Aktivkohle: Von der Herstellung bis zur praktischen Anwendung.

Aktivkohle, auch aktivierter Kohlenstoff genannt, ist eine Form von Kohlenstoff, die einer Aktivierungsbehandlung unterzogen wurde, um ihre charakteristischen Adsorptionseigenschaften zu verbessern und ihre innere Oberfläche und Porosität zu vergrößern.

Sie wird durch die Verkohlung organischer Materialien wie Holz, Kokosnüssen oder direkt aus fossiler Kohle hergestellt. Darauf folgt ein Aktivierungsprozess, der ihre Porosität und ihre Fähigkeit zur Aufnahme von Chemikalien und Verunreinigungen erhöht.
Aktivkohle verdankt diese Eigenschaften ihrer hochporösen Struktur.
Diese poröse Struktur ist nicht einheitlich, sondern besteht vielmehr aus einem komplexen Netzwerk von Poren unterschiedlicher Größe.

Verwendung

In Meerwasserriffaquarien wird Aktivkohle als Teil des Filtersystems eingesetzt, um die Wasserqualität zu verbessern.
Seine Fähigkeit, organische Stoffe zu adsorbieren, schädliche chemische Verbindungen und andere Verunreinigungen zu binden, macht es zu einem wertvollen Hilfsmittel, um eine gesunde und stabile aquatische Umgebung zu erhalten. In einem Meerwasserriffaquarium ist die Wasserqualität entscheidend für die Gesundheit und das Wohlbefinden der Lebewesen und generell des gesamten Systems.

L'Das Wasser muss stabile und klar definierte Parameter aufweisen, um das Überleben und Gedeihen der Aquarienbewohner zu gewährleisten.
Wichtige Wasserparameter wie Temperatur, pH-Wert, Triade, Salzgehalt und Nährstoffkonzentration müssen innerhalb bestimmter Bereiche gehalten werden, um natürliche Bedingungen nachzubilden und unseren Bewohnern eine geeignete Umgebung zu bieten.
Ein Überschuss an zersetzenden organischen Stoffen, schädlichen chemischen Verbindungen oder anderen Verunreinigungen kann die Wasserqualität beeinträchtigen, Gesundheitsprobleme bei den Aquarienbewohnern verursachen und die Stabilität des gesamten Ökosystems negativ beeinflussen.

L'Hauptziel des Einsatzes von Aktivkohle im Meerwasserriffaquarium ist es, die Wasserqualität durch die Entfernung unerwünschter Stoffe und Verunreinigungen zu verbessern.
Aktivkohle wirkt als hochwirksames selektives Adsorptionsmittel und adsorbiert gelöste schädliche organische Substanzen wie Medikamentenrückstände, Metaboliten und von Korallen und anderen Organismen produzierte Giftstoffe.
Adsorbiert und bindet auch verschiedene schädliche chemische Verbindungen, darunter Farbstoffe, Pestizide und Schwermetalle, die versehentlich ins Aquarium gelangen können, und trägt zudem aktiv dazu bei, die Klarheit des Wassers zu verbessern.

 

Herstellungsverfahren

Aktivkohle ist für ihre hochporöse Struktur bekannt, die ihr eine große Oberfläche pro Volumeneinheit verleiht und für ihre Eigenschaften verantwortlich ist.
Diese poröse Struktur entsteht durch die Karbonisierung und Aktivierung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials.
Bei der Karbonisierung wird kohlenstoffhaltiges organisches Material unter Sauerstoffausschluss auf hohe Temperaturen erhitzt, wodurch Kohle entsteht. Anschließend wird die Kohle durch chemische oder physikalische Behandlungen aktiviert, die ihre Porosität öffnen und erhöhen.

Auswahl der Rohstoffe

Zu den am häufigsten für die Herstellung von Aktivkohle verwendeten Materialien gehören Lignin, Kokosnussschalen, Steinkohle und Torf. Jede Materialart ergibt Aktivkohle mit spezifischen Eigenschaften hinsichtlich Porosität und Adsorptionskapazität.

Holz: Aus Holz gewonnene Aktivkohle weist im Allgemeinen eine relativ hohe Porosität und einen hohen Anteil an Makroporen auf und eignet sich daher zur Adsorption großer Moleküle. Dadurch ist sie jedoch weniger effizient bei der Adsorption kleiner Moleküle und für unsere Zwecke weniger interessant, sofern sie nicht speziell behandelt wurde.

