DE102008038475A1 - Verfahren zur Wasser- und Gasreinigung mit beschichteten Aktivkohlefasern - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Reinigung eines wässrigen und/oder gasförmigen Mediums beschrieben, das durch eine Reinigungsvorrichtung strömt und darin mittels eines Wickels, der ebenfalls durch die Reinigungsvorrichtung geführt wird, gereinigt wird. Der Wickel enthält faserförmige Aktivkohle, die mit einer Beschichtung versehen ist, die mindestens zu einem Anteil aus Eisen(III)oxidhydrat besteht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wickel nach Durchlaufen der Reinigungsvorrichtung kontinuierlich unter Inertgas durch einen Pyrolyseofen geführt wird, in dem der Wickel kontinuierlich pyrolytisch reaktiviert wird und dabei auch zeitweise nach Kohlenstoffgehalt und Eisengehalt nachjustiert werden kann.

Description

  • Es wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Reinigung eines wässrigen und/oder gasförmigen Mediums beschrieben, das durch eine Reinigungsvorrichtung strömt und darin mittels eines oder mehrerer Bänder oder Stränge, die in der Form von einem oder mehreren Wickeln, die durch die Reinigungsvorrichtung bewegt werden, gereinigt wird. Die Wickel enthalten faserförmige Aktivkohle, die mit einer Beschichtung versehen ist, die mindestens zu einem Anteil mindestens einen Stoff aus der Gruppe Eisen(III)oxidhydrat, Eisen(III)oxid, metallisches Eisen, Eisensulfid, Eisendisulfid und Bariumsulfat enthält. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wickel nach Durchlaufen der Reinigungsvorrichtung kontinuierlich unter Inertgas durch einen Pyrolyseofen geführt wird, in dem der Wickel kontinuierlich pyrolytisch reaktiviert wird und dabei auch zeitweise nach Kohlenstoffgehalt und Eisengehalt nachjustiert wird.
  • Aktivkohlefasern, fortan als ACF bezeichnet, haben in der Wasser- und Gasreinigung gegenüber körnigen Aktivkohlen, fortan als GA bezeichnet, den Vorteil kurzer Diffusionswege, da die sorptionsaktiven Poren überwiegend an der Oberfläche der Fasern angeordnet sind.
  • Dadurch bedingt verfügen die mit ACF gepackten Festbettfilter über außerordentlich kurze Massenübergangszonen. Wegen der gegenüber GA geringen Packungsdichte haben die mit ACF gepackten Festbettfilter bei gleicher Beladungskapazität pro Aktivkohlegewicht allerdings wesentlich geringere Beladungskapazitäten als GA-Festbettfiltern.
  • Es bietet sich daher an, ACF-Filter nicht als Festbettfilter einzusetzen, sondern in dafür geeigneter Form im Bewegtbett-Verfahren mit kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Regeneration des Bettes. Das ACF-Filterband wird dazu kontinuierlich durch das zu reinigende Medium geführt, gelangt von dort zur Desorption in eine Regenerationseinheit um danach wieder durch das zu reinigende Medium geführt zu werden.
  • Insbesondere die zur Luftreinigung, meistens zur Entfernung von Lösungsmitteln, eingesetzten Aktivkohlefilter werden durch Behandlung mit Wasserdampf regeneriert. Dabei werden die adsorbierten flüchtigen Stoffe aus der Aktivkohle ausgetrieben. Bei der Wasserreinigung mit Aktivkohle, z. B. bei der Trinkwasseraufbereitung aus Grundwasser oder Uferfiltrat und bei der Abwasserreinigung in der letzten Reinigungsstufe geht es darum, abbauresistente Problemstoffe, z. B. Tenside, Biozide oder altlastenstämmige Substanzen abzuscheiden.
  • Diese Stoffe zeichnen sich in der Regel durch einen hohen Siedepunkt aus und widersetzen sich daher der Wasserdampf-Regeneration. Zudem werden auch die an und für sich unschädlichen natürlichen im Wasser gelösten unverdampfbaren Huminstoffe an den Aktivkohlen adsorbiert, die sich ebenfalls dieser Art der Regeneration widersetzen.
  • In den meisten Fällen der Wasserreinigung ist die Dampfregeneration der Aktivkohle daher unwirtschaftlich, weil sich die hochsiedende Substanzen auf der Aktivkohle ansammeln, bis ihre Wirksamkeit schließlich zu Ende geht. Insbesondere ACF, die einen wesentlich höheren Wert als GA repräsentiert, wird daher aus wirtschaftlichen Gründen nicht in der Wasserreinigung eingesetzt. Preisgünstigeres Aktivkohlepulver, das nach seinem Einmal-Gebrauch zum Abfall wird, ist daher oft das Mittel der Wahl in der Trinkwasserherstellung aus Grundwasser, Uferfiltrat und Oberflächenwasser.
  • Gelegentlich wird daher bei der Wasserreinigung auch auf die Anwendung von wirksamen Oxidationsverfahren wie z. B. Permanganatbehandlung, und Behandlung mit Eisensalzen nach dem Fenton- oder Photo-Fenton-Verfahren zurückgegriffen, mit denen schwer abbaubare Substanzen eliminiert werden können. Aber auch diese Verfahren haben Nachteile, ggf. weil die chemischen Reaktionen erhebliche Zeit benötigen, weil die notwendigen Chemikalien und der ggf. nötige Photoenergieeinsatz teuer sind und weil auch die schlammförmigen Reaktionsprodukte aus dem Reinwasser abgetrennt werden müssen.
  • Bei einigen der o. g. aus dem Wasser abzutrennenden Stoffe überwiegen die hydrophilen Eigenschaften die hydrophoben. Solche Stoffe lassen sich vielfach nur mangelhaft mit Aktivkohle aus dem Wasser entfernen.
