

Ein ganz ähnlicher Prozess, der aber nicht ausschließlich auf Adhäsionskräften beruht, sondern bei dem die elektrische Ladung der Stoffe die Hauptrolle spielt, ist der Ionenaustausch (Abbildung 3). Mit dieser Methode lässt sich eine Ionensorte mehr oder weniger selektiv gegen andere Ionen austauschen. Das aufzubereitende Wasser kann z. B. mit dieser Methode vollentsalzt werden.


Abb. 3: Funktion eines Kationenaustauschers

Die bekannteste Art einer Adsorption ist die Aktivkohlefilterung. In der Aquaristik wird sie genutzt zur Rohwasseraufbereitung (Entfernung von Chlor und organischen Verunreinigungen, z.B. Pestiziden), zur Gelbstoffentfernung aus Meerwasser und zur Entfernung von Medikamenten nach einer Behandlung im Aquarium. Es werden beim Aktivkohleeinsatz auch Vitamine und Chelate, die wichtige Spurenelemente wie Eisen und Mangan in reduziertem Zustand halten, an die Aktivkohle gebunden und sind dann im Aquariumwasser nicht mehr verfügbar.


Wie wird Aktivkohle hergestellt?

Aktivkohle wird aus kohlenstoffhaltigen Materialien wie Torf, Holz, Lignin, bituminöse Kohle, Petrol-Koks, Braunkohle, Kokosnußschale, Obstkerne und Zucker hergestellt. Das geschieht entweder durch chemische Aktivierung oder durch Dampfaktivierung.

  • Kennzeichnend für die chemische Aktivierung ist, dass das Rohmaterial getrocknet und mit Chemikalien wie Phosphorsäure, Kaliumhydroxid, Natriumcarbonat, Zinkchlorid oder Natriumsulfat gemischt wird. Unter Luftabschluss bei 400° bis 600° C entziehen die Chemikalien dem Rohstoff die Wasserstoff- und Sauerstoffatome. Übrig bleibt fast reiner Kohlenstoff mit einem durch die Reaktionsbedingungen gesteuerten mehr oder weniger großem Porenvolumen. Nach dem Waschen und Trocknen ist das Produkt Aktivkohle fertig.
  • Die andere Methode ist die Wasserdampfaktivierung. Bei Temperaturen von 800 bis 1000° C wird in einer Stickstoffatmosphäre der Kohlenstoff des Rohstoffes teilweise vergast (C + H2O -> CO + H2). Die Reaktionstemperatur und -zeit, sowie die Konzentration von O2, CO2, H2O, CO und H2 beeinflussen bei diesem Prozess die Qualität und damit den Einsatzbereich der Aktivkohle. Man stellt Aktivkohle in Mehretagenöfen, Drehrohröfen, Schachtöfen oder mehrstufigen Wirbelschichtreaktoren her.

Auf ähnliche Art und Weise kann mit Adsorption beladene Aktivkohle regeneriert werden. Der Hobbyaquarianer sollte aber auf keinen Fall versuchen, diesen überaus komplizierten Prozess im Backofen nachzuahmen.

Seit einiger Zeit gibt es Adsorptionsmittel, die aus Kunststoffen hergestellt werden: z.B. aus Polystyrolbenzol oder Divinylbenzol.


Abb. 4: Schematischer Aufbau der Aktivkohle, Definition der Porengröße


Welche Faktoren beeinflussen das Adsorptionsverhalten?

Die Adsorption von Aktivkohle wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst. Als erstes ist die Temperatur zu nennen. Die Adsorptionskapazität (wie viel eines Adsorptivs auf eine bestimmte Menge Adsorbens adsorbiert werden kann) nimmt im Gegensatz zur Adsorptionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur ab. Deswegen sollte Aktivkohle, die in kaltem Wasser (z.B. Rohwasseraufbereitung) schon benutzt wurde, nie in warmem Wasser (Aquarium) erneut verwendet werden, weil sonst schon adsorbierte Stoffe leicht desorbieren (sich von der Aktivkohle lösen) und somit die Wasserqualität verschlechtern. Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Adsorptionskapazität beeinflusst, ist die Konzentration des Adsorptivs, also des zu adsorbierenden Stoffes (Abbildung 5). Diese Abhängigkeit machen die sogenannten Adsorptionsisothermen deutlich.