Torf: Torf ist weniger dicht und in seiner Zusammensetzung heterogener als andere kohlenstoffhaltige Materialien. Daher entsteht daraus Aktivkohle mit einer variablen Porenmischung, aber geringerer Qualität. Obwohl sie tendenziell ein gutes Verhältnis von Mikro- und Mesoporen aufweist, ist ihre geringe Oberfläche weniger leistungsfähig und macht sie daher für anspruchsvolle Anwendungen weniger geeignet.

Fossile Kohle: Aktivkohlen aus fossiler Kohle, auch als „Mineralkohlen“ bekannt (Steinkohle, Braunkohle, Anthrazit usw.), weisen eine stark entwickelte poröse Struktur mit einer guten Verteilung von Mikro- und Mesoporen auf.
Sie werden besonders für ihre Fähigkeit geschätzt, ein breites Spektrum an Molekülen zu adsorbieren, wodurch sie vielseitig einsetzbar sind.

Kokosnuss: Diese Aktivkohlen sind für ihre hohe Härte und ihren großen Anteil an Mikroporen bekannt, wodurch sie besonders wirksam bei der Adsorption kleiner organischer Moleküle sind.
Sie werden häufig für Anwendungen bevorzugt, bei denen Wasser von kleinen molekularen Verunreinigungen gereinigt werden muss, und gehören zu den in unserer Branche am häufigsten verwendeten.

Aktivierung von Kohle

L'Die Aktivierung von Kohle spielt eine entscheidende Rolle für deren Wirksamkeit als Adsorptionsmittel.
Der Aktivierungsprozess der Kohle hat einen erheblichen Einfluss auf die endgültige poröse Struktur des Materials. Daher hängen die Qualität und die endgültigen Eigenschaften des Produkts auch von der verwendeten Aktivierungstechnik ab.

Chemische Aktivierung: Bei der chemischen Aktivierung wird das kohlenstoffhaltige Material vor der Karbonisierung aktivierenden chemischen Mitteln ausgesetzt. Diese chemischen Mittel (z. B. Phosphorsäure, Natrium- oder Kaliumhydroxid, Zinkchlorid usw.) zersetzen und quellen die Struktur des Ausgangsmaterials auf und erhöhen so dessen innere Porosität.
Die Behandlung erfolgt bei Temperaturen zwischen 450°C und 900°C, die deutlich unter den bei der physikalischen Aktivierung verwendeten Temperaturen liegen.

Phosphorsäure (H3PO4): Wird häufig zur Aktivierung von Materialien auf Ligninbasis verwendet. Das Verfahren führt zur Bildung einer hochporösen Struktur, die sich ideal für die Adsorption von Farbstoffen und kleinen organischen Substanzen aus Flüssigkeiten eignet.

Kaliumhydroxid (KOH): LDer Einsatz von KOH ist dafür bekannt, Aktivkohle mit einer großen Menge an Mikroporen und hochaktiven Oberflächen zu erzeugen, die beispielsweise für die Adsorption von Gasen und Dämpfen wie Ammoniak oder Schwefeldioxid nützlich sind.
Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die eine hohe Mikroporendichte erfordern, etwa die Reinigung von Trinkwasser, die Entfernung von Schadstoffen aus chemischen Lösungen oder die Adsorption schädlicher Gase aus der Luft.

Physikalische Aktivierung

LDie physikalische Aktivierung beginnt mit der Karbonisierung des kohlenstoffhaltigen Materials bei Temperaturen zwischen 600 °C und 900 °C in einer sauerstoffarmen Umgebung. Anschließend wird das karbonisierte Material bei noch höheren Temperaturen, typischerweise zwischen 800 °C und 1000 °C, oxidierenden Gasen (z. B. Wasserdampf, Kohlendioxid) ausgesetzt. Durch diesen Prozess öffnet sich die poröse Struktur der Kohle: Flüchtige organische Bestandteile werden entfernt und ein weit verzweigtes Porennetz entsteht.

Wasserdampfaktivierung

LDie Verwendung von Wasserdampf ist weit verbreitet, wenn Aktivkohle mit einer guten Verteilung von Poren aller Größen hergestellt werden soll. Das entstehende Material adsorbiert wirksam eine breite Palette von Verbindungen, von flüchtigen organischen Verbindungen in der Gasphase bis hin zu Schadstoffen in wässrigen Lösungen.