  • Zur Entfernung hochsiedender Stoffe von der Aktivkohle bzw. zur Wiederherstellung ihrer Aktivität wird auch die Reaktivierung eingesetzt. Dies ist ein Verfahren, bei dem die Aktivkohle bei Temperaturen oberhalb von Rotgluthitze mit milden Oxidationsmitteln, z. B. Wasserdampf und/oder Kohlendioxid behandelt wird. Derartige Verfahren sind jedoch aufwendig, da die Reaktionsbedingungen Temperatur, Oxidationsmittelkonzentration und Reaktionszeit mit großer Präzision eingehalten werden müssen und weil die Reaktivierung zusätzlichen Energieaufwand für die Einstellung und Erhaltung der Reaktivierungstemperatur benötigt. Dies gilt insbesondere für ACF.
  • Gemäß der deutschen Patentanmeldung mit dem AZ. 103 33 824.1 wurden hier neuartige ACF-Sorbenzien entwickelt, hier fortan in der Form als gewickelte Schicht als gM-ACF bezeichnet, mit denen die o. g. Nachteile der Reaktivierung zur Aktivkohleregeneration nicht auftreten und die darüber hinaus ein breiteres Anwendungsspektrum abdecken. Die hier eingesetzten gM-ACF sind dadurch gekennzeichnet, dass sie Eisen als Beschichtung in einer oder mehrerer Formen, wie z. B. metallisches Eisen, Eisenoxide, Eisensulfide, Eisenoxidhydrate, enthalten.
  • Das nunmehr hier vorgestellten erfindungsgemäßen Wasser- und/oder Gaseinigungsverfahren beschreibt einen Prozess der sich zur Anwendung der AZ. 103 33 824.1 beschriebenen eisenhaltigen ACF in der Anwendungsform als gM-ACF eignet. In dieser Anwendung wird eine vorteilhafte Wirtschaftlichkeit erzielt, denn es kann mit den gM-ACF ein Reaktivierungsgrad erreicht werden, bei dem auch hochsiedende Wasserverunreinigungen präzise und ohne Schädigung der Aktivkohleeigenschaften von dem gM-ACF entfernt werden. Nachfolgend wird das erfindungsgemäßen Wasser- und/oder Gaseinigungsverfahren mit dem Synonym gM-Wasserbehandlung bzw. gM-Gasbehandlung abgekürzt, bzw. gemeinsam unter gM-Behandlung zusammengefasst.
  • Die gM-Behandlung ist dadurch gekennzeichnet, dass das in der deutschen Patentanmeldung mit dem AZ. 103 33 824.1 beschriebene Reaktivierungs-Verfahren und das Verfahren der Wasser- und/oder Gaseinigung miteinander in derartiger Weise miteinander kombiniert werden, dass die in der gM-Behandlung eingesetzte gM-ACF dadurch eine nahezu unbeschränkte Verwendung erfährt. Die gM-Behandlung ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass ein gM-ACF-Wickel nacheinander die Wasser- und/oder Gas-Reinigungsvorrichtung und eine Reaktivierungsstufe durchläuft, wobei die Reaktivierungsstufe mindestens einen Pyrolyseofen enthält.
  • Die Herstellung des gM-ACF
  • Zur Herstellung der gM-ACF wird auf einem ACF-Bandwickel oder einem ACF-Strangwickel oder einem wickelförmig angeordneten ACF-Precursor, beispielsweise einem bahnförmigen organischen unschmelzbaren Fasermaterial z. B. aus der Gruppe Papierbahn, Textilbahn, Viskosefaserstrang, Viskosefaservliesbahn, Polyacrylnitrilfaservliesbahn, in einem separaten Schritt zunächst eine definierte Beschichtung enthaltend eine wasserunlösliche Eisenverbindung erzeugt. Die Beschichtung wird in mehreren Schritten hergestellt. Prinzipiell ist es unerheblich, ob die Beschichtung auf Einzelfasern erzeugt wird, aus denen danach erst ein strang- oder bahnförmiges Material, z. B. eine Papierbahn, hergestellt wird, oder ob eine ACF enthaltende Bahn, z. B. eine ACF-Vliesbahn, oder eine ACF-Precursorbahn oder ACF-Precursorstrang, z. B. in der Form eines Faserstranges oder einer Vlies-, Textil- oder Papierbahn als solche beschichtet wird oder ob ein ACF-Wickel oder ein ACF-Precursor-Bahnwickel beschichtet wird.
  • Die Eisenbeschichtung der Fasern geschieht vorzugsweise durch Ausfällung einer in Wasser schwer löslichen Eisenverbindung auf der Fasern, in welcher Form auch immer sie angeordnet ist, vorzugsweise mittels Fällung in der Gegenwart von Wasser oder Wasserdampf, z. B. durch Hydrolyse, Oxidation, Fällungsmittelzusatz. Vorzugsweise wird dazu ein Bandwickel enthaltend ACF oder ACF-Precursor mit einer Eisensalzlösung getränkt. Vorzugsweise verwendet werden dazu Eisensalzlösungen enthaltend Salze aus der Gruppe Eisen(III)chlorid, Eisen(III)sulfat, Eisen(III)nitrat, Eisen(II)chlorid, Eisen(II)sulfat, Eisen(II)nitrat.
  • Die mit Eisensalzlösung getränkten Fasern, in welcher Form auch immer sie angeordnet sind, werden danach mehr oder weniger weitgehend, vorzugsweise mindestens bis zur beginnenden Kristallisation des Eisensalzes getrocknet. Danach werden die eisensalzimprägnierten Fasern mit einem gasförmigen Reagens behandelt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es ein oder mehrere gasförmige oder wassergelöste Reagenzien enthält, die mit dem Eisensalz unter Ausscheidung eines in Wasser schwerlöslichen oxidischen Eisenverbindung reagieren. Die Behandlung der Fasern geschieht vorzugsweise in der Form eines Wickels. Dies kann sein beispielsweise ein Wickel aus Bahnen, Bändern oder Strängen. Vorzugsweise ist es ein Wickel aus Faservliesbahnen. Die bevorzugten Fällungsreaktionen sind hierbei Hydrolyse, Oxidation und Sulfidfällung.
