Die Wirkung der Aktivkohlefilter beruht auf der porösen Struktur der verwendeten Kohle. Unter einem Rasterelektronenmikroskop wird eine Fülle von verschieden großen Kratern, Rissen, Poren und Kanälen sichtbar. Diese Hohlräume bilden die sogenannte innere Oberfläche der Aktivkohle, die für die Anlagerung von Stör- und Schadstoffen (Adsorption) entscheidend ist. Zur Trinkwasseraufbereitung werden üblicherweise Aktivkohlesorten verwendet, die aus 0,5 - 3,0 mm großen Körnchen mit einer Oberfläche bis zu 1600 Quadratmetern pro Gramm 2 Kohle (m /g), mindestens aber 1000 m /g, bestehen. Das bedeutet, daß, je nach Sorte und Qualität, 5 - 12 g Aktivkohle die "innere" Oberfläche eines Fußballfeldes haben. Darauf können dann 0,50 - 1,20 g (d. h. 0,1 g je Gramm Kohle) Schadstoffe gebunden werden.
Möglichkeiten des Aktivkohleeinsatzes Aktivkohle filtert unerwünschte, natürliche Geruchs- und Geschmacksstoffe (z. B. Huminsäuren) ebenso heraus wie eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen. Schwer abbaubare Halogenkohlenwasserstoffe, unpolare Pestizide, Manganverbindungen und andere Schwebstoffe, selbst partikuläres Blei werden herausgefiltert. Auch Reste von Oxidationsmitteln wie Ozon oder Chlor, die dem Rohwasser im Wasserwerk zur Keimtötung beigesetzt werden, reagieren mit der Kohlenoberfläche und werden dadurch entfernt. Aktivkohlefilter sind universell einsetzbar und regenerierbar; sie gelten bei der Trinkwasseraufbereitung als das Nonplusultra und werden von immer mehr Wasserwerken angewendet, weil aus zunehmend belasteten Rohwässern "gutes" Trinkwasser hergestellt werden muss. Aktivkohlefilter kommen darüber hinaus bei der industriellen Entfernung von schädlichen oder unerwünschten Geruchs-, Geschmacks- oder Farbstoffen und zur Rückhaltung von Lösemitteln aus Gasen oder Flüssigkeiten zum Einsatz. In der Lack-, Chemiefaser-, Druck und Metallindustrie werden sie ebenso verwendet wie in der Getränkeindustrie zur Vorbehandlung des verwendeten Trinkwassers (z. B, Chlorentfernung). In der Medizin wird die Aktivkohle bei der Behandlung von Vergiftungen eingesetzt.
Die Filterwirkung beruht auf den folgenden Prinzipien.
a) Adsorption:
Unter Adsorption versteht man die Anlagerung von gasförmigen und gelösten Substanzen an die Oberfläche einer festen Substanz (=Aktivkohle). Aufgrund der Anziehungskräfte der Kohlenstoffoberfläche werden Schmutzteilchen, ähnlich der Schwerkraft, angezogen und dauerhaft festgehalten.
Wegen der sehr großen, spezifischen Oberfläche sind die Bindungskräfte des Aktivkohlegranulats höher als die Kraft, welche die Schmutzteilchen im Wasser in Lösung hält. Diejenigen Verbindungen, die von der Aktivkohle stärker adsorbiert werden, haben eine geringe Wasserlöslichkeit, sind organischer Natur (d.h., sie setzen sich aus Kohlenstoffatomen zusammen), haben ein größeres Molekulargewicht und sind chemisch neutral oder nichtpolar. Damit Adsorbate im Wasser von Aktivkohle physikalisch adsorbiert werden können, müssen sie kleiner sein als die Porenöffnungen der Aktivkohle. Nur dann können sie durch die Porenöffnungen strömen und dort angesammelt werden.
b) Absorption:
Neben der physikalischen Adsorption kann an der Oberfläche der Aktivkohle auch eine Absorption stattfinden. Unter Absorption versteht man die gleichmäßige Verteilung eines Stoffes in einem anderen. Die Grenzfläche zwischen den beteiligten Stoffen verschwindet.
Die bekannten Eigenschaften der Aktivkohle sind unter anderem die Entfernung von freiem Chlor, unerwünschter natürlicher Geschmacks- und Geruchsstoffe, hohes Rückhaltevermögen von organischen Substanzen wie z.B. Halogenkohlenwasserstoffe, Pflanzenschutzmittel usw.
Was passiert bei der Adsorption?
Die Vorgänge bei der Adsorption sind komplex und noch nicht vollständig geklärt. Die Anlagerung von Schadstoffen aus dem Rohwasser ist von vielen Faktoren abhängig, u.a. vom Molekulargewicht, von Größe und Ladung der Schadstoffe, von der Zusammensetzung des Rohwassers, von dessen Temperatur, seinem pH-Wert, ebenso wie von der Porenverteilung und Porengröße der verwendeten Kohle und vor allem der Kontaktzeit.
