Wie Aktivkohle die Trinkwasserreinigung verbessert

In heutigen Trinkwasseraufbereitungssystemen zeichnet sich Aktivkohle als hochwirksames Filtersystem zur Entfernung von Wasserkontaminanten aus. Das durchlässige Gerüst und die hochentwickelte poröse Oberfläche ermöglichen die Adsorption einer Vielzahl von Verunreinigungen, was über das hinausgeht, was andere Filtersubstanzen leisten können. Eingesetzt als Kohlefilterpatrone in Haushalts-Wasserfiltern, in tragbaren Reinigungsgeräten oder in kommunalen Aufbereitungsanlagen, entfernt Aktivkohle unangenehmen Geschmack und Geruch und reduziert erheblich andere schädliche Chemikalien im Wasser, ohne wichtige Mineralstoffe zu entfernen. Dieser Artikel erläutert, wie Aktivkohle die allgemeine Wasserqualität und Sicherheit verbessert.

Einzigartige poröse Struktur und Adsorptionsmechanismus

Das Geheimnis hinter der Fähigkeit von Aktivkohle, Substanzen zu filtern oder zu reinigen, liegt in der Struktur, die sich während des Aktivierungsprozesses bildet und aus zahlreichen winzigen Hohlräumen, sogenannten Poren, besteht. Diese Hohlräume entstehen durch den Einsatz von entweder Hitze oder Chemikalien, wodurch die innere Oberfläche erheblich vergrößert wird. Ein einziges Gramm Aktivkohle kann über eine Oberfläche von der Größe eines Fußballfeldes verfügen. Aktivkohle besitzt Poren, die von mikro- bis makroporös reichen und dabei effizient verschiedene Verunreinigungen aufgrund der riesigen Oberfläche binden können. Bei dem Prozess der Adsorption, an dem Aktivkohle beteiligt ist, kommt ein Wassermolekül mit der Kohle in Kontakt und dringt an die Oberfläche der Kohle. Die Verunreinigungen, organische Verbindungen und viele Chemikalien im Wasser werden an die Oberfläche der Kohle angezogen und gebunden. Die Anhaftung an der Kohloberfläche erfolgt durch Van-der-Waals-Kräfte, die im Abstand von 0,2 bis 0,5 nm wirken. Diese sind schwache Kräfte, die für die Bindung von Verunreinigungen wie Pestiziden, Chlor und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) an die Kohle verantwortlich sind. Der Prozess der physikalischen Adsorption verändert das Wasser chemisch nicht und fügt diesem auch keine Verunreinigungen hinzu, im Gegensatz zu anderen chemischen Verfahren.

Entfernung von Chlor und Chlorkontaktionsnebenprodukten

Entfernung von Chlor und seinen Nebenprodukten. Es gibt verschiedene Organisationen, darunter kommunale Wasserwerke, die Wasser mit Chlor desinfizieren. Dies hat zwar einige Vorteile, aber es können auch Nachteile entstehen. Mit Chlor desinfiziertes Wasser weist oft einen bestimmten Geruch auf und kann zudem einen ungewöhnlichen Geschmack besitzen. Chlor in Verbindung mit organischem Material erzeugt zudem sogenannte Desinfektionsnebenprodukte, die gefährlich sind, insbesondere wenn sie eingenommen werden. Dazu gehören Trihalomethane und Haloacetische Säuren. Diese stellen langfristige Gesundheitsrisiken dar, mit denen viele Menschen in Verbindung bringen. Das Entfernen von freiem Chlor und schädlichen Desinfektionsnebenprodukten reduziert Gesundheitsrisiken. Gleichzeitig verhindert dies das Auftreten von unangenehmem Geruch und unerwünschtem Geschmack im Mund.

Ein hervorragendes Beispiel dafür ist ein Wasserhahn, der speziell für den Haushalt konzipiert ist. Diese Geräte verfügen über Chlor-Kartuschen, die es aufnehmen und Wasser bereitstellen, das zum Trinken wesentlich gesünder ist und zudem eine bessere Qualität aufweist.

Entfernung organischer Schadstoffe und Pestizide

Unter vielen Stoffen, die im Trinkwasser vorkommen können, wie Pestizide, Herbizide, Lösungsmittel und sogar zurückgebliebene Medikamente, hat Aktivkohle keine Probleme, alle diese Stoffe zu entfernen. In den meisten Fällen stammen diese Wasserquellen von Rückständen aus der Landwirtschaft, aus Industrien und von fahrlässiger Abfallentsorgung. Da die fraglichen Verbindungen organisch sind, ziehen sie während des Filtrationsprozesses Aktivkohle an und binden an deren poröse Oberfläche. Beispielsweise sind Aktivkohlefilter besonders effektiv bei der Entfernung von Grundwasserpestiziden wie Atrazin und Glyphosat. Andere Regionen sind mit mehr Gegenmaßnahmen gegen landwirtschaftliche Verschmutzung ausgestattet, wodurch Aktivkohle in solchen Gebieten verbreiteter ist, während andere Regionen stärker besiedelt sind und ihre Wasserquellen entsprechend anfälliger sind.