CO2-Aktivierung

Bei diesem Verfahren entsteht tendenziell Aktivkohle mit einem höheren Anteil an Mesoporen, die sich für die Adsorption mittelgroßer bis großer Moleküle eignen.

Wahl der Aktivierungstechnologie

LDie physikalische Aktivierung wird häufig für die Herstellung von Aktivkohle bevorzugt, die für ein breites Anwendungsspektrum bestimmt ist, darunter die Luftreinigung, die Behandlung industrieller Abwässer und die Adsorption von Schadstoffen aus komplexen Gasströmen.
Die Wahl zwischen chemischer und physikalischer Aktivierung hängt von mehreren Faktoren ab, darunter den Kosten, den gewünschten Eigenschaften der fertigen Aktivkohle und den spezifischen Anwendungsanforderungen. LDie chemische Aktivierung ist aufgrund des Einsatzes chemischer Reagenzien oft kostspieliger, kann jedoch Aktivkohlen mit besseren Adsorptionseigenschaften für bestimmte Schadstoffe hervorbringen. Andererseits ist die physikalische Aktivierung in der Regel vielseitiger und kostengünstiger, wodurch sich die hergestellte Aktivkohle für ein breiteres Anwendungsspektrum eignet.

 

Umweltauswirkungen

Neben technischen Überlegungen sind auch die Umweltauswirkungen und Produktionskosten entscheidend für die Wahl des Aktivierungsverfahrens.
LDie chemische Aktivierung bietet zwar spezifische Vorteile bei der Kontrolle der Porosität und der Adsorptionseigenschaften, geht jedoch mit dem Einsatz und der Entsorgung potenziell gefährlicher Chemikalien einher, die Auswirkungen auf die Umwelt haben können.
Daher richten sich Forschung und Entwicklung zunehmend auf umweltfreundlichere und nachhaltigere Verfahren, etwa den Einsatz sichererer Aktivierungsmittel oder die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Chemikalien.
Im Gegensatz dazu erfordert die physikalische Aktivierung, obwohl sie im Allgemeinen umweltverträglicher ist, erhebliche Energiemengen, insbesondere bei den Hochtemperatur-Karbonisierungsphasen und der Aktivierung mit oxidierenden Gasen. LDie Energieeffizienz dieser Prozesse ist daher ein wichtiger Ansatzpunkt, um die Betriebskosten und den mit der Aktivkohleproduktion verbundenen CO₂-Fußabdruck zu verringern.

Glücklicherweise zielt der technologische Fortschritt darauf ab, effizientere, kostengünstigere und umweltverträglichere Aktivierungsmethoden zu entwickeln.
So wird beispielsweise der Einsatz von Mikrowellen zur Aktivierung von Kohle erforscht. Dies kann eine schnellere und gleichmäßigere Erwärmung ermöglichen und so Prozessdauer und Energieverbrauch senken.

Chemische und physikalische Eigenschaften

Aktivkohle ist wasserunlöslich und reagiert nicht mit den adsorbierten Stoffen. Dadurch ist sie ein inerter und relativ sicherer Stoff für die Verwendung im Aquarium.

Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Aktivkohle in unserem Anwendungsbereich betreffen ihre poröse Struktur, die eine große Oberfläche für die Adsorption von Verunreinigungen bietet.

Die Porengröße kann variieren und wird durch die Wahl unterschiedlicher Materialien und Aktivierungstechniken angepasst. Dadurch kann Aktivkohle ein vielfältiges Spektrum an Verbindungen adsorbieren.

Die chemischen Eigenschaften von Aktivkohle hängen vom Aktivierungsprozess und von der Beschaffenheit des Ausgangsmaterials ab.

 

Adsorptionsmechanismus

Der Mechanismus, mit dem Aktivkohle Verunreinigungen aus dem Wasser aufnimmt, beruht auf der physikalischen und chemischen Anziehung zwischen den Molekülen der zu adsorbierenden Stoffe und der Oberfläche der Kohle.

Unerwünschte Moleküle im Wasser werden durch eine Reihe von Prozessen auf der Oberfläche der Aktivkohle eingefangen und zurückgehalten, darunter physikalische Adsorption, chemische Adsorption und elektrostatische Anziehung (Van-der-Waals-Kräfte).

Aktivkohle kann funktionelle Gruppen an ihrer Oberfläche enthalten, die chemisch mit den zu adsorbierenden Stoffen interagieren und dadurch ihre Wirksamkeit weiter steigern können.
Die adsorbierten Verunreinigungen bleiben dann in den Poren eingeschlossen, was ihre wirksame Entfernung ermöglicht.