Wenn ein belastetes Rohwasser durch einen Aktivkohlefilter fließt, besetzen die gelösten Schadstoffe nach und nach die Oberfläche der Kohle. Der Bereich, an dem die Anlagerung stattfindet (Adsorptionszone), verlagert sich allmählich bis zum Ende des Filters. Ist es erreicht, steigt die Schadstoffkonzentration im gefilterten Wasser wieder an, bis schließlich die Ausgangskonzentration wieder angenommen wird. Dann kann nichts mehr zurückgehalten werden. Der Filter ist vollständig "beladen" oder "erschöpft". Um das zu vermeiden, werden die Wasserwerksfilter vor der Erschöpfung regeneriert, d.h. die Kohle wird ausgeglüht und frische Kohle zugesetzt.
Schadstoffe können bei ungünstigen physikalisch/ chemischen Bedingungen durchbrechen Selbst bei noch nicht beladenem Filter wandern Schadstoffmoleküle durch den Filter hindurch. Bereits adsorbierte Stoffe tauschen ihre Plätze mit anderen Molekülen aus dem vorbeifließenden Wasser (sie desorbieren). Es herrscht ein Gleichgewicht zwischen Adsorption und Desorption. Insbesondere bei Stoffgemischen konkurrieren die Moleküle der Einzelsubstanzen um die Plätze an der Kohlenoberfläche; leichter adsorbierbare Substanzen verdrängen bereits adsorbierte Stoffe. Man beobachtet, daß die Konzentration mancher Stoffe im Filterablauf wesentlich höher ist als im Filterzulauf oder findet sogar Schadstoffe im Filtrat, die zur selben Zeit im Rohwasser gar nicht vorhanden sind, sondern bereits früher adsorbiert wurden und nun wieder abgegeben werden.
Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten (mehr als 30 m/h), wie sie in herkömmlichen Filtersystem vorkommen, "führen nun diese ungünstigen Strömungsbedingungen im Zusammenhang mit der Desorption z. B. in den großen, mit gekörnter Aktivkohle gefüllten Betriebsfiltern, zu einer stoßweisen Freisetzung spezieller organischer Substanzen". Wechselt zum Beispiel plötzlich die Rohwasserzusammensetzung - etwa nach einem Chemiestörfall am Rhein - so ist es möglich, daß bereits adsorbierte Schadstoffe im Aktivkohlefilter auf einen Schlag durch eine andere Substanz ausgetauscht werden und Gefahr laufen, ins Trinkwasser durchzubrechen. Die Wasserwerke stellen in solchen Situationen deshalb vorsorglich ihre Brunnen ab und warten, bis die "Störfallwelle" vorbei ist. Leider gibt es aber genügend alltägliche legale (!) "Giftwellen". Auch weniger dramatische Umstände können Schadstoffe durch teilbeladene Filter brechen lassen. Weitere Ursachen für das plötzliche Freisetzen können die änderungen der Milieubedingungen, des pH-Werts, des Redoxpotentials, hohe Temperaturschwankungen, oder beispielsweise durch änderungen in der Vorbehandlung des Wassers sein.
Anders beim PROaqua 4200:
Aufgrund der sehr geringen Strömungsgeschwindigkeit (max. 7 m/h) und den physikalisch optimalen Strömungsbedingungen im gesamten Filterbereich und im speziellen im Aktivkohlebett des PROaqua 4200 entstehen keine dynamischen Strömungen und kein mechanischer Abrieb der Aktivkohle. Laut Angaben der Aktivkohle-Hersteller sollte die Strömungsgeschwindigkeit nie mehr als max. 15 m/h betragen, was aber von den bisherigen Filtersystemen mit mehr als 40 m/h weit überschritten wird.
Durch die Aufstromfiltration werden Schadstoffe gezielt und gleichmäßig von der unteren zur oberen Aktivkohleschicht ad- und absorbiert. Leicht adsorbierbare Substanzen können u. U. bereits adsorbierte Stoffe verdrängen, werden jedoch aufgrund der geringen Strömung sofort an den nächsten freien Platz adsorbiert. Das Aktivkohlevolumen wird somit maximal belegt. Aktivkohle aus verköhlerten Kokosnußschalen, wie sie im PROaqua 4200 verwendet wird, hat eine wesentlich höhere und effektivere Aufnahmekapazität als herkömmliche Aktivkohle. Die Erneuerungsintervalle der Aktivkohle werden auf der Grundlage von Langzeittests, Wasserverbrauch und Schadstoffbelastung des Verbraucherhaushalts errechnet. Die entsprechenden Termine werden sowohl dem Verbraucher mitgeteilt, wie auch bei PROVITEC gespeichert. Ist eine errechnete Sättigung der Aktivkohle von ca. 50 % erreicht, wird der Verbraucher von PROVITEC angeschrieben und auf die fällige Erneuerung der Aktivkohle hingewiesen. Erfahrungsgemäß handelt es sich hierbei um Zeiträume zwischen 1 - 5 Jahren. Bei der Regenration der Filtermedien, wird auch die Aktivkohle mit Kochsalz regeneriert. Hierbei kann durch die pH-Wertverschiebung, hervorgerufen durch die gesättigte Kochsalzlösung, die Aktivkohle zu einer Desorption angeregt werden. Dies wurde auch durch Test's nachgewiesen. Desorbierbare Substanzen werden somit u. U. mit dem Regenerat ausgespült.
