01.07.2020
Aktivkohle in der Wasseraufbereitung: Aufklärung spezifischer Sorptionsplätze von Carbamazepin

Aktivkohle in der Wasseraufbereitung: Aufklärung spezifischer Sorptionsplätze von Carbamazepin

Quelle: BAM, Fachbereich Physik und chemische Analytik der Polymere

Der Einsatz von Aktivkohle in Klär- und Wasserwerken ist eine Möglichkeit, anthropogene Spurenstoffe aus dem Wasserkreislauf zu eliminieren. Eine vierte Reinigungsstufe kann die zunehmende Belastung von Mensch und Umwelt mit Medikamentenrückständen, Pflanzenschutzmitteln und synthetischen Chemikalien minimieren. Verschiedene Aktivkohlen adsorbieren die Vielzahl an Substanzen unterschiedlich stark. Ihre Eigenschaften werden im Wesentlichen vom Ausgangsmaterial (Kohle, Holz, Kokosnussschalen, u. a.) und den Aktivierungsbedingungen während des Herstellungsprozesses bestimmt.

Die tatsächliche Spurenstoffentfernung erfolgt in einem komplexen Zusammen- oder Gegenspiel mit der Wassermatrix und ist Gegenstand aktueller Forschung. Die zugrunde liegenden Mechanismen lassen sich durch Adsorptionsversuche im Labor nur begrenzt erfassen, da die Aktivkohle nur als Summe ihrer Eigenschaften, als „Black Box“, betrachtet wird. Mit der vorliegenden Publikation schlagen wir einen neuen Ansatz vor, in dem die Aktivkohle selbst und nicht die Reduktion der Spurenstoffe im Wasser analysiert wird. Dazu wurde der ubiquitär auftretende Spurenstoff Carbamazepin, ein Antiepileptikum, an verschiedene Aktivkohlen adsorbiert, diese dann getrocknet und thermoanalytisch charakterisiert. Dafür wurden die Proben in inerter Stickstoffatmosphäre auf 600 °C erhitzt und die entstehenden gasförmigen Pyrolyse-Produkte analysiert.

Carbamazepin als Reinstoff zersetzte sich beim Erhitzen in zwei Produkte. Im adsorbierten Zustand sind jedoch mehr als 55 Zersetzungsprodukte entstanden, die in Menge und Ausprägung charakteristisch für die untersuchten Aktivkohlen sind. Des Weiteren wurden diese Pyrolyse-Produkte neun Gruppen zugeordnet und Zustände wie Multilayer- und Porenfüll-Effekte beschrieben. Spezifische Zersetzungsprodukte für bevorzugte Sorptionsplätze sowie die Interaktion mit anorganischen Aktivkohlebestandteilen konnten nachgewiesen werden. Darüber hinaus liegt die Vermutung nahe, dass die Verfügbarkeit von Wasserstoffatomen in der Kohlenstoffstruktur der Aktivkohle großen Einfluss auf Spurenstoffadsorption und ihre thermische Zersetzung hat. Dazu wurde eine thermodynamische Hypothese aufgestellt. Diese und zukünftige Untersuchungen mit komplexeren Adsorptionsmedien sollen dazu beitragen, Adsorptionsprozesse auf Aktivkohlen besser beschreiben und schließlich vorhersagen zu können.

Zur vorliegenden Open Access Publikation wurden zusätzlich alle erhobenen Rohdaten in einem Zenodo-Repository veröffentlicht.

Specific adsorption sites and conditions derived by thermal decomposition of activated carbons and adsorbed carbamazepine
Daniel Dittmann, Paul Eisentraut, Caroline Goedecke, Yosri Wiesner, M Jekel, A S Ruhl, Ulrike Braun, veröffentlicht in Scientific Reports 10, Artikelnr. 6695
BAM, Fachbereich Physik und chemische Analytik der Polymere