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Main Title: Nutzung der Eisenkorrosion zur Entfernung von Arsen aus Trinkwasser
Translated Title: Application of iron corrosion for the removal of arsenic from drinking water
Author(s): Karschunke, Karsten
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen zur Nutzung von Eisenkorrosionsprozessen zur Entfernung von Arsen aus Trinkwasser vorgestellt. Auch in geringen Konzentrationen stellt diese Verunreinigung auf Grund der krebserregenden Wirkung von Arsen langfristig eine Gefahr für die menschliche Gesundheit dar. Verschiedene Entfernungsmethoden sind bekannt und in der Praxis der Trinkwasseraufbereitung bewährt, beispielsweise Flockungsverfahren unter Einsatz von Eisensalzen oder die Adsorption an GEH oder Aktivtonerde im Festbett. Diese Verfahren sind aufgrund ihrer Kosten und technischen Anforderungen für den Einsatz in ländlichen Regionen von Entwicklungsländern nur eingeschränkt geeignet. Hier soll ein neues Entfernungsverfahren, geeignet auch für Entwicklungsländer mit Arsenproblemen wie Chile oder Bangladesch, präsentiert werden. Grundidee dieses Verfahrens ist die Bildung von Eisenhydroxid durch die Korrosion von metallischem Eisen. Eisenhydroxid zeichnet sich bekanntermaßen durch seine sehr guten Adsorptionseigenschaften für gelöstes Arsen aus. Das Eisenhydroxid bildet als Rost eine Deckschicht auf der Metalloberfläche, fällt aber gleichzeitig auch in Form von Partikeln an, die das Arsen binden und aus dem Wasser mittels Sandfiltration entfernt werden müssen. Die natürliche Sauerstoffkorrosion kann gegebenenfalls durch elektrochemische Effekte wie Kontaktkorrosion oder das Anlegen einer elektrischen Spannung intensiviert werden. Im Rahmen eines deutsch-chilenischen Kooperationsprojekts wurden kontinuierlich betriebene Laborversuche in Berlin (Deutschland) zur detaillierten Untersuchung und Quantifizierung der Effekte sowie praxisnahe Feldversuche mit natürlicherweise arsenhaltigem Rohwasser in Antofagasta (Chile) durchgeführt. Dabei kamen Materialien wie Stahlwolle oder Frässpäne m Einsatz. Es zeigte sich, dass die natürliche Korrosion von Eisen zur Entfernung von Arsen genutzt werden kann. Da Korrosionsrate und Beladung allerdings niedriger als erwartet ausfielen, ist die Verwendung deutlich größerer Reaktorvolumina als erwartet erforderlich. Eine mehrstufige Behandlung mit zusätzlicher Belüftung kann notwendig sein. Mit Hilfe der untersuchten Methoden zur Intensivierung der Korrosion ließ sich eine sehr effektive Arsenentfernung bewirken, allerdings kam es zu unerwünschten Nebeneffekten wie zur Freisetzung von Kupfer aus Kontaktkorrosionselementen oder zur Bildung von Wasserstoff bei Anlegen einer Spannung. Vor der Anwendung dieser Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung sind daher weitere Untersuchungen erforderlich.
In the present work, the application of iron hydroxide resulting from the corrosion of iron for the removal of arsenic from drinking water is investigated experimentally. The contamination of water with arsenic even at low concentrations forms a long term risk to human health due to the carcinogenic properties of arsenic. Various removal techniques for arsenic are well known and applied at large scale like flocculation after dosage of iron salts or fixed bed adsorption on Granular Ferric Hydroxide or Activated Alumina. Due to their costs and their technical requirements, these processes are not suitable in rural areas of developing countries. A novel treatment process appropriate for the application in developing countries with arsenic contaminated drinking water like Chile or Bangladesh will be presented. The basic idea of this process is the formation of iron hydroxide by corrosion of metallic iron. Iron hydroxide is well known for its high adsorptive capacity for arsenic in solution. The iron hydroxides form a protective layer of rust on the metal surface and at the same time arsenic carrying particles the bulk water. These particles have to be removed by sand filtration. The natural oxygen induced corrosion can be enhanced by electrochemical effects like galvanic corrosion or the application of voltage. In the framework of a German-Chilean cooperation project, experiments at laboratory scale were made in Berlin for detailed investigation and quantification of the effects. Field tests were made in Antofagasta (Chile) with raw water naturally containing high concentrations of arsenic. The reactor was filled with iron wool, iron filings and similar materials. The results proved that naturally occurring corrosion of iron can be used for the removal of arsenic from drinking water. As the corrosion rate and the obtained loads lay below the expected values, reactor volumes have to be dimensioned adequately. A multi stage treatment and additional aeration might be necessary. Intensifying the corrosion with the methods mentioned above lead to the desired results with respect to arsenic removal but caused unwanted effects like the release of copper in the case of galvanic corrosion or the formation of hydrogen when voltage was applied. Before this process can be applied for drinking water treatment, additional testing and optimisation is necessary.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-9660
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1363
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1066
Exam Date: 8-Apr-2005
Issue Date: 26-May-2005
Date Available: 26-May-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Adsorption
Arsen
Chile
Eisenhydroxid
Filtration
Korrosion
Rost
Trinkwasseraufbereitung
Adsorption
Arsenic
Chile
Corrosion
Drinking water treatment
Ferric hydroxide
Filtration
Rust
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