Die Oxidation ist ein fundamentaler chemischer Prozess, der in der industriellen Wasser- und Abwasserbehandlung eine entscheidende Rolle spielt. Sie dient der Entfernung von Schadstoffen, der Umwandlung toxischer Substanzen in harmlosere Verbindungen und der Desinfektion von Wasser. Durch den gezielten Einsatz verschiedener Oxidationsverfahren können eine Vielzahl von Schadstoffen wie organische Substanzen, Metalle und Mikroorganismen behandelt werden.

In diesem Beitrag wird die Oxidation in all ihren Facetten beleuchtet. Von den chemischen Grundlagen über die eingesetzten Technologien bis hin zu den spezifischen Anwendungen in der Praxis – diese Erklärung bietet eine umfassende Wissensvermittlung für Ingenieure und Praktiker.

Grundlagen der Oxidation

Definition und Prinzip

Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der Elektronen von einer Substanz (Elektronendonator) auf eine andere Substanz (Elektronenakzeptor) übertragen werden. Häufig ist Sauerstoff (O₂) der Elektronenakzeptor, doch auch andere Oxidationsmittel wie Chlor, Ozon oder Wasserstoffperoxid können diese Rolle übernehmen.

Grundreaktion:

Reduktionsmittel (Donator)+Oxidationsmittel (Akzeptor)→oxidierte Substanz+reduzierte Substanz

Wichtige Begriffe in der Oxidation

• Oxidationsmittel: Stoffe, die Elektronen aufnehmen und dadurch die Oxidation einer anderen Substanz ermöglichen (z. B. Ozon, Chlor, Wasserstoffperoxid).
• Reduktionsmittel: Stoffe, die Elektronen abgeben und oxidiert werden (z. B. organische Schadstoffe, Metalle, Ammonium).
• Redoxpotential: Ein Maß für die Oxidationskraft eines Stoffes, gemessen in Volt (V). Je höher das Redoxpotential, desto stärker ist das Oxidationsmittel.

Arten der Oxidation in der Wassertechnik

Es gibt verschiedene Arten der Oxidation, die je nach Zielsetzung und Abwasserzusammensetzung eingesetzt werden.

1. Direkte Oxidation

• Bei der direkten Oxidation reagiert das Oxidationsmittel direkt mit dem Schadstoff.
• Beispiele:
  • Oxidation von Eisen (Fe²⁺) zu Eisenhydroxid (Fe(OH)₃).
  • Oxidation von Schwefelwasserstoff (H₂S) zu Schwefelsäure (H₂SO₄).

2. Indirekte Oxidation

• Hier werden reaktive Zwischenprodukte wie Hydroxylradikale (•OH) gebildet, die dann die Schadstoffe angreifen.
• Beispiele:
  • Bildung von Hydroxylradikalen aus Ozon (O₃) oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂).

Oxidationsmittel in der industriellen Wasser- und Abwassertechnik

1. Ozon (O₃)

• Eigenschaften: Sehr starkes Oxidationsmittel mit einem Redoxpotential von +2,07 V.
• Einsatzbereiche:
  • Abbau organischer Schadstoffe (z. B. Arzneimittelrückstände).
  • Desinfektion.
  • Entfernung von Farbe und Geruch.
• Vorteile: Keine Rückstände, da Ozon zu Sauerstoff zerfällt.

2. Chlor (Cl₂)

• Eigenschaften: Starkes Oxidationsmittel, das in wässriger Lösung Hypochlorige Säure (HOCl) bildet.
• Einsatzbereiche:
  • Desinfektion.
  • Oxidation von Ammonium (NH₄⁺) zu Stickstoffgas (N₂).
  • Entfernung von Eisen und Mangan.
• Herausforderungen: Bildung chlorhaltiger Nebenprodukte wie Trihalogenmethane (THMs).

3. Wasserstoffperoxid (H₂O₂)

• Eigenschaften: Starke Oxidationskraft, häufig in Kombination mit UV-Reaktoren oder Katalysatoren eingesetzt.
• Einsatzbereiche:
  • Behandlung von stark belasteten Abwässern.
  • Entfernung von Cyaniden oder Phenolen.

4. Kaliumpermanganat (KMnO₄)

• Eigenschaften: Starkes Oxidationsmittel zur Oxidation von Metallen und Schwefelverbindungen.
• Einsatzbereiche:
  • Entfernung von Eisen und Mangan.
  • Oxidation von Schwefelwasserstoff.

Technologien und Verfahren der Oxidation

1. Klassische Oxidationsanlagen

• Einsatz von Ozon, Chlor oder Wasserstoffperoxid in Reaktoren.
• Komponenten:
  • Dosiersysteme für das Oxidationsmittel.
  • Reaktionsbecken oder Druckreaktoren.