Industrielle Abwässer weisen unterschiedlichste Eigenschaften auf. Einige sind sauer, andere alkalisch. Viele sind mit Chemikalien, Ölen, Sedimenten, Giftstoffen oder Bakterien verunreinigt, die nicht in die Umwelt gelangen dürfen. Die Anforderungen an die Abwasseraufbereitung in der Industrie sind somit nicht nur deutlich höher als bei „normalen“ häuslichen Abwässern, sie unterscheiden sich oft auch von Industriebetrieb zu Industriebetrieb.

Industrielle Abwasseraufbereitung: gängige Verfahren

Zur Abwasseraufbereitung in der Industrie werden in erster Linie die folgenden Verfahren eingesetzt:

Membranfiltration: industrielle Abwasseraufbereitung mit speziellen Filteranlagen

Bei der Membrantechnik wird das Industrieabwasser mithilfe wasserdurchlässiger Membranen filtriert. Verunreinigungen bleiben zurück und können in flüssiger Form entsorgt werden. Das Filtrat ist nach der Aufbereitung in aller Regel sauber genug, um in die Kanalisation eingeleitet werden zu dürfen. Das Membranverfahren basiert auf einem physikalisch-mechanischen Prinzip. Es benötigt weder Energie noch Chemie. Statt statischer Filtrationen, bei denen das Abwasser von oben durch die Filter gepresst wird, kommen bei dieser Abwasserbehandlung die Vorteile der dynamischen bzw. der Crossflow-Filtration zum Tragen. Bei diesen Technologien strömt das Wasser quer zum Filter. Die dabei wirkenden Strömungs- und Schwerkräfte verhindern die Bildung eines Filterkuchens, der die Membran schnell zusetzen würde. Dadurch ist es möglich, auch kleinere Partikel abzusondern.

Die Feinheit der Membranen richtet sich nach der Größe der abzutrennenden Teilchen. Unterschieden werden:

• Mikrofiltration (Partikelgröße: 0,5 bis 0,2 µm),
• Ultrafiltration (Partikelgröße: 0,1 bis 0,01 µm),
• Nanofiltration (Partikelgröße: 0,01 bis 0,001 µm) und
• Umkehrosmose (Partikelgröße: 1,0 bis 0,1 nm).

Die Mikrofiltration findet unter anderem Verwendung beim Abtrennen von Beizschlamm, Schleifpartikeln, Hydroxiden und Emulsionen. Darüber hinaus wird sie beim Recycling von Entfettungsbädern und zur Vorfiltration vor der Umkehrosmose eingesetzt.

Zu den Anwendungsgebieten der Ultrafiltration zählen die Teilereinigung (zur Senkung des Tensideverbrauchs), die Metall-Rückgewinnung, das Abtrennen von Ölemulsionen in der Metallbearbeitung, das Fraktionieren von Proteinen und die Mineralölabtrennung in der Abwasseraufbereitung. Auch dieses Verfahren der Abwasserbehandlung lässt sich zur Vorfiltration vor der Umkehrosmose einsetzen.

Die Nanofiltration wird zum Enthärten und Entfernen von Schwermetallen sowie zum Aufarbeiten gelöster Stoffe wie Färbemitteln und Pigmenten genutzt.

Geht es um das Entfernen von Mineralstoffen und Salzen, ist die Umkehrosmose das richtige Verfahren. Sie kann zugleich eine Vorstufe in der Reinstwassererzeugung darstellen. Bei dieser Technik werden die Abwässer mit Druck durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran mit ultrafeinen Poren gepresst und dadurch der natürliche Osmoseprozess umgekehrt.

