Zwar gibt es anorganische Substanzen, die brennen, aber Silikatmineralien – auch Zeolithe – gehören typischerweise nicht dazu. Das heißt aber nicht, dass sie, mit bis zu 20% organischen Verbindungen beladen, nicht trotzdem thermisch durchgehen können. – Heute wollte ich Ihnen zeigen, was aus den Zeolithen nach einem solchen Adsorberbrand wird.
Hydrophober Zeolith Y nach Thermal Runaway © Dr. Claudia Arnold
Die Abbildung zeigt einen hydrophoben Zeolithen Y, wie er typischerweise für die Abluftreinigung zur Adsorption von Lösungsmitteln eingesetzt wird. Der Adsorber war im teildesorbierten Zustand thermisch durchgegangen – aus verschiedenen Gründen – und hatte Temperaturen von annähernd 1.000 °C erreicht. Hier eine Nahansicht der miteinander verklebten Perlen:
Zeolith Y nach Brandereignis – Detail. © Dr. Claudia Arnold
Man beachte das Aufplatzen und Abschuppen der ursprünglich sehr glatten, festen Pellets. Außerdem scheinen die Pellets unter ihrer weißen Oberfläche schwarz zu sein. Der Eindruck täuscht nicht, wie einige Aufnahmen mit dem Mikroskop zeigen. Das oberste Korn wurde aufgekratzt, um das Innere zu zeigen. Bei 10-facher…
Zeolith Y nach Adsorberbrand, 10-fach vergrößert. © Dr. Claudia Arnold
… und bei 60-facher Vergrößerung:
Einzelnes Korn Zeolith Y nach Brandfall. © Dr. Claudia Arnold
Die Körner enthalten eine charakteristische, kugelschalenförmige Zone von Kohlenstoff. Dort sind die organischen Beladungen im Sauerstoffunterschuss verbrannt und haben die Lage Koks zurückgelassen. Noch tiefer im Inneren kam es nicht zur Oxidation. Die Außenhaut des Korns dagegen, in welcher mehr Sauerstoff zur Verfügung stand, ist freigebrannt und wieder „schön“ weiß. Die Kugelschale von Koks in jeder Zeolithperle ist eine direkte Folge davon, dass die Diffusion von Sauerstoff ins Innere des Korns nicht so schnell stattfindet wie die Oxidation es erfordert.
Zudem hat die Überhitzung die Bindung der Pellets zerstört: Das Korn habe ich mit dem Fingernagel aufgekratzt.
Fouling
Wenn Zeolithe im Regelbetrieb nach und nach verkoken, bietet sich dagegen ein ganz anderes Bild. Das unten abgebildete Material – ebenfalls ein Zeolith Y – wurde nach über 10 Jahren ausgetauscht, weil die Adsorptionskapazität nicht mehr ausreichte. Ursprünglich war das Material strahlend weiß. Ablagerungen verkokter organischer Verbindungen führten zu einer bräunlichen Verfärbung.
Zeolith Y (Wessalith der Deagussa AG) nach 10 Jahren Betrieb. © Dr. Claudia Arnold
Auch hier handelt es sich um, allerdings langsame, Oxidationsreaktionen. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige Färbung, und keine Anzeichen von Kornzerstörung sind erkennbar:
Zeolith Y gealtert, verkokt, © Dr. Claudia Arnold
Nach dem Anschleifen (dazu war Sandpapier erforderlich) zeigt sich, dass das Korn gleichmäßig durchgefärbt ist: Eine verkokte Zone fehlt, es stand stets genug Sauerstoff zur Verfügung, es gab kein thermisches Durchgehen.
Zeolith Y, durchgängiges Fouling, © Dr. Claudia Arnold
Dieses Phänomen wird als „Fouling“ bezeichnet und ist umso ausgeprägter, je unvollständiger die Desorption und je höher die Regenerationstemperatur ist.
Hohe Wärmeleistung
In dem oben gezeigten Brandfall genügte übrigens die Temperatur, um Metall zu schmelzen. In die Schüttung war ein Stahlgitter eingelegt, welches vollständig verzundert und teilweise auch geschmolzen ist.
Zeolith Y und Z mit verzundertem Metallgitter. © Dr. Claudia Arnold
Im Detail:
Detail: Zeolith Y und Z, mit Metall verschmolzen. (c) Dr. Claudia Arnold
Es ist zunächst anti-intuitiv, dass ein System, welches bei gleichmäßiger Oxidation höchstens Sauerstoff genug für etwa 10 °C Erwärmung hat, solche Zerstörungen verursachen kann. Ein Grund dafür liegt in der schlechten Wärmeleitung der Zeolithschüttung, welche bewirkt, dass einmal erzeugte Wärme lokal gebunden bleibt und die Oxidationsreaktion weiter antreibt: Die Sauerstoffdiffusion ist schneller als die Wärmeleitung. Ein solches Phänomen nennt man einen Hotspot.
Author: Dr. Claudia Arnold
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