  • Weniger bevorzugt ist es, die mit Eisensalzlösung getränkten Fasern mit einem wasserhaltigen aerosolförmigen Reagens oder einem wässrigen Reagens zu behandeln. Auch das wässrige oder aerosolförmige Reagens ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein oder mehrere wassergelöste Reagenzien enthält, die mit dem Eisensalz unter Ausscheidung eines in Wasser schwerlöslichen oxidischen Eisenverbindung reagieren. Die bevorzugten Fällungsreaktionen sind auch hierbei Hydrolyse, Oxidation und Sulfidfällung.
  • Unabhängig davon, ob nun die Fällung der in Wasser schwerlöslichen Eisenverbindung auf den Fasern mit einem gasförmigen Reagens oder einem in Wasser gelösten Reagens erfolgt, wird die Fällung vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 0°C und 40°C vorgenommen.
  • Vorzugsweise enthalten die gasförmigen Reagenzien zur Fällung der in Wasser schwerlöslichen Eisenverbindung auf den Fasern mindestens ein Gas aus der Gruppe Ammoniak, Sauerstoff und Schwefelwasserstoff. Vorzugsweise wird die Gasbehandlung eines mit Eisensalz imprägnierten Wickels derart durchgeführt, dass der Wickel bei der Reaktion eine geringe Restfeuchte innehat. Dieser Wassergehalt fördert die Reaktivität der Reaktionspartner und sorgt für eine rasche Ausfällung der schwerlöslichen Eisenverbindungen. Die Restfeuchte des Wickels kann durch geeignete Führung des Trocknungsschrittes oder durch ausreichende relative Feuchte des Behandlungsgases gewährleistet werden. Die relative Feuchte des Behandlungsgases beträgt in diesem Fall vorzugsweise größer 80%. Durch die alkalisch reagierenden Gase wird die Eisensalzbeschichtung in der Gegenwart der Feuchtigkeit zu Eisen(III)oxidhydrat oder Eisen(II)hydroxid überführt. Eisen(II)hydroxid wird an der Luft in Eisen(III)oxidhydrat überführt. Weniger bevorzugt ist die Methode, das Eisensalz durch gasförmigen Schwefelwasserstoff in Eisensulfid zu überführen, das dann durch einfache Luftoxidation ebenfalls in Eisen(III)oxidhydrat übergeht.
  • Vorzugsweise enthalten die wassergelösten Reagenzien zur Fällung auf den Fasern in wässriger Phase oder mit Aerosol einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Bariumhydroxid, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Kaliumhydrogencarbonat, Bariumhydrogen-carbonat, Ammoniak, Ammoniumcarbonat, Hydrazin, Bariumsulfid, Natriumsulfid, Kaliumsulfid, Schwefelwasserstoff. Durch die alkalisch reagierenden gelösten Stoffe wird die Eisensalzbeschichtung in der Gegenwart der Feuchtigkeit zu Eisen(III)oxidhydrat oder Eisen(II)hydroxid überführt. Eisen(II)hydroxid wird an der Luft in Eisen(III)oxidhydrat überführt. Weniger bevorzugt ist die Methode, das Eisensalz durch gelöste Sulfide oder gelösten Schwefelwasserstoff in Eisensulfid zu überführen, das dann durch einfache Luftoxidation in Eisen(III)oxidhydrat übergeht.
  • Für die Anwendung der wassergelösten Reagenzien zur Ausfällung der eisenhaltigen Beschichtung auf den Fasern sind diese vorzugsweise in der Form eines Stranges, eines Bandes oder als Einzelfasern in Suspension angeordnet.
  • Falls die Ausfällung der eisenhaltigen Beschichtung auf den Fasern noch nicht in der Form eines Wickels vorgenommen wurde, werden die beschichteten Fasern vorzugsweise in der Form eines Strang- oder Bahnwickels angeordnet. Dabei wird die Anordnung der Fasern im Wickel und die Schichtdicke im Wickel derart gewählt, dass der Wickel ausreichend von Fluiden in flüssigem und/oder gasförmigem Aggregatzustand durchströmt werden kann. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke des Wickels kleiner 10 cm und größer 2 mm. Technisch anwendbar sind aber noch Wickelschichtdicken zwischen 50 cm und 1 mm.
  • Vorzugsweise ist die die eisenhaltig beschichteten Fasern enthaltende Wickelschicht zwischen zwei kreisförmig konzentrisch um die Wickelachse angeordneten und auch unter Gluttemperaturen in reduzierendem Milieu korrosionsbeständigen Siebbändern angeordnet. Sofern dies nicht bereits vor der Anordnung der Bahnen oder Stränge als Wickel geschehen ist, wird die Wickelschicht nun einer Konditionierung unterzogen.
  • Die Überführung der die eisenhaltig beschichteten Fasern enthaltenden Wickelschicht in das für die Gas- und/oder Wasserreinigung geeignete Endprodukt besteht aus den drei Schritten:
    Vorkonditionierung, Pyrolyse und Nachkonditionierung.
  • Die Vorkonditionierung ist nicht obligatorisch. Sie besteht aus den Schritten Wäsche und Adhäsionswasserentfernung. Die Vorkonditionierung ist nicht obligatorisch. Jedoch ist durch die Fällung dann, wenn die Reaktion im wässrigen Milieu geschehen ist, eine nasse Wickelschicht gebildet worden. In diesem Fall wird die Adhäsionswasserentfemung vor der Pyrolyse bevorzugt, um Energie zu sparen. Für weitgehend trockene Wickel, deren Beschichtung z. B. durch gasförmige Reaktionsmittel ausgelöst wurde oder die aus fertig vorbeschichteten trockenen Bändern oder Strängen gefertigt worden sind, kann dieser Teil der Vorkonditionierung ganz entfallen. Die Wäsche vor der Pyrolyse dient der Entfernung wasserlöslicher Salze. Sie ist zumindest dann nicht bevorzugt, wenn die löslichen Salze stickstoffhaltig sind. Auch ist sie nicht obligatorisch, wenn Alkali- und/oder Erdalkalisalze als Reaktionsrückstände der Fällungsreaktionen verblieben sind. Die Abtrennung der adhärierenden Flüssigkeit geschieht z. B. durch Zentrifugation oder durch einen oder mehrere Saugschlitze, über die die Wickelschicht geführt wird.
