Felix: Eisenchlorid und die unglaubliche Reise von drei Freunden

Papa, das ist aber ein schöner Stein – so schön rot! Den nehme ich mit nach Hause!
Nicht noch einen, mein Rucksack wird ja immer schwerer!

Bitte den noch! Was ist das überhaupt für ein Stein?
Die rote Farbe deutet darauf hin, dass er Eisen enthält. Hier in der Region könnten es die Eisenkarbonate Siderit oder Ankerit sein. Die Rostschicht an der Oberfläche ist vermutlich Brauneisenstein oder Limonit, ein Eisenhydroxid, das durch die Verwitterung entsteht. Diese Erze wurden übrigens schon in der Römerzeit nicht weit von hier in Hüttenberg abgebaut.

Ah – das ist ja nicht weit von der Donau Chemie, daher macht ihr in Brückl Eisenchlorid!
Siderit wäre leider kein guter Rohstoff für uns. Wir verwenden Eisenmetall, Eisenoxide oder auch eisenhaltige Lösungen. Meist sind dies Nebenprodukte, die wir im Sinne der Kreislaufwirtschaft zu hochwertigen Fällungsmitteln verarbeiten.

Aber wie wird der Eisenstein zu Eisenmetall und dann zu Eisenchlorid?
Ich erzähle dir eine kleine Geschichte: Es waren einmal drei Eisenatome, Rusty, Sid und Anka, die Jahrmillionen im Gestein des Erzbergs verbrachten – bis sie mit einem gewaltigen Knall an die Oberfläche katapultiert wurden. Nach der Erzaufbereitung wurden die drei Freunde mit dem Zug zum Stahlwerk gebracht und in einen riesigen Hochofen gekippt. Dort war es so heiß, dass sich die Freunde von ihren Begleitern verabschieden mussten – den Sauerstoffatomen, den Karbonaten, dem Kalzium oder auch den sauren Silikaten. Durch die Hitze schmolzen die drei Eisenfreunde.

Wie gestern das Eis in der Sonne?
Ja genau, allerdings bei Temperaturen zwischen 1.300 und 1.800°C.

Das wäre mir zu heiß!
Mir auch. Das flüssige Roheisen wurde in einem anderen Topf, dem Konverter durch Verbrennen des Kohlenstoffs zu Stahl verarbeitet. So fanden sich die drei Freunde schließlich in einem Stahlblock wieder. Doch bald hieß es Abschied nehmen: Rusty ging beim Walzen des Stahls verloren, als er sich an der glühenden Oberfläche des Blocks mit Sauerstoff zu Zunder verband. Bei der anschließenden Reinigung, dem Beizen mit Salzsäure, wurde Sid von der Säure mitgenommen. Zurück blieb Anka im Stahlblech.

Ohje die Armen waren sicher traurig!
Sicher, aber die Geschichte geht weiter: Eines Tages landete Anka in einem großen Topf mit einer sauren Flüssigkeit. Das Blechstück löste sich auf und sie fühlte sich plötzlich frei, wie ein Fisch im Wasser. Da erblickte sie Sid und Rusty. Was für eine Freude! Rusty kam mit dem Zunder hierher und Sid wurde mit der Beizsäure hergebracht. Der Topf war Teil der Eisenchloridanlage der Donau Chemie und die Flüssigkeit nannte man…

Eisenchlorid!
Genau! In der Anlage wurden ein paar lästige Begleiter – Schwermetalle, Kohlenstoff und Silikate – entfernt und Chlorgas wandelte das Eisen(II)- in Eisen(III)chlorid um. In einem riesigen Tank feierten sie ihr Wiedersehen.

Da haben sie sicher eine Wiedersehensparty gefeiert!
Aber sicher. Doch schon wenige Stunden später mussten sie das Werk in einem LKW verlassen und landeten in einem Lagertank einer Kläranlage. Kaum waren sie da, wurden sie von einer Pumpe angesaugt, durch einen dünnen Schlauch gedrückt und fielen in ein schmutziges Wasser. Verzweifelt klammerten sie sich aneinander, doch Rusty wurde von einem Phosphation eingefangen, Sid von einem Sulfidion und Anka von Wassermolekülen eingehüllt und bildete ein Eisenhydroxid.

Auweh jetzt sind sie schon wieder voneinander getrennt!
Ja, aber dabei erfüllen sie wichtige Funktionen: Die Fällung des Phosphats, damit die Flüsse nicht zu stark belastet werden und Entfernung von Sulfiden bzw. giftigem Schwefelwasserstoff.

