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- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (1)
Eingeladener Vortrag
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Motivation:
> Zunehmender Einsatz von Pulveraktivkohle (PAK) zur
Spurenstoffelimination in kommunalen Kläranlagen
> Bisher keine analytische Methode zur Quantifizierung von PAK in
Belebungsbecken, bzw. in Gegenwart von Belebtschlamm
> Anwendung der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) zur
Feststoffcharakterisierung auf Umweltfragestellungen
Ergebnisse:
> Quantifizierung von PAK in Belebtschlamm ist möglich und kann
über unterschiedliche zweistufige TGA-Methoden erfolgen
> Zersetzungsgasanalyse zeigt veränderte und verzögerte
Freisetzung aliphatischer Produkte des Belebtschlamms
Im Vortrag wird der Ansatz zur Aufklärung von Adsorptionsprozessen, die in der Wasserphase stattgefunden haben, mittels Thermogravimetrie und Zersetzungsgasanalyse vorgestellt.
Es wird allgemein gezeigt wie TGA zur Charakterisierung von Aktivkohleoberflächen genutzt werden kann und welche Unterschiede sich in verschiedenen Adsorbat-Systemen zeigen. Im Detail wird die thermische Zersetzung von adsorbiertem Carbamazepin an drei verschiedenen Aktivkohlen präsentiert.
Advanced wastewater treatment by the application of activated carbon is used to eliminate organic micropollutants in large scale wastewater treatment plants. However, underlying adsorption processes are unclear. On the one hand, compositions of wastewater differ and are very complex. On the other hand, activated carbons have physicochemical properties which impair investigations on adsorption mechanisms, since they are non-graphitic, non-graphitizable and have a highly disordered microstructure. This leads to their large surface areas and internal pore structure but also implies heteroatoms and functional groups. These are not easily accessible for research but affect the adsorption of organic micropollutants. Thermogravimetric analysis and evolved gas analysis can provide valuable insights into these kinds of systems. First, pyrolysis makes functional surface groups accessible, e.g. through decarboxylation, which facilitates characterisation of activated carbons. Second, adsorbates can be investigated by thermal desorption or decomposition, depending on the sorption conditions of the organic micropollutants. Single component systems as well as multi component systems with competing organic background matter are compared for various activated carbons. Surprising distinctions in the adsorption mechanisms will be presented.
This is the repository of all experimental raw data used in the Scientific Reports publication "Specific adsorption sites and conditions derived by thermal decomposition of activated carbons and adsorbed carbamazepine" by Daniel Dittmann, Paul Eisentraut, Caroline Goedecke, Yosri Wiesner, Martin Jekel, Aki Sebastian Ruhl, and Ulrike Braun.
It includes
- overview_measurements.xlsx and overview_measurements.ods containing a list of all TGA experiments (TGA, TGA-FTIR, TED-GC-MS, and ramp-kinetics)
- TED-GC-MS.zip containing gas chromatography-mass spectrometry experimtent files for the Chemstation and OpenChrom
- TGA.zip containing thermogravimetric analyses raw data on evolved gas analyses experiments (TGA-FTIR and TED-GC-MS)
- TGA_kinetics.zip containing thermogravimetric analyses raw data on decomposition kinetic experiments (ramp-kinetics)
- TGA-FTIR.zip containing Fourier-transform infrared spectroscopy series files for OMNIC
- XRF.zip containing x-ray flourescence data on elemental composition
Eine umfangreich ausgestaltete Trinkwasseraufbereitung als Multibarrieren-System ist notwendig, wenn das Rohwasser direkt aus Fließgewässern entnommen wird (z. B. für das Mülheimer Verfahren). Eine der Barrieren wird, als gezielte Behandlungs- oder Sicherheitsstufe, oft als Filter mit granulierter Aktivkohle (GAK-Filter) realisiert. Ihre Standzeit kann bei geringer Wasserbelastung (DOC < 2 mg/L), z. B. bei der Landeswasserversorgung Langenau, bis zu 5 Jahre betragen. Bei Rohwasser mit höherem Organikgehalt (DOC > 7 mg/L), wie bei der Nordwasser in Rostock, wird hingegen mindestens alle drei Jahre die GAK in den Filterkolonnen ausgetauscht.
Die Rest-Adsorptionskapazität der GAK kann durch verschiedene Verfahren abgeschätzt werden, ist aber nach wie vor Gegenstand aktueller Forschung. Die weitergehende Charakterisierung der beladenen GAK kann hierbei helfen.
Auf dem Poster sollen erste Ergebnisse zu den in Langenau und Rostock eingesetzten Aktivkohlen präsentiert werden. Hierzu wurden die frischen und nach unterschiedlichen Laufzeiten beladenen GAK untersucht. Die Zusammensetzung der Anorganik und der adsorbierten Organik, welche mittels Zersetzungs¬gasanalyse charakterisiert wurde, zeigt deutliche Unterschiede. Bspw. nimmt der Calcium-Gehalt der GAK in Langenau kontinuierlich zu, wohingegen dieser in den Proben aus Rostock mit zunehmender Laufzeit zurückgeht. Umgekehrt verhält es sich mit der Organik: Die GAK aus Rostock zeigen Hinweise auf biologische Besiedelung, während diese in Langenau trotz längerer Filterlaufzeit auszubleiben scheint.
Advanced wastewater treatment with powdered activated carbon (PAC) leads to a spread of PAC into different purification stages of wastewater treatment plants (WWTP) due to recirculation and filter back-wash. Currently, no methods for quantification of PAC in activated sludge are available. In this study, PAC containing activated sludge from four WWTP were examined by two-step thermogravimetric analysis (TGA) with heating up to 600°C in N2 and subsequently in synthetic air. Direct quantification of PAC according to temperature specific weight losses was possible for one WWTP. Quantification by combining specific mass losses was found to be an alternative direct method, with a detection limit of 1.2% PAC in dry sample mass.
Additionally, evolved gas analysis (EGA) by infrared-spectroscopy (FTIR) during TGA revealed interaction mechanisms between PAC and activated sludge. Aliphatic compounds from activated sludge were identified as major substances influenced by PAC. In derivative thermogravimetry (DTG), a typical double peak at approximately 300°C was found to be related to carbonylic species with increased evolution of acetic acid in aged activated sludge. TGA and EGA are promising tools to understand, control and optimise the application of PAC in advanced wastewater treatment.