Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung der thermischen Reaktivierung von Aktivkohlen zur Reinigung von Flüssigkeiten

Infolge des weltweit stetig steigenden Bedarfs ist künftig mit einer Verteuerung und Verknappung von Aktivkohlen zu rechnen. Eine energetisch effiziente Alternative zum Einsatz frischer Aktivkohle stellt die thermische Reaktivierung erschöpfter Aktivkohlen dar. Sie beruht im Wesentlichen auf der Erhitzung des Materials unter definierter Gasatmosphäre, bei der die zuvor adsorbierten Schadstoffe desorbiert und/oder pyrolytisch/oxidativ umgesetzt werden. Bis heute fehlen jedoch systematische Parameterstudien und vor allem praxisrelevante quantitative Aussagen über den Einfluss der Reaktivierungsbedingungen auf die Aktivkohlequalität.

Ziel des Projekts ist die Optimierung der Prozessparameter bei der thermischen Reaktivierung von Aktivkohlen in Abhängigkeit der Einsatzgebiete. Die Reaktivierung soll in einem Drehrohrofen im Labormaßstab erfolgen, in dem bis zu 500 g Kornaktivkohle unter definierten und in weiten Bereichen einstellbaren Prozessparametern reaktiviert werden kann. Zur Charakterisierung der Reaktivate werden neben Stickstoffsorptionsmessungen weitere neuentwickelte Messmethoden eingesetzt, mit denen sich die strukturellen Eigenschaften sowie die Oberflächenchemie detailliert untersuchen lassen.

Eine Überprüfung der Übertragbarkeit der gewonnenen Ergebnisse in den technischen Maßstab erfolgt anhand der optimierten Prozessparameter in einem kontinuierlichen Drehrohrofen im Technikumsmaßstab. Dieser Scale-up ermöglicht einen unmittelbaren Transfer der gewonnenen Ergebnisse in den technischen Prozess.

Von den Ergebnissen des Projekts profitieren kleine und mittelständische Aktivkohlehersteller und -anwender durch Einsparungen von Energiekosten und/oder verbesserten Produkten. Gleichzeitig werden die notwendigen Importe von frischen Aktivkohlen und die zu entsorgende Menge an verbrauchten Aktivkohlen reduziert und somit die Rohstoffversorgung in Deutschland verbessert. In Summe dieser Effekte wird ein Beitrag zur Energieeffizienz und zum Klimaschutz geleistet.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine Methodik entwickelt, mit der es möglich ist, die wechselseitigen Abhängigkeiten der Effekte der Reaktivierungsbedingungen auf einzelne Zielvariablen sowie deren Nichtlinearitäten zu erfassen, auch wenn die entsprechenden Effekte die jeweiligen Zielvariablen unterschiedlich stark beeinflussen. Mit nur wenigen Versuchsreihen kann ein robustes Modell erstellt werden, mit dem die gleichzeitige Optimierung mehrerer Zielgrößen durch Vorhersage/Bestimmung geeigneter Reaktivierungsbedingungen durchgeführt werden kann. Auf diese Weise können maßgeschneiderte Reaktivierungen realisiert werden. Hiermit steht dem industriellen Anwender ein leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung, mittels dessen bspw.

- eine möglichst vollständige Wiederherstellung der Adsorptionseigenschaften bei minimalem Massenverlust erreicht werden,

- ein maßgeschneidertes Reaktivat mit gewünschten Eigenschaften hergestellt werden und

- der Energieaufwand und die CO2-Emissionen minimiert werden, um Reaktivate mit ausreichender Qualität für weniger anspruchsvolle Aufbereitungsverfahren herzustellen (Downscaling).

Durch das Downcycling, d. h., einer nicht linearen, sondern hierarchischen Wertschöpfungskette, können bei erfolgreichem Einsatz die Kosten bei der Reaktivierung gesenkt werden, da für bestimmte Produkte nicht mehr „vollständig“, sondern nur noch soweit reaktiviert wird, wie es für den jeweiligen Einsatzzweck notwendig ist.

Durch die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse bzw. die Anwendung der entwickelten Methode kann möglicherweise die Reaktivierung von solchen Aktivkohlen ermöglicht werden, die zur Zeit der thermischen Verwertung zugeführt werden müssen. Dies würde zum einen eine neue Rohstoffquelle erschließen und zum anderen die Abhängigkeit von Importen vermindern. Somit kann neben dem Beitrag zu Energieeffizienz, Klimaschutz und Ressourcenschonung eine erhebliche Kosteneinsparung für die jeweiligen Anwender resultieren.