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Emulsionen: Abwasser mit Ölen

Eine Emulsion ist ein Gemisch aus nicht mischbaren Flüssigkeiten. Es handelt sich um eine Suspension kleiner Tröpfchen einer Flüssigkeit, die in einer anderen Flüssigkeit verteilt sind. Emulsionen unterscheiden sich von anderen Kolloiden, da sie immer aus flüssigen Phasen bestehen.

Emulsionen werden nach der Größe der dispergierten Tröpfchen wie folgt klassifiziert:

Emulsion Tröpfchengröße
Makroemulsion 0,2 – 50 mm
Mikroemulsion 0,01 – 0,2 mm

Es gibt drei wesentliche Voraussetzungen zur Bildung einer Emulsion:

  • Zwei nicht mischbare Flüssigkeiten
  • Ausreichende Bewegung, um die Flüssigkeit in kleine Tröpfchen zu zerlegen.
  • Ein Emulgator zur Stabilisierung der Dispersion.

Es gibt Verbindungen wie Tenside, die Emulgatoren (oder emulgierende Mittel) sind, das heißt, sie halten zwei nicht mischbare Substanzen gemischt.

Wie entstehen ölhaltige Emulsionen?

Im Fall von Wasser und Öl entstehen Emulsionen durch Bewegung in der Mischung, wenn das Öl im Flüssigkeitsgemisch zerbricht und sich in Form kleiner Tröpfchen verteilt.

Die Grenzflächenspannung begünstigt das Zusammenfließen (Koaleszenz) der dispergierten Tröpfchen, wodurch deren Gesamtfläche verringert wird.

Je nach Kombination werden Emulsionen wie folgt klassifiziert:

  • Direkte Emulsionen. Emulsionen, die eine lipophile dispergierte Phase (fettanziehend) und eine hydrophile kontinuierliche Phase (wasseranziehend) kombinieren.
  • Inverse Emulsionen. Emulsionen, die eine hydrophile dispergierte Phase und eine lipophile kontinuierliche Phase kombinieren, also das Gegenteil von direkten Emulsionen.
  • Multiple Emulsionen. Emulsionen, die eine inverse Emulsion als dispergierte Phase und eine wässrige Flüssigkeit als kontinuierliche Phase aufweisen.

Die beiden Phasen, die eine Emulsion bilden, sind immer unterschiedlich und werden wie folgt klassifiziert:

  • Kontinuierliche Phase. Die Phase, die gegenüber der anderen vorherrscht, also diejenige, in der eine der Flüssigkeiten der Emulsion verteilt ist. Sie wird auch als „dispergierende Phase“ bezeichnet. Im Fall von ölhaltigen Emulsionen ist die kontinuierliche Phase Wasser.
  • Dispergierte Phase. Die Phase, die im Vergleich zur anderen in der Minderheit ist, also diejenige, die in der dispergierenden Phase verteilt ist. In diesem Fall das Öl.

Abwasser mit emulgierten Ölen

In industriellen Anwendungen entstehen ölhaltige Emulsionen in Situationen wie:

  • Wasser, das mit Kohlenwasserstoffen kontaminiert ist.
  • Wasser, das in Bohrlöcher injiziert wird, um Öl zu verdrängen.
  • Schmiermittel in Bearbeitungsprozessen zur Reduzierung des Verschleißes von Metallteilen.
  • Spülwasser in galvanischen und Oberflächenbehandlungsprozessen.

Es gibt eine große Vielfalt an Aktivitäten und industriellen Prozessen, die ölhaltiges Abwasser erzeugen.

  • Ölförderung
  • Raffinerien
  • Bergbauaktivitäten
  • Bilgenabwässer und Ballastwasser von Schiffen
  • Luft- und Fahrzeugwartungsstationen
  • Leckagen aus Ölprozessen
  • Regenwasserabfluss
  • Mechanische Werkstätten
  • Fleischverarbeitung und Geflügelfarmen
  • Fischverarbeitung
  • Milchverarbeitung
  • Farbherstellung
  • Seifen- und Waschmittelherstellung
  • Textilindustrie
  • Chemische Industrie

Probleme von ölhaltigem Abwasser

Ölige Abwässer können erhebliche Umweltauswirkungen haben, weshalb es entscheidend ist, sie richtig zu behandeln, um sowohl unsere Gesundheit als auch die aquatischer Ökosysteme zu schützen.