Aktivkohlefilter - viel Platz für Mikroorganismen. Problematisch ist der Einsatz von Aktivkohlefiltern im Haushalt, da sie häufig schlechter gewartet werden als die großen Betriebsfilter im Wasserwerk. Die große innere Oberfläche bietet genügend Platz für Mikroorganismen, die aus Verunreinigungen des vorbeifließenden Wassers ihre Nährstoffe beziehen können. So wurden in gefiltertem Wasser schon Keimzahlen gemessen, die den Grenzwert der TrinkwV hundertfach überschritten. Diesem speziellen Problem wird man bereits in Kanada gerecht, wo es einen hohem Anteil an Eigenversorgern mit privaten Wasseraufbereitungsanlagen und entsprechend viel Erfahrung gibt. Die NHW, die kanadische nationale Gesundheitsbehörde, empfiehlt, daß mikrobiell belastetes Wasser bzw. Wasser von unbekannter mikrobiologischer Qualität nicht ohne vorherige Desinfektion in Aktivkohlefiltern aufbereitet werden soll. Auch normale Silberung der Aktivkohle oder das Verpressen in Aktivkohleblöcke mit sehr kleiner Porengröße konnten das Keimwachstum nicht unterbinden, auch wenn die Anlagen mit gechlortem Trinkwasser betrieben wurden.
Anders beim PROaqua 4200:
Der am Wasserauslauf vorhandene Bakterienfilter, der auch im serologisch-medizinischen Bereich eingesetzt wird, hält alle Keime (0,2 μm) die im Trinkwasser vorhanden sein können sicher zurück, so daß keinerlei Bakterien oder Keime aus Wasserversorgunganlagen oder Rohrleitungssystemen ins gefilterte Trinkwasser gelangen können (siehe Tests LGA Bayern). Zusätzlich wurde der Bakterienfilter mit einer REDOXOL-Wolle präpariert, welche abgefilterte Bakterien am Wachstum hindert bzw. Zerstört. N 5 - Aktivkohle - Diese zusätzliche Maßnahme (REDOXOL-Wolle) dient zur Entlastung des Bakterienfilters. Während der regelmäßigen Regeneration des PROaqua 4200 mit Kochsalz werden alle evtl. Bakterien und Keime in den Filtermedien desinfiziert und der Bakterienfilter von abgefilterten Bakterien befreit. Die Lebensdauer des Bakterienfilters wird dadurch erhöht (bis zu 5 Jahre). Herstellung von Aktivkohle Als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Aktivkohlen dienen kohlenstoffhaltige Rohstoffe wie Holzkohle, Torfkeks, Braunkohlenkeks, Steinkohle, Kokosnußschalenkohle u. a. Die Aktivierung dieser Stoffe kann nach zwei verschiedenen Verfahren erfolgen.
a) Bei der Gasaktivierung geht man von bereits verkohltem Material aus und setzt dieses dem oxidierenden Einfluß eines Gasstromes, wie z.B. Wasserdampf, Kohlendioxid, Luft oder deren Gemische aus. Die Aktivierungstemperatur liegt bei etwa 700 - 1.100 °C, so daß der Kohlenstoff nach der Wassergasreaktion
C + 2H2O > CO2 + 2H2
teilweise vergast und ein poröses hochaktives Kohlenstoffgerüst entsteht.
b) Bei der chemischen Aktivierung mischt man meist unverkohltes kohlenstoffhaltiges Material mit dehydratisierend und oxidierend wirkenden Chemikalien.
Anschließend wird die "Maische" auf 400 - 800 °C erhitzt. Die Aktivierungsmittel - es können dafür Zinkchlorid, Phosphorsäure, Schwefelsäure u. a. in Frage kommen - werden anschließend ausgewaschen und zurückgewonnen.
Die Aktivierung selbst wird in Drehrohr-, Etagen-, Schacht- oder Wirbelschichtöfen ausgeführt. Die im Trinkwasserfilter PROaqua 4200 verwendete Aktivkohle aus Kokosnußschalen, zur Behandlung von Trink- und Brauchwasser, wird nach dem Gasaktivierungsverfahren hergestellt. Für die Wasserreinigung werden sowohl körnige als auch pulverförmige Qualitäten in verschiedenen Körnungen bzw. Mahlfeinheiten produziert.