  • Zur Pyrolyse durchfährt die Wickelschicht mitsamt dem Siebband, auf dem sie aufliegt, unter dem Schutz eines Inertgases mit definierter Geschwindigkeit einen Tunnelofen. Der Querschnitt des Ofentunnels entspricht vorzugsweise der Querschnitttopographie der siebbandgetragenen Wickelschicht. Der Tunnelofen besteht vorzugsweise aus elektrisch oder andersartig beheizten Metallplatten mit einer Vielzahl von Ausnehmungen, die der Zu- und Abführung von Inertgas dienen. Das auf Ofentemperatur erwärmte Inertgas durchströmt dabei die Wickelschicht, nimmt dabei die Pyrolyseprodukte auf und führt sie ab. Die Wickelschicht wird in einer solchen Geschwindigkeit durch den Ofen geführt, dass sie in ihrem Inneren mindestens ein Temperaturniveau von größer 400°C und höchstens 1200°C erreicht. Bevorzugte Wickelschichttemperaturen sind größer 700°C und kleiner 1100°C. Das bevorzugte Inertgas, das dabei Verwendung findet, enthält mindestens ein Gas aus der Gruppe Stickstoff, Helium, Argon, Krypton, Xenon.
  • Zur Minimierung der Inertgasverluste läuft die Wickelschicht am Ein- und Auslauf in den Tunnelofen durch Gummilippen oder ähnlich wirkungsvolle Einrichtungen vorbei.
  • Das durch den Tunnelofen gelenkte Inertgas wird vorzugsweise im Kreis geführt. Es ist wie unten erwähnt, mit zumindest mit Pyrolyseprodukten aus der Gruppe aromatische Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf, sowie ggf. Ammoniumsalzen, Cyanwasserstoff und Schwefelwasserstoff angereichert. Vorzugsweise werden diese Stoffe aus dem Pyrolysegas entfernt. Dazu wird das mit Pyrolyseprodukten versetzte heiße Inertgas wird zunächst durch ein vorzugsweise auf 350°C bis 450°C erwärmtes, vorzugsweise Mangan- und/oder Cer-haltiges Eisen(III)oxid-Sorbens geleitet, das vorzugsweise als eingehauste Granulat-Schüttung ausgebildet ist. Hier oxidieren Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Blausäure zu wasserlöslichen Stoffen. Anschließend wird das derart vorgereinigte Inertgas durch eine Kondensationseinrichtung geleitet, in der es auf Zimmertemperatur heruntergekühlt wird. Hier kondensieren Wasserdampf, Ammonsalze und die Reaktionsprodukte aus der Eisen(III)oxid-Granulatschüttung. Das derart gereinigte Inertgas kann danach wieder in den Tunnelofen zurückgeführt werden.
  • In dem Tunnelofen reagieren die in der Beschichtung der Fasern der Wickelschicht enthaltenen oxidierenden Eisenverbindungen mit dem festen Oxidationsmittel zu
    • a) gasförmigen Produkten, die mit dem Inertgasstrom abgeführt werden und
    • b) metallischem Eisen, das als feste Beschichtung auf den Fasern verbleibt.
  • Die dann mit der Beschichtung aus feinst verteiltem metallischen Eisen versehene Fasern des Wickels bilden den reduzierend reagierenden gM-ACF-Bandwickel.
  • Die Nachkonditionierung ist nur dann obligatorisch, wenn die Wasser- und/oder Gasreinigung mit oxidierend wirkendem Eisen(III)oxidhydrat als Faserbeschichtung, also oxidierend reagierendem gM-ACF-Bandwickel, durchzuführen ist. Die Nachkonditionierung geschieht einfach dadurch, dass der reduzierend reagierende gM-ACF-Bandwickel der Luft, vorzugsweise in feuchtem Zustand oder sauerstoffhaltigem Wasser ausgesetzt wird. Insbesondere in der Gegenwart von Feuchtigkeit oder geringem Kupfergehalt der eisenhaltigen Faserbeschichtung geschieht die Umwandlung in der Regel innerhalb von Stundenfrist.
  • Es kann von wirtschaftlichem Vorteil sein, wenn die wertvollen kondensierbaren oder absorbierbaren gasförmigen Pyrolyseprodukte, die aus dem Inertgas abgeschieden werden, zurückgewonnen werden. Dazu gehört z. B. das Ammoniumchlorid, das z. B. durch Zusatz von Lauge zu dem Kondensat nach an und für sich bekannten Verfahren auch wieder zu gasförmigem Ammoniak umgesetzt werden kann, der als solcher für die oben beschriebene Beschichtung von Fasern mit Eisen(III)oxidhydrat in der Gasphase Wiederverwendung werden kann. Hierfür ist es unerheblich dass der eingesetzte Recycling-Ammoniak Verunreinigungen mit Pyrolyseprodukten enthält.
  • Neben der oben beschriebenen gM-ACF-Precursor-Faser-Beschichtung mit in Wasser schwer löslichen Eisenverbindungen bei Temperaturen unter 100°C gibt es eine weitere ebenfalls bevorzugte Methode zur Eisenbeschichtung zwecks Herstellung des gM-ACF-Bandes oder des gM-ACF-Bandwickels. Diese hat die Eisenbeschichtung einer ACF-Wickelschicht bei Temperaturen zwischen 400°C und 1200°C direkt im Pyrolyseofen zum Ziel. Das geschieht vorzugsweise ebenfalls in der Gegenwart mindestens eines Inertgases aus der Gruppe Stickstoff und Edelgase.
  • Die Beschichtung der ACF-Wickelschicht mit Eisen geschieht hierbei primär durch pyrolytische Gasphasen-Zersetzung von thermisch zersetzlichen Eisenprecursoren, wie z. B. Ferrocen, Eisencarbonylen, Eisenacetylacetonat. Zusätzlich können zur gleichzeitigen Förderung des Aufbaus oberflächenreicher und damit die Adsorptionsfähigkeit des gM-ACF steigernder Kohlenstoffstrukturen ein oder mehrere kohlenstoffhaltige reduzierenden Gasen aus der Gruppe Wasserstoff, Methan und/oder wasserstoffhaltigen organischen Gase zugesetzt werden.