Elektrokoagulation: Abwasseraufbereitung mit elektrischer Energie

Die Elektrokoagulation (auch: Elektroflockung oder elektrophysikalische Fällung) nutzt elektrischen Strom, um aus Opferelektroden (z. B. aus Eisen, Stahl oder Aluminium) freie Metall-Ionen zu erzeugen, die Partikel destabilisieren. Dabei entstehen auch Metall-Hydroxidflocken, die ein hohes Adsorptionsvermögen haben und damit fein verteilte Partikel an sich binden. Ferner kommt es zu Mitfällungs- und Einschlussfällungsreaktionen, die gelöste organische und anorganische Stoffe ausfällen. Diese lassen sich dann mechanisch abscheiden.

Diese Methode eignet sich für die industrielle Abwasseraufbereitung in unterschiedlichsten Bereichen. Sie kann Emulsionen brechen und ist auch in der Lage, Verbindungen aus verschiedensten Verunreinigungen zu behandeln. Genutzt wird die Elektrokoagulation beispielsweise zur Abwasseraufbereitung in der chemischen Industrie, der Textilindustrie, der Metallbearbeitung und der pharmazeutischen Industrie. Eine additionale Abwasserklärung durch Zusatz von Chemikalien ist bei der Abwasserbehandlung per Elektroflockung üblicherweise nicht erforderlich.

Vakuumdestillation: Abwasserreinigung durch Verdampfen

Vakuumdestillationssysteme inkludieren eine Verdampfungsanlage, in der das Abwasser durch Erhitzen in den gasförmigen Zustand gebracht wird. Verschmutzungen bleiben zurück und der Dampf ist frei von Verunreinigungen. Das Kondensat kann im Produktionsprozess wiederverwendet werden.

Gegenüber einer einfachen Verdampfungsanlage bieten Vakuumdestillationssysteme den Vorteil, dass die Flüssigkeit unter einem geringeren atmosphärischen Druck und somit schon bei 80 statt bei 100 °C verdampft. Das senkt den Energieverbrauch deutlich. Zusätzlich halten der Einsatz von Wärmetauschern und die Wiederverwendung von Verdampfungswärme in der Verdampfungsanlage den Stromverbrauch und damit auch die Kosten vergleichsweise niedrig.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Abwasseraufbereitung über Vakuumdestillationssysteme ist die unspezifische, nur auf Siedepunkten basierende Trennung, dank der sich unterschiedlichste Substanzen (z. B. Schwermetalle, Salze, organische Verbindungen wie Fette und Öle) äußerst effektiv aus dem Abwasser entfernen lassen. Das Bakterienwachstum lässt sich ebenfalls maßgeblich eindämmen. Somit kann diese Form der Abwasseraufbereitung sowohl in der chemischen Industrie als auch in der Metallbearbeitung, der Oberflächentechnik, der Pharmaindustrie und in vielen weiteren industriellen Bereichen zur Anwendung kommen.

Chemisch-physikalische Anlagen: Abwasserklärung durch Zusatz von Chemikalien

Die Abwasserklärung durch Zusatz von Chemikalien erfolgt in mehreren Stufen. In der ersten, der Koagulation, werden dem Abwasser Koagulationsmittel (z. B. Eisenchlorid, Aluminiumsulfat, Eisensulfat) zugegeben, welche Schwebstoffe zu Flocken verbinden. In der zweiten Stufe, auch Flockung genannt, kommen Flockungsmittel hinzu. Unter deren Einfluss gruppieren sich die neu gebildeten Flocken zu größeren Einheiten. In der letzten Stufe der Aufbereitung, der Klärung, trennen Filteranlagen die Feststoffe ab.

Bei der Abwasseraufbereitung in der Industrie hat sich diese Methode beispielsweise zum Ausfällen von Nährstoffen (z. B. Phosphor) oder zum Abtrennen von Schwermetallen etabliert. Darüber hinaus kann sie bei Kombinationsverfahren (Desinfektion, Fenton, Oxidation) oder bei der pH-Wert-Einstellung zur Anwendung kommen.

