Aktivkohlen - Eine saubere Sache?

Dunkle Geschichte, dreckige Herstellung

Rauchgas- und Abluftbehandlung, Bodensanierung, Trink- und Abwasserbehandlung, Leitungswasserfilter, Luftfilter in Autos und an andern Orten, Kosmetika, Filter in Tabakpfeifen und unzählige Bereiche in der chemischen Industrie: die Liste der heutigen Anwendungen von Aktivkohle im Dienste von Menschheit und Umwelt ist lang. Dazu gehört auch ihre medizinische Anwendung, insbesondere bei Problemen des Verdauungstrakts, die seit Jahrhunderten bekannt ist. Ihre „Karriere“ als industrielles Produkt begann aber erst in einem der dunkelsten Kapitel der jüngeren europäischen Geschichte. Ausgehend von Deutschland, nicht zuletzt durch den Chemie-Nobelpreisträger Fritz Haber (bekannt durch das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniak-Synthese) begann 1914 ein Wettrüsten mit chemischen Kampfstoffen. Um Soldaten gegen Stoffe wie Chlorgas und Phosgen zu schützen wurden die ersten Gasmasken mit Holzkohlefiltern entwickelt, woraus die industrielle Entwicklung von Aktivkohle begann.

Auch heute liegt noch ein dunkler Schatten über Aktivkohle - sie ist keine saubere Sache. Aktivkohle wird vor allem aus Stein- oder Braunkohle hergestellt. Für die Trinkwasseraufbereitung, sowohl im Wasserwerk als auch für den heimischen Tischfilter, wird in der Regel Aktivkohle aus Kokosfasern verwendet. Holzaktivkohle ist eher eine Randerscheinung. Aufgrund des Kostendrucks und hoher Umweltstandards ist die Industrie der Aktivkohleherstellung in Europa praktisch ausgestorben. Der Herstellungsprozess in Europa beschränkt sich meist auf die letzten Schritte der Wertschöpfung, dem Mischen verschiedener Aktivkohlen für spezifische Anwendungen und die Herstellung von Formaktivkohlen (z.B. Pellets). Damit entstehen die Umweltbelastungen durch Emission von u.a. Kohlenmonoxid, flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen und Rußpartikeln in den Ursprungsländern, in den USA und Australien (Stein-/Braunkohle), aber vor allem in China (Stein-/Braunkohle) und auf den Philippinen und in Sri Lanka (Kokosfasern) – also überwiegend in Ländern, in denen europäische Umweltstandards nicht greifen. Darüber hinaus ist die Lieferkette für den Endkunden oft nicht transparent: die Umwelt und nicht zuletzt das Klima, bleiben auf der Strecke.

Aktiv werden: von Stein-, Holz-, Pflanzen- zu Aktivkohle

Doch wie wird eigentlich eine Kohle „aktiv“ – was macht Aktivkohle aus? Ziel des Einsatzes von Aktivkohle ist es, gewisse Stoffe aus einem Medium zu entfernen, zum Beispiel Schadstoffe aus dem Wasser oder giftige Gase aus der Luft. Daher muss die Aktivkohle zunächst eine möglichst große Oberfläche aufweisen, die wiederum auf Grund ihrer Oberflächeneigenschaften mit einer möglichst großen Bandbreite an Stoffen interagieren kann. Um Kohle mit diesen Eigenschaften zu versehen, muss sie partiell oxidiert (teilverbrannt) werden. Dabei laufen drei Prozesse ab:

1. Sogenannte Kondensate, d.h. Kohlenstoffverbindungen auf der Kohle, die nicht zum eigentlichen Grundgerüst der Kohle gehören, werden losgelöst (desorbiert) und ausgetrieben. Damit werden „verstopfte“ Poren (v.a. Mesoporen im µm-Bereich) der Kohle geöffnet und so die Oberfläche vergrößert.
2. Eine labilere Fraktion des Kohlenstoff-Grundgerüsts der Kohle wird verbrannt, so dass neue Poren entstehen (v.a. Mikroporen im Nanometer-Bereich).
3. Die Oberfläche des Kohlenstoff-Grundgerüsts wird teil-oxidiert, sodass neben dem aromatischen Grundgerüst der Kohle auch funktionelle Gruppen (Carboxyle, Aldehyde, Ketone) die Chemie der Oberfläche prägen und sie damit hydrophil (gut mit Wasser benetzbar) werden lassen.

