Büro für Altlastenerkundung und Umweltforschung
Dr. Rainer Haas
Stadtwaldstr. 45a, D-35037 Marburg, Tel.: 06421/93084, Fax: 06421/93073
email: haasr@gmx.net
Zusammenfassung
Wir haben eine neue und einfache Wasser-Behandlungs-Methode gefunden, um Arsen und Schwermetalle aus dem Wasser zu entfernen. Das geschieht durch Wasser-Kontakt mit dem von uns entwickelten Filterpapier. Etwa 90 % der Kontaminanten oder mehr können in einem Behandlungsschritt entfernt werden. Die Wasser-Behandlung kann durchgeführt werden durch Suspendieren der imprägnierten Papierschnipsel in dem zu behandelnden Wasser und anschließendem Abschöpfen der Papierschnipsel aus dem behandelten Wasser. Festbetten aus dem imprägnierten Papier können ebenfalls zur Wasserreinigung eingesetzt werden.
Wir empfehlen diese Methode der Wasserreinigung für alle mit Arsen und/oder Schwermetallen verunreinigten Wässer einschließlich Industrie-Abwässern. Wir sehen besondere Vorteile bei der Behandlung von Hausbrunnen-Wasser, Oberflächen-Wasser und Leitungs-Wasser, weil die Behandlung mit sehr geringem „Technik”-Einsatz durchführbar ist. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um den vielen betroffenen Menschen zu helfen, die unter den schlimmen Folgen hochgradig koontaminierten Trinkwassers zu leiden haben. Wir hoffen ganz besonders, daß das von uns gefundene Verfahren eine Hilfe für die Bevölkerung von Bangladesh ist, die besonders unter der hohen Arsenbelastung ihres Trinkwassers leidet.
Schlagwörter: Arsen, Kupfer, Blei, Schwermetalle, Wasserreinigung, Sorption
Abstract
We found a new and easy way of water treatment to reduce arsenic and heavy metals. This may be done by all possible kinds of contacting contaminated water with impregnated paper. About ninety percent of the contaminants or even more may be sorbed by only one treatment step. Water treatment may be done by suspending impregnated paper chips and separation of the chips after suspension by simple screening of the treated effluent to seperate the used chips. Fixed beds of impregnated paper may also be used for water cleaning.
We recommend this kind of water treatment for all kinds of arsenic and heavy metal contaminated kinds of water inclusive industrial waste waters. We see special advantages for decontamination of private well waters, surface waters, tap water because water treatment can be done with very low grade „technical” means. This may give a good chance to those many people who suffer so much by highly contaminated drinking water. Especially we hope that our findings may help people in Bangladesh which suffer from high arsenic drinking water contamination.
Keywords: arsenic, copper, lead, heavy metals, water purification, sorption
1 Einleitung
Arsen und Schwermetalle in Grundwässern und Oberflächenwässern, die als Trinkwasser genutzt werden, sowie Grubenwässer und industrielle oder häusliche Abwässer verursachen Probleme für Menschen und Umwelt. Besonders jene Grundwässer aus Einzugs-Gebieten mit hohen geogenen Arsen- oder Schwermetallgehalten verursachen Probleme, wenn sie ohne geeignete Vorbehandlung als Trinkwasser genutzt werden. Solche Probleme, besonders in Bezug auf Arsen, sind bekannt aus mehreren asiatischen Ländern, zum Beispiel Bangladesh. Auch Lokalitäten in Europa, speziell in alpinen Ländern, sind für hohe Arsenbelastungen bekannt. Auch einige Mineralquellen in Deutschland und anderen Ländern enthalten Arsen in hohen Konzentrationen. Ähnliche Probleme kommen bei geogen angereicherten Schwermetallen vor. Diese geogen angereicherten Schwermetalle können private Trinkwasserbrunnen ebenso wie Wasserwerks-Brunnen kontaminieren. Besonders Blei und Nickel sind hier ursächlich. Im hauswasserseitigen Bereich können Emissionen aus Bleileitungen zu Kontaminationen des Trinkwassers führen.