Reduzierung von Schwermetallen

Obwohl Aktivkohle vor allem für ihre Fähigkeit bekannt ist, organische Materialien zu adsorbieren, ist ihre Anwendung bei der Entfernung bestimmter Schwermetalle aus Trinkwasser, insbesondere in modifizierter Form oder in Kombination mit anderen Materialien, ebenfalls bemerkenswert. Einfache Aktivkohle kann Blei, Kupfer und sogar Quecksilber durch Ionenaustausch- oder Oberflächenkomplexierungsmechanismen adsorbieren, bei denen die Metallionen mit aktiven funktionellen Gruppen auf der Kohleoberfläche Komplexe bilden. Chemisch modifizierte Aktivkohle (z. B. mit chemischen Verbindungen wie Schwefel oder Eisen behandelte Aktivkohle), die eine stärkere Adsorption von Schwermetallen ermöglicht, ist bei der Entfernung effizienter. In tragbaren Wasserfiltern für bleihaltiges Wasser wird Aktivkohle in Kombination mit anderen Materialien (z. B. Ionenaustauschharzen) verwendet, um die Bleikonzentration auf die von der EPA vorgeschriebenen akzeptablen Grenzwerte zu senken.

Verbesserung von Geschmack und Geruch

Aktivkohle verbessert neben der Entfernung schädlicher Schadstoffe auch die sensorische Qualität von Trinkwasser, indem sie schlechten Geschmack und Geruch beseitigt. Solche Probleme können durch Geosmin und 2-Methylisoborneol (MIB) verursacht werden, welche das Wasser selbst in geringsten Mengen erdig und modrig riechend machen. Die Makro- und Mesoporenstruktur der Aktivkohle adsorbiert und bindet die unangenehm riechenden Verbindungen, wodurch das Wasser deutlich angenehmer wird. Dieses Merkmal ist sowohl für kommunale Wasserversorger als auch für Hersteller von Haushaltswasserfiltern attraktiv, da Geschmack und Geruch die wichtigsten Kriterien für die Akzeptanz von Leitungswasser sind. Sie verlieren weniger Wasser durch Rückrufaktionen und sind weniger auf abgefülltes Flaschenwasser angewiesen, wodurch die Umweltbelastungen durch Plastikflaschen reduziert werden.

Verträglichkeit mit anderen Reinigungsmethoden

Aktivkohle verbessert die Leistung anderer Technologien, die zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden. Sie wird häufig in kommunalen Aufbereitungsanlagen nach den Prozessen der Fällung, Flockung und Sedimentation verwendet, um organische Kontaminanten und Chlor zu entfernen, bevor das Wasser in die Versorgung eingespeist wird. In Haushaltsanlagen mit Umkehrosmose (RO) kommen Aktivkohlefilter vor und nach den RO-Membranen zum Einsatz. Vorfiltter entfernen Chlor, das für die Membranen schädlich ist, sowie organische Stoffe, während Nachfiltter einige Kontaminanten entfernen, um den Geschmack des Osmosewassers zu verbessern. UV-Desinfektionssysteme werden durch Aktivkohle ergänzt, da diese organische Bestandteile eliminiert, welche Mikroorganismen vor dem zur Desinfektion eingesetzten UV-Licht schützen. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es Aktivkohle, die Effektivität von mehrstufigen Reinigungssystemen zu steigern.

Anwendungen in verschiedenen Reinigungsumgebungen

Die Anwendung von Aktivkohle in Trinkwasserfiltersystemen ist vielfältig, wobei jede Anwendung die Vorteile der Filtration zur Eisenentfernung nutzt. In kommunalen Filtersystemen wird erhitzte granulierte Aktivkohle in großen Filtern eingesetzt, die darauf abzielen, Chlor und andere organische Verunreinigungen zu entfernen, und dabei täglich Millionen von Gallonen im GAC-System (granulierte Aktivkohle) verarbeiten. In Haushaltsanlagen wird pulverförmige Aktivkohle in Leitungswasserfiltern, Krugfiltern und Untertisch-Systemen verwendet, um die Nachteile von GAC auszugleichen und eine praktische, ortsfeste Filtration zu ermöglichen. Portable Aktivkohlefilter, wie z. B. in Wasserflaschen, sind vorteilhaft beim Reisen oder bei Outdoor-Aktivitäten. Sie entfernen Verunreinigungen aus Wasser, das zum Trinken nicht geeignet ist. Zudem sind Aktivkohletabletten und -säckchen einfache und praktische Formen der Filtration für Notfälle, in denen kein sicheres Trinkwasser verfügbar ist.

Langfristige Wirksamkeit und Wartung

Damit Aktivkohle die Reinigungsergebnisse verbessern kann, ist eine ordnungsgemäße Wartung entscheidend. Die Adsorptionskapazität verringert sich, wenn die Kohleporen voller Schadstoffe sind. Aktivkohlefilter sind abhängig von Wasserqualität, Fließgeschwindigkeit und Schadstoffkonzentration. Haushalts-Wasserhahnfilter müssen in der Regel alle zwei bis sechs Monate ausgetauscht werden, während städtische GAC-Filter (Granular Activated Carbon) mehrere Jahre lang verwendet werden können, bevor sie regeneriert oder ersetzt werden müssen. Wiederaufladbare GAC-Systeme, die kosteneffizienter und umweltfreundlicher sind, verwenden schwere Kohle, welche auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wird, um die Schadstoffe freizusetzen, die sich in den Kohleporen befinden. Geplante Wartungsmaßnahmen erhöhen die Wirksamkeit von Aktivkohlefiltern und liefern so Trinkwasser in hoher Qualität.