Dazu wird die Ausgangskohle auf hohe Temperaturen (>850°C) erhitzt und mit oxidierenden Gasen wie Luft bzw. Sauerstoff, Wasserdampf oder CO₂ behandelt. Bei diesen hohen Temperaturen reagieren die labilen Kohlenstofffraktionen und Kondensate nach dem Muster folgender Reaktionsgleichungen:

• C + O₂ → CO₂
• C + H₂O → CO + H₂
• C + CO₂ → 2 CO

Die Aktivierung mit diesen Gasen wird auch als „physikalische“ Aktivierung bezeichnet, weil man früher dachte, dass der heiße Wasserdampf die Kohleporen nur „putzen“ würde, doch im Grunde basiert der Prozess auf chemischen Reaktionen. Als Ausgangskohle kann sowohl frische als auch bereits verkohlte Biomasse aber auch Stein- oder Braunkohle dienen. Die fossilen Materialien sind oft billiger und homogener.

Als „chemische“ Aktivierung bezeichnet man hingegen die Behandlung des Ausgangsmaterials (zum Beispiel Holz, Kokosnussschalen oder Zucker) mit Chemikalien wie Zinkchlorid oder Phosphorsäure, wobei ebenfalls Temperaturen von über 600°C erreicht werden müssen.

Insgesamt gibt es damit eine Vielzahl an Möglichkeiten, Aktivkohle herzustellen. Lässt man die fossilen Ausgangsstoffe außen vor, können Pflanzenkohle und Aktivkohle jeweils aus den gleichen Ausgangsmaterialien hergestellt werden. Der wesentliche Unterschied zwischen Pflanzenkohle und Aktivkohle besteht darin, dass das Ausgangsmaterial (frische oder bereits verkohlte Biomasse) zusätzlich dem Aktivierungsprozess (eben physisch oder chemisch) unterzogen wird, wodurch das Porenvolumen und die spezifische Oberfläche um mehr als das Dreifache zunehmen.

Die Last für das Klima

Für die Herstellung einer Tonne Aktivkohle braucht man 3.5 bis 5 t Steinkohle oder 5 bis 6.5 t Braunkohle. Um eine Tonne Kokosfaserkohle herzustellen benötigt man 10-13 t Kokosnussschalen. Aber immerhin sind diese Schalen ein Reststoff und die Herstellung könnte dank des erneuerbaren Rohstoffs weitestgehend klimaneutral geschehen. Doch die Voraussetzung dafür wäre jedoch, dass bei der Verkohlung und Aktivierung lediglich CO₂ und keine anderen Treibhausgase freigesetzt werden. Leider ist durch häufig noch mittelalterliche Pyrolyse-Technologie (Erdmeiler) und vor allem auf Grund fehlender Normen davon auszugehen, dass die Produktion mit Emissionen von flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen und Ruß einhergeht, die das Klima deutlich stärker belasten als eine vergleichbare Menge CO₂. Damit ist auch die am Markt erhältliche Kokosfaserkohle keine saubere Alternative.

Insgesamt lassen sich die Auswirkungen auf das Klima nur schwer abschätzen, da insgesamt nur wenige Daten verfügbar sind. Eine Arbeitsgruppe der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. befragte Hersteller und Händler und berechnete, dass in der Praxis pro Tonne Aktivkohle Emissionen von 11-18 t CO₂-Äquivalente entstehen.

Aktivkohlen für die Abwasserreinigung – die vierte Stufe der Kläranlage

Mit der starken Zunahme des Arzneimittelkonsums, der steigenden Zahl an Chemikalien in Drogerieprodukten und dem wachsenden Einsatz  von Weichmachern, Flammschutzmitteln und Bioziden in Gebrauchsgegenständen gelangen nicht nur immer größere Konzentrationen sondern auch eine grösser werdende Vielfalt an potentiell oder nachgewiesen schädliche chemische Verbindungen ins Abwasser. Auch werden Stoffe wie der schmerzstillende und antirheumatische Arzneistoff Diclofenac, diverse Antibiotika, Östrogene und Koffein hauptsächlich über den Urin in Umlauf gebracht. In den Klärwerken werden manche diese sogenannten Mikroverunreinigungen von üblichen Abwasserreinigungsverfahren nicht erfasst und gelangen damit in die natürlichen Fließgewässer. Dort werden sie jedoch mindestens teilweise nur sehr langsam abgebaut und sind dort durch die gleichmäßige Nachlieferung permanent nachweisbar. Sie sind bereits in geringen Konzentrationen, wie sie in geklärtem Abwasser vorkommen, für eine Vielzahl von Gewässerorganismen schädlich. So wurden in Flüssen unterhalb von Kläranlagen zum Beispiel bei Flohkrebsen Veränderungen der  Geschlechtsmerkmale festgestellt, bei Muscheln zusätzlich ein verringertes Wachstum der Schale. Bei Forellen wurde nachgewiesen, dass Diclofenac selbst bei geringsten Konzentrationen, wie in Flüssen vorkommen, eine ähnliche Wirkung (Hemmung von Entzündungen) hat, wie beim Menschen – doch Diclofenac ist nicht für die Dauermedikamentation gedacht –  auch nicht bei Fischen. Aus diesem Grund ist es für den Schutz von Natur und Mensch unablässig, eine vierte Klärstufe für die Abwasserreinigung einzuführen, um die Mikroverunreinigung der natürlichen Gewässer einzudämmen.