Dieser Adsorptionsprozess ist hochselektiv und ermöglicht es der Aktivkohle, bestimmte Stoffklassen anhand ihrer Größe sowie ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften zu entfernen.

 

Porosität und adsorbierte Moleküle

Wie bereits erwähnt, verdankt die Aktivkohle ihre adsorbierenden Eigenschaften ihrer hochporösen Struktur. Diese Struktur besteht aus einem komplexen Netzwerk von Poren unterschiedlicher Größe, die in Mikroporen (Durchmesser unter 2 nm), Mesoporen (Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm) und Makroporen (Durchmesser über 50 nm) eingeteilt werden können.

Die Verteilung und Größe der Poren beeinflussen die Adsorptionskapazität von Aktivkohle erheblich und bestimmen ihre Wirksamkeit bei der Adsorption unterschiedlich großer Moleküle.

Mikroporen (Durchmesser unter 2 nm)

Phenolverbindungen und kleine flüchtige organische Moleküle: Diese organischen Verbindungen können aus verschiedenen biotischen und abiotischen Quellen stammen.
Dazu gehören verschiedene Arten von Alkoholen, Aldehyden, organischen Säuren und anderen Kataboliten, die als Ergebnis des Stoffwechsels lebender Organismen oder der Zersetzung organischer Materie im Aquarienwasser vorkommen können.

Sie sind für viele Wasserorganismen giftig und können die Gesundheit des Aquarienökosystems negativ beeinflussen.

Chloramine: Chemische Substanzen, die zur Desinfektion im Trinkwasser verwendet werden, aber für lebende Organismen in Aquarien schädlich sind.
Chlor- und Chloraminmoleküle sind klein genug, um effektiv von den Mikroporen adsorbiert zu werden.

Mesoporen (Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm)

Schädliche Proteine, Aminosäuren und Peptide: Obwohl sie sich in ihrer Größe unterscheiden, können zahlreiche schädliche Proteine und Peptide an den Mesoporen haften bleiben und darin eingeschlossen werden. Viele der toxischen Verbindungen, die im anhaltenden chemischen Kampf zwischen Korallen und Algen eingesetzt werden, bestehen aus Toxinen auf Protein-, Peptid- oder Aminosäurebasis.

Die Entfernung dieser Stoffe trägt dazu bei, hemmende Wirkungen abzuschwächen und die Erscheinungsformen der Allelopathie zu verringern.

Farbstoffe und Tannine: Diese Stoffe können dem Aquarienwasser eine unschöne Farbe verleihen, die Transparenz verringern und den Stoffwechsel des Systems negativ beeinflussen.
Mesoporen adsorbieren diese Moleküle wirksam.

Medikamente, Antibiotika und andere synthetische Schadstoffe: Nach einer medikamentösen Behandlung finden sich häufig Rückstände der verwendeten Medikamente und ihrer Abbauprodukte im System.
Diese können lange im Wasser verbleiben und schädliche Auswirkungen auf andere Organismen und das gesamte System haben, insbesondere bei Behandlungen mit Algiziden.
Die Mesoporen in Aktivkohle können diese Stoffe adsorbieren und so dazu beitragen, die schädlichen Nebenwirkungen der Behandlungen zu verringern.

Makroporen (Durchmesser über 50 nm)

Große organische Moleküle: Einige große organische Moleküle, wie bestimmte natürliche oder synthetische Polymere im Wasser, können in den Makroporen zurückgehalten werden. Ihre Entfernung hilft, die Ansammlung von Stoffen zu verhindern, die sonst das Wachstum von Algen oder schädlichen Bakterien begünstigen könnten.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Mikro- und Mesoporen zwar eine direkte Rolle bei der chemischen Adsorption gelöster Stoffe spielen, die Makroporen aber wichtiger sind, um den Molekülen den Zugang zu den kleineren Poren zu erleichtern und größere Partikel auf eher mechanische Weise zu entfernen.

 

Praktische Verwendung von Aktivkohle

Bei der Verwendung von Aktivkohle in Granulat-, Flocken- oder Pelletform ist es wichtig, das Material gründlich zu waschen, um seine Adsorptionsfähigkeit zu maximieren und Staub, Verunreinigungen und Produktionsrückstände zu entfernen.