Chemisch-physikalische Abwasserreinigung mit Produkten von Kluthe

Die Chemische Werke Kluthe GmbH bietet mit ihren Abwasserbehandlungsmitteln intelligente Lösungen für alle Verschmutzungen, die sich über chemisch-physikalische Prozesse entfernen lassen. Die Bandbreite reicht von der Fällung von Schwermetallen und verschiedensten Anionen (z. B. Fluorid, Phosphat) über die Spaltung von Emulsionen und die Separierung von Ölen bis hin zur Flockung von Trübstoffen.

Produkte mit spezifischer Wirkung für bestimmte Verunreinigungen sind ebenso verfügbar wie Reaktionstrennmittel, die verschiedene Wirkmechanismen inkludieren. Das geklärte Wasser kann wahlweise in Kreislaufprozessen wiederverwendet oder der Kanalisation zugeführt werden.

Umwelt- und Kostenvorteile der industriellen Abwasseraufbereitung

Durch die Aufbereitung ihrer Abwässer können Industriebetriebe gleich mehrfach sparen. Zum einen benötigen sie deutlich weniger Frischwasser, zum anderen fallen die Kosten für die fachgerechte Entsorgung der verbleibenden Rückstände wesentlich geringer aus. Zugleich gewährleistet die hohe Qualität des aufbereiteten Abwassers eine sichere Einhaltung der Einleitgrenzwerte und hilft dabei, den ökologischen Fußabdruck des Unternehmens so klein wie möglich zu halten. Somit kommen Filteranlagen, Vakuumdestillationssysteme, chemisch-physikalische Anlagen und Co. auch der Umwelt zugute.

Zukunftsausblick: moderne Technologien der Wasseraufbereitung

In der Theorie besteht das Maximalziel der Abwasseraufbereitung in der chemischen Industrie und anderen Branchen in einer völlig abwasserfreien Produktion. Technologisch ließe sich das schon längst realisieren. Aus wirtschaftlicher Sicht lohnt es sich allerdings bislang nur für wenige Unternehmen.

Auch ohne geschlossene Wasserkreisläufe ist es möglich, den Umgang mit Wasser in der Industrie nachhaltiger zu gestalten. Der Schlüssel liegt in verbesserten Technologien zur Abwasseraufbereitung in Verbindung mit optimierten Produktionsprozessen, die weniger Wasser verbrauchen, sowie Fortschritten bei der Mess- und Regelungstechnik.

Interessante Ansätze für die Abwasserreinigung der Zukunft bieten biologische Verfahren, die aus Abwässern nutzbare Biomasse herstellen, und die erst kürzlich von Schweizer Wissenschaftlern vermeldete erfolgreiche Entwicklung genetisch veränderter Kolibakterien (E. coli), die durch das Metabolisieren organischer Substanzen Strom erzeugen.

Abwasserreinigung spart Kosten und hilft der Umwelt

Moderne Abwasserreinigungssysteme wie chemisch-physikalische Anlagen, Membranfiltrationsanlagen und Vakuumdestillationsanlagen ermöglichen es, Brauchwasser für Prozesse zurückzugewinnen, die anderenfalls teures Frischwasser benötigen würden. Dadurch muss zugleich weniger Abwasser professionell entsorgt werden. Da sich auch die Energieeffizienz von Abwasseraufbereitungsanlagen in den letzten Jahren entscheidend verbessert hat, kommen Investitionen in eine moderne Abwasserreinigung nicht nur der Umwelt zugute, sondern auch der Kostenbilanz von Industriebetrieben. Für chemie-spezifische rechtliche Anforderungen und Normen lesen Sie unseren Artikel über Abwasseraufbereitung in der Chemie.

