Aktivkohle - Anwendung und Hintergründe

Aktivkohle in der Wasserfiltration – Wirkung, Einsatzbereiche und wissenschaftliche Grundlagen

Was versteht man unter Aktivkohle?

Aktivkohle ist ein extrem feinkörniger, hochporöser Kohlenstoff mit schwammartiger Struktur und einer beeindruckend grossen inneren Oberfläche. Dank dieser besonderen Eigenschaften eignet sie sich ideal für die sogenannte Adsorption – also das Binden von unerwünschten Stoffen an ihrer Oberfläche.

Durch diesen Prozess entfernt Aktivkohle zuverlässig Schwermetalle wie Blei, Kupfer, Zink, Nickel oder Cadmium aus Flüssigkeiten. Ebenso effizient filtert sie Chlor, Pestizide, Arzneimittelrückstände, Hormone sowie Farb-, Geschmacks- und Geruchsstoffe heraus.

Deshalb kommt Aktivkohle nicht nur in der Trink- und Abwasseraufbereitung zum Einsatz, sondern auch in Bereichen wie Medizin, Kosmetik, chemischer Industrie sowie in der Klima- und Lüftungstechnik – überall dort, wo eine gründliche Reinigung von Luft oder Flüssigkeiten gefragt ist.

Herstellung von Aktivkohle – vom Naturstoff zum Hochleistungsfilter

Für die Herstellung von Aktivkohle kommen verschiedene kohlenstoffhaltige Naturstoffe zum Einsatz – darunter Holz, Torf, Knochen, Braunkohle, Steinkohle oder Kokosnussschalen.

Acala setzt dabei bewusst auf Hightech-Aktivkohle aus Kokosnussschalen, da dieses Material besonders feinporig ist und hervorragende Filtereigenschaften besitzt.

Im ersten Schritt wird das Ausgangsmaterial bei rund 800 °C verkohlt – also unter Sauerstoffausschluss in seine festen Kohlenstoffbestandteile überführt. Anschliessend folgt die sogenannte Aktivierung: Dabei entstehen durch gezielte Behandlung mit heissem Wasserdampf oder Kohlendioxid unzählige Mikroporen. So wird eine enorm grosse innere Oberfläche geschaffen – die Grundlage für die aussergewöhnliche Adsorptionsfähigkeit von Aktivkohle. Daher trägt sie auch ihren Namen.

Erstaunlich viel Raum auf kleinstem Raum – die gigantische innere Oberfläche von Aktivkohle

Ein Gramm unbearbeiteter Ausgangskohle besitzt eine innere Oberfläche von rund 10 m². Wird die Kohle aktiviert – beispielsweise aus Kokosnussschalen – kann ein einziges Gramm Aktivkohle eine innere Fläche von über 1’000 m² entfalten.

Zur Veranschaulichung: Wenn man vier bis fünf Gramm Aktivkohle (etwa ein Teelöffel voll) vollständig auseinanderfalten könnte, würde deren innere Oberfläche theoretisch ausreichen, um ein ganzes Fussballfeld zu bedecken.

Wie Aktivkohle aktiviert wird

Die Aktivierung erfolgt bei hohen Temperaturen zwischen 700 und 1’000 °C, meist unter Einsatz von Wasserdampf oder Kohlendioxid – gelegentlich auch mit Luft. Während dieses Prozesses wird ein Teil des Kohlenstoffs zu CO₂ umgewandelt. Dabei entstehen zusätzliche Poren, was die innere Oberfläche der Kohle deutlich vergrössert.

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Verfahren: die chemische Aktivierung und die sogenannte Gasaktivierung.

Bei der chemischen Methode wird das noch nicht verkohlte Ausgangsmaterial mit bestimmten Chemikalien – in der Regel mit dehydratisierenden Substanzen wie Zinkchlorid oder Phosphorsäure – vermischt und anschliessend bei Temperaturen von 500 bis 900 °C behandelt.

Die Gasaktivierung hingegen nutzt bereits verkohlte Materialien wie Holzkohle, Torfkoks, Kokosnussschalenkoks oder Stein- und Braunkohle. Diese werden gezielt mit Dampf oder CO₂ aktiviert, um die Porenstruktur auszubilden.

