Actieve kool: De natuurlijke grondstof voor schoon drinkwater

Actieve kool een natuurlijke grondstof

De natuurlijke stof actieve kool wordt door CARBONIT verfijnd via een uniek en internationaal gepatenteerd proces. Alle door CARBONIT verwerkte grondstoffen zijn residuvrij gecontroleerd en worden door LGA bewaakt. Ze voldoen aan strenge Europese normen voor waterfilters. Moderne technologie zorgt voor ongeëvenaarde prestaties. De CARBONIT-waterfilters combineren een uitzonderlijke filterfijnheid tot 0,45 µm met de hoge adsorptiewerking van actieve kool. Zoals bronwater uit de leiding. Geen zwaar waterdragen meer.

Actieve kool is een materiaal op basis van natuurlijke grondstoffen, dat door zijn poreuze structuur en daardoor extreem groot intern oppervlak chemische verbindingen en moleculen bindt. Actieve kool wordt traditioneel toegepast in veel processen van de chemische industrie. Door de hoge adsorptieve eigenschap wordt het voornamelijk gebruikt bij de reiniging van aflucht, drink- en afvalwater, evenals in de levensmiddelentechniek, farmacie en chemie.

De grondstoffen voor de productie van actieve kool zijn koolstofhoudende grondstoffen zoals hout, veen, bruinkool, steenkool, vruchtpitten of kokosnootschalen. Maar ook andere koolstofhoudende materialen, zoals kunststofafval of aardolieproducten, kunnen vanwege het hoge koolstofgehalte tot actieve kool worden verwerkt. Deze koolstofhoudende materialen worden op vergelijkbare wijze als houtskool gewonnen en vervolgens, zoals de naam al zegt, geactiveerd. Dit activatieproces vergroot de adsorptieve eigenschap van de kool en leidt tot een verbetering van de reinigingsprestatie in vergelijking met conventionele houtskool.

Actieve kool bestaat uit een onregelmatig gerangschikt kristalrooster van koolstofatomen. Deze willekeurig verschoven roosterlagen leiden tot een zeer poreuze structuur en daarmee een groot intern oppervlak. Bij handelsgebruikelijke actieve kool kan dit oppervlak liggen tussen 500 en 1500 vierkante meter per gram.

Ter vergelijking: 4 tot 5 gram actieve kool bevatten het oppervlak van een compleet voetbalveld. Het interne oppervlak van actieve kool wordt gekarakteriseerd aan de hand van het poriënstelsel, vereenvoudigd onderscheidt men poriën van verschillende grootte of diameter. Zo wordt er onderscheid gemaakt tussen macroporiën (de toevoerporiën naar het korrelinterieur) en adsorptieporiën (dus de poriën waarin de eigenlijke aanhechting van moleculen aan het interne oppervlak plaatsvindt).

De structuur van het poriënstelsel beïnvloedt het transport van het sorptief van de korrelrand naar het korrelinterieur evenals de adsorptie-eigenschap van de betreffende stof aan het oppervlak.

Oppervlakte-eigenschappen van actieve kool

Naast de poriënstructuur heeft de chemische eigenschap van het oppervlak een verdere beslissende invloed op het adsorptievermogen van actieve kool. Bij de overvloed aan verontreinigingen, zoals die in water of lucht kunnen voorkomen, wordt in de praktijk de reinigingsprestatie van actieve kool op heel specifieke stofgroepen gericht. Een selectie van probleemstoffen, zoals die bij de drinkwaterzuivering kunnen voorkomen, wordt hieronder genoemd:

• Geur- en smaakstoffen,
• Kleuren,
• Minerale olie koolwaterstoffen,
• gehalogeneerde organische koolwaterstoffen,
• organische koolwaterstoffen,
• Chloor, chloordioxide, ozon, permanganaat,
• Zware metalen,
• Ammonium, nitraat,
• farmaceutische werkzame stoffen.

Aangezien elk van deze verbindingen vanwege hun chemische samenstelling een verschillend adsorptiegedrag en bindvermogen vertoont, worden de fysische eigenschappen zoals korrel- en poriegrootte gecombineerd met de chemische eigenschappen van het oppervlak. Dit leidt uiteindelijk tot een optimale reinigingsprestatie in het betreffende toepassingsgeval.