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Aufbau und Funktionsweise von Dünnschichtverdampfern

Dünnschichtverdampfer bestehen aus einem meist senkrecht angeordneten Rohr, das über einen Heizmantel von außen mit Wärme versorgt wird. Im Inneren dreht sich ein Gestell, an dem Abstreifer angeordnet sind. Die feststehenden oder beweglichen Abstreifer (z.B. Wischerblätter, Rollen) laufen dicht an der Rohrwandung entlang. Über ein Einlaufsystem gelangt die zu verdampfende Flüssigkeit von oben in das Rohr. Die Abstreifer verteilen und durchmischen die Flüssigkeit so, dass ein gleichmäßiger dünner Film an der Wand herabfließt. Die Filmstärke liegt in den meisten Fällen unter einem Millimeter. Die Wärme geht vom Medium im Heizmantel durch die Rohrwand direkt auf den Film über und bringt die Flüssigkeit zum Sieden. Dadurch entstehende Dämpfe steigen nach oben und verlassen den Dünnschichtverdampfer durch einen Stutzen, an den sich ein Kondensator oder andere Apparate zur Weiterverarbeitung anschließen. Die restliche Flüssigkeit, in besonderen Fällen auch zurückbleibender Feststoff, läuft am unteren Ende des Verdampfers in einen Auffangbehälter.

Wärmeversorgung

Die Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle), aus denen sich alle Stoffe zusammensetzen, sind in ständiger Bewegung. Die Bewegungsenergie tritt als Wärme in Erscheinung. Solange der Aggregatzustand (bei festen Stoffen das Gefüge) gleich bleibt, gibt die Temperatur darüber Auskunft, wieviel Wärme ein Stoff enthält. Berühren sich Teilchen, gleichen sich Unterschiede der Temperatur dadurch aus, dass schnelle Teilchen langsamere anstoßen und beschleunigen, wobei die schnellen gebremst werden. So gelangt die Wärme vom Medium im Heizmantel durch die Rohrwand in den Flüssigkeitsfilm. Als Energielieferant für den Dünnschichtverdampfer eignet sich kondensierender Wasserdampf. Die Temperatur, bei der der Dampf den Aggregatzustand ändert, hängt nur vom vorherrschenden Druck ab. Dadurch lässt sich ein optimaler Temperaturunterschied zum Flüssigkeitsfilm einstellen. Alternativ können erwärmte Thermoöle oder Heißwasser eingesetzt werden.

Einstellung der Betriebsbedingungen

In Flüssigkeiten macht sich die Teilchenbewegung durch den Dampfdruck bemerkbar. Soll eine Flüssigkeit verdampfen, müssen ihr Dampfdruck und der Druck, der in ihrer Umgebung herrscht, gleichgroß sein. Das lässt sich durch Steigerung der Temperatur oder durch Verringerung des Drucks erreichen. Dünnschichtverdampfer arbeiten in den meisten Fällen bei Unterdruck. Dadurch erfolgt das Verdampfen bei Temperaturen, die deutlich unterhalb der Siedetemperaturen bei normalem Luftdruck liegen. Die genaue Steuerung des Betriebsdrucks, der Durchlaufmenge und der Drehzahl des Abstreifsystems lassen eine schonende Verdampfung bei einer geringen Verweilzeit zu. Für die Lösemittelaufbereitung bedeutet das, dass sich nicht nur die Lösemittel zurückgewinnen lassen. In vielen Fällen ist es möglich, auch die abgetrennten Inhaltsstoffe zu recyceln.

Verdampfung

Solange der Druck unverändert bleibt, verdampfen reine Flüssigkeiten bei konstanter Temperatur. Flüssige Stoffgemische verhalten sich in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung recht unterschiedlich. Die Zusammensetzung des Dampfes über einem siedenden Stoffgemisch entspricht den Dampfdrücken der Komponenten. Entscheidenden Einfluss auf das Verdampfungsverhalten hat die Löslichkeit der beteiligten Stoffe untereinander.

Bei idealen vollständig löslichen Flüssigkeitsgemischen ergibt sich der Dampfdruck aus der Summe der Teildampfdrücke ihrer Bestandteile. Der Teildampfdruck (Partialdruck) ist gleich dem Dampfdruck der reinen Komponente bei der herrschenden Temperatur, multipliziert mit ihrem Anteil von Teilchen im Gemisch. Deshalb geht zu Beginn des Prozesses mehr Leichtersiedendes in den gasförmigen Zustand über als Schwerersiedendes. Die Zusammensetzung der Flüssigkeit ändert sich im Verlauf des Prozesses. Dadurch ändern sich auch die Teildampfdrücke, und die Siedetemperatur steigt an.