Verschiedene Typen von Aktivkohle

Man unterscheidet grundsätzlich drei Hauptformen von Aktivkohle: Pulveraktivkohle, Granulatkohle (auch Kornkohle genannt) und Formkohle.

Granulatkohle besitzt eine durchschnittliche Korngrösse von etwa 1 mm, während die Partikelgrösse bei Pulveraktivkohle nur rund 0.1 mm beträgt. Interessanterweise bieten beide Varianten – trotz der unterschiedlichen Körnung – eine vergleichbare innere Oberfläche.

Formkohle hingegen entsteht durch das Vermahlen des verkohlten Materials, das anschliessend aktiviert, mit Bindemitteln vermischt und danach in gewünschte Formen gepresst oder gesintert wird.

Ein Nachteil dieser Variante: Der zugesetzte Klebstoff kann den natürlichen Wasserfluss behindern – weshalb beim Einsatz von Formkohle in der Regel ein gewisser Wasserdruck erforderlich ist, um eine effektive Filtration zu gewährleisten.

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.

Aufbau und Anordnung von Atomen

Durch den Aktivierungsprozess entwickelt Aktivkohle eine unregelmässige, nicht geordnete kristalline Struktur aus Kohlenstoffatomen. Diese spezielle Anordnung sorgt für eine ausgeprägte Porosität – in den entstandenen Hohlräumen können unerwünschte Stoffe aus dem Wasser effizient gebunden werden.

Die Poren werden je nach Grösse in vier Kategorien unterteilt:
Makroporen (> 50 nm), Mesoporen (2–50 nm), Mikroporen (1–2 nm) und Minimikroporen (< 1 nm).

Vor allem Mikroporen sind ideal, um kleinste Moleküle aus dem Wasser zu entfernen. Kornkohle, die aus Kokosnussschalen gewonnen wird, bietet eine besonders grosse innere Oberfläche sowie einen hohen Anteil an Mikroporen – Eigenschaften, die sie für die Wasserfiltration besonders geeignet machen.

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

Bindekapazität und Filterleistung von Aktivkohle

Wie gut eine Substanz von Aktivkohle aufgenommen wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab – etwa von der Molekülgrösse, der Wasserlöslichkeit, ihrer Anziehungskraft zur Aktivkohle sowie vom pH-Wert des Wassers, der diese Eigenschaften zusätzlich beeinflussen kann.

Besonders effektiv ist Aktivkohle bei der Entfernung organischer Verbindungen. Dazu zählen unter anderem Trihalogenmethane, Pestizidrückstände oder hormonähnliche Stoffe – sie weisen eine starke Affinität zur Aktivkohle auf und lassen sich deshalb sehr gut binden und aus dem Wasser entfernen.

Ist Aktivkohle wirksam gegen Mikroplastik und Nanoplastik im Wasser?

Kunststoffpartikel lassen sich nach ihrer Grösse in verschiedene Kategorien einteilen. Obwohl sie allgemein unter dem Begriff „Mikroplastik“ bekannt sind, gibt es spezifischere Bezeichnungen:
Mesoplastik (500 µm bis 5 mm), Mikroplastik (50 µm bis 500 µm) und Nanoplastik, das kleiner als 50 µm ist – wobei einige Definitionen die Grenze sogar bei 100 nm ziehen. Trotz des Namens ist Nanoplastik grösser als 1 nm.

Die Entstehung von Nanoplastik aus Mikroplastik ist vor allem ein zeitabhängiger Prozess. Schätzungen zufolge kann es rund 320 Jahre dauern, bis sich ein einzelnes 1 mm grosses Mikroplastikpartikel zu einem 100 nm kleinen Nanoplastikteilchen zersetzt.

Eine Forschungsgruppe untersuchte zudem das Verhalten von 30 nm grossen Polystyrolpartikeln (eine Kunststoffart) in Meerwasser und stellte fest, dass sich diese bereits nach 16 Minuten zu grösseren Aggregaten von etwa 1000 nm verbanden. Das weist darauf hin, dass selbst Nanoplastik im Wasser zur Verklumpung neigt und dadurch wieder eine Grösse erreicht, die eher der von Mikroplastik entspricht.