  • Zur Herstellung der eisenhaltigen ACF-Beschichtung des gM-ACF wird der Eisenprecursor, vorzugsweise Ferrocen, zum Beispiel der Gasphase der Atmosphäre im Pyrolyseofen zugesetzt. Dies geschieht vorzugsweise durch geregeltes Hindurchleiten von Stickstoff oder einem anderen Gas der Ofenatmosphäre durch eine Ferrocenschmelze oder erhitzte Ferrocenlösung, die in einer thermostatisiert temperierten Gaswaschflasche vorgelegt ist. Die ferrocenangereicherte Gasphase wird sodann in die Atmosphäre des Pyrolyseofens eingeleitet, mit dieser erhitzt und im Tunnelofen dann durch die Wickelschicht hindurchgeleitet. Ebenso kann mit den übrigen kondensierbaren wasserstoffhaltigen Inertgasen verfahren werden.
  • Eine weitere weniger bevorzugte ähnliche Möglichkeit zur Herstellung der eisenhaltigen ACF-Beschichtung ist die Benetzung der ACF-Wickelschicht mit einer Eisenprecursor-Lösung, z. B. Dekamethylferrocen-Lösung, in organischem Lösungsmittel vor Eintritt in den Tunnelofen. Bevorzugte Lösungsmittel dafür sind niedrigsiedende Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische enthaltend Stoffe aus der Gruppe Alkohole, Ester, Ketone, Kohlenwasserstoffe.
  • Vorteilhaft kann diese Form der Beschichtung mit Eisen auch mittels Kohlendioxid als Lösungsmittel aus der überkritischen Gasphase geschehen, z. B. durch Absenken von Temperatur und/oder Druck. Ggf. nach Verdampfen des Lösungsmittels wird anschließend das ACF-Band oder der ACF-Bandwickel durch den Pyrolyseofen gezogen, wobei dann die Beschichtung mit elementarem Eisen auf den ACF entsteht.
  • Auch bei der Bildung der gM-ACF durch pyrolytische Beschichtung im Tunnelofen bildet sich eine Beschichtung aus metallischem Eisen, die reduzierenden Charakter hat. Indem diese der Oxidation durch die feuchte Atmosphäre oder sauerstoffhaltiges Wasser, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 0°C und 30°C ausgesetzt wird, vorzugsweise in der Gegenwart von Kupferionen, wandelt sich das primär reduzierende gM-ACF rasch in oxidierendes gM-ACF, das auch hier durch eine Beschichtung aus Eisen(III)oxidhydrat gekennzeichnet ist.
  • Die zunächst bei der Pyrolyse gebildete reduzierend wirkende gM-ACF-Wickelschicht wird nachfolgend als gM-ACF-red bezeichnet. Die daraus gebildete oxidierend wirkende gM-ACF-Wickelschicht wird nachfolgend als gM-ACF-ox bezeichnet. gM-ACF-red kann nach seiner Abkühlung in vielen Fällen direkt zur anaeroben oder aeroben Gas- oder Wasserbehandlung eingesetzt werden. Besonders rasch bei der aeroben gM-Wasserbehandlung wandelt gM-ACF-red sich durch selbsttätige Oxidation in gM-ACF-ox um. Insbesondere dann, wenn die reduzierende Komponente Partikel aus metallischem Eisen oder Eisensulfid enthalten, erfolgt die Bildung des gM-ACF-ox in der Gegenwart von Feuchtigkeit und Sauerstoff aus dem gM-ACF-red sehr rasch. Es kann aber auch ein separater Oxidationsschritt zur Umwandlung der Reduktionsmittelbeschichtung in eine Oxidationsmittelbeschichtung vorgenommen werden, bevor das gM-ACF-ox zur gM-Gas- oder gM-Wasserbehandlung eingesetzt wird.
  • Dies ist der wesentliche Unterschied zur Wasser- und Gasbehandlung mit herkömmlichem ACF: Die multiplen Eigenschaften des gM-ACF basierend auf dem Eisen-Reduktionsmittel- bzw. Eisen-Oxidationsmittelgehealt von gM-ACF-red bzw. gM-ACF-ox die bei den Behandlungsschritten in der Wasser- und Gasbehandlung beliebig miteinander kombinierbar sind.
  • Daher eignen sich die gM-ACF nicht allein für die adsorptive Wasserreinigung; sie eignen sich zusätzlich als chemisch oder biologisch aktive Reagenzien zur reduzierenden oder oxidierenden chemischen und biologischen Wasserbehandlung. Diese neuartige Methode der Wasserreinigung mit integrierter Reaktivierung durch Pyrolyse ist die gM-Wasserbehandlung.
  • Die Beschichtungen auf gM-ACF-red enthalten mindestens eine Substanz aus der Gruppe metallisches Eisen und Sulfid. Die Beschichtungen auf gM-ACF-ox enthalten mindestens eine Substanz aus der Gruppe Eisen(III)oxidhydrat und Sulfat.
  • Die gM-Behandlung
  • Die gM-Behandlung setzt sich zusammen aus der Reinigungsoperation mit dem gM-ACF-Sorbens und seiner pyrolytischen Regeneration und Reaktivierung. Bei der gM-Behandlung wird die Reaktivierung des gM-ACF kontinuierlich in einem Tunnelofen durch Pyrolyse ausgeführt; und zwar nach der gleichen Methodik, die oben bereits bei der Herstellung der gM-ACF beschrieben worden ist, indem das gM-ACF kontinuierlich durch den Tunnelofen geführt wird. Nur im Fall der gM-Wasserbehandlung wird die gM-ACF vorzugsweise vor Einlauf in den Reaktivierungsofen einer kontinuierlichen mechanischen Entwässerung durch Absaugen und/oder einer kontinuierlichen thermischen Entwässerung in einem Wasserverdampfer unterzogen. Dies kann z. B. durch Hindurchsaugen von Warmluft geschehen.
