Wie funktioniert die Emulsionsspaltung?

Hinter dem Begriff Emulsionsspaltung verbergen sich unterschiedliche Verfahren, die bei der Abwasserreinigung angewendet werden. Emulsionen sind Gemische von Flüssigkeiten, die ineinander nicht löslich sind. Um eine stabile Emulsion zu erzeugen, sind Emulgatoren erforderlich. Sollen die Flüssigkeiten wieder voneinander getrennt werden, kommt Emulsionsspaltung zum Einsatz.

Emulsionen im Alltag und in der Industrie

Die bekannteste Emulsion ist Milch. Sie besteht hauptsächlich aus Wasser und Fett. Der Emulgator in der Milch heißt Kasein. Es sorgt dafür, dass die Fetttröpfchen in der Milch verteilt bleiben. Das älteste Verfahren der Emulsionstrennung ist das Buttern. Dabei werden die Kaseinhüllen, die die kleinen Fetttröpfchen umschließen und am Zusammenballen hindern, durch mechanische Kräfte zerstört. Es bilden sich immer größere Fettklumpen. Zurück bleibt Buttermilch. Das bekannteste Verfahren der Erzeugung von Emulsionen ist das Waschen. Allein mit Wasser gestaltet sich die Entfernung fettiger Verunreinigungen schwierig. Mit Seife als Emulgator ist sie ein Kinderspiel. Zurück bleibt Abwasser in Form einer Emulsion. Die Wasseraufbereitung erfolgt in Kläranlagen durch Emulsionsspaltung. In der Metallbearbeitung werden Emulsionen als Kühlschmierstoffe eingesetzt. Die kühlende Wirkung des Wassers und die schmierende Wirkung des Öls ermöglichen die Zerspanung der Werkstoffe. Dabei fallen große Mengen von emulsionshaltigem Abwasser an. Um daraus das Wasser zurückzugewinnen, ist die Spaltung der Emulsion erforderlich.

Überblick über die Methoden zur Emulsionsspaltung

Die Emulsionsspaltung ist durch eine Vielzahl von Verfahren möglich. Sie gelingt auf mechanischem, thermischem, chemischem, elektrochemischem und biologischem Weg. Welche Methode optimal ist, hängt von der konkreten Wirkungsweise der vorhandenen Emulgatoren und von den weiteren Bestandteilen der Emulsion ab.

Mechanisch

Zu den mechanischen Verfahren der Emulsionsspaltung zählen die Zentrifugation und die Ultrafiltration. Bei diesen Methoden heben mechanische Kräfte die Wirkung der Emulgatoren in den Emulsionen auf.

Bei der Zentrifugation wirkt sich die Fliehkraft auf die Dichteunterschiede zwischen den Bestandteilen der Emulsion aus. Großtechnisch wird dieser Prozess in Separatoren durchgeführt. Während eine Zentrifuge abwechselnd bestückt und entleert werden muss, ermöglichen Separatoren einen kontinuierlichen Betrieb.

Die Ultrafiltration beruht auf hohem Druck, mit dem das Wasser durch eine Membran gepresst wird. Organische Stoffe mit großen Molekülen werden von der Membran zurückgehalten. Dieses Verfahren lässt sich nur bei Emulsionen anwenden, die sich mit den Membranen vertragen.

Thermisch

Als thermische Verfahren der Emulsionsspaltung kommen die Destillation und die Adsorption zum Einsatz.

Bei der Destillation wird das Wasser verdampft und als Kondensat zurückgewonnen. Trotz unterschiedlicher Siedepunkte verdampft mit dem Wasser immer auch ein Teil der emulgierten Flüssigkeit. Der Teil des Öls, der mit dem Dampf in das Kondensat gelangt, wird anschließend in mechanischen Abscheidern entfernt. Wasser benötigt zum Verdampfen viel Wärme. Die Wärme wird beim Kondensieren wieder frei. Bei der Vakuumverdampfung wird die Kondensationswärme für das Verdampfen zurückgewonnen. Möglich ist das, durch unterschiedliche Drücke bei den beiden Teilprozessen, die voneinander abweichende Siedetemperaturen bewirken.

Bei der Adsorption lagern sich organische Verbindungen aus einer Emulsion an Feststoffe wie Aktivkohle an. Dieser Prozess erfordert niedrige Temperaturen. Deshalb wird er den thermischen Verfahren zugeordnet. Bei der Adsorption werden zwei Methoden angewendet. In einem Fall werden Aktivkohle oder spezielle Ölbindemittel der Emulsion in zerkleinerter Form zugemischt und anschließend gemeinsam mit dem organischen Stoff abgetrennt. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Emulsion durch einen Apparat sickern zu lassen, der mit dem Adsorptionsmittel gefüllt ist, welches das Öl zurückhält.

