Aktivkohle: Von der Herstellung bis zur praktischen Anwendung.



Aktivkohle, auch als aktivierte Kohle bezeichnet, ist eine Form von Kohlenstoff, die Aktivierungsbehandlungen unterzogen wurde, um ihre charakteristischen Adsorptionseigenschaften zu verstärken und dabei ihre innere Oberfläche und Porosität zu vergrößern.


Sie wird durch die Karbonisierung organischer Materialien wie Holz, Kokosnüssen oder direkt aus fossiler Kohle hergestellt, gefolgt von einem Aktivierungsprozess, der ihre Porosität und ihre Fähigkeit zur Adsorption von Chemikalien und Verunreinigungen erhöht.


Aktivkohle verdankt diese Eigenschaften ihrer hochporösen Struktur.
Diese poröse Struktur ist nicht gleichmäßig, sondern besteht vielmehr aus einem komplexen Netzwerk von Poren unterschiedlicher Größe.

Verwendung

Im Bereich der Meerwasser-Riffaquaristik wird Aktivkohle als Teil des Filtersystems eingesetzt, um die Wasserqualität zu verbessern.

Ihre Fähigkeit, organische Stoffe, schädliche chemische Verbindungen und andere Verunreinigungen zu adsorbieren, macht sie zu einem wertvollen Hilfsmittel, um eine gesunde und stabile aquatische Umgebung zu erhalten.

In einem Meerwasser-Riffaquarium ist die Wasserqualität entscheidend für die Gesundheit und das Wohlbefinden der lebenden Organismen und allgemein des gesamten Systems.


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

Das Hauptziel der Verwendung von Aktivkohle in einem Meerwasser-Riffaquarium besteht darin, die Wasserqualität durch die Entfernung unerwünschter Stoffe und Verunreinigungen zu verbessern.
Aktivkohle wirkt als hochwirksames, selektives Adsorptionsmittel, das gelöste schädliche organische Stoffe wie Arzneimittelrückstände, Metaboliten und von Korallen und anderen Organismen produzierte Giftstoffe adsorbiert.
Adsorbiert und bindet auch verschiedene schädliche chemische Verbindungen, darunter Farbstoffe, Pestizide und Schwermetalle, die versehentlich in das Aquarium gelangen können, und trägt außerdem aktiv zur Verbesserung der Wasserklarheit bei.







 

Herstellungsprozess



Aktivkohle ist für ihre hochporöse Struktur bekannt, die ihr eine große Oberfläche pro Volumeneinheit verleiht und der sie ihre Eigenschaften verdankt.

Diese poröse Struktur entsteht durch den Prozess der Karbonisierung und Aktivierung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials.
Bei der Karbonisierung wird das kohlenstoffhaltige organische Material unter Ausschluss von Sauerstoff auf hohe Temperaturen erhitzt, wodurch Kohle entsteht.
Anschließend wird die Kohle durch chemische oder physikalische Behandlungen aktiviert, die ihre Porosität öffnen und vergrößern.



Auswahl der Rohstoffe

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



Holz: Aktivkohlen aus Holz weisen im Allgemeinen eine relativ hohe Porosität und eine gute Anzahl an Makroporen auf, wodurch sie sich für die Adsorption großer Moleküle eignen. 
Dies verringert jedoch ihre Effizienz bei der Adsorption kleiner Moleküle und macht sie für unsere Zwecke weniger interessant, sofern sie nicht speziell behandelt werden.



Torf: Da Torf im Vergleich zu anderen kohlenstoffhaltigen Materialien weniger dicht und in seiner Zusammensetzung heterogener ist, entsteht daraus Aktivkohle mit einer variablen Porenmischung, jedoch von geringerer Qualität. 
Obwohl sie tendenziell ein gutes Gleichgewicht zwischen Mikro- und Mesoporen aufweist, macht ihre geringe Oberfläche sie weniger leistungsfähig und daher für fortgeschrittene Anwendungen weniger geeignet.

Fossile Kohle: Aktivkohlen aus fossiler Kohle, auch als „Mineralkohlen“ bekannt (Steinkohle, Braunkohle, Anthrazit usw.), weisen eine stark ausgeprägte 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 für verschiedene Anwendungen einsetzbar sind.



