C. L. McCallum, T. J. Bandosz, S. C. McGrother, E. A. Müller, and K. E. Gubbins, „A Molecular Model for Adsorption of Water on Activated Carbon: Comparison of Simulation and Experiment„. Langmuir 1999, 15, 533 – 544
Dieser schon etwas ältere Artikel erläutert sehr anschaulich die Modellvorstellungen für die Adsorption von Wasser an Aktivkohle. Bekanntlich ist Kohle eigentlich hydrophob – also wasserabweisend – aber ab einer bestimmten relativen Luftfeuchte, oft um 65%, kommt es zu einer schlagartigen Aufnahme von Wasser in die Poren. Die Adsorptionskapazität für sonstige Verbindungen verringert sich dann entsprechend, weil die Poren mit Wasser blockiert sind.
Drei Faktoren beeinflussen die Adsorption und/oder Kondensation von Wasser an Aktivkohle:
1. Die Oberflächenbeschaffenheit – wie viele sauerstoffhaltige Zentren sind pro nm² vorhanden?
2. Der Durchmesser der Poren
3. Die Regelmäßigkeit der Poren – sind die aktiven Zentren gleichmäßig verteilt oder statistisch, also in „Häufchen“ oder „Galaxien“?
Vergleicht man die Adsorption von Wasser mit der von Stickstoff oder Kohlendioxid, so hat die Bindung von Wasser zu Wasser eine höhere Enthalpie als die von Wasser zu einem Bindungszentrum an der Oberfläche. Bei den sog. „einfachen Fluiden“ ist es anderherum.
Das hat zur Folge, dass zunächst – vereinfacht gesprochen – Wasser sich nur an den aktiven Zentren, an denen die Kohle Sauerstofffunktionen trägt, niederlässt. Nicht so bei Stickstoff oder CO2: Dort bilden sich zunächst Monoschichten aus, dann legen sich auf diese Monoschichten weitere Schichten. Bei Wasser dagegen kommt es, je nach Dichte der aktiven Zentren, bei einer Erhöhung des Partialdruckes zu einer kooperativen Adsorption, bei welcher ein Wassermolekül sowohl zu einem aktiven Zentrum als auch zu einem benachbarten Wassermolekül eine Bindung aufbauen kann. Als Folge ist die Adsorptionsenthalpie erhöht und die Steigung der Isotherme höher als bei niedrigen Partialdrücken.
Bei Kohlenstoffoberflächen mit sehr wenigen Zentren neigen die Wassermoleküle dagegen eher dazu, sich an bereits adsorbierte Wassermoleküle anzulagern. Es bilden sich somit Cluster von Wasser aus, bei noch höheren Partialdrücken Nanotröpfchen mit einer Dichte ähnlich der von flüssigem Wasser. Sind die Poren eng, reichen diese Cluster bald bis zur gegenüberliegenden Porenwand, was zur Verstopfung und schlagartig eintretender Kondensation führt.
Welche Kohle zeigt früher Porenkondensation?
Somit kommt es umso früher zu der gefürchteten, schlagartigen Wasseraufnahme bei Aktivkohlen, je hydrophober und engporiger die Kohle ist. Als zusätzlichen Faktor – der nicht in der Publikation erwähnt wurde – ist die Geometrie der Pore zu nennen: Engstellen oder Flaschenhälse in Poren führen zu einer früheren Blockade der Poren, als wenn die Poren bei gleichem Volumen zylinderförmig wären.
Dies alles ist vereinfacht, tatsächlich sind noch weitere mechanistische Komponenten zu beobachten. Die Publikation enthält eine Reihe von Schnappschüssen aus dem verwendeten Simulationsprogramm, welches den Aufbau von Nanotröpfchen und Blockaden zeigt.
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