Chemisch

Die chemische Emulsionsspaltung verwendet Trennmittel, die sich mit den Emulgatoren und den emulgierten Bestandteilen verbinden oder diese auflösen. Dabei werden starke Säuren oder spezielle organische Trennmittel eingesetzt. Die Säuren zerstören die Emulgatoren. Danach ballen sich die Öltöpfchen zusammen. Dieser Vorgang wird als Koagulation oder Koaleszenz bezeichnet. Öl und Wasser bilden eigene Phasen, die in Abscheidern voneinander getrennt werden.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass das Wasser wieder neutralisiert werden muss. Dabei fallen große Mengen von Schlamm an.

Spezielle organische Trennmittel, die in der Fachsprache als Demulgator oder Emulsionsspalter bezeichnet werden, unterbinden die Wirkung der Emulgatoren, indem sie mit ihnen chemische Verbindungen eingehen oder die emulgierten Stoffe auflösen. Die neuen Verbindungen oder Lösungen schwimmen auf und bilden eine zusammenhängende Schicht auf der Oberfläche der Flüssigkeit. Das Aufschwimmen wird häufig durch Zusätze unterstützt und beschleunigt, die man Flotationsmittel nennt.

Elektrochemisch

Viele Emulgatoren wirken auf der Basis elektrischer Ladungen. In diesen Fällen kann man eine Emulsion mit Hilfe eines elektrischen Feldes spalten. Das elektrische Feld wird durch Elektroden erzeugt, die mit einer Gleichspannung beaufschlagt sind und in die Flüssigkeit eingetaucht werden. An den Elektroden sammeln sich die Stoffe mit der jeweils entgegengesetzten Ladung an. Durch Koagulation bzw. Koaleszenz bilden sich getrennte Phasen, die voneinander abgeschieden werden.

Biologisch

Grundlage für biologische Verfahren der Emulsionsspaltung sind speziell gezüchtete Mikroorganismen, die sich von den emulgierten Stoffen ernähren. Die Kleinstlebewesen werden den Emulsionen zugemischt. Bei optimalen Bedingungen kommt es zum Wachstum und zur Vermehrung der Mikroorganismen. In Absetzbecken sammeln sie sich als Biomasse am Boden an und bilden den sogenannten Belebtschlamm. Voraussetzung für diese Methode ist, dass die Emulsionen keine Biozide enthalten, die ungesund für Mikroorganismen sind. Formen der biologischen Emulsionsspaltung werden häufig bei der Wasseraufbereitung in Kläranlagen eingesetzt.

Wasseraufbereitung in der Emulsionsspaltanlage

Emulsionsspaltanlagen sind häufig Bestandteil der technischen Ausrüstung zur Behandlung von Abwasser. Dabei wird zwischen dezentraler und zentraler Abwasserbehandlung unterschieden. Dezentrale Emulsionsspaltanlagen werden von Unternehmen betrieben, die ihr Abfallaufkommen reduzieren und Brauchwasser zurückgewinnen wollen. In zentralen Anlagen werden die großen Abwassermengen behandelt, die von Entsorgungsunternehmen in den einzelnen Betrieben eingesammelt werden oder in Klärwerken anfallen.

Dezentrale Emulsionsspaltanlagen

Eine dezentrale Emulsionsspaltanlage ist ein kompaktes System, das aus einer Einheit für die Emulsionsspaltung und einer Einheit für die Abscheidung der leichteren Phase besteht. In diesen Anlagen werden vorwiegend thermische und chemische Emulsionstrennung umgesetzt. Für die thermische Spaltung hält der Markt Vakuumverdampfer mit Durchsätzen von wenigen Litern bis einigen Kubikmetern pro Stunde bereit. Ähnliche Größenordnungen werden auch bei chemischen Systemen, die mit einem Demulgator arbeiten, angeboten. Der Emulsionsspaltung nachgeschaltet sind Abscheider, in denen sich die Flüssigkeiten in zwei Phasen trennen. Eine Phase enthält organische Verbindungen, die andere Wasser.

Zentrale Emulsionsspaltanlagen

In zentralen Wasseraufbereitungsanlagen ist die Emulsionsspaltanlage in ein System aus Lagern für Flüssigkeiten, Einrichtungen für die Energieversorgung, Absetzbecken und Komponenten für die Steuerung und Regelung eingegliedert. Die Verarbeitung großer Mengen von Flüssigkeiten ist energetisch effizienter als die dezentrale Behandlung.