Arsen ist ein chemisches Element mit dem Symbol As und der Ordnungszahl 33. Es gehört zu den Halbmetallen und kommt sowohl in organischen als auch in anorganischen Verbindungen vor. In der Umwelt ist Arsen weit verbreitet und kann sowohl natürlich in Böden, Gesteinen und Gewässern als auch durch industrielle Aktivitäten wie Bergbau, Metallverarbeitung und die Herstellung von Pestiziden freigesetzt werden. In der Wasserbehandlung und industriellen Abwasserbehandlung ist Arsen ein kritischer Stoff, da seine anorganischen Verbindungen, insbesondere Arsen(III) (Arsenit) und Arsen(V) (Arsenat), hochgiftig sind und bereits in geringen Konzentrationen gesundheitsschädlich wirken können.
Inhaltsverzeichnis
Vorkommen und Problematik in der Wasserbehandlung
Arsen tritt in natürlichen Gewässern sowohl in gelöster Form als auch in Partikelform auf. In einigen Regionen der Welt, wie etwa in Teilen Südostasiens, tritt Arsen in besonders hohen Konzentrationen im Grundwasser auf. Der Einsatz von arsenhaltigen Chemikalien in der Landwirtschaft und Industrie hat in vielen Gebieten zusätzlich zur Kontamination des Wassers beigetragen.
In der Wasseraufbereitung ist die Entfernung von Arsen entscheidend, da das Arsen-Richtwertniveau für Trinkwasser von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und in der EU auf 10 µg/L festgelegt wurde. Höhere Konzentrationen können langfristig zu gesundheitlichen Schäden wie Hautveränderungen, Krebs und Schäden an Organen wie Leber und Nieren führen.
Technische Herausforderungen bei der Arsenentfernung
Die Entfernung von Arsen aus Wasser stellt aufgrund der chemischen Eigenschaften des Elements eine Herausforderung dar. Arsen kann in verschiedenen Oxidationsstufen vorliegen, was seine Mobilität und Reaktivität im Wasser beeinflusst. Die beiden wichtigsten Formen von Arsen in natürlichen Gewässern sind:
- Arsenit (As(III)): Die trivalente Form, die bei neutralem pH-Wert überwiegend ungeladen und daher schwerer zu entfernen ist. Arsenit ist in dieser Form besonders toxisch.
- Arsenat (As(V)): Die pentavalente Form, die als Anion im Wasser vorliegt. Arsenat ist reaktiver als Arsenit und kann leichter durch Adsorption oder Fällung entfernt werden.
Verfahren zur Arsenentfernung
Es gibt verschiedene Verfahren zur Arsenentfernung aus Wasser, die auf physikalisch-chemischen Prinzipien basieren. Die Wahl des geeigneten Verfahrens hängt von der Arsenkonzentration, der Wasserzusammensetzung und den betroffenen Wassermengen ab:
1. Oxidation und Fällung
- Da Arsen(III) in seiner reduzierten Form schwerer zu entfernen ist, wird es häufig durch Oxidation in Arsen(V) umgewandelt. Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid, Ozon oder Chlor werden dabei eingesetzt. Nach der Oxidation kann Arsen(V) durch Koagulation und Flockung entfernt werden. Hierbei werden Fällungsmittel wie Eisen- oder Aluminiumsalze eingesetzt, die Arsen an ihre Hydroxide binden, welche dann als Flocken abgeschieden werden.
- Die Technik der Fällung wird oft in Verbindung mit konventionellen CP-Anlagen genutzt und eignet sich für große Wassermengen, wie sie in kommunalen Wasserwerken oder industriellen Prozessen anfallen.
Foto: Fällungs- und Flockungsanlage, auch CP-Anlage genannt, zur Reduktion von diversen Schadstoffen und Schwermetallen. Inkl. Dosierung von Wasserstoffperoxid (Verfahren: ALMA CHEM MCW)
2. Adsorption
- Adsorption ist eine der häufigsten Methoden zur Arsenentfernung, insbesondere bei der Behandlung von Trinkwasser. Spezielle Adsorptionsmedien, wie aktiviertes Aluminiumoxid, Eisenhydroxid oder modifizierte Zeolithe, binden Arsen(V) effizient an ihre Oberfläche. Diese Technik eignet sich besonders für geringe bis mittlere Arsenkonzentrationen und bietet den Vorteil, dass sie bei relativ einfachen Betriebsbedingungen eingesetzt werden kann.
- In der Praxis werden Adsorptionsmedien häufig in Filtrationssystemen oder in Ionenaustauschern verwendet. In der Umkehrosmose (RO)-Technologie können membranbasierte Systeme auch gelöste Arsenverbindungen effektiv zurückhalten, was insbesondere in der industriellen Prozesswasseraufbereitung Anwendung findet.
Foto: Ionenaustauscher in GFK-Tanks (ALMA ION)
3. Ionenaustausch
- Der Ionenaustausch ist ein weiteres Verfahren zur Arsenentfernung, insbesondere für das pentavalente Arsenat. Anionenaustauschharze tauschen Anionen wie Arsenat gegen harmlose Anionen, wie Chlorid oder Sulfat, aus. Diese Methode ist besonders in Systemen mit niedrigen Arsenkonzentrationen effizient und wird oft in Kombination mit anderen Verfahren eingesetzt.
4. Membranverfahren
- Membrantechnologien wie Umkehrosmose (RO) und Nanofiltration (NF) sind besonders effektiv zur Entfernung von Arsen und anderen Schwermetallen. Diese Verfahren basieren auf der physikalischen Trennung von Wasser und gelösten Stoffen. Membranen mit sehr feinen Poren lassen Wasser durch, halten jedoch Arsen und andere gelöste Schadstoffe zurück. Die RO-Technologie wird häufig bei der Aufbereitung von Trinkwasser und Prozesswasser eingesetzt, insbesondere in Bereichen, in denen sehr geringe Restkonzentrationen von Schadstoffen erforderlich sind.
Foto: Eine unserer Umkehrosmoseanlagen für industrielle Anwendungen (Produktübersicht Umkehrosmoseanlagen)
Relevanz in der industriellen Praxis
In der industriellen Abwasserbehandlung ist die Entfernung von Arsen besonders relevant, da es oft in Bergbauabflüssen, der Halbleiterfertigung, in Galvanikprozessen und in der chemischen Industrie vorkommt. Hier ist die Behandlung von arsenhaltigem Abwasser notwendig, bevor es in die Umwelt eingeleitet oder in Kreislaufprozessen wiederverwendet wird. Spezialisierte Systeme zur Schwermetallentfernung in der Prozesswasseraufbereitung müssen oft auf die Beseitigung von Arsen ausgelegt sein, um gesetzliche Grenzwerte einzuhalten und Umweltauswirkungen zu minimieren.
Fazit
Arsen stellt eine ernsthafte Herausforderung in der Wasser- und Abwasserbehandlung dar, sowohl im Hinblick auf den Umweltschutz als auch auf die menschliche Gesundheit. Eine umfassende Kenntnis der chemischen Eigenschaften von Arsen sowie der verfügbaren Technologien zur Entfernung ist entscheidend, um eine effektive und nachhaltige Behandlung sicherzustellen. Durch die Kombination physikalischer und chemischer Verfahren können Arsenverunreinigungen effizient entfernt werden, um den gesetzlichen Grenzwerten zu entsprechen und die Sicherheit von Trink- und Prozesswasser zu gewährleisten.
