Aktivkohle - Anwendung und Hintergründe

Was genau ist Aktivkohle?

Aktivkohle ist ein hoch poröser, staubfeiner, schwammartiger Kohlenstoff, mit einer immens großen inneren Oberfläche.
Die innere Oberfläche und seine poröse Struktur zur Adsorption (d.h. Adhäsion an der Oberfläche) prädestinieren die aktivierte Kohle, unerwünschte Substanzen aus Dämpfen oder Flüssigkeiten zu entfernen.

Mithilfe von Aktivkohle werden Schwermetalle wie Blei, Zink, Kupfer, Nickel oder Cadmium etc. heraus gefiltert.
Auch Chlor, Pestizide, Trihalogenmethane, Medikamentenrückstände, Hormone, Geruchs-, Farb- oder Geschmacksstoffe werden entfernt. Deshalb findet sie nicht nur in der Abwasser- und Trinkwasseraufbereitung Einsatz,

sondern auch in der Medizin, Kosmetik, Chemie sowie in der Lüftungs- und Klimatechnik.

Wie wird Aktivkohle hergestellt?

Aktivkohle wird aus mehreren kohlehaltigen Materialien hergestellt, wie beispielsweise Torf, Holz, Knochen, Braunkohle, Steinkohle und Kokosnussschalen.

(Acala Wasserfilter verwenden Hightech Aktivkohle aus Kokosnussschalen)

Zuerst wird das Ausgangsmaterial unter 800°C verkohlt. Anschließend wird das Material einem Herstellungsverfahren ausgesetzt, welches eine extrem große innere Oberfläche erzeugt, die sogenannte „Aktivierung“ (daher der Name „Aktivkohle“).

Unglaublich große Oberfläche der aktivierten Kohle

Die innere Oberfläche von nur 1 g von Ausgangskohle beträgt ca. 10 m2.
Nach der Aktivierung kann 1 g von Aktivkohle, z.B. aus Kokosnussschale, eine innere Oberfläche von 1000 m2 oder mehr aufweisen.
Durch das Auseinanderfalten von etwa vier bis fünf Gramm (ca. 1 Teelöffel) Aktivkohle könnte man theoretisch die gesamte Fläche eines Fußballfeldes abdecken.

Aktivierung der Aktivkohle

Die Aktivierung erfolgt bei Temperaturen von 700 – 1000 °C unter Verwendung von Wasserdampf und Kohlendioxid, zum Teil auch mit Luft. 
Bei dieser Aktivierung wird ein Teil des Kohlenstoffs in Kohlendioxid umgewandelt, wodurch zusätzliche Poren entstehen und die Oberfläche vergrößert wird.

Man unterscheidet zwischen chemischer Aktivierung und Gasaktivierung. Bei der chemischen Aktivierung wird ein Gemisch von unverkohltem Ausgangsmaterial mit Chemikalien behandelt,

hauptsächlich mit Dehydratisierungsmitteln, wie z.B.. Zinkchlorid oder Phosphorsäure, bei Temperaturen von 500 – 900 °C.
Bei der Gasaktivierung werden bereits verkohlte Materialien, wie z.B.. Holzkohle, Torfkoks, Kokosnussschalenkoks, Stein- oder Braunkohle als Ausgangsmaterialien verwendet.

Arten von Aktivkohle​

Es gibt drei Arten von Aktivkohle: Pulver-, Korn- (Granulat) und Formkohle.
Bei der Kornkohle haben die Teilchen eine Größe von ca. 1 mm, während bei Pulver
die Größe ca. 0.1 mm beträgt.

In beiden Fällen ist die innere Oberfläche gleich groß. Bei der Formkohle wird das verkohlte Halbfabrikat pulverisiert, aktiviert und dann mit Klebstoff vermischt und nach Bedarf extrudiert oder gesintert.

Eine Herausforderung bei der Verwendung von Formkohle besteht darin, dass ein Wasserdruck erforderlich ist, um das Wasser durch die Aktivkohle fließen zu lassen, da der Klebstoff den Wasserfluss blockiert. 

Formkohle/geklebte Kohle

Es ist immens effizienter, wenn Kornkohle verwendet wird, bei der die Schwerkraft alleine ausreicht, um den Fluss zu bewirken.
So hat das Wasser die Gelegenheit sich natürlich zu entfalten.
Solch eine Aktivkohle wird bei den Wasserfiltern von Acala verwendet.

Außerdem kann die Größe der Teilchen die Geschwindigkeit der Adsorption beeinflussen,
allerdings nicht die adsorbierte Menge, da dies nur von der inneren Oberfläche abhängig ist.

Nach dieser Erkenntnis wird die Kornkohle als effizienter für die Wasseraufbereitung als das Pulver betrachtet.

Struktur der Atome

Mit Hilfe der Aktivierung erhält die Aktivkohle eine unregelmäßige ungeordnete kristalline Struktur von Kohlenstoffatomen.
Diese ungeordnete Struktur weist eine große Porosität auf, wo die zu filternden Stoffe gebunden werden können.
Diese Poren werden nach ihren Größen klassifiziert: Makroporen (> 50 nm*), Mesoporen (2-50 nm*), Mikroporen (1-2 nm) und Minimikroporen (< 1 nm*).

Mikroporen sind für kleinere Moleküle geeignet. Kornkohle aus Kokosnussschale hat eine größere innere Oberflächeund einen größeren Anteil von Mikroporen.