Die meisten Hersteller empfehlen, die Aktivkohle einige Minuten lang mit Osmosewasser zu spülen.
Obwohl eine Spülung mit Osmosewasser in der Regel mehr als ausreichend ist und zusätzliche Verfahren nur einen geringen Mehrwert bieten, ziehen es manche Aquarianer vor, die Kohle vor dem Gebrauch eine Zeit lang in heißes Wasser zu legen, um sicherzustellen, dass sie vollständig aktiviert ist und die Poren gut geöffnet und frei von Staub sind.

Platzierung

Aktivkohle kann je nach Bedarf und Verwendungszweck an verschiedenen Stellen im Filtersystem des Aquariums platziert werden.
Ob eine statische Verwendung (also mit dem Beutel, der einfach in einem Bereich mit starker Strömung hängt) oder eine dynamische (in speziellen Reaktoren oder in einem Bereich des Technikbeckens mit Zwangszirkulation) gewählt wird, hängt vom System und den gewünschten Ergebnissen ab.

Eine der gängigsten Methoden ist, die Kohle in Netzbeuteln oder speziellen Behältern in einem der Bereiche des Technikbeckens nach der Vorfilter- und mechanischen Filterstufe unterzubringen.

Einige Aquaristikbegeisterte bevorzugen spezielle Reaktoren für Aktivkohle. Diese ermöglichen einen stärkeren Kontakt des Wassers mit dem Filtermaterial und erhöhen so dessen Wirksamkeit und Adsorptionsgeschwindigkeit.

In einigen Systemen, insbesondere bei kontinuierlicher Verwendung, wird eine moderatere Adsorptionsgeschwindigkeit bevorzugt und man ist bereit, etwas Effizienz einzubüßen, um eine sanftere Verringerung der organischen Verbindungen zu erzielen.

Wird es hingegen zur Entfernung eines giftigen Schadstoffs verwendet, kann der aktive Einsatz mit einer Zwangszirkulation von Wasser durch das Material interessanter sein, um dessen Effizienz und Entfernungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Austauschhäufigkeit

Wie häufig die Aktivkohle im Meerwasserriffaquarium ausgetauscht werden sollte, hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die biologische Belastung des Aquariums, die Menge und Qualität der verwendeten Kohle, der Besatz des Systems und das Vorhandensein von Schadstoffen.

Im Allgemeinen wird empfohlen, die Aktivkohle alle 2-4 Wochen auszutauschen; je nach den spezifischen Bedingungen des jeweiligen Systems kann die Häufigkeit des Austauschs jedoch angepasst werden, um den Anforderungen des Beckens gerecht zu werden.

Es ist wichtig zu lernen, die Bedingungen im System zu überwachen und zu interpretieren, um den optimalen Zeitpunkt für den Austausch der Kohle zu bestimmen.

Wie lange Aktivkohle wirksam bleibt, kann je nach Art und Qualität der Kohle sowie der Intensität ihrer Verwendung erheblich variieren. Um eine optimale Wirksamkeit zu erhalten, ist es wichtig, die Wasserbedingungen regelmäßig zu prüfen und die Kohle auszutauschen, bevor ihre Adsorptionskapazität erschöpft ist.

Einschränkungen und Vorsichtsmaßnahmen

L'unsachgemäße Verwendung von Aktivkohle kann zu verschiedenen negativen Nebenwirkungen im Aquarium und für seine Bewohner führen.
Zum Beispiel kann ein Überschuss an Aktivkohle dem Wasser nützliche Stoffe entziehen, etwa Spurenelemente, die für das Wachstum und die Gesundheit der Korallen notwendig sind, oder organische Verbindungen zu schnell und aggressiv entfernen, was das Ökosystem destabilisieren und die Tiere stören kann.

Es wurde mehrfach beobachtet, dass eine übermäßig schnelle Aufnahme bestimmter organischer Moleküle für zahlreiche Korallen schädlich sein kann.

Bei der Verwendung großer Mengen in Systemen mit Zwangsumwälzung können verschiedene Korallen gestört werden und sich schließen oder anfangen, Schleimfäden abzusondern.

Außerdem kann minderwertige Kohle große Mengen an Phosphaten, Barium, Zink, Aluminium oder anderen Schadstoffen freisetzen und dadurch die Wasserqualität weiter beeinträchtigen.

Wir hoffen, dass dieser kurze Einblick hilfreich war, einige Fragen klären konnte und Ihnen wertvolle Informationen zur Verwendung von Aktivkohle in Ihren Aquarien geliefert hat.