Economic feasibility of additive manufactured natural zeolite filters for micropollutant adsorption

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 630.09.20

Schlüsselwörter (Deutsch)

Abwasser, Mikroverunreinigungen, Zeolith, Zeolithfilter, Alumosilikat

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Um Mikroverunreinigungen aus dem Abwasser zu entfernen — so wie es die revidierte Gewässerschutzverordnung vorschreibt, gibt es zwei gängige Verfahren: die Ozonierung und die Adsorption an Aktivkohle. Beide Verfahren sind zwar effizient, bezüglich Ausgangsmaterialien und Energieverbrauch aber nicht besonders nachhaltig. Als Alternative hat die SUPSI in einem Innosuisseprojekt (Nr.: 27180.1 PFIW.IW) ein Filtermaterial entwickelt, das aus einem Trägermaterial besteht, das mit Zeolith ummantelt/ beschichtet wird. Zeolith ist ein natürliches Produkt (Alumosilikat), das in grossen Mengen vorhanden und im Handel für verschiedene Anwendungen erhältlich ist. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Filter thermisch zu regenerieren. Im Innosuisse-Projekt wurde die technische Machbarkeit aufgezeigt, die Adsorptionsleistungen im Labor waren vielversprechend und konnten durch eine Oberflächenbehandlung sogar noch erhöht werden.
In einem nächsten Schritt geht es nun darum, aufgrund der Adsorptionskinetik von verschiedenen Filtertypen die Schlüsselparameter für den Aufbau und die Dimensionierung des Filters zu bestimmen und die Erstellungskosten zu verringern. Auf dieser Grundlage können die Rahmenbedingungen für die industrielle Produktion und damit der Business case beschrieben und ein Industriepartner gesucht werden.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1 Die Adsorptionkinetik ist für die 12 Referenzsubstanzen gemäss Gewässerschutzgesetz für die Filter aus dem Vorgängerprojekt ermittelt. Die Optimierungspotentiale bezüglich alternativen Zeolith-Typen, Materialien für die sekundäre Adsorption und die Oberflächenbehandlung sind identifiziert und beschrieben. MS1
2 Die Eliminierungsleistung der verschiedenen Optimierungsvarianten ist anhand ihrer Adsorptionskinetik bestimmt. Die Betriebsparameter für die Regeneration des Filters sind festgelegt.
3 Die Produktionsschritte sind festgelegt. Auf dieser Basis ist die Wirtschaftlichkeit berechnet und die Möglichkeit der Produktion bei einem Schweizer KMU abgeklärt.
3 Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 3.1 bis 3.4 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
4 Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
5 Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Projektziele (Deutsch)

Material, Dimensionierung und weitere Behandlungsschritte wie Oberflächenbehandlung und kombinierte Adsorption mit Aktivkohle, sowie die Betriebsparameter für die Regeneration sind für den Prototyp des Zeolithfilters definiert. Die Eliminationsleistung ist vergleichbar mit Verfahren, die Aktivkohle verwenden. Der Produktionsprozess ist so gestaltet, dass er auch in der Schweiz wirtschaftlich ist.

Beschreibung der Resultate (Englisch)

The adsorption of twelve water protection ordinance relevant micropollutants onto an engineered natural zeolite filter was carried out and investigated. A customized flow-through test device operating at 25 ml/min was used for the adsorption measurements after 15 min, 30 min, 45 min, 60 min and 75 min. The adsorption equilibrium concentration was investigated with varying the average micropollutant concentration of the initial mixture from 1 µg/L, 5 µg/L and 10 µg/L. The elimination performance of the natural zeolite filter on the twelve tested substances was between 27% and 33%. Surface modification showed a performance of 25% to 32%, but showing a substantial different adsorption plot of the twelve single substances. The majority of the substances was reaching the adsorption equilibrium between 10 and 15 min. The regeneration parameters applied were 4h at 400°C in a muffle furnace. The combination of the zeolite filter with powdered activated carbon (PAC) increased the capacity to 73% with natural zeolite filters and to a reduced performance of 45% in combination with surface modified zeolite. An adsorption reduction is most likely due to desorbing or washing-off effects of the cetylpyridinium chloride from the surface modified zeolite filter surface and negative interaction with the PAC surface. The reference process was the granulated activated carbon filtration, and a preliminary economic study showed that a pure zeolite filtration is nowadays not competitive, due to no local industrial manufacturing partner and expected high costs in the filter development.

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

The investigations have shown the potential and limitations of natural zeolite for the adsorption of micropollutants in wastewater. Despite the lower adsorption capacity of zeolite, an added value could be generated, especially in combination with existing technologies. In our opinion, however, this should be combined with other positive properties (such as the adsorption capacity of zeolites for ammonium). 

At this stage, we consider zeolite filters to be an exciting solution, but not competitive with existing technologies, especially activated carbon adsorption.

Weiteres Vorgehen (Englisch)

We will investigate the influence of biofilm systems on our filters on their adsorption performance within the framework of an ongoing doctoral thesis, which deals with the adsorption of micropollutant substances on zeolite. Currently, there are no plans to commercialize the results. However, the academic work will continue.