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Wasseraufbereitung mit TOC

Kohlenstoff zeigt Wasserqualität an

| Autor/ Redakteur: Brigitte Kaltofen*, Sascha Hupach** / Christian Lüttmann

Wasser ist kostbar, daher arbeiten Forscher an immer neuen Verfahren zur Wasseraufbereitung. Die Gesellschaft zur Förderung der naturwissenschaftlich-technischen Forschung unterstützt dabei kleine und mittelständische Unternehmen. Welche Methoden daraus hervorgegangen sind und wie mittels TOC die Wasserqualität überprüft werden kann, zeigt dieser Beitrag.

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Abb.1: In Swimmingpools muss das Wasser regelmäßig gereinigt werden.
Abb.1: In Swimmingpools muss das Wasser regelmäßig gereinigt werden.
(Bild: GNF)

Etwa zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Doch obwohl die Erde damit als blauer Planet bekannt ist, stellt der verantwortungsvolle und nachhaltige Umgang mit der Ressource Wasser eine Herausforderung dar. Denn der Anteil an tatsächlich nutzbarem Süßwasser, das nicht in gefrorener Form an Gletschern und den Polkappen vorliegt, beträgt lediglich 0,02 Prozent des globalen Wasservolumens. Umso wichtiger ist es, Wasser in vielen Bereichen einzusparen oder es wiederzuverwenden. Dies ist auch ein Ziel der Gesellschaft zur Förderung der naturwissenschaftlich-technischen Forschung in Berlin-Adlershof (GNF).

Diese gemeinnützige Industrieforschungseinrichtung arbeitet an Lösungen gegen den Klimawandel und die Verunreinigung von Luft und Wasser. Dazu kooperiert sie vorrangig mit kleinen und mittelständischen Unternehmen, die zukunftsorientierte Produkte und Verfahren anstreben, aber nur über eine begrenzte Kapazität für Forschung und Entwicklung verfügen. In gemeinsamen Projekten erforschen und entwickeln die Partner in enger Zusammenarbeit praxisnahe Ideen. Die Chemiker, Mineralogen und Techniker der GNF konzentrieren sich auf die Fachgruppen Adsorbenzien und Wasserreinigung sowie Baustoff- und Grenzflächenchemie.

Der Summenparameter TOC für den Allround-Nachweis

Um die organische Belastung von Wässern zu bewerten, hat sich seit Jahren der Summenparameter TOC (Total Organic Carbon = gesamt organischer Kohlenstoff) etabliert. Er lässt sich mit verschiedenen Methoden messen – die meist genutzte Bestimmungsmethode ist aber die so genannte NPOC-Methode: Dabei wird die Wasserprobe mit einer Mineralsäure versetzt, um die anorganischen Kohlenstoffverbindungen wie Carbonate und Hydrogencarbonate zu entfernen. Diese setzen sich nach der Säurezugabe zu Kohlenstoffdioxid um und werden durch einen Luftstrom aus der Probe getrieben.

Ein Aliquot der vorbereiteten Probe wird anschließend auf einen heißen Platinkatalysator injiziert. Die organischen Verbindungen der Probe werden zu CO2 oxidiert und durch ein Trägergas zu einem nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR-Detektor) gebracht und gemessen. Moderne Analysatoren, wie TOC-L Geräte des Unternehmens Shimadzu, übernehmen die Probenvorbereitung und die Messung automatisch.

Bei der Verbrennung der Probe auf einem heißen Katalysator entsteht aber nicht nur CO2. Ab Temperaturen von 700 °C werden Stickstoffkomponenten wie Nitrat, Nitrit, Ammonium und organische Stickstoffverbindungen zu NO umgesetzt. Wird das Stickstoffmonoxid zu NO2 oxidiert, entstehen Lichtquanten (Chemilumineszenz), die mit einem entsprechenden Detektor erfasst werden. Für diese Bestimmung werden die Analysatoren mit einem zusätzlichen Stickstoff-Modul ausgestattet, das einen Ozongenerator und einen Chemilumineszenz-Detektor enthält. Das zur Oxidation genutzte Ozon wird direkt im Gerät erzeugt. Damit lassen sich der TOC und der Stickstoffanteil
(TNb = gesamt gebundener Stickstoff) simultan in einem Analysenlauf erfassen.

Auch die GNF nutzt den TOC, um ihre Wasseraufbereitungsmethoden zu überprüfen und deren Reinigungswirkung zu erfassen.

Drei Methoden der Wasseraufbereitung

In den vergangenen Jahren hat die GNF verschiedene Methoden zur Wasseraufbereitung entwickelt, hier ein Überblick:

Abb.2: TOC-Abbau eines Betriebswassers durch Photolyse
Abb.2: TOC-Abbau eines Betriebswassers durch Photolyse
(Bild: GNF)

1. Reinigung eines hochbelasteten Betriebswassers durch photokatalytischen Abbau

Ein Betriebswasser enthielt ca. 50% Wasser, der Rest bestand aus perfluorierten Tensiden, Benzinen verschiedener Siedelagen, Isopropanol, Ethylacetat und anderen Verunreinigungen. Der TOC-Gehalt lag bei rund 3200 mg/l.

