05. November 2014, Hotel Mövenpick in Regensdorf ZH

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1 05. November 2014, Hotel Mövenpick in Regensdorf ZH Kieselgur in der Anschwemmfiltration: Herstellung, Anwendungen und neue Erkenntnisse Dr. Jürgen Ebert Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, ZHAW Institut für Chemie und Biologische Chemie, ICBC

2 Übersicht - Filtration Definition Historischer Rückblick Badewasseraufbereitung - Kieselgur und andere Filterhilfsmittel - Charakterisierung und Eigenschaften Partikelgrösse, Oberflächenladung - Gefahrenkennzeichnung CLP/GHS/REACH - Aktuelle Informationen (SUVA, Hersteller,...) - Zusammenfassung

3 Definitionen Filtration ist eine mechanische oder physikalische Methode, um feste von flüssigen Bestandteilen zu trennen. Zweck der Filtration ist im einfachsten Fall das Reinigen einer Flüssigkeit (Klären), oder die Gewinnung eines abgetrennten Wertstoffes (Trennen). Der Begriff wird auch eingesetzt, um biologische Prozesse, besonders in der Abwasserreinigung, zu beschreiben, bei denen unerwünschte Substanzen durch Biofilme oder Filtermedien/Filterhilfsmittel entfernt werden.

4 Quelle: Grotte Chauvet (Département Ardèche) v.chr.

5 Historischer Rückblick Filtertücher Von alters her hat man mit Hilfe eines Filztuches Flüssigkeiten filtriert. Das Wort Filtration leitet sich von diesem Prozess durch Filz laufen lassen ab.

6 Jeder Tropfen Volvic wird durch dicke Schichten von Puzzolan (Vulkanasche), Andesit (Vulkangestein) und Basalt gefiltert. Dieser natürliche Filtrationsprozess findet seit über Jahren statt immer wieder, aber mit ganz geringer Geschwindigkeit. Durch 6 vulkanische Gesteinsschichten filtriert... erhält Volvic seine spezifische Mineralisierung und so seinen frischen Geschmack.

7 Historischer Rückblick - Bodenfilter Die Anwendung der Filtration durch Bodensubstrate für die Reinigung häuslicher und gewerblicher Abwässer, ohne Einsatz von Nutzpflanzen, geht nach Darlegungen von Dunbar auf Versuche zurück, die der Brite Sir Edward Frankland 1868 in England mit Lehm-, Sand und Kiesböden durchgeführt hat. Frankland arbeitete mit vertikaler Filtration und intermittierender Beschickung. Er fand, dass das aus den Bodensäulen abfließende Wasser klar, farblos, geruchlos und nitrathaltig war, und man somit Abwasser dauerhaft gründlich reinigen kann.

8 Historischer Rückblick - Bodenfilter Diese experimentellen Feststellungen wurden ab 1886 in den USA in Laurence/Massachusetts wieder aufgegriffen. Die Erkenntnisse Sir Frankland s wurden bestätigt. Bereits 1891 erschienen Regeln für Bodenkennwerte, Filterbelastung und die Konstruktion von Filteranlagen.

9 Filtration bei der Badewasseraufbereitung - Ein- oder Mehrschichtfilter Insbesondere in der Wasseraufbereitung (Schwimmbäder, Trink- und Abwasser) kommen Sand-/Kiesfilter in Form von Einschicht- oder Mehrschichtfiltern zum Einsatz. Das Filtermaterial bei Einschichtfiltern besteht aus gleichartigem Filtermaterial, möglichst einer engen Korngruppe. Verbreitet sind Filterbetten aus Quarzsand über einer Stützschicht aus Filterkies, z.t. kombiniert mit Aktivkohle.

10 Filtration bei der Badewasseraufbereitung - Therapiebad SAZ Burgdorf, Mehrschichtfilter

11 Filtration bei der Badewasseraufbereitung - Ultrafiltration Die Ultrafiltrationsmodule der Aufbereitungsanlage bestehen aus mehreren tausend Hohlfasern/Kapillarmembranen, die geordnet in einem Kunststoff- Druckrohr untergebracht sind. Die Ultrafiltrationsmodule sind parallel in Straßen angeordnet. DJK Sportbad Münster, D Fertigstellung 2009

12 Filtration bei der Badewasseraufbereitung - Anschwemmfiltration Die Filtration erfolgt durch eine wenige Millimeter dicke Schicht aus Kieselgur, Perlite oder Cellulose, die durch die Wasserströmung z. B. auf eine mit Gewebe bezogene Filterkerze oder Filterplatte angeschwemmt wurde.