Und nun zur Frage: Kann Aktivkohle Mikroplastik filtern?
Die Antwort lautet ganz klar: Ja.

Aktivkohle enthält sogenannte Nanoporen – winzige Hohlräume mit einem Durchmesser von unter 2 nm. Diese Poren sind klein genug, um selbst sehr feine Partikel wie Mikro- oder Mesoplastik zuverlässig zurückzuhalten. Bei Nanoplastik trifft das in fast allen Fällen ebenfalls zu. Nur extrem kleine Teilchen unterhalb der 2 nm-Grenze könnten unter Umständen durch die Poren hindurchtreten – was allerdings sehr selten ist.

Hinzu kommt: Plastik löst sich nicht im Wasser, sondern verhält sich hydrophob – es vermeidet Wasser und haftet bevorzugt an organischen Oberflächen wie der Aktivkohle. Da Kunststoff organischer Herkunft ist, besitzt er zudem eine natürliche Bindungsneigung zur Kohlenstoffstruktur der Aktivkohle.

Fazit: Aktivkohle ist in der Lage, die überwiegende Mehrheit von Plastikpartikeln aus dem Wasser zu entfernen – und ist damit ein wirksamer Schutz gegen Mikro- und Nanoplastik in Ihrem Trinkwasser.

*1µm = Mikrometer) ist ein Tausendstel eines Millimeters

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

Warum zählt Plastik zu den organischen Stoffen?

Organische Moleküle sind chemisch betrachtet komplexe Verbindungen, die Kohlenstoff in Kombination mit weiteren Elementen enthalten. Kunststoffe – also Plastik – bestehen aus sogenannten Polymeren, also kettenartigen Molekülstrukturen. Der organische Anteil im Plastik bezieht sich auf den enthaltenen Kohlenstoff, der – abhängig vom jeweiligen Kunststofftyp – mit Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel verbunden sein kann.

Ist Aktivkohle gesundheitsschädlich?

Es besteht kein Grund zur Sorge, wenn Ihr Trinkwasser mit Aktivkohle in Berührung kommt. Aktivkohle ist ein reines Naturprodukt – besonders dann, wenn sie aus nachhaltigen Rohstoffen wie Kokosnussschalen gewonnen wird.

Übrigens: Dieselbe Art von Aktivkohle wird auch in der Medizin eingesetzt – etwa vom Hausarzt bei Magen-Darm-Beschwerden wie Durchfall.

Aktivkohle findet sogar in Lebensmitteln Verwendung – etwa zur natürlichen Färbung von Glace oder Süsswaren. Auch in der Kosmetik wird sie geschätzt: Ihre reinigenden Eigenschaften machen sie zu einem beliebten Wirkstoff für Hautpflegeprodukte.

So trägt Aktivkohle nicht nur zur Wasserreinigung bei, sondern unterstützt zugleich Ihre Gesundheit – und leistet einen Beitrag zum Schutz der Umwelt.

Geschichtliches:

Die heutige Nutzung von Aktivkohle in ihrer hochentwickelten Form ist noch relativ jung. Dennoch reicht die Geschichte der Kohleanwendung weit zurück – schon im Altertum setzten Kulturen wie die Ägypter, Inder, Griechen und Römer Holzkohle vielseitig ein.

In Ägypten fand Holzkohle unter anderem bei der Einbalsamierung Verstorbener oder zur Abdichtung von Schiffsrümpfen Verwendung. Die alten Griechen wiederum nutzten sie als Gegengift bei Lebensmittelvergiftungen. Und in Indien lässt sich der erste Einsatz zur Trinkwasserreinigung auf einen Sanskrit-Text aus etwa 200 v. Chr. zurückführen.

Auch im Zeitalter von Christoph Kolumbus spielte Holzkohle eine Rolle: Seeleute stellten fest, dass Wasser auf langen Reisen länger geniessbar blieb, wenn die Holzfässer innen leicht verkohlt waren.

Die erste wissenschaftlich dokumentierte Untersuchung zur Wirkung von Aktivkohle stammt vom schwedischen Chemiker Carl Wilhelm Scheele und wurde Ende des 18. Jahrhunderts veröffentlicht. Ihre industrielle Nutzung begann schliesslich zu Beginn des 20. Jahrhunderts – und ist seither stetig gewachsen.