Hier einige Gefahren bei unsachgemäßer Behandlung von ölhaltigem Abwasser:

Wasserverschmutzung

Wenn Öle und Fette in Gewässer wie Flüsse, Seen oder Meere eingeleitet werden, verschmutzen sie das Wasser. Dies kann aquatisches Leben schädigen und Arten beeinträchtigen, die von diesen Ökosystemen abhängen.

Störung des ökologischen Gleichgewichts

Ölige Abwässer stören das natürliche Gleichgewicht aquatischer Ökosysteme. Dies betrifft Organismen im Wasser wie Fische, Vögel und Wasserpflanzen.

Zudem kann die Ansammlung von Ölen auf der Wasseroberfläche die Sauerstoffversorgung und den Lichteinfall behindern, was Photosynthese und Nahrungskette beeinträchtigt.

Krankheiten und Toxizität

Öle und Fette können toxische Substanzen enthalten, wie Schwermetalle oder Chemikalien. Diese Schadstoffe können von aquatischen Organismen aufgenommen werden und letztlich Menschen schädigen, die diese konsumieren.

Außerdem erhöht die Toxizität die Wahrscheinlichkeit, dass Organismen erkranken.

Auswirkungen auf die Biodiversität

Ölverschmutzung kann die Biodiversität in aquatischen Ökosystemen verringern. Einige Arten überleben möglicherweise nicht oder verlassen das Gebiet aufgrund der Ölanwesenheit. Dies beeinträchtigt die Vielfalt und Stabilität des Ökosystems.

Versauerung und Klimawandel

Ölige Abwässer enthalten oft Treibhausgase, die zum Klimawandel beitragen. Zudem können sie die Versauerung der Ozeane erhöhen, was Korallen und andere Meeresorganismen beeinträchtigt.

Technologien zur Behandlung von Abwasser mit Ölen

Bei dieser Art von Abwasser, egal ob die Absicht die Einleitung in die öffentliche Kanalisation oder die Wiederverwendung des Wassers ist, wird ein effizientes System zur Behandlung ölhaltiger Emulsionen benötigt.

Diese Anlagen zur Behandlung ölhaltigen Abwassers kombinieren üblicherweise verschiedene Technologien, deren Auslegung und Auswahl von Faktoren wie der Zusammensetzung des Abwassers oder den Zielen des Kunden abhängen.

Die effizientesten Technologien zur Trennung von Wasser und Öl sind folgende:

Gelöste Luftflotation (DAF)

Diese Technik ermöglicht die Trennung emulgierter Öle im Wasser. Dazu wird ein Teil des behandelten Abwassers in einem Tank mit Luft unter Druck gesetzt und dann durch ein Verteilsystem freigesetzt, wodurch Mikroblasen von etwa 50 μm Größe entstehen. Diese Blasen haften an suspendierten Partikeln und lassen sie scheinbar leichter werden, wodurch sie aufsteigen, wobei auch der Koaleszenz-Effekt genutzt wird.

Vor der Behandlung durch Flotation müssen die Kolloide, die die Emulsion bilden, destabilisiert werden. Dazu werden Flockungsmittel wie Aluminiumsulfat oder Eisen(III)-chlorid zugegeben, um die Ladungen der Kolloide zu neutralisieren und so die Bildung kleiner Flocken oder Klumpen zu erleichtern.

Nach der Koagulation erfolgt die Flockung durch Zugabe eines Flockungsmittels, meist langkettiger Polymere (Polyelektrolyte). Die entstehenden Flocken haben eine Größe und Dichte, die ihre Trennung durch DAF-Flotation ermöglicht. Für eine optimale Entwicklung dieser Prozesse müssen sie in Behältern mit geeignetem Kontakt- und Rührregime oder in einem Flockulator mit turbulenter Strömung und ausreichender Verweilzeit ablaufen.

Vakuumverdampfung

Der Verdampfungsprozess ist der einzige, der die Trennung von Öl und Wasser ohne Vorbehandlung des Abwassers und ohne weitere Prozesse ermöglicht, da das von Vakuumverdampfern erzeugte Wasser von hoher Qualität ist und direkt wiederverwendet werden kann.

Im Gegensatz zu anderen Systemen wie Membrantrennung entsteht nach dem Verdampfungsprozess kein weiteres Restabwasser. Es fällt ein halbfester Rückstand an, der aufgrund seiner Zusammensetzung in anderen Prozessen verwertet werden kann.

