Hysterese bei der Adsorption und Desorption, Teil I

Was ist es?

Vor Hysterese spricht man, wenn ein System, welches zwischen zwei Zuständen pendeln kann, dies nicht auf gleichem Wege tut. Die folgende Abbildung [1] beschreibt ein solches Verhalten bei der Fluidisierung eines Schüttbettes: Der aufsteigende Zweig liegt über dem absteigenden, d. h. während der Druck ansteigt und das Bett gehoben wird, erzeugt die gleiche Leerrohrgeschwindigkeit einen höheren Druckverlust als beim Absenken der Leerrohrgeschwindigkeit.

Das bedeutet, die Richtung, aus der man sich einer Gleichgewichtslage nähert, beeinflusst diese.

In der Adsorptionstechnik bedeutet „Hystereseverhalten“, dass ein beladenes Adsorbens ein anderes Verhältnis von Partialdruck zu Beladung hat, je nachdem, ob man gerade adsorbiert (also den Partialdruck angehoben hat) oder desorbiert (= den Partialdruck gesenkt hat). Das folgende Diagramm zeigt das Hystereseverhalten bei der Adsorption (leere Symbole) und Desorption (gefüllte Symbole) bei der Adsorption von Stickstoff auf Vycor, einen offenporigen Glasschaum [2].

Auswirkungen

Bei zyklischen Prozessen, etwa der Trocknung von Luft mit Silicagel-Trocknern oder der Ad- und Desorption von Lösungsmitteln an Aktivkohle, kann das Vorhandensein einer Hystereseschlaufe die möglichen Randbedingungen für den Prozess extrem beeinflussen. Betrachten wir das Beispiel „Entfeuchtung mit Silicagel“ zuerst.

Silicagel und Wasser

Bei einem Zyklus der Ad- und Desorption von Wasser auf Silicagel würde nach dem ersten Durchgang die Regeneration nicht mehr auf den Ausgangspunkt zurückkehren, wenn nicht mit stärker getrockneter oder erwärmter Luft nachgeholfen würde. Beachtet oder bemerkt man nicht, dass das Adsorbens ein Hystereseverhalten zeigt, hätte man in dem unten abgebildeten Fall etwa ein Drittel der Arbeitskapazität (grün), die man nach der Adsorptionsisotherme allein erwartet hätte (rot).

Aktivkohle und Ethylacetat

Das folgende Beispiel [4] zeigt das Hystereseverhalten bei der Adsorption von VOC auf frischer Aktivkohle (hier eine von BASF). Beim ersten Adsorptionszyklus auf der frisch aktivierten Kohle ist das Hystereseverhalten am stärksten ausgeprägt. Der auf Grund der Adsorptionsisotherme angenommene Arbeitshub beträgt ca. 0,5 mol/kg = 4,65%, tatsächlich findet aber gar keine Desorption bei der Verdünnung statt.

In diesem Fall hält dieser Zustand nicht an, die Aktivkohle ändert mit jedem Zyklus ihr Verhalten, bis sie sich endlich stabilisiert.

Im Januar geht es weiter mit einem Beitrag über die Modellvorstellungen, die das Hysteresverhalten erklären, und praktischen Tipps gegen böse Überraschungen.

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[1] „Flow through Packed and Fluidized Beds.“ R. Shankar Subramanian, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Clarkson University. Manuskript erhalten via Researchgate.

[2] Naumov, S. (2009). Hysteresis Phenomena in Mesoporous Materials. Leipzig. Erhalten über http://www.uni-leipzig.de/~gfp/sites/default/files/27-dr._sergej_naumov/dissertation.pdf

[3] Pavol Rajniak, R. T. Y. (1993). A simple model and experiments for adsorption-desorption hysteresis: Water vapor on silica gel. AiChE Journal, 39(5), 774–786.

[4] Gales, L., Mendes, A., & Costa, C. (2000). Hysteresis in the cyclic adsorption of acetone, ethanol and ethyl acetate on activated carbon. Carbon, 38(7), 1083–1088.