*(1 nm (Nanometer) ist ein Millionstel eines Millimeters)

Rückhaltevermögen der Aktivkohle

Inwiefern Aktivkohle eine Substanz adsorbiert, ist von mehreren Faktoren abhängig, z.B. die Größe der Moleküle, die Löslichkeit der Substanz, ihre Affinität für Aktivkohle,
oder auch der pH-Wert vom Wasser, der diese Variablen beeinflusst.

Aktivkohle eignet sich besonders gut zur Entfernung von organischen Stoffen wie Trihalogenmethane, Pestiziden und Hormonen, da diese eine höhere Bindungsaffinität zur Aktivkohle aufweisen.

Kann Aktivkohle Mikroplastik oder Nanoplastik herausfiltern?

Kunststoffteilchen können auch nach ihrer Größe klassifiziert werden.
Sie sind allgemein als Mikroplastik bekannt, erhalten jedoch auch unterschiedliche Namen entsprechend ihrer Größe. Mesoplastik (500 µm* – 5 mm), Mikroplastik (50 µm*- 500 µm*)
und Nanoplastik mit einer Größe von weniger als 50 µm* (einige Autoren setzen den Grenzwert bei 100 nm** ein). Obwohl sie als Nanoplastik bezeichnet werden, ist ihre Größe tatsächlich größer als 1 nm**

Die Entstehung von Nanoplastik aus Mikroplastik hängt vor allem von dem Faktor Zeit ab.
Es ist geschätzt worden, dass 320 Jahre nötig sind,
damit aus einem 1 mm-Mikroplastik ein 100 nm-Nanoplastik entsteht.

Darüber hinaus untersuchte eine Gruppe von Wissenschaftlern die Verklumpung von 30-nm**-Polystyrolteilchen (eine Art Kunststoff) in Meerwasser und fanden innerhalb von 16 Minuten eine schnelle Bildung von 1000 nm**-Aggregaten.
So scheint es, dass selbst wenn Nanoplastikteilchen im Wasser sind, sie dazu neigen, sich zu Teilchen von Mikroplastik zu verklumpen.

Die Frage ist also: Kann Aktivkohle Mikroplastik herausfiltern? Die Antwort ist ein ganz deutliches Ja.
Es sollte klar sein, dass die Nanoporen mit einer Größe von weniger als 2 nm** die größeren Teilchen wie, Mesoplastik und Mikroplastik adsorbieren.
Bei Nanoplastik ist dies auch der Fall, nur in extremen Fällen von Nanoplastikteilchen mit einer Größe von weniger als 2 nm** könnten diese Partikel durch die Poren gelangen.

So ist die Filtration von Mikroplastikteilchen durch Aktivkohle in so gut wie allen Fällen gewährleistet.
Hinzu kommt, das Plastik nicht in Wasser gelöst ist, also kann man annehmen, dass es hydrophob ist und es sich auf der Kohle bzw. in der Kohle wohler fühlt als im Wasser.

Plastik ist organisch und hat deshalb eine erhöhte Affinität zu Aktivkohle.

*1µm = Mikrometer) ist ein Tausendstel eines Millimeters
**(1 nm (Nanometer) ist ein Millionstel eines Millimeters)

Wieso ist Plastik Organisch?

Organische Moleküle sind komplexe Verbindungen, die Kohlenstoff und andere Elemente enthalten. Bei Plastik handelt es sich um Polymere, das sind Kettenmoleküle. Die organische Komponente von Plastik bezieht sich auf den Kohlenstoff, der je nach der Art von Plastik zusammen mit Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff vorkommt. 

Aktivkohle ungesund?

Sie sollten sich keine Sorgen machen,
dass Ihr Wasser in Kontakt mit Aktivkohle kommt.
Aktivkohle ist ein Naturprodukt, 
insbesondere wenn sie aus Kokosnussschalen hergestellt wird.

Man bekommt die gleiche Aktivkohle vom Hausarzt, wenn man Durchfall hat.

Sogar zum Färben von Eis und anderen Lebensmitteln kommt Kohle zum Einsatz. 
Kohle hat viele verschiedene Anwendungsgebiete, auch in der Kosmetik werden die exzellenten Eigenschaften zum Vorteil für die Haut eingesetzt.

Damit wird Ihre Gesundheit gewährleistet und so wird das Wasser und die Umwelt geschützt.

Geschichtliches:

Der Einsatz von Aktivkohle in ihrer gegenwärtigen Form hat nur eine kurze Geschichte.

Allerdings wurde Kohle, zumeist als Holzkohle, schon im Altertum, bei den Ägyptern, Indern, Griechen und Römern, verwendet.


In Ägypten wurde sie beispielsweise bei der Einbalsamierung von Verstorbenen und zur Abdichtung von Schiffsrümpfen verwendet.

Die alten Griechen verwendeten Holzkohle als Antidot gegen Lebensmittelvergiftung.
In Indien wurde sie zum ersten Mal für die Trinkwasseraufbereitung verwendet, wie ein Sanskrit-Text aus dem Jahr etwa 200 v. Chr. berichtet.

Im 15. Jahrhundert, in der Zeit von Christoph Columbus, entdeckten Seemänner, das Trinkwasser während der Seereisen länger frisch bleibt, wenn die Holzbehälter innen „angekohlt“ wurden.
Die erste wissenschaftliche Studie zur Aktivkohle wurde von Karl Wilhelm Scheele, einem schwedischen Chemiker, am Ende des 18. Jahrhunderts durchgeführt.

Die erste industrielle Anwendung fand am Anfang des 20. Jahrhunderts statt.