Adsorptie

Adsorptie wordt aangeduid als een proces waarbij stoffen zich aan een oppervlak hechten (fig. B). Er zijn twee typen adsorptie bekend. Enerzijds spreekt men van fysische adsorptie, deze wordt voornamelijk veroorzaakt door de van der Waals-krachten. De van der Waals-kracht is een vrij zwakke aantrekkingskracht, die echter voldoende is om moleculen of atomen vanwege hun lading aan een oppervlak vast te houden (te adsorberen). Deze kracht is omkeerbaar, dat wil zeggen, als er een sterkere kracht optreedt, bijvoorbeeld de Brownsche moleculaire beweging bij temperatuurverhoging, kan de geadsorbeerde stof weer worden losgemaakt. Anders is het bij chemische adsorptie, ook wel chemisorptie genoemd. Hierbij moet, zoals bij alle chemische reacties, een activeringsenergie worden overwonnen, zodat de verontreinigende stof (adsorptief) een chemische binding aangaat met het oppervlak van de actieve kool (adsorbens). Chemisorptie is in zijn binding sterker dan fysische adsorptie. In principe kan het hier ook leiden tot desorptie (loslating) van stoffen, als de bindingskrachten van andere stofgroepen sterker zijn. Is de capaciteit (opnamevermogen voor schadelijke stoffen) van een actieve koolfilter uitgeput, dan spreekt men in dit geval van een beladen filter. Beladen filters hoeven echter niet per se te worden weggegooid. Vaak kan de in het filter aanwezige actieve kool worden geregenereerd door de geadsorbeerde stoffen van het oppervlak van de actieve kool te verwijderen. Dit desorptieproces (dus het omgekeerde adsorptieproces) kan bijvoorbeeld worden veroorzaakt door drukverlaging of temperatuurverhoging. Na meerdere desorpties of bij adsorptie van moeilijk desorbeerbare stoffen moet de beladen actieve kool echter volledig worden gereactiveerd. Hierbij doorloopt de beladen actieve kool een nieuwe – zij het kortere – activatieprocedure met als doel het interne oppervlak weer op het oorspronkelijke niveau te brengen. Een andere mogelijkheid om beladen actieve kool te regenereren is extractie. Hierbij worden de geadsorbeerde stoffen met behulp van een organisch oplosmiddel van het oppervlak van de kool verwijderd. Maar ook micro-organismen kunnen (macroporeuze) actieve kool regenereren door organische, gemakkelijk desorbeerbare verbindingen biologisch af te breken. Vooral bij industriële toepassingen worden geregenereerde actieve kolen gebruikt, bijvoorbeeld in drukkerijen, in de levensmiddelentechniek, de drinkwaterzuivering en de afvalwaterreiniging. Hierbij kunnen door desorptie vaak waardevolle stoffen worden teruggewonnen, zoals de adsorptieve terugwinning van tolueen in drukkerijen aantoont, waarbij het uit de aflucht teruggewonnen tolueen weer in het drukproces wordt teruggevoerd.

Productieproces

Actieve kool kan bijna uit elk koolstofhoudend materiaal worden vervaardigd. Deze grondstoffen kunnen zowel in onverkolde vorm als in de vorm van kolen en kokers voorkomen. Het basisprincipe van activatie bestaat erin een deel van de koolstof onder geschikte omstandigheden selectief af te breken. De selectieve afbraak heeft tot gevolg dat door het ontsnappen van vluchtige stoffen talrijke poriën, spleten en scheuren ontstaan, waarin de adsorptie van stoffen kan plaatsvinden. Bij de productie van actieve kool onderscheidt men twee methoden: chemische activatie en gasactivatie. Bij chemische activatie worden onverkolde grondstoffen zoals veen of zaagsel gemengd met een dehydraterend (wateronttrekkend) middel, bijvoorbeeld zinkchloride of fosforzuur, en vervolgens geactiveerd bij temperaturen van 400 - 600 °C. Hierbij ontstaan voornamelijk grofporige actieve kolen, die vanwege hun eigenschappen bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor het ontkleuren van vloeistoffen.

De tweede variant is gasactivatie. Hierbij worden over het algemeen reeds verkoolde natuurproducten zoals houtskool, veenkool, kokosnootschaalkool, steenkool of bruinkool gebruikt. Deze bezitten al voor activatie enkele kleine poriën en daarmee een eerste, zij het nog weinig uitgesproken adsorptieoppervlak. Door het activatieproces wordt het aantal poriën en daarmee de grootte van het oppervlak aanzienlijk vergroot. De activatie wordt uitgevoerd bij temperaturen van 700 - 1000 °C en onder gebruik van waterdamp en kooldioxide. De waterdamp en kooldioxide leiden tot een gedeeltelijke oxidatie, met name van de niet-kristallijne koolstof. Hierbij worden teerachtige producten, die de fijne poriën verstoppen, uitgedreven en het koolstofskelet grotendeels vrijgelegd. In het binnenste van de grondstof worden nu de gewenste poriën voor een fijnporige actieve kool gevormd. Omdat bij activatie een hoge temperatuur nodig is, heeft zich in de industrie het gebruik van draaibakken, etage- of schachtovens gevestigd. Hier kunnen actieve kolen en hun poriënverdeling op maat worden gemaakt voor de verschillende toepassingsgevallen.