Stimmt – das faule Eier Gas!
So ist es. Das Eisen verbindet sich mit den Sulfiden, wodurch sie nicht ins Faulgas aus der anaeroben Stufe gelangen – eine wichtige Voraussetzung für die nachhaltige Nutzung des Biogases. Damit können Kläranlagen erhebliche Anteile des eigenen Energiebedarfs abdecken. Durch einen geschickten Einsatz der Fällmittel wird nicht nur die Biogasproduktion optimiert, sondern auch die biologische Stufe entlastet. So verbessert man die Energiebilanz und leistet außerdem einen Beitrag zur Verringerung von Treibhausgasemissionen, wie Kohlendioxid aber auch Lachgas.

Warum lacht das Gas?
Lachgas ist Distickstoffmonoxid, es entsteht bei der Nitrifikation und hat ein 298mal höheres Treibhausgaspotential als CO₂. Beim Einatmen kann es tatsächlich Euphorie-Zustände auslösen und damit manche zum Lachen bringen.

Cool – schade, dass es ein Treibhausgas ist, sonst würde die Leute in Zukunft mehr lachen. Hat das Hydroxerid auch eine Funktion?
Natürlich. Eisenhydroxide tragen unter anderem zu einer verbesserten Flockung des Schlamms bei. So sinkt dieser im Nachklärbecken schneller zu Boden – das ist wichtig für eine zuverlässige Trennung des Schlamms vom gereinigten Abwasser.

Warum?
Im Schlamm sind die Mikroorganismen enthalten, die das Abwasser reinigen. Die müssen in der biologischen Stufe erhalten bleiben. Daneben sind im Schlamm die Stoffe enthalten, die nicht in den Fluss gelangen sollen: Nährstoffe wie Phosphor, organische Stoffe, aber auch Schwermetalle. Bei einer guten Flockung landen die fast vollständig im Schlamm.

Auch die bösen Bakterien und Viren?
Ja durchaus. Studien belegen, dass in der biologischen Reinigung auch Krankheitserreger um zumindest eine Log₁₀-Stufe, d.h. zu 90% im Wasser entfernt werden. Für Bakterien sind noch deutlich höhere Entfernungsraten erzielbar. Untersuchungen mit Fällmitteln haben gezeigt, dass sogar bis zu 99,9% der Viren durch Flockung aus dem Wasser entfernt werden können, das wäre eine Log₁₀ Reduktion von bis zu 3. Das können alle Eisenchloride oder Polyaluminiumchloride, wie wir sie etwa produzieren. Teure Spezialprodukte sind dafür also nicht nötig. Es ist dabei aber zu bedenken, dass eine Reduktion mit drei log₁₀ Stufen noch kein keimfreies Abwasser ergibt. Dafür braucht man schon mindestens vier bis sieben log₁₀ Stufen. Dann spricht man allerdings schon von einer Desinfektion. Dazu wären Produkte nötig, die als Biozide eingestuft und auch entsprechend registriert sind. Diese Art von Produkten – etwa Hypochlorit oder Chlorgas – stellen wir ebenso her. Eine Desinfektion des Abwassers ist eher unüblich und in den meisten Fällen auch nicht gerechtfertigt – bei Trinkwasser und Schwimmbadwasser aber schon.

Was passiert dann mit den Viren in der Kläranlage?
Die Fällmittel zerstören die Viren nicht, sie binden sie an die Schlammflocke.

Dann treffen sich ja alle wieder im Schlamm?
Ja genau. So war es auch. Die drei Freunde feierten im Faulturm ein Wiedersehen. Nach der Schlammentwässerung gingen sie noch einmal auf Reisen. Diese führte sie zur thermischen Behandlung. Dort wurde es wieder richtig heiß, viele der Schadstoffe – auch die Viren und Mikroverunreinigungen – wurden dabei zerstört und die drei Eisenfreunde landeten als Oxide und Phosphate in der Asche.

Und wie ging es dann weiter?
Irgendwann wird jemand kommen, die Asche aufbereiten und die darin enthaltenen Wertstoffe herausholen und zu neuen Produkten verarbeiten. Und dann begeben sich Rusty, Sid und Anka wieder auf die Reise – aber das ist eine andere Geschichte.
 

Literatur

Coagulation and Flocculation in Water and Wastewater Treatment. (n.d.). Retrieved 10 9, 2020, from IWA Publishing: https://www.iwapublishing.com/news/coagulation-and-flocculation-water-and-wastewater-treatment
Oakley, S., & Mihelcic, J. (2019). Pathogen Reduction and Survival in Complete Treatment Works. Global Water Pathogen Project.
Rahmberg, M. (2020). LCA of different WWTP process. ivl - Swedish Environmental Research Institute.