Im Rahmen unseres Studierendenprojekts im 2. Semester haben wir uns als EUT-Studierende intensiv mit Aktivkohle beschäftigt. Der Pflanzenkohlehersteller Inkoh erwägt, die erste Schweizer Aktivkohleproduktion aufzunehmen. Unser Projektteam wurde beauftragt, die Bedeutung von Aktivkohle für eine moderne Gesellschaft aufzuzeigen und verschiedene Aktivierungsarten miteinander zu vergleichen.

Was sind die Projektziele?

Das übergeordnete Ziel unserer Arbeit besteht darin, eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die Produktion von Aktivkohle in der Schweiz zu schaffen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Bedeutung von Aktivkohle in der modernen Gesellschaft. Des Weiteren steht die Analyse der Umwandlung von Biokohle in Aktivkohle im Mittelpunkt. Ziel ist es, verschiedene Aktivierungs- und Reaktivierungsverfahren zu vergleichen und zu bewerten. Um die Ziele zu erreichen, haben wir eine ausführliche Recherchearbeit durchgeführt.

Was ist Aktivkohle?

Aktivkohle ist eine stark poröse Form von Kohlenstoff mit einer sehr grossen inneren Oberfläche von 300 bis 2’000m²pro Gramm Aktivkohle. Die Poren reichen von Mikroporen (kleiner als 2nm) über Mesoporen (2 bis 50nm) bis zu Makroporen (grösser als 50nm). In der folgenden Abbildung ist der Aufbau der Aktivkohle aufgezeigt. Einfach ausgedrückt wirkt Aktivkohle wie ein Schwamm, in dem Verunreinigungen gespeichert werden (Adsorption).

In welchen Bereichen wird Aktivkohle verwendet?

Wir haben herausgefunden, dass Aktivkohle heute zu den wichtigsten technischen Adsorptionsmitteln zählt. Sie wird in vielen Bereichen eingesetzt, in denen Stoffströme gereinigt, entgiftet oder in ihrer Qualität verbessert werden sollen. Aktivkohle kommt unter anderem in der Luftreinigung, Medizin, Lebensmittelindustrie, Energietechnik und bei weiteren Anwendungen zum Einsatz. Ihre Anwendungsvielfalt beruht darauf, dass ihre Porenstruktur und Oberflächeneigenschaften gezielt an unterschiedliche Aufgaben angepasst werden können.

Besonders relevant ist der Einsatz von Aktivkohle in der Wasseraufbereitung. Im Schweizer Gesetz zum Schutz der Gewässer wird Aktivkohle explizit als geeignete und wirtschaftliche Option zur Entfernung von Mikroschadstoffen aus Abwasser genannt. Dabei kann Aktivkohle sowohl zur Aufbereitung von Trinkwasser als auch in der Abwasserbehandlung eingesetzt werden.

Wie sieht die Zukunft von Aktivkohle aus?

Aktivkohle ist heute ein universelles Reinigungs- und Speicherwerkzeug für verschiedenste Anwendungen. Viele Umwelt- und Gesundheitsschutzmassnahmen wären ohne Aktivkohle schwieriger oder teurer umzusetzen. Für die Zukunft wird erwartet, dass Aktivkohle nicht weniger, sondern eher mehr genutzt wird. Deshalb wäre es auch sinnvoll in der Schweiz Aktivkohle herzustellen. 

Wie wird die Aktivkohle aktiviert?

Für die Produktion von Aktivkohle können grundsätzlich alle kohlenstoffreichen Rohstoffe verwendet werden. In der Praxis wird jedoch zwischen fossilen Quellen wie Torf oder Braunkohle und verschiedenen Arten von Biomasse wie Hölzern, Kokosnussschalen oder Pflanzenkohle unterschieden.

Das Ausgangsmaterial kann auf Wunsch zuerst mit chemischen Substanzen behandelt werden. Durch diese Behandlung ist anschliessend weniger Energie erforderlich. Dieser Prozess läuft entweder einstufig, bei dem das Rohmaterial direkt imprägniert wird, oder zweistufig, bei dem das Material zuerst vorkarbonisiert wird.

Anschliessend wird der Rohstoff (mit oder ohne Imprägnierung) in einem Ofen auf eine spezifische Zieltemperatur zwischen 450°C und 1’000°C erhitzt. Während dieser thermischen Behandlung entstehen die extrem grossen Oberflächen der Aktivkohle. 

Neben der Erhitzung in einem Ofen werden auch Versuche mit Mikrowellentechnologie durchgeführt. Dabei wird das Ausgangsmaterial vom Kern nach aussen hin erhitzt. Diese Methode verbraucht weniger Energie und läuft mit Strom, der erneuerbar gewonnen werden kann.

Was geschieht nach dem Einsatz der Aktivkohle?

Nachdem die Aktivkohle eingesetzt bzw. verbraucht wurde, kann sie regeneriert werden. In speziellen Öfen kann die gesättigte Kohle von adsorbierten Schadstoffen befreit werden. Das Ergebnis ist fast neuwertige Aktivkohle, die wieder in den Filterkreislauf integriert werden kann. Dieser Prozess ist nicht nur wirtschaftlich sinnvoll, sondern schont auch wertvolle Ressourcen (Kreislaufwirtschaft).

Was empfehlen wir der Inkoh AG?

Nach unserer Recherche sind wir zu dem Schluss gekommen, dass der Einstieg in die Aktivkohleproduktion sehr sinnvoll ist. Wie bereits erwähnt, wird Aktivkohle in Zukunft eher mehr als weniger genutzt werden. Aktivkohle aus der Schweiz wäre für die inländische Anwendung sicher ökologisch interessant. Wir empfehlen, das Ausgangsmaterial mit geeigneten Chemikalien zu imprägnieren. Anschliessend empfehlen wir, das Material mit Mikrowellentechnologie zu aktivieren, um eine effiziente und erneuerbare Aktivierung zu gewährleisten. Zudem empfehlen wir, auch verbrauchte Aktivkohle zu reaktivieren.

Wie war das Projekt für uns?

Zu Beginn waren wir mit dem Auftrag eher überfordert. Die Aufgabenstellung war ziemlich offen und komplex formuliert. Nach den ersten Gesprächen mit dem Projektcoach und der Auftraggeberschaft wussten wir schliesslich, in welche Richtung das Projekt gehen soll. 

Anschliessend haben wir mit der Recherche begonnen. Die Ergebnisse haben wir in einem grossen Online-Mindmap zusammengefasst, das uns bis zum Schluss begleitet hat. 

Die Herausforderung bestand anschliessend darin, das gesamte recherchierte Wissen zusammenzufassen, zu vergleichen und in den Projektbericht einfliessen zu lassen. Dies erforderte von jedem Projektmitglied viel Selbstdisziplin, da wir die einzelnen Teilgebiete aufgeteilt hatten. Letztendlich haben wir gelernt, dass eine gute Kommunikation im Projektteam sehr wichtig ist, um gemeinsam die Ziele zu erreichen.

Dieser Beitrag wurde im Rahmen des EUT-Projekts 2 von den Studierenden Jason Caviezel, Valentino Compostella, Nilo Schibli und Nico Wanner verfasst.