Es gibt einige Verfahren, um diese Kontaminanten zu beseitigen. Das Ionenaustausch-Verfahren kann hierbei zur Anwendung kommen. Es ist jedoch ein teures Verfahren, das nicht ökonomisch für die Reinigung großer Wassermengen eingesetzt werden kann. Außerdem führt dieses Verfahren regenerationsbedingt zur Umweltbelastung durch Abwasserbelastung und kann darüber hinaus durch die Entfernung der essentiellen Erdalkalien Gesundheitsprobleme auslösen.
Eine andere Möglichkeit zur Wasserreinigung bietet die Sorption der Schwermetalle an Aktivkohlen. Wegen geringer Sorptions-Kapazitäten ist auch dieses Verfahren unwirtschaftlich. Gute Behandlungs-Erfolge werden mit Festbettfiltern erzielt, deren Filterpartikel mit gefällten Eisen-III-oxiden beschichtet wurden. Dieses Verfahren eignet sich wegen seiner Komplexizität allerdings nur für öffentliche oder Industrie-Wasserwerke und ist nicht für die Anwendung im privaten Bereich geeignet.
Es ist uns gelungen, dieses bislang offene Problem mit den dafür von uns entwickelten imprägnierten Papieren einer einfachen verfahrenstechnischen Lösung zuzuführen. Hier präsentieren wir unsere Untersuchungsergebnisse. Diese ermutigen uns, unser imprägniertes Papier besonders für die Wasserreinigung im privaten Bereich zu empfehlen. Je nach Problemstellung eignen sich die imprägnierten Papiere auch zur industriellen Wasserbehandlung.
2 Experimentelles
Handelsübliche Kaffee-Filter(Marke Eduscho) wurden in einem mehrstufigen Imprägnierungsverfahren mit einer sorptionsaktiven Imprägnierung auf der Basis von Eisensalzen versehen. Die chemisch-analytischen Untersuchungen der behandelten und unbehandelten Modellwässer auf Kupfer, Blei, Nickel und Arsen wurde mit Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) durchgeführt.
1) Simulation der Trinkwasserbehandlung durch Sorption
Mit Kationen-Standardlösungen wurde durch Dotierung von dest. Wasser ein Modellwasser A hergestellt, welches 1910 µg/l Kupfer, 100 µg/l Nickel, 120 µg/l Blei and 4,5 µg/l Arsen enthielt. Auf die gleiche Weise wurden drei weitere Modellwässer hergestellt. Modellwasser B enthielt 100 µg/l Arsen, Modellwasser C enthielt 1.000 µg/l Arsen, und Modellwasser D enthielt 10.000 µg/l Arsen.
1.1) 1 cm x 1 cm imprägnierte Filterpapier-Schnipsel wurden aus den Kaffee-Papierfiltern geschnitten. 0,8 g dieser Schnipsel wurden zu 250 ml Modellwasser A hinzugefügt. In Abständen wurde das Gemisch hin und wieder geschüttelt. Nach 24 h wurde das Gemisch über ein Tee-Sieb ausgegossen um die imprägnierten Papiere von der Flüssigkeit zu trennen.
Es wurden jeweils 0,8 g der 1 cm x 1 cm großen imprägnierten Filterpapier-Schnipsel zu jeweils 100 ml der Modell-Wässer B, C und D hinzugefügt. Hin und wieder wurden die Gemische geschüttelt. Nach 1 h, 2.5 h, 4 h, 6 h, 24 h und 48 h wurden Wasserproben genommen und darin jeweils der Arsen-Gehalt untersucht.
2) Simulation der Trinkwasser-Behandlung durch Filtration
500 ml des Modell-Wassers A wurden zwei mal durch jeweils dasselbe imprägnierte Kaffee-Filter filtriert. Jede Filtration dauerte etwa 2 Minuten, bis das Wasser durch das Filter gelaufen war.
3) Simulation einer Industrie-Abwasser-Behandlung durch Festbett-Filtration
In einem Glasrohr mit Innendurchmesser von 5 cm wurden 10 g der 1 cm x 1 cm imprägnierten Filterpapier-Schnipsel zwischen Baumwoll-Watte fixiert. Das angefeuchtete Filterpapier-Festbett hatte eine Betthöhe von etwa 5 cm. Modellwasser E wurde von unten nach oben in einer Durchsatzrate von 3,5 ml/min durch das Festbett-Filter hindurchgeleitet. Modellwasser E hatte einen pH-Wert von pH 9,9. Es stammte aus der Akkumulator-Produktion und enthielt 110 mg/l Blei und 1000 mg/l Natriumhuminat. Nach einem Durchsatz von 250 ml des Modellwassers E wurden die darauf folgenden 50 ml analysiert.
