Prozessmodellierung und Schlammcharakterisierung der Elektrokoagulation zur Entfernung von Öl-in-Wasser-Emulsionen und Calcium aus Abwässern von Raffinerien

Warum die Reinigung von Raffinerieabwässern wichtig ist

Moderne Erdölraffinerien verwandeln Rohöl in die Kraftstoffe und Schmierstoffe, auf die wir täglich angewiesen sind, erzeugen dabei jedoch große Mengen verschmutzten Wassers, das mit Öltropfen und gelösten Mineralien wie Calcium belastet ist. Wird dieses Wasser nicht richtig gereinigt, kann es Anlagen verschmutzen, wertvolle Wasserressourcen verschwenden und Flüsse sowie Meere belasten. Diese Studie untersucht ein vielversprechendes elektrisches Behandlungsverfahren, das zwei Hauptprobleme gleichzeitig angehen kann – Ölverschmutzung und Härtebildner – und dabei Energieverbrauch und Kosten im Blick behält.

Ein elektrischer Weg, Schmutz im Wasser zu binden

Die Forschenden konzentrierten sich auf ein Verfahren namens Elektrokoagulation, bei dem Metallplatten in einem Reaktor an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden. Wenn Strom durch das Wasser fließt, lösen sich winzige Mengen Aluminium von einer Platte und reagieren mit dem Wasser zu flockigen, klebrigen Partikeln. Diese Partikel können Öltropfen und gelöste Calciumionen an sich binden und zu größeren Aggregaten verklumpen, die entweder als Schaum an die Oberfläche schwimmen oder als Schlamm absinken. Im Gegensatz zu herkömmlichen chemischen Behandlungen erzeugt diese Methode ihre „Reinigungschemikalien“ aus den Metallplatten selbst, wodurch der Bedarf an externen Reagenzien reduziert wird.

Das beste Rezept für saubereres Wasser entwickeln

Die Reinigungsleistung hängt von vielen Stellschrauben ab, die Ingenieure verstellen können: wie lange der Strom angelegt wird, wie stark dieser Strom ist, wie salzig das Wasser ist, wie sauer oder basisch es ist und wie viel Öl und Calcium es enthält. Statt durch Versuch und Irrtum ging das Team mit einem strukturierten statistischen Ansatz vor, um diesen mehrdimensionalen Raum zu untersuchen. Sie stellten synthetisches Raffinerieabwasser mit kontrollierten Mengen an Schmieröl und Calciumsalzen her und variierten systematisch sechs Schlüsselbedingungen: Behandlungszeit, pH-Wert, Stromdichte, Salzgehalt (Natriumchlorid) sowie Ausgangskonzentrationen von Öl und Calcium. Spezialisierte Software half ihnen, 84 Experimente zu planen und mathematische Modelle zu erstellen, die diese Eingangsgrößen mit der Entfernung von Öl und Calcium sowie dem Energieverbrauch und den Betriebskosten in Beziehung setzen.

Was Experimente und Modelle zeigten

Die Analyse ergab, dass die Behandlungszeit der wichtigste Faktor für die Entfernung sowohl von Öl als auch von Calcium war: Mehr Zeit gab den aluminiumbasierten Flocken generell mehr Gelegenheit, sich zu bilden und Schadstoffe einzufangen. Stromdichte und Salzgehalt spielten ebenfalls starke Rollen, wirkten jedoch auf komplexere Weise. Höhere Ströme halfen, sobald genügend Zeit verstrichen war, und verbesserten die Entfernung durch die Bildung von mehr Flocken und Gasblasen; bei kurzen Zeiten konnten sie jedoch die Flockenbildung stören. Moderate Mengen an Calcium und Salz verbesserten die elektrische Leitfähigkeit, zu viel führte dagegen zur Bildung harter Mineralschichten an den Elektroden und zu unerwünschten Nebenreaktionen, die Aluminium verschwendeten und die Effizienz minderten. Auch der pH-Wert war wichtig: leicht alkalische Bedingungen um pH 9 begünstigten die Bildung von Aluminiumspezies, die besonders wirksam beim Aufbrechen von Öl-Emulsionen und beim Binden von Calcium sind.