Kokosnuss: Diese Aktivkohlen sind für ihre hohe Härte und die große Menge an Mikroporen bekannt, wodurch sie sich besonders gut für die Adsorption kleiner organischer Moleküle eignen.

Sie werden häufig für Anwendungen bevorzugt, bei denen Wasser von kleinen molekularen Schadstoffen gereinigt werden soll, und gehören zu den in unserer Branche am häufigsten verwendeten Produkten.





Aktivierung der Kohle




Die Aktivierung der Kohle spielt eine entscheidende Rolle für ihre Wirksamkeit als Adsorptionsmaterial.

Der Aktivierungsprozess von Kohle hat einen erheblichen Einfluss auf die endgültige Porenstruktur des Materials. Daher hängen die Qualität und die endgültigen Eigenschaften des Produkts auch von der angewandten Aktivierungstechnik ab.


Chemische Aktivierung: Bei der chemischen Aktivierung wird das kohlenstoffhaltige Material vor der Karbonisierung der Einwirkung chemischer Aktivierungsmittel ausgesetzt. 
Diese chemischen Stoffe (z. B. Phosphorsäure, Natrium- oder Kaliumhydroxid, Zinkchlorid usw.) zersetzen und quellen die Struktur des Ausgangsmaterials auf und erhöhen dadurch seine innere Porosität.
Die Behandlung erfolgt bei Temperaturen zwischen 450°C und 900°C und damit deutlich niedriger als bei der physikalischen Aktivierung.



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

Kaliumhydroxid (KOH): Der 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 geeignet sind.
Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die eine hohe Dichte an Mikroporen erfordern, etwa die Reinigung von Trinkwasser, die Entfernung von Schadstoffen aus chemischen Lösungen oder die Adsorption schädlicher Gase aus der Luft.

Physikalische Aktivierung

Die 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 wie Wasserdampf oder Kohlendioxid ausgesetzt. Dieser Prozess öffnet die Porenstruktur der Kohle, entfernt die flüchtigen organischen Bestandteile und erzeugt ein weit verzweigtes Porennetz.

Wasserdampfaktivierung

Der Einsatz von Wasserdampf ist vorherrschend, wenn Aktivkohle mit einer guten Porenverteilung über alle Porengrößen hinweg hergestellt werden soll. Das resultierende Material ist bei der Adsorption einer großen Bandbreite von Verbindungen wirksam – von flüchtigen organischen Verbindungen in der Gasphase bis hin zu Schadstoffen in wässrigen Lösungen.

CO2-Aktivierung

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

Auswahl der Aktivierungstechnologie



Die 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 verschiedenen Faktoren ab, darunter den Kosten, den gewünschten Eigenschaften der fertigen Aktivkohle und den spezifischen Anforderungen der Anwendung. Die chemische Aktivierung ist aufgrund des Einsatzes chemischer Reagenzien häufig teurer, kann jedoch Aktivkohle mit überlegenen Adsorptionseigenschaften für bestimmte Schadstoffe erzeugen. Die physikalische Aktivierung ist hingegen typischerweise vielseitiger und kostengünstiger, wodurch die erzeugte Aktivkohle für ein breiteres Anwendungsspektrum geeignet ist.

 

Umweltauswirkungen

Neben den technischen Erwägungen sind auch die Umweltauswirkungen und die Herstellungskosten bei der Wahl der Aktivierungsmethode von entscheidender Bedeutung.
Die chemische Aktivierung bringt trotz ihrer spezifischen Vorteile bei der Kontrolle der Porosität und der Adsorptionseigenschaften die Verwendung und Entsorgung potenziell gefährlicher Chemikalien mit sich, die Auswirkungen auf die Umwelt haben können.

Daher konzentrieren sich Forschung und Entwicklung zunehmend auf umweltfreundlichere und nachhaltigere Prozesse, beispielsweise den Einsatz von sichereren Aktivierungsmitteln oder die Rückgewinnung und Wiederverwendung chemischer Mittel.