Abb. 5: Adsorptionsisothermen einer Aktivkohle bei verschiedenen Temperaturen

Bei niedriger Konzentration des zu adsorbierenden Stoffes nimmt das Adsorbens nur eine geringe Menge auf. Ist die Adsorptivkonzentration höher, kann das Adsorbens entsprechend größere Mengen aufnehmen. Die Adsorptionskapazität steigt also mit zunehmender Adsorptivkonzentration. Bei sehr hohen Konzentrationen hingegen vermag die Adsorptionskapazität nicht mehr zu steigen. Aus diesem Verhalten des Adsorptionsmittels ergibt sich eine Gefahr: Wurde die Adsorptionskapazität bei hohen Adsorptivkonzentrationen voll ausgenutzt und wird das Adsorptionsmittel bei anschließender niedriger Adsorptivkonzentration weiter verwendet, kann evtl. das Adsorbens den adsorbierten Stoff desorbieren, also wieder abgeben. In der Praxis ist deshalb darauf zu achten, dass die Adsorptionskapazität nie voll ausgenutzt wird.

Ein weiterer Faktor ist die zur Verfügung stehende Oberfläche, weil dort der Adsorptionsprozess abläuft. Die Oberfläche von Aktivkohle variiert z.B. von 400 bis über 2000 m2/g Aktivkohle. Bei gleich großer eingesetzter Aktivkohlemasse kann sich die Adsorptionskapazität somit um den Faktor 5 unterscheiden.

Nicht zuletzt spielt die Qualität der Aktivkohle eine entscheidende Rolle. Auf Grund verschiedener Rohstoffe und unterschiedlicher Verarbeitungsmethoden zeigen die angebotenen Aktivkohlen unterschiedliche Adsorptionsverhalten für die zu adsorbierenden Stoffe. Zum Beispiel werden kleine Moleküle, etwa Lösemittel, in Mikroporen, größere Moleküle wie Farbstoffe hingegen in größeren Poren adsorbiert. Neben den Fremdatomen im Kohlenstoffgerüst (z.B. Sauerstoff, Schwefel, Wasserstoff) entscheidet das Verhältnis von kleinen Poren zu großen Poren, welche Moleküle bevorzugt durch die Aktivkohle adsorbiert werden.


Abb. 6: Adsorptionskapazitäten einer Aktivkohle gegenüber verschiedener Stoffe (Adsorptionsisothermen)

Es zeigt sich, dass dieser Aktivkohletyp gut für eine Atrazin-Adsorption geeignet ist, hingegen für Benzol weniger.

Entsprechendes macht Abbildung 7 deutlich. Die Aktivkohle 3a kann zwar nur wenig Lindan adsorbieren. Sie zeigt indessen gegenüber Atrazin ein ähnlich gutes Adsorptionsverhalten wie die Kohlen 2a und 2b, die für Lindan sehr gute Adsorptionseigenschaften aufweisen.


Abb. 7: Adsorptionskapazität einiger Aktivkohlesorten bei unterschiedlichen Stoffen



Welche Aktivkohle für welchen Zweck?

Will der Aquarianer Aktivkohle einsetzen, muss er sich also fragen, für welchen Zweck. So werden an eine Aktivkohle, die im Aquarium Reste von Fischmedikamenten oder Gelbstoffe adsorbieren soll, andere Anforderungen gestellt als an Aktivkohle, die das Leitungswasser des öffentlichen Wasserversorgungsnetzes von schädlichen Bestandteilen befreien soll.

Bleiben wir bei Gelbstoffen und Fischmedikamenten. Um sie aus dem Aquarium zu entfernen, kann im Prinzip eine beliebige Aktivkohle eingesetzt werden; denn eine erfolgreiche Adsorption kann wegen der zumeist starken Farbkraft dieser Stoffe optisch schnell erkannt werden. Wenn nach mehreren Stunden Aktivkohlefilterung immer noch keine Entfärbung zu erkennen ist, kann man sicher sein, dass sich die Adsorptionskapazität der Kohle erschöpft hat. Ein Austausch der verbrauchten Kohle ist erforderlich.

