Pflanzenkohle entfernt urbane Schadstoffe

Blau-grüne Infrastrukturen, wie z. B. Versickerungszonen und Baumrigolen, spielen in Schwammstadtkonzepten eine wichtige Rolle zur Anpassung an den Klimawandel. Strassen- und Oberflächenabläufe sind allerdings durch stark schwankende Volumenströme (z. B. Starkregen) und chemische Belastungen gekennzeichnet, die natürliche Rückhalte- und Abbauprozesse (z. B. durch mikrobielle Transformation) überfordern und zur Verlagerung von Schadstoffen ins Grundwasser führen können. Die Ergänzung von Bodenfiltern durch kohlenstoffbasierte, hochporöse Materialien kann den Rückhalt von Schadstoffen insbesondere in Zeiten hoher Belastung verbessern. Im Idealfall können mikrobielle Prozesse organische Schadstoffe im Laufe einer nachfolgenden, kontinuierlichen und langsamen Schadstoff-Freisetzung transformieren und damit die Aufnahmekapazität der Adsorbenzien regenerieren. Für besonders persistente Schadstoffe, wie z. B. per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) muss hingegen ein langfristig wirksamer Rückhalt zur Vermeidung von Grundwasserkontaminationen gewährleistet werden.

Pflanzenkohle auf Holzbasis wird als nachhaltiges und kostengünstiges Sorptionsmittel betrachtet und wird inzwischen mit reproduzierbarer und hoher Qualität grosstechnisch hergestellt. In der Praxis wird Pflanzenkohle in Baumsubstraten bisher vorwiegend zur Verbesserung der Wasser- und Nährstoffspeicherfähigkeit eingesetzt. Ihre Funktion für den Rückhalt von Schadstoffen wird hingegen bisher wenig berücksichtigt. Das Design von blau-grünen Infrastrukturen erfordert daher Prognosen zur kurz- und langfristigen Wirksamkeit von optimierten Substratgemischen bzw. -schichtungen um z. B. über die Notwendigkeit einer Rückholung beladener Substrate zu entscheiden. Notwendige Grundlagen hierfür sind vertiefte Kenntnisse zur Rolle physikochemischer Eigenschaften von Pflanzenkohle hinsichtlich der Aufnahme und Freisetzung von Schadstoffen durch reversible Sorptionsprozesse, die Bestimmung von Prozesskenngrössen sowie geeignete Prognosemodelle.

ZIELE UND VORGEHEN

In dieser Arbeit wurde das Sorptionsverhalten von vier typischen urbanen Schad-stoffen an unbehandelter Pflanzenkohle (BC) untersucht, die durch Pyrolyse aus Abfällen von Holzsägewerken hergestellt wurde. Gleichzeitig wurde auch die daraus hergestellte aktivierte Pflanzenkohle (BAC, nach Gasaktivierung bei hohen Temperaturen) untersucht.¹ Darüber hinaus wurden frei zugängliche Softwarelösungen zur Modellierung des Schadstoffrückhalts getestet, indem die Vorhersagen mit Daten aus kleinskaligen Säulenversuchen verglichen wurden. Als Modellschadstoffe wurden auf Basis ihrer Relevanz sowie ihrer verschiedenen physikochemischen Eigenschaften Naphthalin (NAPH), Methyl-tert-butylether (MTBE), 1,3-Diphenylguanidin (DPG) und Perfluoroktansäure (PFOA) ausgewählt.

1 BC und BAC wurden von der Schweizer Firma Inkoh AG zur Verfügung gestellt.

ERGEBNISSE

Vergleich des Absorptionsverhaltens von BC und BAC im Batch-Versuch

Insgesamt ist die Vorhersage der Sorption von geladenen Molekülen wie DPG und PFOA auf Basis tabellierter Stoffdaten bisher schwer möglich, so dass die experimentelle Bestimmung von Sorptionsparametern erforderlich ist. Zunächst wurden in Batch-Versuchen operationelle Sorptionsisothermen für die untersuchten Schadstoffe an BC- und BAC-Partikeln mit einer für den Einsatz in Substratmisch-ungen üblichen Korngrösse von 1-2 mmnach sieben Tagen (168 h) Äquilibrierungszeit ermittelt. Figur 1 zeigt die daraus berechneten Sorptionskoeffizienten Kd als Verhältnis von Beladung auf dem Adsorbens (qe in µg/kg) und Konzentration in der Wasserphase (Ce in µg/l). Die Adsorptionskoeffizienten sind ein Mass für die Sorptionsleistung, die für alle untersuchten Schadstoffe durch die Aktivierung von BC zu BAC drastisch verbessert wurde. Diese Verbesserung geht weit über das auf Basis der Vergrösserung in der spezifischen Oberfläche (Faktor 2,4 von 375 m²/g auf 918 m²/g) zu erwartende Mass hinaus. Gleichzeitig zeigen sich erhebliche Unterschiede innerhalb der untersuchten Schadstoffe mit identischer Abstufung in der Sorptionsneigung für BC und BAC, was für ähnliche zugrundliegende Wechselwirkungen mit der Kohlenstoffoberfläche spricht. Die detaillierte Untersuchung der Adsorptionskinetik der Schadstoffe zeigte eine stark verzögerte Adsorption an BC gegenüber BAC, wie am Beispiel von NAPH in Figur 2 gezeigt ist. Das Erreichen des Sorptionsgleichgewichts erfordert ca. sieben Tage für BAC während die Adsorption an BC auch nach sieben Wochen noch weiter läuft. Die Ursache dafür ist in der Porengrössenverteilung zu sehen. Während das Holzpyrolyseprodukt BC ausschliesslich Mikroporen (< 2 nm) aufweist, führt die Aktivierung von BC zu BAC zur Erweiterung der Poren und einem signifikanten Mesoporenanteil (2-10 nm), der den Transport der Schadstoffe in das Partikelinnere drastisch erleichtert. Aus den experimentellen Daten wurden Oberflächendiffusionskoeffizienten (D_s) bestimmt, die charakteristisch für den Stofftransport in das Partikelinnere für ein Schadstoff-Adsorbens-System sind und als Eingangsparameter für die im kommenden Abschnitt diskutierten Modelle verwendet werden.