Im Gegensatz dazu erfordert die physikalische Aktivierung, obwohl sie im Allgemeinen umweltfreundlicher ist, erhebliche Energiemengen, insbesondere während der Hochtemperaturkarbonisierung und der Aktivierung mit oxidierenden Gasen. 
Die Energieeffizienz dieser Prozesse ist daher ein wichtiges Forschungsfeld, um die Betriebskosten und den mit der Herstellung von Aktivkohle verbundenen CO₂-Fußabdruck zu reduzieren.



Glücklicherweise zielt der technologische Fortschritt darauf ab, effizientere, wirtschaftlich vorteilhafte und ökologisch nachhaltige Aktivierungsmethoden zu entwickeln.
Beispielsweise untersucht die Forschung den Einsatz von Mikrowellen zur Aktivierung von Kohle, wodurch eine schnellere und gleichmäßigere Erwärmung ermöglicht sowie Prozessdauer und Energieverbrauch reduziert werden können.

Chemische und physikalische Eigenschaften

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



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


Die Porengröße kann variieren und wird durch die Auswahl verschiedener Materialien und Aktivierungstechniken angepasst, wodurch die Aktivkohle eine vielfältige Palette an Verbindungen adsorbieren kann.

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


 

Adsorptionsmechanismus

Der Mechanismus, durch den Aktivkohle Verunreinigungen aus Wasser aufnimmt, beruht auf der physikalischen und chemischen Anziehung zwischen den Molekülen der zu adsorbierenden Stoffe und der Kohlenstoffoberfläche.

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 Oberflächengruppen enthalten, die chemisch mit den zu adsorbierenden Stoffen interagieren und dadurch ihre Wirksamkeit weiter steigern können.


Die adsorbierten Verunreinigungen bleiben anschließend in den Poren eingeschlossen, wodurch sie wirksam entfernt werden können.

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 Aktivkohle ihre adsorbierenden Eigenschaften ihrer hochporösen Struktur. 
Diese Struktur besteht aus einem komplexen Netzwerk von Poren unterschiedlicher Größe, die in Mikroporen (Durchmesser kleiner als 2 nm), Mesoporen (Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm) und Makroporen (Durchmesser größer als 50 nm) eingeteilt werden können.



Die Verteilung und Größe der Poren beeinflussen die Adsorptionsfähigkeit von Aktivkohle maßgeblich und bestimmen ihre Wirksamkeit bei der Adsorption von Molekülen unterschiedlicher Größe.

Mikroporen (Durchmesser kleiner als 2 nm)

Phenolische Verbindungen 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 infolge des Stoffwechsels lebender Organismen oder der Zersetzung organischer Materie im Aquarienwasser vorhanden sein können.


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

Chloramine: Chemische Stoffe, die zur Desinfektion im Trinkwasser verwendet werden, aber für lebende Organismen in Aquarien schädlich sind.

Chlor- und Chloraminmoleküle sind klein genug, um von den Mikroporen wirksam 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 und in ihnen eingeschlossen werden. 
Viele der toxischen Verbindungen, die im andauernden chemischen Kampf zwischen Korallen und Algen eingesetzt werden, bestehen aus Toxinen auf Protein-, Peptid- oder Aminosäurebasis.


Die Entfernung dieser Stoffe trägt dazu bei, die hemmenden Auswirkungen zu mildern und die Erscheinungen der Allelopathie zu reduzieren.

Farbstoffe und Tannine: Diese Stoffe können dem Wasser im Aquarium eine unansehnliche Färbung verleihen, die Transparenz verringern und den Stoffwechsel des Systems negativ beeinflussen.
Mesoporen sind bei der Adsorption dieser 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 allgemein auf 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 andernfalls das Wachstum von Algen oder schädlichen Bakterien fördern könnten.



Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Mikro- und Mesoporen zwar direkt an der chemischen Adsorption gelöster Stoffe beteiligt sind, Makroporen jedoch wichtiger dafür sind, den Molekülen den Zugang zu den kleineren Poren zu erleichtern und größere Partikel durch einen eher mechanischen Vorgang zu entfernen. 