Die Aufbereitung des Betriebswassers sollte durch Photolyse erfolgen. Dazu wurde das Abwasser mit Titandioxid vermengt und mit UV-Licht bestrahlt. Abbildung 2 zeigt den photokatalytischen Abbau der organischen Verunreinigung über einen Zeitraum von mehreren Stunden. Nach etwa vier Stunden hat sich der TOC-Gehalt um etwa 60% verringert.

2. Elektroflotation mit Ultraschall zur Aufbereitung von Wässern aus Autowaschanlagen

Nach der Autowäsche in einer Autowaschanlage bleibt oft Abwasser mit hohen Gehalten an organischen Verunreinigungen zurück. Zur Reinigung dieser Wässer sollte ein Verfahren über Elektroflotation mit Ultraschall verwendet werden.

Abb.3: Abbau von Wässern aus Autowaschanlagen durch Elektroflotation ohne und mit Ultraschall
Abb.3: Abbau von Wässern aus Autowaschanlagen durch Elektroflotation ohne und mit Ultraschall
(Bild: GNF)

Für die Wasseraufbereitung wurden Fe-Opferelektroden mit einer mischoxid-beschichteten Elektrode kombiniert. Unter Stromzufuhr entsteht Eisenhydroxid, das als Flockungsmittel dient. Der zusätzliche Einsatz von Ultraschall unterstützt die Flotation und den TOC-Abbau (Abb. 3). Das aus den Wasserinhaltsstoffen an der Mischoxidelektrode gebildete Chlor sorgt gleichzeitig für eine Desinfektion. Die Grafik zeigt den TOC-Abbau dreier verschiedener Wässer (vor der Aufbereitung, mit und ohne den Einsatz von Ultraschall). Die organische Verunreinigung konnte um bis zu 60% reduziert werden.

Abb.4: Filtergranulat
Abb.4: Filtergranulat
(Bild: GNF)

3. Umweltfreundliche Methode zur Reinigung und Desinfektion von Poolwasser

Auch das Wasser in Swimmingpools verschmutzt im Laufe seiner Nutzung und muss ständig gereinigt werden. Neben kohlenstoffhaltigen Verbindungen gelangen vor allem Stickstoffverbindungen wie Harnstoff ins Wasser, der überwiegend über den Schweiß bzw. über die Haut des Menschen eingetragen wird. Um Schwebstoffe zu entfernen, wird das Wasser üblicherweise filtriert. Chlorhaltige Chemikalien werden oft zugesetzt, um die biologische Aktivität zu hemmen.

Abb.5: Vergleich des Algenwachstums auf verschiedenen Filtermaterialien (v.l.): Poolwasser ohne Filtermaterial, mit Kies, mit Glasperlen und mit dem entwickelten weißen Granulat.
Abb.5: Vergleich des Algenwachstums auf verschiedenen Filtermaterialien (v.l.): Poolwasser ohne Filtermaterial, mit Kies, mit Glasperlen und mit dem entwickelten weißen Granulat.
(Bild: GNF)

Für eine umweltfreundliche Art der Regeneration von Poolwässern hat die GNF ein hochporöses, keramisches Granulat (Abb. 4) entwickelt. Neben seiner guten Filterleistung wirkt es algenreduzierend. Es bilden sich zudem keine Biofilme auf der Oberfläche des Granulats (s. Gegenüberstellung in Abb. 5).

Durch das im Vergleich zu anderen Filtermedien wie Sand oder Glas deutlich geringere Schüttgewicht wird die Handhabung für den Anwender erleichtert, Energie- und Transportkosten sinken. Verbrauchtes Granulat kann im Garten zur Bodenauflockerung verwendet werden. Zusätzlich zur Desinfektion des Poolwassers notwendiges freies Chlor wird nach Bedarf durch Elektrolyse aus den im Trinkwasser befindlichen Chlorid-Ionen erzeugt. Zur Überwachung der Poolwässer wurde der TOC und der TNb über die Badesaison simultan gemessen.

Fazit: Schneller Check der Wasserqualität

Der TOC ist ein allgemeines Maß für die Verunreinigung von Wässern durch organische Komponenten. Bei der Entwicklung von innovativen und zukunftsorientierten Wasseraufbereitungsmethoden ist er ein verlässlicher, einfacher und schneller Parameter, der die Reinigungswirkung der Aufbereitungsmethoden belegt. Wenn es darauf ankommt, die Stickstoffkomponenten im Wasser zu erfassen, kann mit einem entsprechenden TN-Modul der TNb simultan zum TOC gemessen werden.

* Brigitte Kaltofen, Gesellschaft zur Förderung der naturwissenschaftlich-technischen Forschung, 12489 Berlin

* * Sascha Hupach, Shimadzu Deutschland GmbH, 47269 Duisburg

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