Ein Sweet Spot für Leistung und Kosten finden

Durch die Kombination der experimentellen Daten mit Response-Surface-Modellierung identifizierte das Team einen Betriebspunkt, der Entfernung von Öl, Entfernung von Calcium und Kosten zugleich optimiert. Unter diesen Bedingungen – pH 9, eine mäßig bis hohe Stromdichte, bestimmte Anfangsgehalte an Öl und Calcium, moderat zugefügtes Salz und eine Behandlungszeit von etwa anderthalb Stunden – entfernte das System über 91 Prozent des Öls und nahezu 73 Prozent des Calciums. Gleichzeitig wurden etwa 12 Kilowattstunden Strom pro Kubikmeter Wasser verbraucht und die Gesamtkosten des Betriebs lagen bei etwa 0,21 US-Dollar pro Kubikmeter, was unter manchen früheren Elektrokoagulationsstudien liegt. Computersimulationen mit COMSOL-Software bestätigten, dass bei diesen Einstellungen das elektrische Feld im zylindrischen Reaktor gleichmäßiger verteilt ist, wodurch Reaktionen effizient im gesamten Wasserraum ablaufen können.

Was mit den aufgefangenen Abfällen passiert

Nach der Behandlung treten die gebundenen Schadstoffe als Mischung aus Schlamm und aufschwimmendem Schaum auf. Die Autorinnen und Autoren untersuchten dieses Material mittels Infrarotspektroskopie, Röntgen-Elementaranalyse und Elektronenmikroskopie. Sie fanden, dass es Aluminiumhydroxidstrukturen zusammen mit kohlenstoffhaltigen Ölbestandteilen sowie Calcium- und Natriumsalzen enthielt und poröse, unregelmäßige Partikel mit großer Oberfläche bildete. Diese Eigenschaften deuten darauf hin, dass der Schlamm wiederverwendet werden könnte, statt einfach entsorgt zu werden – zum Beispiel als Bodenverbesserungsmittel, wo sein Mineralgehalt die Bodeneigenschaften verbessern könnte, oder als Quelle für Aluminium, das zurückgewonnen und in neue Behandlungsmittel recycelt werden könnte.

Saubereres Wasser mit einem einfacheren System

Insgesamt zeigt die Studie, dass ein vergleichsweise einfacher Elektrokoagulationsreaktor, betrieben mit moderaten elektrischen Strömen und unter Verwendung leicht verfügbarer Aluminiumelektroden, gleichzeitig emulgiertes Öl und Calcium aus Raffinerieabwässern zu wettbewerbsfähigen Kosten entfernen kann. Durch sorgfältiges Abstimmen der Betriebsbedingungen und das Untermauern der Experimente mit statistischer Modellierung und Computersimulation zeigen die Autorinnen und Autoren, dass diese Technologie stark belastetes Industrieabwasser in einen deutlich saubereren Ablauf verwandeln kann, während ein handhabbarer Schlamm entsteht, der sogar Sekundärnutzungen erlaubt. Für Gemeinden und Industrien, die unter Wasserknappheit leiden und strenge Einleitgrenzwerte einhalten müssen, bietet eine derartig optimierte elektrische Behandlung einen praktischen Weg zu sichererem und nachhaltigerem Wassermanagement.

Zitation: Mohamed, Y.E., El-Gayar, D.A., Amin, N.K. et al. Process modeling and sludge characterization of electrocoagulation for the removal of oil-in-water emulsions and calcium from petroleum refinery wastewater. Sci Rep 16, 7954 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37854-8

Schlüsselwörter: Abwasser aus Erdölraffinerien, Elektrokoagulation, Öl-in-Wasser-Emulsion, Enthärtung / Entfernung von Calcium, Optimierung der Abwasserbehandlung