  • Die Reaktivierung wird vorzugsweise unter Anreicherung des Inertgases mit einem gasförmigen Kohlenstoffträger und/oder einem gasförmigen Eisenträger sowie Wasserstoff durchgeführt werden. Bevorzugte Kohlenstoffträger sind Aliphaten mit einem bis 12 Kohlenstoffatomen im Molekül, aromatische Kohlenwasserstoffe mit 6 bis 12 Kohlenstoffatomen im Molekül, Ferrocen und Ferrocenderivate mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen im Molekül. Bevorzugte Eisenträger sind Ferrocen und Ferrocenderivate mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen im Molekül.
  • Die Reaktivierung des gM-ACF ist derart in das Verfahren zur gM-Behandlung integriert, dass das reaktivierte gM-ACF, das in der Form von gM-ACF-red aus dem Ofen kommt und danach in einem ebenfalls kontinuierlich durchgeführten separaten Oxidationsschritt zur Wandlung des gM-ACF-red zu gM-ACF-ox, kontinuierlich durch eine Vorrichtung geführt wird, in der die Reinigung des zu reinigenden Mediums vorgenommen wird.
  • Die Vorrichtung in der die Reinigung des zu reinigenden Mediums vorgenommen wird, ist im Fall der gM-Wasserbehandlung vorzugsweise ein Becken, durch das das zu reinigende Wasser strömt oder im Fall der gM-Gasbehandlung eine Einhausung, durch die das zu reinigende gasförmige Medium geführt wird, wie z. B. Abluft oder Abgas. Vorzugsweise wird das zu reinigende Medium durch das gM-ACF durch die Vorrichtung geführt, in der die gM-Behandlung vorgenommen wird.
  • Die gM-Behandlung kann am eindrucksvollsten an einem Beispiel erklärt werden:
    Ein mechanisch und biologisch vorgereinigtes klares häusliches Abwasser soll beispielhaft in einer vierten Reinigungsstufe gereinigt werden von Schadstoffen aus der Gruppe der hormonähnlich reagierenden Tensid- und Medikament-Rückstände. Zusätzlich dazu sollen geringe Spuren von Antimon aus dem Abwasser entfernt werden, die weniger als einen Promilleanteil seiner organischen Belastung ausmachen. Das Abwasser hat schwach gelbliche Färbung aus dem Vorhandensein huminstoffartiger Inhaltsstoffe.
  • Mittel der Wahl zur Reinigung dieses Abwassers ist der Einsatz von gM-ACF-ox in der Form eines Aktivkohlefaservlies-Wickels mit einer inneren Oberfläche von ca. 1500 m2/g. Der gM-ACF sorbiert im jeweiligen Reinigungsintervall eine durchschnittliche organische Beladung von ca. 1% bezogen auf Aktivkohle-Trockengewicht, die zu geringeren Anteilen aus der genannten Belastung und zum wesentlichen Anteil aus fest auf dem gM-ACF haftenden sog. Sielhautmikroben besteht. Die auf dem gM-ACF sich angereicherte Beladung wird bei jedem Reaktivierungsschritt eliminiert, um die ursprüngliche Aktivität wieder herzustellen. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Eisenbeladung der gM-ACF von 30% bezogen auf Aktivkohle-Trockengewicht die sorbierten organischen Stoffe praktisch quantitativ abgebaut werden.
  • Empirisch ist die auf dem gM-ACF abgeschiedene Eisenmenge derart bemessen, dass sich bei der pyrolytischen Reaktivierung Verlust und Aufbau der ACF-Kohlenstoffsubstanz annähernd die Waage halten. Der anfängliche Eisengehalt der anfangs eingesetzten gM-ACF beträgt ca. 30% bezogen auf Aktivkohle-Trockengewicht als gM-ACF-red, der nach der Oxidation zu gM-ACF-ox auf ca. 45% anwächst.
  • Das gM-ACF-ox ist als kreisförmig angeordneter 2 m breiter Vliesbandwickel von 50 mm Schichtdicke, der ober- und unterseitig von zwei Edelstahlmetallgewebebändern und seitlich von Edelstahlblech eingehaust ist, auf einem langsam rotierenden Speichenrad von 10 m Durchmesser angeordnet. Der gM-ACF-Wickel, verfügt ohne Einhausung über ein Gesamtvolumen von 3,14 m3 und über ein Trockengewicht von ca. 300 kg. Die Achse des Speichenrades ist derart angeordnet, dass sich das gM-ACF-ox im Mittel auf etwa 50% seines Wickelumfangs unter der Oberfläche des Wasserspiegels bewegt. Die Aufenthaltszeit des Abwassers in dem Reinigungsbecken, durch das sich der eingehauste gM-ACF-Wickel dreht, beträgt ca. 3 h. Wasserkörper in dem mit dem zu reinigenden Abwasser bespannten Beckenteil ist rechtwinklig und hat eine Tiefe von ca. 5 m, eine Breite von ca. 2 m und eine Länge von ca. 12 m, zusammen etwa 120 m3. Die Aufenthaltszeit des Wassers an dem gM-ACF-Wickel in dem Becken liegt bei ca. 3 Stunden. Für eine volle Umdrehung des gM-ACF-Wickels werden etwa 6 Stunden benötigt. Dementsprechend bewegt sich das gM-ACF in einer konstanten Geschwindigkeit von ca. 9 cm/Minute durch die Regenerationsstufen. Der Wasserstrom durch das Behandlungsbecken wird dabei durch Einbauten, zwischen denen das gM-ACF-ox auf dem rotierende Speichenrad hindurchgeführt wird, derart gelenkt, dass er zunächst der Auftauchstelle des gM-ACF-ox beginnend bis zur Eintauchstelle des gM-ACF-ox, mehrmals durch das gM-ACF-ox geführt wird. Dies hat zur Folge, dass die Zuführung des frisch regenerierten gM-ACF-ox reinwasserseitig geschieht und die Abführung des mit den sorbierten Substanzen beladenen gM-ACF-ox auf der Rohwasserzuflussseite geschieht. Zur Beschleunigung der Überführung des gM-ACF-red in das gM-ACF-ox wird das gM-ACF-red nach Durchlaufen des Tunnelofens mit einem feinen Wassernebel besprüht.
  • Die Regeneration beginnt mit der Wasserabsaugung, die über einen ca. 10 mm breiten Schlitz vorgenommen wird, indem dieser von der eingehausten gM-ACF mit seinem unteren Edelstahlmetallgewebeband überfahren wird. Danach fährt das eingehauste gM-ACF direkt nach Durchlaufen einer mehrfachen Gummilaschenschleuse in den Tunnelofen.
  • Die Länge des ca. 10 m langen Tunnelofens ist derart bemessen, dass die Aufenthaltszeit des eingehausten gM-ACF darin zwischen 1,5 und 2 Stunden beträgt. Die Beheizung des Tunnelofens geschieht durch elektrisch beheizte Keramikplattensegmente. Die Keramiksegmente enthalten zahlreiche Bohrungen, durch die das Inertgas von unten nach oben durch die gM-ACF hindurchströmen kann. Das durch das gM-ACF hindurchgeströmte Inertgas wird im Kreislauf geführt, indem es aus dem Tunnelofen abgezogen wird, durch zwei mit stückiger Holzkohle und stückigem gebrannten Kalk gefüllte Behälter geführt wird und von dort wieder in den Tunnelofen. In einem ersten mit stückiger Holzkohle gefüllten Container adsorbieren die insbesondere die Teeröle, ggf. auch Wasser. In dem dahinter geschalteten mit gebranntem Kalk gefüllten Container sorbieren Kohlendioxid und ggf. restliches Wasser.
  • Vor der gM-ACF-Regeneration werden die Speichen des Rades, das den eingehausten gM-Wickel trägt, durch eine geeignete Vorrichtung aus ihrer radialen Verankerung an der gM-ACF-Einhausung nach außen geknickt, so dass der eingehauste gM-ACF für sich mitsamt seiner Einhausung von den Speichen getrennt über die Wasserabsaugung durch den Tunnelofen gefahren werden kann. Nach Durchlaufen des eingehausten gM-ACF durch den Tunnelofen rasten die durch Federzug zusammengezogenen Speichen wieder in ihre dafür vorgesehenen Ausnehmungen und Halterungen in der Einhausung des gM-ACF ein.
  • Die Regeneration des Inertgases an Holzkohle und gebranntem Kalk ist derart organisiert, dass sowohl teerölhaltige Holzkohle als auch der zu Kalkstein umgewandelte gebrannte Kalk vor Ort oder in außenliegenden Einrichtungen pyrolytisch regeneriert werden. Das ggf. in den Containern aus dem Pyrolysegas abgeschiedene Kondenswasser kann dem Rohwasserzulauf zur Kläranlage zugesetzt werden. Durch Bereitstellung von jeweils 2 Container mit den Inertgasreinigungsmitteln wird gewährleistet, dass die Inertgasreinigung kontinuierlich durchgeführt werden kann.
  • Bei vielfach wiederholter Wiederverwendung reichert sich im Laufe der Zeit im gM-ACF Antimon an. Erst wenn der Antimongehalt etwa 10% des Eisengehalts erreicht, kann die Aunahme von Antimon beeinträchtigt werden. Es genügt dann eine Wäsche des gM-ACF-ox mit Salzsäure zur Entfernung der Eisen enthaltenden Beschichtung. Durch an und für sich bekannte Destillation kann aus dem gewonnenen salzsaure Extrakt eine eisenreiche Chloridfraktion und eine antimonreiche Chloridfraktion gewonnen werden. Die eisenreiche Chloridfraktion kann dann zur erneuten Beschichtung der AFC-Wickelschicht zur Herstellung von gM-ACF verwendet werden. Die antimonreiche Chloridfraktion kann zur Gewinnung metallischen Antimons oder von Antimonverbindungen benutzt werden.
  • Die Masse der Eisen(III)oxidhydrat-Beschichtung des gM-ACF wird in der Regel derart bemessen, dass sie bezüglich der zu oxidierenden organischen Schadstoff- und Beladungslast nur im geringen Überschuss vorliegt. Dadurch kommt es nicht zur Anreicherung von inaktivem Pyrolysekohlenstoff auf den ACF kommt, die dadurch nach und nach Teile ihrer Aktivität einbüßen würden. Durch das überschüssige Oxidationsmittel kommt es dann zu einem Angriff auf die ACF-Substanz, die ohne Gegenmaßnahmen, also den Wiederaufbau des Kohlenstoffgerüstes, ebenfalls nach und nach zur Unbrauchbarkeit des gM-ACF durch Kohlenstoffabbau führen würde.
  • Zum Beispiel durch die komplexierende Wirkung von Huminsäuren, von Kieselalgen und ggf. reduzierenden Einfluß infolge von Sielhautbildung oder die Bildung sonstiger Mikrobenfilme kann es auch zum Verlust von Eisen aus der Beschichtung des gM-ACF-ox bei der Wasserreinigung kommen.
  • Zusätzlich zu der Reaktivierung können daher von Zeit zu Zeit sowohl bezüglich ihrer Kohlenstoffgehalte als auch bezüglich ihrer Eisengehalte Wirksubstanz-aufbauende Maßnahmen an den eingesetzten gM-ACF vorgenommen werden.
  • Der Eisengehalt des gM-ACF kann, wie hier unter Herstellung der gM-ACF beschrieben wurde, sowohl durch Fällung aus applizierter Eisensalzlösung mittels Hydrolyse oder Oxidation angehoben werden, als auch durch pyrolytische Zersetzung von eisenhaltigen organischen Verbindungen oder von Eisencarbonylen im Pyrolyseofen. Bevorzugt wird hier die Pyrolyse im Tunnelofen, weil sie am vorteilhaftesten im Rahmen der Reaktivierung der gM-ACF vorgenommen werden kann.
