In ariden Gebieten tritt Schwefelwasserstoff häufig im Grundwasser auf, wodurch dessen Nutzung für die Trinkwassergewinnung aufgrund des störenden Geruchs und Geschmacks stark beeinträchtigt wird. Die in der Praxis oft eingesetzte Belüftung erweist sich zumeist als ineffizient und führt zu Geruchsbelästigungen in der Umgebungsluft. Das Ziel der Arbeit, die im Rahmen eines deutsch-israelischen Forschungsprojekts angefertigt wurde, bestand darin, einen wirksamen und für den praktischen Einsatz bei der Wasseraufbereitung geeigneten Katalysator zur Entfernung von Schwefelwasserstoff zu entwickeln, hinsichtlich verschiedener Verfahrensparameter und relevanter Randbedingungen durch systematische Batch- und Säulenversuche zu erproben und zu optimieren. Wichtige Kriterien zur Charakterisierung der Katalysatoren waren die Kinetik des Sulfidumsatzes, die Langzeitstabilität und die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte. Die Nachahmung natürlich vorkommender Strukturen (z. B. Häm-Gruppe) und deren Anpassung an eine katalytische Sulfidoxidation war der Grundgedanke am Anfang der Arbeit. Entsprechende Materialien, organische Metallkomplexe (Porphyrine) auf Kohlenstoffträgern (Acetylen Black), wurden bereits erfolgreich bei der Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen eingesetzt. Cobalttetraphenylporphyrin (CoTPP) zeigte von allen getesteten Materialien die beste katalytische Wirksamkeit zur Sulfidoxidation. Die Sulfidumsetzung lief sowohl bei höheren pH-Werten als auch mit zunehmender Temperatur schneller ab. Anhand von Untersuchungen zum Einfluss des pH-Werts konnte bestätigt werden, dass eine katalytische Wirksamkeit nur für die Oxidation der Sulfid-Spezies HS- und S2- besteht. Mit Aktivkohle konnte ebenfalls eine katalytische Sulfidumsetzung erzielt werden, jedoch lag die Aktivität hier im Vergleich zum CoTPP deutlich niedriger. Bei allen getesteten katalytisch wirksamen Materialien entstand als vorrangiges Reaktionsprodukt Schwefel, gebildete Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen wie Sulfat und Thiosulfat waren von untergeordneter Bedeutung. Die Untersuchungen zeigten, dass Acetylen Black aufgrund der sehr geringen Teilchengröße technisch kaum einsetzbar ist, weshalb weitere Trägermaterialien erprobt wurden. Im Gegensatz zu Aktivkohle oder Anthrazit erwiesen sich Weichfilze, insbesondere der Sigratherm Kohlenstoff-Weichfilz (KFA-Filz), als sehr gut geeignete Trägermaterialien. Beim Einsatz von Aktivkohle lagerte sich der gebildete Schwefel in den Porenräumen ab, was zu einer erheblichen Verringerung der katalytischen Aktivität führte. Dagegen wurde unter Verwendung des modifizierten Filzmaterials auch bei sehr langen Laufzeiten (bis 3000 Stunden) keine Abnahme der katalytischen Wirksamkeit beobachtet. Durch diese Katalysatormatrix konnte somit die Deaktivierung des Katalysators durch elementaren Schwefel verhindert werden. Bei abschließenden Versuchen unter Verwendung einer kleintechnischen Versuchsanlage konnte gezeigt werden, dass der Katalysator für den großtechnischen Einsatz geeignet ist. Im Vergleich zur Aktivkohle sind zwar größere Investitionskosten notwendig, andererseits können mit dem CoTPP-Material deutlich längere Laufzeiten realisiert werden. Aufgrund seiner guten technischen Handhabbarkeit ist der modifizierte KFA-Filz sowohl in kleinen dezentralen Anlagen (ländliche Siedlungen) als auch in größeren Wasserwerken einsetzbar. Zusätzliche Chemikalien sind für den Betrieb eines solchen Filters nicht erforderlich. Eine weitere Verbesserung der Sulfidentfernung wird bei langen Filterlaufzeiten durch sulfidoxidierende Bakterien bewirkt. Das Ziel, einen effizienten, technisch einsetzbaren Katalysator zur oxidativen Sulfidentfernung aus Wässern zu entwickeln, wurde somit erreicht. / Hydrogen sulfide often occurs in groundwater of arid areas. Because of its malodour, H2S containing water cannot be used as drinking water without treatment. Aeration as the most common treatment technique is less effective and leads to nasty odour of ambient air. Catalytic oxidation could be an alternative. The aim of this work was to develop and to optimize a technically applicable oxidation catalyst as well as to test its applicability under practical conditions. Various N4-chelates (e. g. porphyrins), which are frequently used for the reduction of oxygen in fuel cells, were evaluated for catalytic oxidation of sulfide at selected boundary conditions and process parameters using batch and column experiments. The new catalysts should be characterized in comparison with other materials. The oxidation kinetics, the long-time stability of the catalyst and the composition of oxidation products were the main criteria used for catalyst assessment. Cobalt tetraphenylporphyrin (CoTPP) showed the highest catalytic activity of all tested materials. The rate of sulfide transformation increased significantly with increasing temperature and at pH values higher than 6. A catalyst suitable for technical use in fixed-bed reactors was obtained by coating of a supporting material (carbon felt KFA) with the active substance. For all investigated materials, sulfur was found to be the main reaction product of the sulfide oxidation. In contrast to activated carbon, which showed catalytic activity for sulfide oxidation too, modified KFA felt materials were not blocked and deactivated by formed sulfur, even after long-term use. The new catalyst is well qualified for a stable oxidation of sulfide in water. In comparison to activated carbon, higher investment costs are required, but the carbon felt supported porphyrin has a significant longer lifetime. Because of its easy use, modified KFA felt is applicable both in small local plants and in large waterworks. There is no necessity to add chemicals or to install complex control equipment. As a positive side-effect, further improvement of sulfide elimination caused by sulfide-oxidizing bacteria was found during long filter run times.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:23632 |
| Date | 28 January 2009 |
| Creators | Donner, Jan |
| Contributors | Worch, Eckhard, Uhl, Wolfgang, Calmano, Wolfgang |
| Publisher | Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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