Eine Berechnungsmethode für Adsorptionsisothermen auf Kohle: Wie gut sind die Ergebnisse?

Im letzten Blogbeitrag „Bücher zum Herunterladen“ habe ich auf das Handbuch der chemischen Eigenschaften von Yaws verwiesen. Es enthält eine Funktion zum Erstellen von Adsorptionsisothermen auf Aktivkohle und mehrere Seiten mit den stoffspezifischen Konstanten A, B, und C. Wie gut stimmen die Daten mit publi­zierten Daten überein?

Wie die Adsorptionsisothermen erstellt wurden

Sie können es selbst nachlesen, aber hier ist in Kürze das Verfahren: Die Literatur wurde nach Adsorptionsdaten flüchtiger Verbindungen auf Aktivkohle durchsucht und die Daten zusammengestellt. Ob auch verschiedene Publikationen zu ein und demselben Stoff berücksichtigt wurden, wird nicht erwähnt. Die Adsorptions­isothermen wurden in eine identische mathematische Form gebracht und die drei Konstanten ermittelt. Die Gleichung hat die Form

log₁₀Q = A + B * (log₁₀y)² + C * (log₁₀y)²

Q = Gleichgewichtsbeladung auf der Aktivkohle in Gew-%
y = Konzentration in der Gasphase bei 1 atm und 25 °C, in ppmv

Somit basieren diese Funktionen auf tatsächlichen Messungen und sind nicht wirklich errechnet.

Woher können dann Fehler kommen?

1. Aktivkohle ist nicht gleich Aktivkohle. Wenn man auch davon ausgehen kann, dass einige wenige Arten, wie Kokosnusskohle, den Löwenanteil der verwen­deten Sorten ausmachen, unterscheiden sich diese auch bei gleichem Ausgangsmaterial durch das Herstellverfahren. Die Datenquellen werden zwar genannt, jedoch sind es knapp 40 Aufsätze und Handbücher für mehrere hundert Datensätze. Man kann also nicht auf den ersten Blick erkennen, wo welcher Wert entnommen wurde, man könnte es mit etwas Sitzfleisch jedoch herausfinden.
2. Gemessene Daten wurden in Form gebracht, um eine Funktion für alle betrachteten Stoffe zu liefern. Dort hat man das eine oder andere Mal auf eine besser passende Funktion verzichtet und dafür Fehler in Kauf genommen.
3. Recht unterschiedliche Messungen wurden zusammen ausgewertet (man erkennt das an den stark variierenden Messbereichen). Das geschah natürlich, um ein möglichst universelles Werkzeug zu erzeugen, führt jedoch, bedingt durch die unterschiedlichen Messanordnungen und -bedingungen, zu weniger vergleichbaren Adsorptionsisothermen.

Der Praxistest

Ich habe die Daten umgewandelt (von ppmv auf die häufiger in der Umwelttechnik verwendeten mg/m³) und einige der Isothermenfunktion gezeichnet (Abb. 1):

 

Aus Literatur- und Firmendaten, die mir vorliegen, habe ich dann Datenpunkte für die selben Verbindungen eingetragen. Dies ist genauso willkürlich wie das Vorgehen der Autoren, ich wollte damit jedoch nur zeigen, welche Abweichungen in der Praxis auftreten können: Andere Messbedingungen, andere Aktivkohle.

Die Ergebnisse für einige Kohlenwasserstoffe

Abb. 2 zeigt die Ergebnisse für einige halogenfreie organische Verbindungen.

Dies darf jetzt beileibe nicht so verstanden werden, dass sich Toluol und Schwefelkohlenstoff CS₂ „gut berechnen lassen“ und Benzol und Ethylacetat „schlecht“: Es bedeutet nur, dass in der Literatur stark voneinander abweichende Messungen existieren.

Liegt das daran, dass das Adsorptionsverhalten von Toluol und CS₂ weniger stark von der Art der Aktivkohle abhängt? Keineswegs! Hier wurden nur zwei Messungen aus vielen herausgegriffen, das Kriterium war die leichte Auffindbarkeit in der Literatur, weiter nichts. Man sieht daran eigentlich nur eines: Abweichungen von ± 40% sind durchaus drin. Und: Die Adsorptionsisothermen können eine Form haben, die sich deutlich von der angesetzten mathematischen Form unterscheidet (siehe Benzol).

Das Ergebnis für einige Halogenkohlenwasserstoffe

Während die Übereinstimmung für Vinylchlorid hier (zufälligerweise?) besonders gut ist, ist die Abweichung bei Methylenchlorid CH₂Cl₂ mehr als 100%, und Chloroform CHCl₃ verhält sich ganz anders als die mathematische Funktion darstellen kann. So anders übrigens, dass ich dieser Messung nicht ohne weiteres vertrauen würde.

Wenn Sie die Original-Exceldatei mit den Plots und den aus der Literatur abgelesenen Daten haben möchten, schreiben Sie mir!