Actieve kool wordt verkocht als poeder- of korrelkool of vormkool. Bij de productie van vormkool, bijvoorbeeld voor waterfilters (actieve kool-blokfilters), wordt het verkoolde halffabricaat gepulveriseerd, geactiveerd en vervolgens met een bindmiddel gemengd en afhankelijk van de behoefte geëxtrudeerd of gesinterd. De enkele millimeter grote korrelkool is er als gebroken deeltjes of als staafvormige perslingen. Korrelkool wordt gebruikt in adsorberende containers, waar de te reinigen gas- of vloeistofstroom doorheen wordt geleid. De gebroken, scherpkantige actieve kool wordt bij voorkeur voor waterzuivering gebruikt. Door zijn compacte constructie vervangt een actieve kool-blokfilter volumineuze losse stortingen van poederkool. Ook is het opnamevermogen voor het aanhechten van ongewenste stoffen duidelijk verhoogd en is de neiging tot afgifte van eenmaal aangehechte stoffen (zogenaamde chromatografische effect) kleiner. Bij fijnporige blokfilters met hoge filterfijnheid bestaat naast de chemisch-fysische adsorptie ook een goede mechanische filtratie-eigenschap ten opzichte van deeltjes en micro-organismen.

Drinkwaterzuivering

Drinkwater wordt meestal gewonnen uit grondwaterlagen, maar ook in grondwaterarme regio's bijvoorbeeld uit het oeverfiltraat van rivieren. Een groot deel van de verbindingen en verontreinigingen die de mens in de natuur brengt, wordt bij de infiltratie biologisch afgebroken door bodembacteriën. Toch komen er steeds weer overschrijdingen van de wettelijke grenswaarden voor, die ertoe leiden dat het gewonnen water vóór het invoeren in het drinkwaternet moet worden gezuiverd. De hiervoor gebruikte filters worden eenlaagse of meerlaagse filters genoemd.

De eenlaagse filters bestaan volledig uit slechts één filtermateriaal, terwijl de meerlaagse filters uit een combinatie van verschillende filtermaterialen zijn samengesteld. De meerlaagse filters bestaan meestal uit een laag (bijvoorbeeld zand) voor het tegenhouden van grove deeltjes en een laag actieve kool. Omdat leveranciers volgens de wet de drinkwaterkwaliteit slechts tot aan de huisaansluiting garanderen, worden ook in de particuliere sector steeds meer drinkwaterfilters gebruikt.

Deze filters hebben de taak eventueel door het leidingnet binnengebrachte deeltjes, bacteriën, geur- en smaakstoffen evenals zware metalen te elimineren. Het kan ook gebeuren dat schadelijke stoffen niet volledig in de waterzuiveringsinstallatie worden tegengehouden. Dit kunnen gewasbeschermingsmiddelen, medicijnresten of zelfs hormonale stoffen zijn, die via diffuse invoer in het grondwater terechtkomen en de waterzuiveringsinstallatie ongehinderd passeren. Ongeschikte of verouderde huisinstallaties kunnen zware metalen aan het drinkwater afgeven. Wordt bij de keuze van de leidingmaterialen onvoldoende rekening gehouden met de lokaal verschillende drinkwaterkwaliteit, dan kunnen zware metaalionen worden opgelost. Dit zijn ionen van de elementen koper, nikkel, zink en lood. In al deze gevallen is het raadzaam direct vóór het aftappunt van het drinkwater een actieve koolfilter te installeren, die deze zware metalen, medicijnresten en gewasbeschermingsmiddelen uit het drinkwater kan verwijderen (fig. F). De voor het menselijk organisme essentiële mineralen, zouten en sporenelementen blijven daarvan onaangetast. Zij passeren vanwege hun kleine grootte en goede beweeglijkheid het filter en zijn dus ook na filtratie beschikbaar.

Blijf op de hoogte met meer tips en feiten over waterkwaliteit en waterfilters – hier in onze bluaqua Blog!