Um den Anteil von Teilchen im Gemisch zu bestimmen, nutzt die Chemie das Zählmaß „Mol“ mit der Maßeinheit mol. Ein Mol enthält so viele Teilchen, wie in 12 g reinem Kohlenstoff enthalten sind. Im Periodensystem finden Sie für jedes Element die Gesamtmasse dieser Anzahl von Atomen (molare Masse, Äquivalentmasse, Maßeinheit g/mol). Bei chemischen Verbindungen werden die molaren Massen der beteiligten Atome addiert.

Sind die Bestandteile eines Flüssigkeitsgemisches gar nicht ineinander löslich, behält jede Komponente ihren temperaturabhängigen Dampfdruck unverändert bei. Bei Wärmezufuhr beginnt das „Ideal“-Gemisch zu sieden, wenn die Summe der Dampfdrücke gleich dem Umgebungsdruck ist. Das bedeutet, eine reine Emulsion verdampft bereits bei einer Temperatur unterhalb des niedrigsten Siedepunktes ihrer Komponenten. Die Siedetemperatur bleibt konstant, solange noch Anteile der Komponenten im Gemisch vorhanden sind.

Ideale Bedingungen sind in der Natur selten anzutreffen. Auch die Oberflächentechnik unterliegt den Naturgesetzen. Deshalb wird das Verdampfungsverhalten lösemittelhaltiger Rückstände aus der Oberflächenbehandlung und der Beschichtung experimentell bestimmt. Aus den Versuchsergebnissen lassen sich die optimalen Bedingungen für die Lösemittelaufbereitung im Dünnschichtverdampfer ableiten.

Vorteile der Dünnschichtverdampfung im Überblick

Maximale Verdampfungsraten bei minimalem Energieeinsatz

Der dünne, gut durchmischte Film im Dünnschichtverdampfer bewirkt, dass sich die Wärme im Flüssigkeitsgemisch schnell und gleichmäßig verteilt. Deshalb werden auch nur verhältnismäßig geringe Temperaturdifferenzen zum Heizmedium benötigt. So lassen sich mit einem minimalen Energieeinsatz maximale Verdampfungsraten und hohe Stoffdurchsätze erreichen. Aus der deutlichen Einsparung von Energie im Vergleich zur Herstellung der Lösemittel oder der Rückgewinnung der Stoffe durch andere Techniken ergibt sich eine deutliche Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes und damit ein merklicher Beitrag zum Klimaschutz.

Beliebiges Fließverhalten

Eine optimierte Gestaltung der Abstreifer erlaubt, die Fließbewegung zähflüssiger Stoffgemische zu unterstützen. In Kombination mit der guten Steuerbarkeit der Betriebsparameter (Rotationsgeschwindigkeit, Druck, Wärmeversorgung) in weiten Grenzen gelingt im Dünnschichtverdampfer auch die Lösemittelaufbereitung von problematischen Rückständen, die beispielsweise bei der Entlackung von Teilen oder der Reinigung von Lackieranlagen anfallen und zuweilen auch Feststoffe enthalten.

Geringe thermische Belastung

Kurze Verweilzeiten und niedrige Verdampfungstemperaturen führen bei der Dünnschichtverdampfung zu einer sehr geringen thermischen Belastung der im Gemisch enthaltenen Komponenten. Höhere Temperaturen und längere Einwirkzeiten würden bei vielen Stoffen chemische Reaktionen in Gang setzen. Bei der Lösemittelaufbereitung, bei der außer dem Lösemittel auch die anderen Inhaltsstoffe wiederverwendet werden sollen, ist die Vermeidung chemischer Reaktionen sehr wichtig. Durch die Dünnschichtverdampfung ist ein großer Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft möglich.

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