In der Schweiz muss die Elimination von Mikroverunreinigungen (EMV) bis 2035 in allen relevanten Kläranlagen installiert sein. Seit 2016 zahlen alle Kläranlagen eine Abgabe, bis sie eine vierte Stufe installiert haben und deren Wirksamkeit nachweisen können. Damit entsteht ein Anreiz zur schnellen Umsetzung. In Deutschland wird die EMV in Baden-Württemberg, Nordrhein-Westfalen und Berlin durch entsprechende Kompetenzzentren gefördert.

Die Behandlung mit Aktivkohle ist die meist angewandte Technologie zur Eliminierung dieser Schadstoffe. Dabei kann die Aktivkohle entweder als Pulver in das Abwasser eingerührt werden (Pulveraktivkohle, < 0.2 mm) oder als Festbettfilter aus sogenannter granulierter Aktivkohle (Korngröße von 1-2 Millimetern) verwendet werden. Wenn Pulveraktivkohle vom sauberen Abwasser wieder abgetrennt wird, wird sie meist in die biologische Stufe der Kläranlage zurückgepumpt, um dort als bereit teilbeladene Kohle noch weitere Schadstoffe aufzunehmen. Danach landet sie im Klärschlamm – sie ist ein Einwegprodukt. Granulierte Aktivkohle wird nach knapp einem Jahr aus dem Festbettfilter entfernt und kann in großtechnischen Anlagen zum Beispiel mit heißem Dampf „re-aktiviert“ werden. In einer Klimabilanz ist dieser Prozess mit 2 bis 4 t CO₂-Äquivalente pro Tonne zu veranschlagen. 10-20% der Aktivkohle gehen als Abrieb und Abbrand verloren. Dies wird durch frische Aktivkohle ausgeglichen. Damit befinden sich in einem Filterbett aus granulierter Aktivkohle immer ein Teil frischer und ein Teil wiederaktivierter Aktivkohle.

Basierend auf den bisher umgesetzten, in Bau befindlichen und projektierten Anlagen, die die Plattform „Verfahrenstechnik Mikroverunreinigungen“ zusammengestellt hat, kann man für die Schweiz einen jährlichen Bedarf von rund 3500 t Aktivkohle für die vierte Klärstufe abschätzen. Übertragen auf Deutschland wäre bei einer (bisher noch nicht konkret geplanten) bundesweiten Einführung von EMV von einem jährlichen Bedarf von ca. 40.000 t Aktivkohle auszugehen. Diese ist jedoch derzeit noch nicht absehbar, würde aber Emissionen in der Größenordnung von 500.000 t CO₂ Äquivalente verursachen. Nichtsdestotrotz ist eine bessere Abwasserreinigung zum Schutz unser Gewässer mehr als wünschenswert. Also müssen klimafreundliche Alternativen aufgezeigt werden.

Ozon als Alternative zur Aktivkohle?

Bei der Ozonierung wird das Gas Ozon [O₃] in das Abwasser eingeblasen, welches Kohlenstoffverbindungen und damit die organischen Schadstoffe oxidiert. Ozonierung ist sehr energieintensiv, da sowohl bei der eigentlichen Abwasserbehandlung als auch bei der Bereitstellung des Ozons viel Strom verbraucht wird. Dennoch wird sie wohl für rund die Hälfte der Schweizer Kläranlagen das Mittel der Wahl werden, oft allein schon wegen des geringeren Platzbedarfs, denn im Vergleich zu den meisten Aktivkohlestufen lässt sich eine Ozonierung recht kompakt bauen. Die Ozonierung lässt sich jedoch nicht bei allen Abwässern anwenden und erfordert gegebenenfalls immer noch eine nachgeschaltete Aktivkohlestufe, da das Ozon ja die Schadstoffe nicht aus dem Wasser entfernt, sondern lediglich durch Oxidation in andere, größtenteils weniger schädliche Stoffe umwandelt, die jedoch auch dem Wasser entzogen werden sollten.