13 Filtration bei der Badewasseraufbereitung - Anschwemmfiltration Bei der Druckvariante wird in geschlossenen Stahlbehältern das Wasser durch die Filtrationsschicht gedrückt. Schwimmbad Weierwise 9500 Wil / SG

14 Filtration bei der Badewasseraufbereitung - Anschwemmfiltration Bei der Saugvariante wird das Wasser in offenen oder geschlossenen Behältern aus Stahl oder Kunststoff durch die Filtrationsschicht gesaugt. Glattal Freibad Dornhan- Bettenhausen, D Bauzeit

15 Filtration bei der Badewasseraufbereitung - Schwimmbad Weierwise Wil SG Druckanschwemmfilter

16 Filtration bei der Badewasseraufbereitung - Schwimmba Weierwise Wil SG Druckanschwemmfilter

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18 Beispiele für Anschwemmfilter in der Getränkeindustrie - Bier, Wein, Fruchtsäfte.

19 Beispiele für Anschwemmfilter in der Chemischen, Pharmazeutischen und Biotechnologischen Industrie - Blutplasma, Fermenterbrühen, Wirkstoffe.

20 Filterhilfsmittel

21 Filterhilfsmittel Asbest Im Jahre 1891 begann die Maschinenfabrik Seitz mit der Produktion und dem Verkauf von Asbestfiltern für die Getränkeindustrie. In der nächsten Entwicklungsstufe war es dann ab 1915 möglich, mit Asbest-Cellulose-Filtern, Wasser, Wein, Bier usw. auf kaltem Wege zu entkeimen. Diese ersten Bakterienfilter wurden zunächst zur Entkeimung grosser Mengen Flüssigkeit verwendet und später auch in der pharmazeutischen Industrie zur Produktion von Seren eingesetzt. Der Einsatz von Asbest-Feinfiltern breitete sich in der internationalen Chemie-, Fett-, Öl- und Getränkeindustrie aus. In den achtziger Jahren des vorigen Jahrhunderts wurde nach Bekanntwerden der Gesundheitsgefahren von Asbest und dem Verbot das Material durch fluxcalcinierte, calcinierte und amorphe Kieselguren sowie Perlite ersetzt.

22 Filterhilfsmittel Kieselgur Kieselgur ist eine weißliche, pulverförmige Substanz, die hauptsächlich aus den Siliciumdioxidschalen fossiler Kieselalgen (Diatomeen) besteht. Die Schalen bestehen zum größten Teil aus amorphem (nicht-kristallinem) Siliciumdioxid (SiO 2 ) und weisen eine sehr poröse Struktur auf. Ein Milliliter reine Kieselgur enthält etwa eine Milliarde Diatomeenschalen und deren Bruchstücke. Gu(h)r ist ein niederdeutscher Volksausdruck mit der Bedeutung feuchte, aus dem Gestein ausgärende Masse. Aus geologischer Sicht ist Kieselgur ein aus fossilem Diatomeenschlamm entstandenes Sedimentgestein.

23 Filterhilfsmittel Kieselgur Tridymit. Süsswasser-Diatomeen (fresh water) aus Mexico Salzwasser-Diatomeen (marine) aus Lompoc CA, USA

24 Filterhilfsmittel Kieselgur

25 Filterhilfsmittel Kieselgur

26 Filterhilfsmittel Kieselgur Kieselgur wird weltweit abgebaut. Grosse Vorkommen findet man in Mexiko, USA, Spanien, Frankreich, China und Japan.

27 Filterhilfsmittel Kieselgur Die Kieselgurschichten sind etwa 20 bis 30 m dick. Diese Lagerstätten wurden über Jahrtausende mit einem Wachstum von 2 cm/jahrhundert gebildet.

28 Filterhilfsmittel Kieselgur Schematische Darstellung des Produktionsprozesses

29 Filterhilfsmittel Kieselgur Quelle: Dr. Stefan Neufeld, JRS, Vortrag SGVC Seminar vom :Technologien zur Mechanischen Fest-Flüssig-Trennung

30 Filterhilfsmittel Kieselgur Je nach thermischer Behandlung erhalt man fluxcalcinierte, calcinierte und amorphe (natürliche) Produkte. natürlich calciniert fluxcalciniert Partikelgrösse < 14 µm Permeabilität < 0.05 darcy Partikelgrösse < 20 µm Permeabilität < 1.00 darcy Partikelgrösse > 20 µm Permeabilität > 1.00 darcy

31 Filterhilfsmittel Rückhaltevermögen / Porengrösse Rückhaltevermögen des Filterkuchens bei der Anschwemmfiltration (mittlere Porengrösse des Kuchens in mikrometer µm) Quelle: Schandelmaier,B, Vortrag an der BRW Weinbauwoche

32 Filterhilfsmittel Permeabilität Der französische Ingenieur Darcy hat als erster eine Gleichung formuliert, mit der man die Strömung durch ein poröses Material beschreiben kann. Er betrachtete dazu die Strömung des Grundwassers durch den Boden. Die Beobachtungen lassen sich aber auch auf die Strömung einer Flüssigkeit durch einen Filterkuchen anwenden. Messprinzip: Es wird die Zeit gemessen, die eine def. Menge Wasser braucht, um bei konstantem Prüfdruck einen vorher gebildeten Filterkuchen zu durchströmen. Auf verschiedenen Datenblättern oder auch älteren Publikationen wird als Masseinheit für die Durchlässigkeit noch Darcy bzw. mdarcy verwendet: 1 Darcy = m 2. 1 Darcy = Die Durchlässigkeit eines porösen Filterkuchens mit einem cm2 Filterfläche und 1 cm Höhe, durch den in 1 s 1 ml einer Flüssigkeit mit der Viskosität 1 mpa*s bei einem Druck von Δp = 1 bar fliesst.

33 Filterhilfsmittel Oberflächenladung Ein PVC-Stab wird mit einem Katzenfell gerieben. Elektrische Ladungen werden dadurch getrennt. Der PVC-Stab ist negativ geladen. Im zweiten Teil wird ein Glasstab mit einem Seidentuch gerieben. Der Glasstab ist positiv geladen. Zum Nachweis dient ein Elektroskop.

34 Filterhilfsmittel Oberflächenladung Die Oberflächenladung von Partikeln - in der Regel quantifiziert als Zetapotential - ist ein wesentlicher Parameter für die Charakterisierung von Mineralien und Filterhilfsmitteln. Permanente Ladung: Es gibt verschiedene Mineralien, die aus Silicaten bestehen und wegen Ihrer chemischen Zusammensetzung eine hohe negative Oberflächenladung aufweisen. Variable Ladung: diese Oberflächenladung ist veränderlich, denn die variable Ladung verändert in Abhängigkeit des vorliegenden ph-werts. Die im Mineral vorkommenden funktionellen Gruppen wie AlOH und FeOH spalten bei hohem ph-wert ein Proton ab, sie werden somit negativ geladen. Bei sehr niedrigem ph-wert nehmen sie jedoch ein Proton auf, ihre Ladung wird dann positiv, was dazu führt, dass Zürcher nun auch Fachhochschule negative Teilchen adsorbiert werden können.

35 Filterhilfsmittel Oberflächenladung - Zetapotentialmessungen mit dem BTG SZP-06

36 Filterhilfsmittel Oberflächenladung

37 Gefahrenanalyse und Einstufung Im Rahmen der Umsetzung von CLP 1 und REACH 2 wurden neue Studien und Gefahrenanalysen zu lungengängigen Kieselgurstäuben durchgeführt. In Abhängigkeit der Anteile an lungengängiger kristalliner Kieselsäure (RCS 3 ) erfolgt aktuell eine Einstufung und Kennzeichnung (gemäss CLP 1 -Verordnung) nach den folgenden Kategorien: Keine Einstufung und Kennzeichnung bei RCS-Anteilen kleiner 1% STOT RE 4 Kategorie 1 bei RCS-Anteilen grösser 10% STOT RE 4 Kategorie 2 bei RCS-Anteilen von 1-10% 1 CLP = Classification, Labelling and Packaging von chemischen Stoffen und Gemischen ( 2 REACH = Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals ( 3 RCS = Respirable Crystalline Silica 4 STOT RE = Specific Target Organ Toxicity Repeated Exposure

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41 * *FFP = filtering face piece

42 Dicalite 4200/4500 Dicalite Trading nv Gent Celite 535/545 Imerys Filtration Minerals Inc.

43 Stellungnahmen der Hersteller / Lieferanten Celite 535

44 Stellungnahmen der Hersteller / Lieferanten Celite 535/545 Imerys Filtration Minerals Inc. Dicalite 4200/4500 Dicalite Trading nv Gent IMPAG AG

45 Stellungnahmen der Hersteller / Lieferanten Dicalite 4200 / 4500

46 Stellungnahmen der Hersteller / Lieferanten Dicalite 4200/ 4500

47 Zusammenfassung Kieselgurfiltration ist ein etabliertes Trennverfahren Kieselgurfiltration findet Anwendung in verschiedenen Bereichen, z.b. in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie in der chemischen und pharmazeutischen Industrie in der Wasser- und Abwasserbehandlung Die in Schwimmbädern verwendeten Kieselguren enthalten weniger als 1% lungengängige kristalline Kieselsäure (Quarz/Cristobalit) Nach der aktuellen Gefahreneinstufung ist Kieselgur nicht als gefährlicher Stoff klassifiziert und muss auch nicht gekennzeichnet werden Bei der Verwendung von Kieselgur sollte eine Staubentwicklung vermieden und ein Atemschutz (Halbmaske FFP3) getragen werden.

48 Danksagung - Herr Daniel Schönenberger, Schwimmbad Weierwise, Wil /SG - Herr David Kalbermatten, Therapiebad SAZ, Burgdorf - Fehlmann Wasseraufbereitung AG, Münchenbuchsee - bafilco ag Schwimmbadtechnik, Winterthur - Herr Oskar Gretler, IMPAG AG, Zürich - Herr Simeon Niederer, LEHVOSS Schneider AG, Winterthur Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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