Motivation Experimenteller Teil

Abb.: 3-D Darstellung von Ethan und Ethen

Ein interdisziplinäres Lernprojekt im Rahmen des fächer- und jahrgangsstufenübergreifenden Unterrichts in der Arbeitsgemeinschaft Kerschis zur UNI am naturwissenschaftlich-technischen Gymnasium (NTG) der Kerschensteinerschule Stuttgart im Schuljahr 15/16.

Untersuchung von Adsorptionsprozessen mit dem FESTO EduKit PA/Aktivkohlefilter-Kit

Arzneimittelrückstände, Röntgenkontrastmittel, Hormone - rund 500 g "produziert" jeder Bürger pro Jahr. Durch unsachgemäße Ent-sorgung über sanitäre Einrichtungen in den Haushalten und vor allem durch menschliche Ausscheidungen gelangen sie ins Abwasser. Die Langzeitwirkungen sind zwar noch nicht exakt erforscht, doch geben einige Erkenntnisse Anlass zur Besorgnis: Rückstände von Arznei-mitteln, die in den Kläranlagen bisher nicht komplett entfernt werden und dadurch in Gewässer gelangen können, stehen im Verdacht, bei Fischen, Fröschen und Vögeln biologische Veränderungen hervorzu-rufen, auch Risiken für den Menschen sind nicht auszuschließen. Zahlreiche Forschungsprojekte in aller Welt haben die Entfernung der sog. Spurenstoffe aus dem Abwasser zum Inhalt. Dabei spielen vor allem oxidative Verfahren (z. B. mit Ozon) und Adsorptionsmethoden (z. B. mit Aktivkohle) eine große Rolle.

Während wir im Schuljahr 2013/2014 der Fokus auf Advanced Oxidation Processes (engl. AOP) lag, standen in den Schuljahren 2014/2015 und 2015/2016 Adsorptionsprozesse im Vordergrund.

Abb. 3: Versuchsanordnung: (1) PC zur Aufnahme der Extinktionskurven, (2) Fotometer, (3) EduKit mit Tauchsensor, (4) PC zur Steuerung des EduKits

An dem Projekt haben mitgewirkt:Nicolaj Betz, Christopher Brown, Rebekka Schreiter, Tim Wagner, Florian Beck, Christopher Henken und Dr. Bernd RegelmannAbb. 6: Prinzip des Tauchfotometers

Ergebnisse

Das Filtrationsergebnis wird in Abhängigkeit verschiedener Einflussfaktoren untersucht:

a) Einfluss des VolumenstromsDie Filterwirkung unmittelbar nach dem Aktivkohlefiltersystem verbessert sich erwartungsgemäß mit abnehmendem Volumenstrom. Grund ist die größere Verweilzeit (Kontaktzeit) des Adsorptivs an der Aktivkohle. Betrachtet man jedoch die Filterleistung bezogen auf das Gesamt-volumen, so verringert sich diese mit kleiner werdendem Volumenstrom (bzw. kleiner werdenden Pumpenspannung).

b) Einfluss der AktivkohlesorteAdsorptionsvorgänge spielen sich an Phasen-grenzflächen ab. Es ist deshalb nicht überraschend, dass die Oberflächen-eigenschaften der verwendeten Aktivkohle einen großen Einfluss auf das Filterer-gebnis haben.

c) Einfluss der AktivkohlemengeMit steigender Aktivkohlemasse ist eine unmittelbare Verbesserung des Filter-ergebnisses zu beobachten. Parallel dazu setzt das Filtermaterial dem strömenden Fluid einen größeren Strömungswider-stand entgegen, was sich in einem geringeren Volumenstrom bzw. einer längeren Kontaktzeit des Farbstoffes am Filtermaterial wiederspiegelt.

Abb. 7: Experimentelle Entfärbungskurven bei variablen Volumenströmen 0,80 L/min, 0,385 L/min und 0,251 L/min.

Abb. 8: Experimentelle Entfärbungskurven bei Verwendung unterschiedlicher Aktivkohlesorten. Didaktischer Ansatz

DanksagungWir danken den Firmen FESTO und ADIRO für die Bereitstellung eines EduKit Advanced/Aktivkohlefilter-Kits, dem FONDS DER CHEMISCHEN INDUSTRIE für die finanzielle Unterstützung.

Gewerbliche Schule

Stuttgart-F

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Die Entfernung des kationischen Phenothiazin-Farbstoffes Methylenblau aus Wasser mit Hilfe der Adsorption an Aktivkohle ist ein möglicher Ansatz zur Thematisierung der oben geschilderten Umweltproblematik. Mit dem FESTO EduKit PA Advanced/Aktivkohlefilter-Kit lassen sich dazu verschiedene Aufgabenstellungen experimentell und fächerübergreifend bei hoher Praxisrelevanz erarbeiten.

Abb. 1: FESTO EduKit PA Advanced/Aktivkohlefilter-Kit

Abb. 2: Adsorption von Methylenblau an Aktivkohle - ein interdisziplinäres Lernprojekt

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PrinzipDie mit Methylenblau (MB) kontaminierte wässrige Lösung wird durch ein Aktivkohle-filtersystem im Kreislauf geführt (Abb. 4). Durch Adsorption am Aktivkohlefilter (Abb. 5) wird der MB-Gehalt in der Lösung verringert. Dies kann durch Extinktionsmessungen mit Hilfe eines Tauchsensors (Abb. 6) foto-metrisch verfolgt werden.

Materialien und MethodenAdsorptiv: Methylenblau (MB) wird in Form seines Trihydrats (C H ClN S∙3H O) 16 18 3 2

in z.A.-Qualität eingesetzt. Zur Herstellung der wässrigen Lösungen mit Konzentra-tionen um 15 mg/L wird entionisiertes Wasser verwendet. Die pH-Werte liegen im Bereich von 5,7 ± 0,2. Alle Messungen werden bei 22 °C ± 2 °C durchgeführt.

Adsorbens: Als Adsorptionsmittel kommen verschiedene Aktivkohlen zum Einsatz: - Standard-EduKit-Aktivkohle - KSS-Aktivkohle (gepulvert und Granulat) - Donau-Carbon Hydraffin 30N und CC8x30

Die fotometrischen Messungen werden mit dem Low-Cost Fotometer (LowCost-FM04) mit Tauchsensor direkt in Lösung bei der Messwellenlänge l = 605 nm (orange-farbene LED) durchgeführt. Zur Datener-fassung kommt die Auswertesoftware AK Analytik32.net zum Einsatz.

Eine anschauliche Alternative zur Mess-größe Extinktion ist der Entfärbungsgrad e(t). Dieser wird aus den gemessenen Extinktionswerten E(t) und E(t=0) wie folgt berechnet: e(t) = 1 - E(t)/E(t=0)

Abb. 4: R&I-Fließbild des EduKits; (E) Tauchsensor mit Fotometer

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Abb.9: Experimentelle Entfärbungskurven bei Verwendung unterschiedlicher Aktivkohlemassen.

Abb. 5: Aktivkohlefilter