Bei der Aufbereitung von Trinkwasser hingegen kann der Hobbyaquarianer nicht erkennen, wann die Aufnahmekapazität erschöpft ist. Um die schädlichen Wasserinhaltsstoffe messen zu können, ist ein enormer Geräteaufwand nötig. Im Leitungswasser der Bundesrepublik Deutschland dürfen laut Trinkwasserverordnung von 1989 z.B. an Chlorkohlenwasserstoffen (Tri- und Perchlorethylen, 1.1.1-Trichlorethan, Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform), an Insektiziden = Insektenvertilgungsmitteln (z.B. Lindan, Parathion, Aldrin, Dieldrien) und an Herbiziden = Pflanzenschutzmitteln (Atrazin, Propazin, Simazin, Bentazon, Molinat) 1  µg/l des Einzelstoffes oder 5 µg/l als Summe vorhanden sein. Diese biologisch sehr schwer abbaubaren und chemisch resistenten Stoffe sollten im Aquariumwasser und besonders in Zuchtbecken nicht vorhanden sein. Für den Hobbybereich ist es nicht möglich, die Vielzahl der organischen Verunreinigungen in so geringer Konzentrationen nachzuweisen. Der Aquarianer muss sich auf die Angaben des Aktivkohleanbieters verlassen. Dem Produkt sollten genaue Angaben beiliegen, wie viel Liter Trinkwasser bis auf welche Restkonzentration eines bestimmten Stoffes gereinigt werden können: z.B. Atrazin bis 0,1 µg/l für 5000 Liter Rohwasser. Wenn keine genauen Angaben vorliegen, kann nicht abgeschätzt werden, wie lange und wie gut die Aktivkohle das Rohwasser von organischen Verunreinigungen befreit. Solche Kohlen sollten nur für Zwecke eingesetzt werden, bei denen man den Reinigungserfolg sehen oder einfach messen kann.

 

Wie wird die Aktivkohle richtig eingesetzt?

Körnige Aktivkohle kann im Prinzip auf zwei Weisen eingesetzt werden:

1. Man lässt das zu reinigende Wasser im Kreislauf durch das Aktivkohlebett laufen. Dies ist im Aquariumbereich leicht zu bewerkstelligen, indem die Aktivkohle - besonders praktisch ist ein Beutel, der die Aktivkohle aufnimmt - in den Filtertopf eines Tauchfilters oder in einen Rieselfilter eingebracht wird. Alternativ kann ein Aktivkohlebeutel auch direkt ins Aquarium in eine starke Strömung gehängt werden. Nach dem Ende des Aktivkohleeinsatzes wird die Kohle einfach wieder entnommen.

2. Man lässt das zu reinigende Wasser nur einmal den Aktivkohlefilter passieren. Wenn eine Kreislaufführung nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist, z.B. bei der Rohwasseraufbereitung, bleibt diese zweite Möglichkeit. Bei dieser Nutzung muss unbedingt die Kontaktzeit von Wasser und Kohle berücksichtigt werden. Im Allgemeinen dauert die Kontaktzeit bei Flüssigkeiten ca. 30 Minuten, d.h. das durch den Filter fließende Wasser muss 30 Minuten an der Aktivkohle vorbeifließen, damit sie genügend Zeit hat, die Schadstoffe aufzunehmen. Für den Aquarianer heißt das, dass ein großes Aktivkohlevolumen so langsam wie möglich vom Wasser durchströmt werden muss. Bei einem angenommen Zwischenkornvolumen (der Raum zwischen der Aktivkohle) von 30% des Gesamtvolumens, einer Kontaktzeit von 30 Minuten und einem gewählten Filtervolumen von 1 Liter dürfen maximal 150 Milliliter pro Stunde durch den Filter geleitet werden. Bei mehr Wasser kann nicht die volle Reinigungsleistung erzielt werden. Eine besonders hohe Reinigungskraft erreicht ein langer schmaler Aktivkohlefilter, das das Wasser in Längsrichtung durchfließt.

Zum Schluss noch eine allgemeine Anmerkung zum Filterkohleeinsatz. Bei vielen Kohlen ist es günstig, vor dem Einsatz die Filterkohle in warmem Wasser zu entgasen (Herstellerangaben beachten). Dadurch werden die Makroporen der Kohle von der Luft befreit und können die Schadstoffe mit dem Wasser schnell ins Innere der Kohle diffundieren. Unbedingt nötig ist das Entgasen in warmen Wasser nicht; es kann nur die Einfahrphase ein wenig verkürzen. Eine Aktivierung der Kohle durch warmes Wasser - wie von einigen Anbietern behauptet - ist nicht möglich. Der Aktivierungsprozess läuft nur unter extremen Bedingungen ab (siehe oben).

Eine Alternative zu Aktivkohlen sind Spezial-Adsorberharze. Diese Produkte sind im allgemeinen leistungsfähiger (kürzerer Kontaktzeit), aber auch teurer als Aktivkohle.

Literatur

Die Trinkwasserverordnung. Einführung und Erläuterungen für Wasserversorgungsunternehmen und Überwachungsbehörden. Hersg.: AURAND, K., HÄSSELBARTH, U., LANGE-ASSCHENFELDT, H. & STEURER; W.. 3. Auflage. Berlin: Erich Schmidt.

Klöppel, E. & Klöppel, B. 1980: Chemische Technologie. Theoretische Grundlagen und Grundverfahren. Leibzig: VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie.

Näser, K.-H. 1986: Physikalische Chemie für Techniker und Ingenieure. 17. Auflage. Leibzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie.