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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Wasser, welches verunreinigende Verbindungen enthält, unter Einsatz von Plastikmüll.
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Unter „Wasserreinigung“ wird im Allgemeinen die Reinigung von Wasser von jeglicher Art von Unreinheiten, wie zum Beispiel Verschmutzungen oder Mikroorganismen verstanden. Die Wasserreinigung umfasst dabei nicht einen einzelnen Schritt, sondern stellt einen viele Teilschritte umfassenden Prozess dar. Welche Teilschritte benötigt werden, hängt von den Verunreinigungen im Wasser ab, die je nach Art des Wassers sehr unterschiedlich sein können.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Wasserreinigung bzw. -aufbereitung bekannt, wobei diese Verfahren auch kombiniert, d.h. in Folge eingesetzt werden, um Wasser von Verunreinigungen und/oder Schadstoffen zu befreien.
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Neben mechanischen Aufbereitungen, wie Rechen, Sieben, Filtern, werden auch physikalische Verfahren wie Sedimentation, Adsorption, und chemische Verfahren wie Oxidation, lonenaustausch, und Elektrodeionisation eingesetzt, sowie auch biologische Verfahren, bei welchen Bakterien störende Verbindungen im Wasser mikrobiologisch abbauen.
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Insbesondere Wasserfilter spielen bei der Wasserreinigung eine große Rolle. Partikel wie Trübstoffe bzw. Mikroorganismen oder unerwünschte im Wasser gelöste Substanzen zu entfernen oder ihre Konzentration zu senken. Dabei unterscheidet man allgemein zwischen Filtern, die rein mechanisch sieben, und solchen, die chemischphysikalisch arbeiten, um gelöste Substanzen zu entfernen.
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Mittels der ersten Filtergruppe, zu welchen bspw. Kies-, Stein-, Metall- oder Sandfilter zählen, werden im Wesentlichen partikuläre Inhaltsstoffe abgetrennt, die für ein Passieren von Membranen zu groß sind.
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Im Wasser gelöste Stoffe werden hingegen im Falle von organischen Substanzen durch Adsorption, bspw. an Aktivkohle, oder, im Falle von Ionen, durch lonenaustausch aus dem Wasser entfernt.
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Aktivkohle ist dabei ein Sammelname für eine Gruppe von künstlich hergestellten, porösen Kohlenstoffen mit einer schwammartigen Struktur, die sich durch eine große spezifische Oberfläche auszeichnet. Im Wasser gelöste organische Substanzen bzw. Schadstoffe adsorbieren an Aktivkohle und reinigen das Wasser dadurch. Zur Reinigung kann entweder pulverförmige Aktivkohle eingesetzt werden, die gründlich mit Wasser vermischt und später wieder abfiltriert und entsorgt wird, oder aber in Form von Kornkohle oder Presslingen, die in Adsorberbehälter eingesetzt werden, durch welche der zu reinigende Wasserstrom hindurch geleitet wird.
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Die Aktivkohlefiltration wird in der Regel als vierte Behandlungsstufe in Kläranlagen nachgeschaltet, um Spurenstoffe aus dem Zulauf in Flüsse zu eliminieren. Mittels Aktivkohle lassen sich u.a. Chlor, Ozon, Medikamentenrückstände, Hormone, Pestizide, Pflanzenschutzmittel, Geschmacksstoffe u.a. Stoffe aus dem Wasser entfernen.
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Üblicherweise erfolgt die Wasserreinigung in Kläranlagen dreistufig, wobei in der ersten Reinigungsstufe auf mechanischem Weg, also bspw. durch Gitter, Siebe und Sandfang, etwa 30 % der Schmutzstoffe entfernt werden; in der zweiten Reinigungsstufe werden organische Stoffe durch den Einsatz von diese abbauende Bakterien und Algen weiter abgebaut; in dem nach dieser Stufe entstandenen Schlamm können durch Zugabe chemischer Stoffe, die mit den verunreinigenden Subtanzen reagieren, zahlreiche Schadstoffe gebunden werden. Anschließend erfolgt die Weiterbehandlung des „gereinigten“ Wassers, also die vierte Stufe, sowie die Schlammbehandlung und -beseitigung.
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Die Herstellung von Aktivkohle ist allerdings Material- Zeit und Energieaufwändig, wodurch deren Gebrauch zur Wasserreinigung teuer ist und deren Herstellung auch aus ökologischen Gesichtspunkten Nachteile aufweist. So muss für die Herstellung von Aktivkohle zunächst kohlenstoffreiches Pflanzenmaterial (wie Holz, Torf, Braunkohle, etc.) unter Ausschluss von Sauerstoff bei bis zu 900°C verbrannt (also verkohlt) werden, wodurch Poren im Material entstehen. Anschließend muss das Material noch Gas- oder chemisch aktiviert werden, wodurch die Oberfläche der Aktivkohle weiter vergrößert wird.
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Vor diesem Hintergrund wäre es wünschenswert, Wasserreinigungsverfahren und Mittel bereitzustellen, mit denen bspw. Aktivkohle ersetzt und damit die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Reinigung von Wasser, das dieses verunreinigende Verbindungen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte aufweist:
- - Bereitstellen von Plastikmüll aus Haushalten und/oder Industrie,
- - mechanisches Zerkleinern des Plastikmüll in Plastikmüll-Kleinteile mit einer im Vergleich zum nicht-zerkleinerten Plastikmüll vergrößerten Oberfläche,
- - ggf. Reinigen der Plastikmüll-Kleinteile und/oder Funktionalisieren der Plastikmüll-Kleinteile zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche der Plastikmüll-Kleinteile; und
- - In-Kontakt-Bringen von zu reinigendem Wasser mit den Plastikmüll-Kleinteilen zur Sorption von im Wasser vorliegenden und dieses verunreinigenden Verbindungen, zum Erhalt von gereinigtem Wasser.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch die Verwendung von Plastikmüll zur Reinigung von Wasser, das dieses verunreinigende Verbindungen aufweist, wobei der Plastikmüll in zerkleinerter Form eingesetzt wird.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch einen Wasserfilter, hergestellt aus zerkleinertem Plastikmüll.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch vollkommen gelöst. Mit dem Einsatz von zerkleinertem Plastikmüll, insbesondere solchem aus Haushalten und Industrie, kann, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgefunden wurde, ein gleichwertiger Wasserfilter-Ersatz für Aktivkohle bereitgestellt werden. Der zerkleinerte Plastikmüll erwies sich in eigenen Versuchen als nahezu gleichwertiges System für die Wasserreinigung, da ähnlich wie bei der Aktivkohle Schadstoffe bzw. verunreinigende Substanzen aus dem Wasser an den zerkleinerten Plastikmüll adsorbieren und das Wasser dadurch von diesen Stoffen befreit wird.
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Ferner ist vorteilhaft, dass zur Herstellung des Plastikmüll-Wasserreinigungsmaterials bereits vorhandener, in Haushalten und/oder Industrie produzierter Plastikabfall eingesetzt und einer neuen Bestimmung zugeführt werden kann. Plastik- oder Kunststoffmüll wird gegenwärtig zu einem bestimmten Anteil recycelt, zu einem etwas größeren Anteil verbrannt und zum überwiegenden Anteil auf Müllhalden deponiert und reichert sich daher in der Umwelt nachteilig an. Ein aufwändiges, separates Herstellen von Adsorptions-Material wird dadurch vermieden, und gleichzeitig das Problem der Entsorgung von Plastikmüll angesprochen, sowie diesem eine neue Wertigkeit zugeführt.
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Durch das Zerkleinern des Kunststoffs wird Mikroplastik geschaffen, welches - analog zur Aktivkohle - eine vergrößerte Oberfläche im Vergleich zum unzerkleinerten Plastikmüll besitzt, und damit eine große Adsorptionsfläche für verunreinigende Substanzen bietet.
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Die Zerkleinerung kann dabei mit üblichen, im Stand der Technik bekannten und im Handel erhältlichen Mühlen, Zerkleinerern oder Schreddern erfolgen. Beispielhafte Schnittbreiten für den zu zerkleinernden Plastikmüll liegen zwischen 1 µm und 5000 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 3000 µm, insbesondere zwischen 100 µm und 2000 µm. Der derart zerkleinerte Plastikmüll kann optional bspw. durch Einsatz einer Mühle weiter zerkleinert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, wenn der Plastikmüll vor dem Zerkleinern und/oder nach dem Zerkleinern gereinigt wird, um große Verunreinigungen zu entfernen. Es versteht sich, dass eine Reinigung des Plastikmülls insbesondere dann notwendig ist, wenn dieser verschmutzt ist. Da generell auch Plastikmüll eingesetzt werden kann, der aus nicht-verschmutztem Plastikmüll besteht - wie es bspw. bei unbenutzten bzw. ungebrauchten Plastikteilen/Plastikartikeln, bspw. bei im Überschuss produzierten Plastikartikeln, der Fall ist - ist der Reinigungsschritt vor oder nach dem Zerkleinern nicht immer notwendig.
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Bevorzugt ist ferner, wenn das Verfahren den Schritt der Funktionalisierung der Plastikmüll-Kleineteile zur Vergrößerung der Oberfläche der Plastikmüll-Kleinteile umfasst, und zwar insbesondere nach dem Zerkleinerungsschritt und nach oder gleichzeitig mit dem optionalen Plastikmüll-Kleinteile-Reinigungsschritt.
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Dabei wird unter „Funktionalisieren“ jeder Prozess verstanden, durch welchen die Oberfläche der Plastikmüll-Kleinteile vergrößert werden kann, insbesondere jeder nass-chemische Prozess, der dazu in der Lage ist.
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Mit einer Vergrößerung der Oberfläche der Plastikmüll-Kleinteile wird erreicht, dass dadurch noch mehr verunreinigende Verbindungen aus dem Wasser entfernt und daran gebunden werden können als es mit unbehandelten Plastikmüll-Kleinteilen der Fall ist. Entsprechend ist unter einer „Vergrößerung“ der Oberfläche der Plastikmüll-Kleinteile immer die Vergrößerung im Vergleich zu den unbehandelten bzw. unfunktionalisierten Plastikmüll-Kleinteilen zu verstehen.
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Eine nass-chemische Funktionalisierung, und damit eine Vergrößerung der Oberfläche, kann bspw. mittels Beizen erreicht werden, insbesondere mit Beizlösungen, die in der Regel hohe Konzentrationen eines Oxidationsmittels, Säuren oder Laugen, aufweisen. Geeignete Beizlösungen können bspw. Schwefelsäure, Salzsäure, Natronlauge Salpetersäure, Flusssäure aufweisen. Durch das Beizen wird die Plastikoberfläche aufgeraut, bzw. Mikrokavernen in der Plastik-/Kunststoffoberfläche erzeugt. Je nach Plastikart wird eine milder oder stärker gebeizt. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Beizlösungen und -verfahren, insbesondere auch für Kunststoffe, bekannt.
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Für die Wasserreinigung wird das Wasser entweder mit dem zerkleinerten Plastikmüllkleinteilen versetzt, und das Wasser nach einer bestimmten Zeit, bspw. zwischen 10 Sekunden und 30 Minuten, von den Plastikmüllkleinteilen getrennt.
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Alternativ werden die Plastikmüll-Kleinteile in einen Behälter gegeben, und der so befüllte Behälter mit dem zu reinigenden Wasser filterartig durchspült.
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In beiden Alternativen adsorbieren das Wasser verunreinigende Substanzen an die Plastikmüll-Kleinteile, insbesondere an solche mit vergrößerter Oberfläche, wodurch das Wasser von diesen befreit bzw. gereinigt wird.
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Dieser Reinigungsschritt kann erfindungsgemäß bspw. als vierter Schritt in Kläranlagen als Alternative zur Aktivkohle eingesetzt werden, wie einleitend für die Aktivkohle bzw. allgemein für Kläranlagen erläutert.
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Die Substanzen, die das Wasser verunreinigen und von denen das Wasser befreit werden soll, sind bspw. Chlor, Ozon, Medikamentenrückstände, insbesondere Antibiotika, Schmerzmittel, Hormone bzw. Hormonpräparate, Pestizide, Pflanzenschutzmittel, Farb- und Geschmacksstoffe, Lösungsmittel, Viren, u.a. Stoffe. Diese Stoffe können im Wasserkreislauf in Konzentrationen von wenigen ng/L bis hin zu einigen µg/L vorkommen.
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Die für die Wasserreinigung eingesetzten Plastikmüll -Kleinteile können nach deren erfindungsgemäßem Einsatz recycelt, verbrannt oder anderweitig entsorgt werden.
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Insgesamt ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, der vorliegenden Verwendung und des vorliegenden Wasserfilters bevorzugt, wenn das Plastik des Plastikmülls sortenrein ist oder aus Plastikmischungen bzw. nicht aus sortenreinen Kunststoffen besteht.
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Insgesamt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter „Plastik“ bzw. „Kunststoff“ ein Werkstoff aus synthetischen oder natürlichen Polymeren also aus sich wiederholenden Grundeinheiten, verstanden, die durch Kettenpolymerisation, Polyaddition oder Polykondensation aus Monomeren oder Prepolymeren erzeugt werden. Beispielhafte synthetische Kunststoffe sind Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyurethan, Polyamid und Polyethylenterephthalat.
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Ein „sortenreines Plastik“ bzw. ein „sortenreiner Kunststoff“ umfasst bzw. besteht daher aus einem einzigen Polymermaterial, eine Mischung aus mehr als einem bestimmten Polymermaterial.
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„Plastikmischungen“ bzw. „ Kunststoffmischungen“ sind entsprechend, und im Rahmen der vorliegenden Erfindung also Plastikmüllmaterialien, die mehr als einen der oben genannten Kunststoffe enthalten, bzw. aus diesen bestehen, und daher als nicht-sortenrein bezeichnet werden.
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Derartige „Mischungen“ bzw. auch sortenreine Plastikmüllmaterialien können bspw. Verpackungen oder Gegenständen sein, die den gleichen oder unterschiedliche Kunststoffmaterialien aufweisen oder aus diesen bestehen, wobei sie sich sämtlich dadurch auszeichnen, dass sie nach ihrer eigentlichen Bestimmung, also nach deren Verwendung als bspw. Verpackungsmaterial, Aufbewahrungskörper, oder als sonstigen Gebrauchsgegenstand, entsorgt bzw. dem Abfall zugeführt werden. Praktischerweise kann bei nicht-sortenreinen Plastikmüllmaterialien erfindungsgemäß der von organischen Abfällen getrennte Kunststoffabfall bzw. Plastikmüll direkt in dem erfindungsgemäßen Verfahren, der Verwendung und dem Filter eingesetzt werden, ohne dass eine Auftrennung der Plastik-/Kunststoffkomponenten notwendig wäre.
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Ob sortenreine Plastikmüllmaterialien oder Plastikmüllmischungen eingesetzt werden, kann anhand des zu reinigenden Wassers, bzw. anhand des/der darin vermuteten oder nachgewiesenen verunreinigenden Verbindung(en) bestimmt werden. Soll bspw. nur eine bestimmte verunreinigende Verbindung aus dem Wasser gereinigt werden, kann das Plastikmüll-Material auf dessen Geeignetheit, die bestimmte Verbindung zu adsorbieren, ausgewählt werden, und der Fachmann kann bestimmen, ob hierzu eine sortenreiner oder eine Mischung geeignet ist.
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Erfindungsgemäß ist in einer Ausführungsform des Verfahrens, der Verwendung und des Filters bevorzugt, wenn der Plastikmüll vor oder nach dem Zerkleinern gereinigt und dabei funktionalisiert wird.
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Durch das Vorsehen dieses Schrittes kann die Adsorptions-Effektivität des Plastikmülls bzw. der Plastikmüll-Kleinteile noch weiter gesteigert werden.
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Ferner ist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, der Verwendung und des Filters bevorzugt, wenn wie weiter oben erwähnt, das Zerkleinern des Plastikmülls durch Zerkleinerer, Schredder und/oder Mühlen vorgenommen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist bevorzugt, wenn die Plastikmüll-Kleinteile vor dem In-Kontakt-bringen mit Wasser in die Form eines Wasserfilters überführt werden.
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Erfindungsgemäß können dabei die Plastikmüll-Kleinteile direkt in einen Wasserfilter verarbeitet werden, oder aber in ein Behältnis gegeben werden, durch welches das zu reinigende Wasser geströmt wird. Als weitere Alternative können die Plastikmüll-Kleinteile auch direkt ins zu reinigende Wasser gegeben und nach der Reinigung vom Wasser abfiltriert werden.
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Erfindungsgemäß kann das Verfahren bzw. der Wasserfilter zum Reinigen von Wasser in Kläranlagen, bspw. als vierte Stufe, wie oben erwähnt, eingesetzt werden, oder aber direkt, sozusagen als erste Stufe, zum Reinigen von Wasser aus Gewässern wie Bächen, Flüssen, Seen, Meeren, was insbesondere vorteilhaft in entlegenen, Gebieten ist, in denen das Verbrauchswasser nicht von Kläranlagen zuvor gereinigt wird.
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Erfindungsgemäß betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserfilters, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen von Plastikmüll,
- - mechanisches Zerkleinern des Plastikmülls in Plastikmüll-Kleinteile,
- - Reinigen der Plastikmüll-Kleinteile und/oder Funktionalisieren der Plastikmüll-Kleinteile zur Vergrößerung der Oberfläche der Plastikmüll-Kleinteile; und
- - Überführen der Plastikmüll-Kleinteile in die Form und Funktion eines Wasserfilters.
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Wie weiter oben erläutert, besteht der Plastikmüll dabei nicht nur aus sortenreinem Kunststoff, sondern auch aus Plastikmischungen, insbesondere aus einem der weiter oben erwähnten. Sämtliche für das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren weiter oben aufgeführten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, insbesondere was die Größe der zerkleinerten Kunststoff-partikel, die eingesetzten Zerkleinerer, sowie der Beschaffenheit des Plastiks anbelangt.
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Wie weiter oben für das Reinigungs-Verfahren diskutiert, kann der Plastikmüll vor oder nach dem Zerkleinern gereinigt werden, was insbesondere dann sinnvoll ist, wenn der Plastikmüll verunreinigt ist.
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Wie ebenfalls weiter oben diskutiert, kann ggf. mit dem Reinigungsschritt eine Funktionalisierung der Plastikmüll-Kleinteile zur Vergrößerung der Oberfläche der Plastikmüll-Kleinteile im Vergleich zu unbehandelten/unfunktionalisierten Plastikmüll-Kleinteilen. Dieser Schritt kann ein Beizschritt darstellen, durch welches die Plastikoberfläche aufgeraut wird, bzw. Mikrokavernen in der Plastik-/Kunststoffoberfläche erzeugt werden. Hierzu können Beizlösungen eingesetzt werden, die in der Regel hohe Konzentrationen eines Oxidationsmittels, Säuren oder Laugen, aufweisen. Geeignete Beizlösungen können bspw. Schwefelsäure, Salzsäure, Natronlauge Salpetersäure, Flusssäure aufweisen.
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Insbesondere kann der zerkleinerte Plastikmüll bzw. die Plastikmüll-Kleinteile direkt zu einem Wasserfilter verarbeitet werden, oder aber die Plastikmüll-Kleinteile werden in ein Behältnis gegeben, welches anschließend mit dem zu reinigenden Wasser durchströmt wird.
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Alternativ können die Plastikmüll-Kleinteile direkt dem zu reinigenden Wasser zugegeben und nach der Reinigung wieder abfiltriert.
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Erfindungsgemäß betrifft die vorliegende Erfindung auch ein mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellten Wasserfilter aus Plastikmüll-Kleinteilen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung entsprechend auch eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser, das dieses verunreinigende Verbindungen aufweist, wobei die Vorrichtung als Wasserfilter gereinigte Plastikmüll-Kleinteile umfasst, deren Oberfläche, im Vergleich zu unbehandelten Plastikmüll-Kleinteilen, durch chemische Funktionalisierung vergrößert ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Beispiele
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Adsorption von Hormonen an Kunststoffpartikel
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Drei unterschiedliche Hormone, nämlich 17-a-Ethinylestradiol (EE2), Norethisteron (Nor) und Östron (E1) wurden zur Bestätigung der Adsorption von wie vorliegend definierten verunreinigenden Substanzen ausgewählt und bezüglich deren Fähigkeit, an Kunststoffe mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung zu sorbieren, mit unterschiedlichen Konzentrationen (von ca. 0,16 bis ca. 11 mg/l) untersucht.
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Es zeigte sich, dass die genannten Hormone an die unterschiedlichen Polymere, darunter Polyamid, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, sorbierten, was durch eine Fluoreszenzmarkierung und Mikroskopie nachgewiesen wurde. (Daten nicht gezeigt).
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Adsorption von Wasser verunreinigenden Substanzen an zerkleinerten Plastikmüll
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Nicht-sortenreiner Plastikmüll, der je nach Verschmutzung vorher gereinigt wird, wird zu einer Partikelgröße von zwischen 1 µm und 5000 µm zerkleinert, in einem Beizschritt die Oberfläche der Plastikmüll-Partikel bzw. -Kleinteile vergrößert, danach ggf. gewaschen, und anschließend in einen Behälter gegeben, der mit unterschiedlichen Wasserproben, die verschiedene verunreinigende Substanzen enthalten, durchströmt wird. Die Wasserproben werden vor und nach dem Durchströmen auf den Gehalt der verunreinigenden Substanzen untersucht. Alternativ werden die so behandelten Plastikmüll-Kleinteile direkt ins Wasser gegeben und nach der Reinigung des Wassers bzw. nach einer bestimmten Zeit wieder abfiltriert.
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Der Reinigungsschritt des Durchströmens der zerkleinerten Plastikmüll-Kleinteile, bzw. das Einbringen der Plastikmüll-Kleinteile ins Wasser und deren Abfiltration, kann bei Bedarf mit neuen Plastikmüll-Kleinteilen wiederholt werden.