Evaluierung elektrochemischer Verfahren zur Entfernung organischer Kontaminanten aus salinaren Prozessabwässern

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluierung elektrochemischer Verfahren zur Entfernung kleiner polarer oder geladener organischer Verbindungen aus salzhaltigen wässrigen Lösungen sowie ein Vergleich zwischen stromloser Adsorption und potentialgesteuerter Elektrosorption. Die praktischen Arbeiten wurden durchgeführt am Dechema Forschungsinstitut in Frankfurt am Main. Es wurden Experimente zur stromlosen Adsorption von kurz- und mittelkettigen Carbonsäuren an Aktivkohle aus saurer, schwach saurer sowie basischer Lösung vor dem Hintergrund verschiedener anorganischer Salze durchgeführt. Die Grundlagen einer Potential gesteuerten Elektrosorption wurden an Kohlenstoff-Pulver-Elektroden erarbeitet. Vergleichend betrachtet wurde die Elektrosorption kurz- sowie mittelkettiger Carbonsäuren an quasi 2-dimensionalen Elektroden, 3-dimensionalen Festbetten aus granulierter Aktivkohle sowie einem Wirbelbettreaktor. Die stromlose Adsorption im basischen pH Bereich erwies sich aufgrund elektrostatischer Repulsion zwischen der negativ geladenen Aktivkohleoberfläche und den Carbonsäureanionen stark gehemmt. Aus saurer Lösung konnten erheblich höhere Gleichgewichtsbeladungen der Kohle erzielt werden. Eine Erhöhung der Konzentration des anorganischen Salzes führte zu einer moderaten Minderung der Adsorptionsleistung, dennoch wurde ein deutlicher Selektionsvorteil der neutralen Carbonsäure Moleküle in Abhängigkeit von ihrer Kettenlänge gegenüber den anorganischen Ionen beobachtet. Die Potentialwirkung auf geladene Teilchen war erheblich größer als auf neutrale Moleküle. Für eine effektive Elektrosorption muss in Abhängigkeit von dem pkS Wert der zu adsorbierenden Carbonsäure sowie dem pHPZC der Aktivkohle ein gezieltes pH-Management der Lösung betrieben werden, um einerseits mehrheitlich geladene Carbonsäureanionen in Lösung zu generieren, andererseits nicht durch die erforderliche Kompensation negativer Oberflächenladungen die Stromeffizienz der Elektrosorptionsreaktion zu reduzieren. Durch Oxidation reaktiver Zentren entstanden unter Potentialbelastung zusätzliche funktionelle Sauerstoffgruppen auf der Kohlen-oberfläche, die aufgrund einer Verschiebung des Nullladungspunkts (PZC) sowie Porenblockade die Adsorptionsleistung sowie die Effizienz reduzierten. Entgegen den Findungen im Rahmen der stromlosen Adsorption hatte die Konzentration verschiedener anorganischer Salze einen erheblich mindernden Einfluss auf die Elektrosorptionssleistung und -effizienz der organischen Modellsubstanzen. Die langsame Kinetik der kapazitiven Aufladung begrenzt die technisch sinnvolle Schichtdicke einer partikulären Elektrode auf wenige Zentimeter. Im Sinne eines schnellen, zyklischen Adsorptions-/Desorptionsprozesses zeigte sich die kapazitive Deionisation mit quasi 2-D Elektroden einer partikulären Elektrode überlegen. Die Ladungseffizienz einer Elektrosorptionsreaktion vor dem Hintergrund eines im Überschuss vorliegenden anorganischen Salzes erwies sich als gering, weshalb sich dieses Verfahren nur bei moderaten Salzkonzentrationen wirtschaftlich umsetzen lässt. Als Alternative zu einer Elektrosorptions-/Desorptionsreaktion an 2-D Elektroden böte sich im Falle höherer Salzkonzentrationen eine gezielte elektrochemische pH-Steuerung über ein Elektrolysemodul zur Forcierung der Adsorption respektive Unterstützung der Desorption organischer Kontaminanten unter Ausnutzung der insgesamt betrachtet höheren Adsorptionskapazität eines 3-D Festbettadsorbers an.