Ein weiterer großer Vorteil der Vakuumverdampfung bei der Behandlung ölhaltigen Abwassers ist ihre hohe Anpassungsfähigkeit an wechselnde Eigenschaften des zu behandelnden Abwassers, was sie zu einer robusten und effektiven Alternative macht. Zudem sorgt der Betrieb unter Vakuumbedingungen für einen niedrigen Energieverbrauch und hohe Energieeffizienz.

Die Anlagen sind kompakt und benötigen in der Regel wenig Platz für die Installation. Die Bedienung ist einfach und kann automatisiert werden. Ohne Zweifel ist dies die beste Alternative zur Behandlung ölhaltiger Abwässer.

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Biologische Behandlung

Die Entfernung von Ölen und Fetten durch biologische Zersetzung bringt eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich, die den Prozess sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen erschweren.

Erstens haben Öl und Fette keine Zusammensetzung, die eine Biodegradation ohne vorherige Zugabe chemischer Produkte oder Mischung mit anderen Abfällen ermöglicht, damit Mikroorganismen alle für ihr Wachstum notwendigen Nährstoffe erhalten.

Zweitens reagiert der biologische Prozess schlecht auf Schwankungen im Durchfluss oder in der Zulast. Zudem erfordert die aerobe Zersetzung von Ölen und Fetten einen hohen Sauerstoffverbrauch, was einen erheblichen Energieaufwand und hohe Betriebskosten mit sich bringt. Schließlich erfordert die Komplexität des Prozesses qualifiziertes Personal für den Betrieb.

Koaleszenzabscheider

Beim Koaleszenzprozess erfolgt die Trennung einer Emulsion in zwei nicht mischbare Phasen in drei Stufen: Sammlung, Koaleszenz und Schwerkrafttrennung. Das Einbringen des Koaleszenzmediums verbessert die Sammlung und Koaleszenz.

Die Kapillarität und Benetzbarkeit des Mediums tragen zur Tropfen-für-Tropfen-Koaleszenz bei, die eintritt, sobald der Abtrieb an einem Zielort gesammelt wird.

Die Schwerkrafttrennung nach dem Koaleszenzmedium hängt hauptsächlich von der Geometrie des Behälters sowie der „Anlaufzeit“ und Verweilzeit der dispergierten Phase ab.

Ein Plattenkoaleszer wird im Flüssigkeitsabschnitt eines Abscheiders oder Klärers eingesetzt, um den Grad der Flüssig-Flüssig-Trennung zu optimieren. Der Durchfluss durch die engen Zwischenräume der Platten ist laminar, und die Tröpfchen trennen sich, da die Strecke, die die dispergierten Phasen bis zur Grenzfläche zurücklegen müssen, stark verkürzt wird.

Die Platten sind in einem kleinen Fach gruppiert, das in den Hauptstromweg passt. Das Funktionsprinzip von Parallelplattenabscheidern basiert auf der Dichteunterschied zwischen Öl- und Wasserphasen: Öltropfen in der wässrigen Phase steigen zur Öl/Wasser-Grenzfläche auf, während Wassertropfen in der öligen Phase verbleiben.

Für Dispersionen bis zu 50-100 Mikrometern kann mit dieser Technik eine effiziente Trennung erreicht werden, und sie ist die geeignete Auslegung bei potenziellen Feststoffen oder teerartigen Flüssigkeiten. Öl/Wasser-Trennung und Entfernung von Diesel- und Kerosinnebeln. Die Ölreduktionsleistung ist nicht sehr hoch, aber sie findet Anwendung in bestimmten Bereichen (Tankstellen, Abfluss, Vorabscheidungen etc.).

Vibrationsmembranen (VSEP)

Der Einsatz von Filtermembranen ermöglicht die Produktion von hochwertigem Wasser aus jeder Öl-in-Wasser-Emulsion.

Allerdings hat die Membranfiltration einen Schwachpunkt, nämlich die Fouling-Bildung, die schwer umkehrbar ist und durch die Bildung einer Schmutzschicht entsteht, die aus Biofilm, organischem Material, anorganischen Ablagerungen oder kolloidaler Natur bestehen kann. Diese Schicht lagert sich während des Filtrationsprozesses auf den Membranen ab und verringert die Behandlungseffizienz.

Zur Lösung dieses Problems wurden VSEP-Vibrationsmembranen entwickelt. Dies ist eine alternative Technologie, die die Membranen durch Erzeugung von Scherwellen tangential zur Membranoberfläche reinigt. Die Vibration der Membran und die Scherwellen bewirken, dass sich die auf der Membranoberfläche abgelagerten Feststoffe wieder in die Flüssigkeit lösen und von dieser abtransportiert werden, wodurch die Membranporen erneut der Flüssigkeit ausgesetzt sind.

Ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen statischen Membranen ist das vertikale Grunddesign statt horizontal, was bedeutet, dass der Platzbedarf pro Einheit geringer ist als bei anderen Trennsystemen.

Zudem ist es ratsam, das Zulaufwasser vorzubehandeln, um die Lebensdauer dieser Membranen zu verlängern. Wie bei jedem Membranprozess sind Pflege, Reinigung und Wartung wichtige Faktoren für optimale Leistung und Langlebigkeit.

Diese Technik erzeugt zwar einen Strom von hochwertigem Wasser, produziert aber auch ein konzentriertes Abwasser, das anschließend behandelt werden muss.

Keramische Membranen

Dies ist eine sehr effiziente Technologie zur Entfernung von Ölen und Fetten, da diese Membranen durch ihre hohe Hydrophilie gekennzeichnet sind, Wasser anziehen und Öl abweisen. Dieses Verhalten ermöglicht die Gewinnung eines hochwertigen gefilterten Abwassers.

Es handelt sich um eine robuste und kompakte Technologie, die Wasser für die Wiederverwendung in bestimmten Anwendungen bereitstellt. Zudem kann dieses Wasser bei Bedarf mittels Umkehrosmose von gelösten Salzen befreit werden.

Die Permeatströme sind deutlich höher als bei polymeren Membranen, die hydrophob sind. Die hohe mechanische, thermische und chemische Beständigkeit des keramischen Materials ermöglicht zudem den Betrieb unter extremen pH- und Temperaturbedingungen (z. B. bei der Behandlung von Entfettungsbädern).

Die Betriebsfähigkeit keramischer Membranen wird in Zyklen gemessen, da die Membranen verschmutzen und in festgelegten Abständen eine chemische Reinigung erforderlich ist, die meist sehr aggressive Reagenzien verwendet, um die Betriebsbedingungen wiederherzustellen. Da es sich um ein tangentiales Filtrationssystem handelt, muss es mit sehr hohen Rezirkulationsströmen betrieben werden, um Verstopfungen zu vermeiden, was zu kostenintensiven Anlagen und hohem Energieverbrauch führt.

Elektrokoagulation

Diese Technologie arbeitet durch Anlegen eines Stroms an eine Reihe von Metallelektroden. Die Anoden oxidieren und geben Metallionen in das Elektrolyt ab. Diese Ionen neutralisieren die Ladung der Lösung und destabilisieren sie.

Im Fall von ölhaltigem Abwasser dienen die Metallionen dazu, die Öl-Wasser-Emulsion zu destabilisieren, sodass sich die Öltropfen verbinden (Koaleszenz) und an die Oberfläche steigen. Die Trennung wird auch durch die Kathode unterstützt. Während die Anode oxidiert, erzeugt die Kathode Blasen, die die Flotation dieser Partikel fördern.

Die Elektrokoagulation erleichtert den Betrieb, die Nutzung und Wartung der Reaktionstanks, da keine Chemikalien zur Destabilisierung benötigt werden. Als zusätzlicher Vorteil entstehen deutlich geringere Schlammvolumina, die oft für verschiedene Anwendungen wiederverwendet werden können.

Das Hauptproblem der Koagulation ist ihre begrenzte Anwendbarkeit auf die Vielfalt ölhaltiger Abwässer, die sie behandeln kann.

Fazit

Ölhaltige Emulsionen müssen vor der Einleitung behandelt werden, da sie ein hohes Verschmutzungspotenzial besitzen, das sowohl die Umwelt als auch Ökosysteme beeinträchtigt.

Es gibt verschiedene Verfahren, die Öl vom Wasser trennen und sogar ein hochwertiges Wasser erzeugen können, das optimal wiederverwendet werden kann. Unter allen möglichen Alternativen bietet die Vakuumverdampfung die größten Vorteile aufgrund ihrer Einfachheit, Flexibilität, Robustheit und Effektivität.

Bibliographie und Anfragen

https://concepto.de/emulsion-quimica/
https://www.tecnoaqua.es/media/uploads/noticias/documentos/articulo-tecnico-filtracion-ceramica-tratamiento-reutilizacion-aguas-aceitosas-origen-industrial-tecnoaqua.es_.pdf
COALESCEDORES / SEPARADORES LÍQUIDO-LÍQUIDO (awscorp.it)

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