  • Der Kohlenstoffgehalt des gM-ACF kann ebenfalls durch pyrolytische Zersetzung im Pyrolyseofen von organischen Verbindungen und/oder von Eisencarbonylen angehoben werden. Bevorzugt wird hier die Pyrolyse im Tunnelofen, weil sie dann im Rahmen der Reaktivierung der gM-ACF vorgenommen werden kann.
  • Die Zuführung von Kohlenstoff- und/oder Eisensubstanz geschieht auf einfachem Wege dadurch, dass dem Pyrolysegas gasförmige Kohlenstoffträger wie z. B. Methan, Benzol, Toluol, Ferrocen und/oder gasförmige Eisenträger wie z. B. Ferrocen, Eisencarbonyle und ggf. Wasserstoff beigemischt werden. Unter Pyrolysebedingungen zersetzen sich die Kohlenstoffträger und bilden graphitischen Kohlenstoff, der sich auf den ACF niederschlägt. Auch die Eisenträger zersetzen sich in bekannter Weise unter diesen Bedingungen und bilden metallisches Eisen, das sich auf den ACF niederschlägt. Es ist seit langem bekannt, dass die auf den ACF ggf. frisch abgeschiedenen Eisenpartikel oder die bereits in der Beschichtung vorhandenen Eisenpartikel unter geeigneten und bekannten Bedingungen dafür sorgen, dass der sich auf den ACF abscheidende Kohlenstoff die Form von Büscheln annehmen kann, die aus ein- und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanorohren bestehen. Diese Form des abgeschiedenen Kohlenstoffs hat auf Grund ihrer großen Oberfläche gute Sorptionseigenschaften und wirkt gleichzeitig als wirksamer „Reparatur-Mörtel” für die durch den oxidativen Substanzabbau geschwächten gM-ACF.
  • Falls gefunden wurde, dass zuviel Kohlenstoff abgeschieden worden ist, kann zum Kohlenstoffabbau dem Inertgas des Tunnelofens auch ein oder mehrere oxidierende Gase aus der Gruppe Wasserdampf, Kohlendioxid und weniger bevorzugt Sauerstoff beigemischt werden.
  • Nach Durchlaufen der pyrolytischen Regeneration hat sich das ursprüngliche gM-ACF-ox in ein gM-ACF-red mit Eisenpartikelbeschichtung umgewandelt. Durch den Kontakt mit dem Luftsauerstoff insbesondere unter dem Einfluß von Feuchtigkeit geschieht rasche Oxidation der Eisenpartikel, so dass sich dadurch selbsttätig alsbald das gM-ACF-red, etwa innerhalb Bruchteilen von Stunden bis höchstens ein bis zwei Stunden in ein gM-ACF-ox zurückverwandelt.
  • Wegen der selbsttätigen und raschen Umwandlung des gM-ACF-red in das gM-ACF-ox kann das gM-ACF direkt nach der pyrolytischen Regeneration wieder zur Wasserbehandlung einsetzen.
  • Das gM-ACF-ox lässt sich nicht nur für die Abscheidung von organischen Stoffen nutzen, sondern auch hervorragend zur Abscheidung von Schwermetallen und Metalloiden, Schwefelwasserstoff und oxidierenden Halogenverbindungen insbesondere jedoch auch zur Abscheidung von radioaktiven Stoffen, insbesondere aus der Gruppe Jod, Actiniden, Lanthaniden und radioaktiven Edelgasen einsetzen.
  • In der Wasserreinigung kann gM-ACF-red zur Wasserreinigung unter anaeroben Bedingungenvorzugsweise beispielsweise zur Denitrifikation nitrat- und nitrithaltigen Wassers, zum reduktiven Abbau von Nitroaromaten zu sorptiv auf dem gM-ACF-red fixierten Polymeren oder Aminoaromaten oder auch zur reduktiven Dehalogenierung von organischen Stoffen, die Brom-Kohlenstoff-Funktionen, Jod-Kohlenstoff-Funktionen oder Chlor-Kohlenstoff-Funktionen enthalten, eingesetzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10333824 [0011, 0012, 0013]

Claims (5)

  1. Verfahren zur kontinuierlichen Reinigung eines wässrigen und/oder gasförmigen Mediums, das durch eine Reinigungsvorrichtung strömt mittels eines Wickels, der ebenfalls durch die Reinigungsvorrichtung geführt wird, wobei der Wickel faserförmige Aktivkohle enthält, die mit einer Beschichtung versehen ist, die mindestens zu einem Anteil Eisen(III)oxidhydrat enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickel nach Durchlaufen der Reinigungsvorrichtung kontinuierlich unter Inertgas einen Pyrolyseofen durchfährt, in dem das Band kontinuierlich pyrolytisch reaktiviert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas des Pyrolyseofens ganz oder teilweise aus einem oder mehreren der Gase aus der Gruppe Stickstoff und Edelgase besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas im Pyrolyseofen zumindest zeitweise mit einem oder mehreren unter Pyrolysebedingungen gasförmigen und reaktiven Stoffen aus den Gruppen der organischen Stoffe, der eisenorganischen Stoffe, der Eisencarbonyle und Wasserstoff angereichert ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas im Pyrolyseofen zumindest zeitweise mit einem oder mehreren unter Pyrolysebedingungen gasförmigen und reaktiven Stoffen aus den Gruppen der organischen Stoffe als Kohlenstoffträger angereichert ist, wobei die Kohlenstoffträger ausgewählt sind aus einer oder mehreren Gruppen der aliphatischen Kohlenwasserstoffe mit einem bis 12 Kohlenstoffatomen im Molekül, der aromatischen Kohlenwasserstoffe mit 6 bis 12 Kohlenstoffatomen im Molekül, des Ferrocens und Ferrocenderivate mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen im Molekül.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas im Pyrolyseofen zumindest zeitweise mit einem oder mehreren unter Pyrolysebedingungen gasförmigen und reaktiven Stoffen aus den Gruppen der eisenorganischen Stoffe als Eisenträger angereichert ist, wobei die eisenorganischen Stoffe ausgewählt sind aus der Gruppe Ferrocen und Ferrocenderivate mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen im Molekül.
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