3 Ergebnisse, Diskussion and Empfehlungen
Die Test-Ergebnisse von Test 1.1) mit den imprägnierten Papierfilter-Schnipseln werden in Tabelle 1 gezeigt. Der Anteil der Kontaminanten, die innerhalb von 24 h aus der wäßrigen Phase in die sorbierte Phase in die Papierfilter-Schnipsel übergegangen sind, überschreitet in allen Fällen 95 %.
Tabelle 1: Ergebnisse Wasserreinigungs-Test 1.1); Modellwasser A
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Kontaminante |
Kontaminanten-Gehalt |
Reduktion, % |
|
|
nach der Reinigung, µg/l |
|
|
Arsen |
0,2 |
96 |
|
Kupfer |
<0,1 |
>99 |
|
Nickel |
2.6 |
97,4 |
|
Blei |
<0,1 |
>99 |
Die Test-Ergebnisse von Test 1.2) mit imprägnierten Papierfilter-Schnipseln und hoch mit Arsen kontaminierten Wässern werden in Tabelle 2 gezeigt. Der Anteil der Kontaminanten, die innerhalb von 24 h aus der wäßrigen Phase in die sorbierte Phase in die Papierfilter-Schnipsel übergegangen sind, überschreitet in allen Fällen 80 %.
Tabelle 2: Ergebnisse Wasserreinigungs-Test 1.2); Modellwässer B, C and D
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Kontaminante |
Kontaminanten-Gehalt |
Gehalt nach Reinigung, µg/l |
Reduktion/% |
|
|
|
|
|
|
Arsen |
(100 µg/l) |
19 |
81,0 |
|
Arsen |
(1000 µg/l) |
190 |
81,0 |
|
Arsen |
(10000 µg/l) |
2160 |
80,1 |
Die Test-Ergebnisse von Test 2) mit imprägnierten Kaffeefiltern werden in Tabelle 3 gezeigt. Der Anteil der Kontaminanten, die innerhalb der insg. 4 min Kontaktzeit mit dem Kaffeefilter aus der wäßrigen Phase in die sorbierte Phase in die Papierfilter-Schnipsel übergegangen sind, ist für alle gewählten Kontaminanten signifikant und überschreitet für Blei sogar die 60 %-Marke.
Tabelle 3: Ergebnisse Wasserreinigungs-Test 2); Modellwasser A
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Kontaminante |
Kontaminanten-Gehalt |
Reduktion, % |
|
|
nach der Reinigung, µg/l |
|
|
Arsen |
3,1 |
31 |
|
Kupfer |
1060 |
45 |
|
Nickel |
84 |
16 |
|
Blei |
41 |
66 |
Das Test-Ergebnis von Test 3) mittels hoch bleihaltigem Industrie-Abwasser in der Gegenwart eines komplexierenden Agens lag im Vergleich zu allen anderen Test-Ergebnissen mit Blei mit 42 % Reduktion am niedrigsten. Als Gründe dafür kommen in Frage geringe Filterbett-Höhe, den im Verhältnis zum Filter-Durchmesser (5 cm) großen Filterpapier-Schnipseln
(1 cm x 1 cm), hoher Gehalt des Blei komplexierenden Agens Natriumhuminat, Reaktivität des Huminats mit dem Eisenoxid-Gehalt der Filterpapier-Imprägnation.
Wir haben gezeigt, daß unsere Arsen und Schwermetalle sorbierenden Papiere sehr effektiv zur Wasserreinigung einsetzbar sind. Unsere Papiere sind außerordentlich effizient und lassen einen sehr niedrigen Prozeß-Standard zu. Das ermutigt uns, den Gebrauch dieser Papiere besonders für die Reinigung von solchen Arsen- und Schwermetall-Verunreinigungen enthaltenden Wässern vorzuschlagen, die in Gegenden mit schwach ausgebildeter Infra-Struktur und fehlender öffentlicher Trinkwasser-Versorgung als Trinkwasser genutzt werden. Speziell für den Einsatz der Wasserreinigung im privaten und dörflichen Bereich in derart schwach entwickelten Gebieten empfehlen wir deshalb die Anwendung der imprägnierten Filterpapiere.