 

Praktische Anwendung von Aktivkohle

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

Die meisten Hersteller empfehlen, die Aktivkohle einige Minuten lang mit Osmosewasser zu spülen.
Obwohl ein Spülen mit Osmosewasser im Allgemeinen völlig ausreichend ist und weitere Verfahren nur geringfügige Vorteile bringen, ziehen es einige Hobbyisten vor, die Kohle vor der Verwendung zusätzlich eine gewisse Zeit in heißem Wasser einzuweichen, um sicherzustellen, dass sie vollständig aktiviert ist und die Poren gut geöffnet sowie frei von Staub sind.




Platzierung


Aktivkohle kann je nach Bedarf und geplanter Verwendung an verschiedenen Stellen im Filtersystem des Aquariums platziert werden.

Die Wahl zwischen einer statischen Anwendung (also einem Beutel, der einfach in einem Bereich mit starker Strömung aufgehängt wird) oder einer dynamischen Anwendung (in speziellen Reaktoren oder in einem Bereich des Technikbeckens mit erzwungenem Wasserkreislauf) hängt vom System und den gewünschten Ergebnissen ab.



Eine der häufigsten Methoden besteht darin, die Kohle in Netzbeuteln oder geeigneten Behältern unterzubringen, die in einem der Bereiche des Technikbeckens hinter dem Vorfilterbereich bzw. der mechanischen Filterung platziert werden.

Einige Aquaristikbegeisterte verwenden lieber spezielle Reaktoren für Aktivkohle, die eine stärkere Exposition des Wassers gegenüber dem Filtermaterial ermöglichen und dadurch dessen Wirksamkeit und Adsorptionsgeschwindigkeit erhöhen.



In einigen Systemen, insbesondere bei einer kontinuierlichen Nutzung, wird eine moderatere Adsorptionsgeschwindigkeit bevorzugt und man nimmt einen geringfügigen Effizienzverlust in Kauf, um eine schonendere Reduzierung organischer Verbindungen zu erreichen.


Wenn es hingegen zur Entfernung eines toxischen Schadstoffs eingesetzt wird, kann die aktive Anwendung mit einem erzwungenen Wasserkreislauf, der das Material durchströmt, interessanter sein, um dessen Effizienz und die Entfernungsgeschwindigkeit zu erhöhen.



Austauschhäufigkeit



Wie häufig die Aktivkohle im marinen Riffaquarium 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.



Generell wird empfohlen, die Aktivkohle alle 2–4 Wochen zu ersetzen; je nach den spezifischen Bedingungen der verschiedenen Systeme kann die Austauschhäufigkeit jedoch an die Bedürfnisse des Beckens angepasst werden.



Es ist unerlässlich, zu lernen, die Bedingungen des Systems zu überwachen und zu interpretieren, um den optimalen Zeitpunkt für den Austausch der Kohle zu bestimmen.

Die Wirksamkeitsdauer von Aktivkohle kann je nach Art und Qualität der Kohle selbst sowie der Intensität ihrer Nutzung erheblich variieren. 
Um eine optimale Wirksamkeit aufrechtzuerhalten, ist es entscheidend, die Wasserbedingungen regelmäßig zu überprüfen und die Kohle zu ersetzen, bevor ihre Adsorptionskapazität erschöpft ist.

Einschränkungen und Vorsichtsmaßnahmen

Eine unsachgemäße Verwendung von Aktivkohle kann zu verschiedenen negativen Nebenwirkungen für das Aquarium und seine Bewohner führen.


Zum Beispiel kann ein Überschuss an Aktivkohle nützliche Stoffe aus dem Wasser entfernen, etwa Spurenelemente, die für das Wachstum und die Gesundheit der Korallen notwendig sind, oder zu einer zu schnellen und aggressiven Entfernung organischer Verbindungen führen, was das Ökosystem destabilisieren und die Tiere beeinträchtigen kann.



Es wurde wiederholt beobachtet, dass eine übermäßige Geschwindigkeit bei der Aufnahme bestimmter organischer Moleküle für zahlreiche Korallen schädlich sein kann..

Bei der Verwendung großer Mengen in Systemen mit erzwungener Zirkulation können sich verschiedene Korallen gestört fühlen und schließen oder anfangen, Schleim 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 diese kleine Vertiefung für Sie hilfreich war, einige Zweifel klären und Ihnen wertvolle Informationen zur Verwendung von Aktivkohle in Ihren Aquarien liefern konnte.