Alternative Aktivkohlen statt Alternativen zur Aktivkohle

Global betrachtet ist eine zukunftsweisende Abwasserreinigung gänzlich ohne Aktivkohle schwer vorstellbar. Daher benötigen wir alternative Aktivkohlen. Kokosfaser-Aktivkohle könnte im Prinzip eine Option sein, sofern man in den Ursprungsländern eine saubere Verkohlung gewährleisten würde. Dies wäre technisch kein Problem, doch ist dies in der derzeitigen politischen und ökonomischen Realsituation nicht absehbar. Darüber hinaus gilt Kokosfaser-Aktivkohle als ungeeignet für die Abwasser-Matrix, da die Poren zu schnell durch andere organische Stoffe im Abwasser verstopfen und damit insgesamt nur geringe Mengen an Schadstoffen aufnehmen. Geeignete und in Europa hergestellte Holzaktivkohle ist bisher am Markt kaum verfügbar. Doch es gibt noch andere Optionen:

(1)   Produktion von Aktivkohle aus holzigen Reststoffen mit möglichst kurzen Transportwegen: Als Ausgangsstoffe eignen sich ähnliche Stoffe, wie für die Produktion von Pflanzenkohle. Da Klärwerke in der Regel von Gemeinden betrieben werden, die sich ebenfalls um die Entsorgung von organischen Abfällen kümmern müssen (v.a. Grünflächenpflege, Gartenabfälle), gibt es hier Raum für synergetische Lösungen. Für eine saubere Produktion sollte sich die Aktivierung z.B. auf Wasserdampf beschränken.

(2)   Herstellung von Aktivkohle aus Teilen des frischen oder gefaulten Klärschlamms direkt auf der Kläranlage. Die bei diesem Prozess entstehende Wärme kann zum Trocknen des Klärschlamms verwendet werden. Zur Optimierung der Reinigungsleistung kann Holzstaub vor der Aktivierung in den Klärschlamm gemischt werden. Dies erhöht auch den Energiegehalt und die Trockensubstanz, wodurch die Vortrocknung gegebenenfalls entfallen kann. Holzstäube entstehen zum Beispiel beim Brechen von Altholz und sind für eine direkte Verbrennung oder Verkohlung oft weniger geeignet, da Stäube grundsätzlich schwierig in der Handhabung sind. Natürlich enthalten der Klärschlamm und auch die daraus hergestellte Kohle alle Stoffe, die man zuvor aus dem Wasser entfernt hat, unter anderem Phosphor und Schwermetalle. Diese dürfen unter keinen Umständen wieder ins Wasser gelangen, was durch Optimierung der Verkohlung und Aktivierung sowie entsprechende Tests sichergestellt werden kann. Aufgrund des geringen Kohlenstoffgehalts von Klärschlamm (20-30%) hat eine Klärschlammaktivkohle eine geringere Reinigungsleistung als herkömmliche Aktivkohlen. Da es aus verfahrenstechnischen Gründen jedoch gewisse Obergrenzen der Dosierung von Pulveraktivkohle gibt, könnte Klärschlamm- und konventionelle Kohle auch als Mischprodukt angewendet werden.

(3)   Die Re-Aktivierung von granulierter Aktivkohle direkt auf der Kläranlage, z.B. mittels Strom unter Ausnutzung von Angebotsspitzen auf dem Strommarkt, die v.a. durch die Nutzung von Windenergie ergeben.

Strategie (1) würde sich mit lokalen Ressourcen klimaneutral gestalten lassen. Strategie (2) würde aus einem schwierig zu entsorgenden Reststoff einen Wertstoff machen und die Klimabilanz erheblich verbessern. Beide Möglichkeiten werden derzeit in der Schweiz mit dem durch das Bundesamt für Umwelt (BAFU) finanzierte Projekt „EMPYRION“ bei Agroscope und Eawag unter Beteiligung des Ithaka Instituts in enger Zusammenarbeit mit vier Kläranlagen beforscht. Zu Strategie (3) gibt es in Deutschland ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Forschungsprojekt von Fraunhofer UMSICHT, dem Wupperverband und einigen Industriepartnern mit dem Titel „ZeroTrace“.

Es gibt folglich ausreichend Ansätze für eine klimafreundlichere Gestaltung der Elimination von Mikroverunreinigungen, die durch eine entsprechend explizite Förderung hoffentlich bald großflächig durchsetzen werden.

Nikolas Hagemann

hat in Tübingen zur Nährstoffbeladung von Pflanzenkohlen promiviert. Seine Erkenntnisse zum "Organic Coating" von Biochar öffnen neue Wege zur Entwicklung Pflanzenkohle basierter Dünger (siehe hier seine (englischen) Veröffentlichungen zum Thema). Zur Zeit arbeitet N. Hagemann für das Projekt „Nachhaltige Eliminierung von Mikroverunreinigungen auf Kläranlagen mittels Pyrolysaten aus biogenen Abfällen (EMPYRION)“ am Agroscope in Zürich, wo er über hundert Aktivkohlen aus Biomassen herstellte und hinsichtlich ihrer Eliminationleistung von organischen Mikroverunreinigungen testet. Das vom schweizerischen Bundesamt für Umwelt (BAFU) geförderte Projekt wurde entwickelt und betreut von Thomas Bucheli (Agroscope, Zürich), Ralf Kägi und Marc Böhler (beide Eawag, Zürich) und Hans-Peter Schmidt (Ithaka Institut).

Literatur