Die untersuchten imprägnierten Papiere enthalten ausschließlich natürliche Cellulose-Fasern und mineralische unlösliche Eisen-III-Verbindungen. Untersuchungen zeigten, daß keinerlei schädliche oder geschmacklich auffällige Stoffe oder Eisensalze aus diesen Papieren eluiert werden konnten.
Folgende Low-tech-Verfahren unter Anwendung der imprägnierten Papiere werden von uns zur Trinkwasser-Aufbereitung empfohlen:
Die Trinkwasserzubereitung kann in einem einfachen Behälter vorgenommen werden. Das können Fässer, Tanks, mit Plastik-Folien ausgeschlagene Container, Holzkisten oder Erdlöcher sein. Imprägnierte Papier-Blätter oder -Schnipsel können dort in das zu behandelnde Wasser hineingegeben werden.
Von Zeit zu Zeit muß das Papier am Sedimentieren oder Aufschwimmen gehindert werden (Untersuchungen werden zur Zeit angestellt, wie die Papiere am einfachsten am Sedimentieren oder Aufschwimmen gehindert werden können). Das kann manuell geschehen oder mittels natürlicher Mittel. Natürliche Mittel ist die sonneninduzierte Heizung des Containments, zB. durch Schwarzfärbung auf der Sonnenseite. Eine andere Möglichkeit ist die Transformation der Bewegung eines kleinen Windrades in eine Flüssigkeitsbewegung in dem Wasserbehälter.
Wir schlagen vor, das imprägnierte Papier keinesfalls länger als zwei Tage in dem Trinkwasser zu belassen, um Faul- und Verkeimungsprozesse zu vermeiden. Die mikrobiologisch ausgelöste chemische Reduktion muß strikt unterbunden werden, weil dadurch die Sorbens-Struktur aufbricht und die papiergebundene Kontamination wieder freigesetzt wird. Das ist auch der Grund dafür, daß wir empfehlen, guten Kontakt des Wassers zur Atmosphäre zu ermöglichen, um während der Behandlung ein oxidierendes Potential aufrecht zu erhalten bzw. aus dem ggf. reduzierten Zustand vor der Behandlung in einen oxidierten Zustand während der Papierbehandlung zu überführen.
Die Abtrennung des Papiers nach der Behandlung ist ebenfalls durch einfachste Mittel nach verschiedenen Methoden möglich. Eine Möglichkeit ist ein Netz mit Maschen, die kleiner sind als die Größe der Papierstücke. Das Netz wird vorzugsweise dicht an den Behälterwänden plaziert. Nach der Behandlung kann das Netz mitsamt den Papierteilen herausgezogen werden. Auf- und Ablassen des Netzes kann zusätzlich der Papiersedimentation entgegenwirken.
Der Low-tech-Umgang mit den imprägnierten Papieren, den wir für die Trinkwasser-Zubereitung empfehlen, kann jede Person sowohl hierzulande als auch in Ländern mit weniger entwickelten Infrastrukturen problemlos durchführen. Sowohl im Haushalt als auch im Büro kann diese einfache Trinkwasser-Zubereitungsmethode jeden dazu in die Lage versetzen, sauberes Trinkwasser herzustellen, unabhängig davon ob das Wasser zuvor durch Blei- oder Kupferrohre geflossen ist, oder ob geogen kontaminiertes Brunnenwasser vorliegt. Nicht mehr als das imprägnierte Papier und ein Teesieb ist die dafür notwendige verfahrenstechnische Ausrüstung.
4 Literatur
[1] Oeste, F.D., Haas, R. (1998): Filterpapier für die Wasserreinigung. Patentanmeldung v. 20.4.98, Az.: 19817395.4
[2] Oeste, F.D., Haas, R. (1998): Imprägnierte Fasermaterialien zur Wasser-, Getränke- und Nahrungsmittelreinigung. Patentanmeldung v. 16.9.98, Az.:19842528.7
[3] Oeste, F.D., Haas, R. (1998): Verfahren zur Wasserreinigung durch Rein-Tauchen. Patentanmeldung v. 16.11.98, Az.: 19853158.3
Bei Rückfragen wenden Sie sich bitte an Dr. R. Haas.