Adsorbens
Bezogen auf % des Eigengewichtes des Adsorbens (das sind die “% (w/w)”, die oft als Einheit der Beladung verwendet werden), ist Aktivkohle das Adsorptionsmittel mit der höchsten Adsorptionskapazität für flüchtige organische Verbindungen. Es werden Beladungen bis zu 40 % (w/w) von den Herstellern angegeben. Das in der Abbildung erwähnte “Envisorb” (Hersteller: Engelhard Process Chemicals GmbH, heute BASF SE) ist ein Spezialadsorbens, bestehend aus Aktivkohle in einer Silicagel-Matrix. Die Isothermen wurden in verschiedenen Versuchsapparaturen gemessen (eigene Messungen und Herstellerangaben); der Vergleich ist nur als Trend zu bewerten.
Adsorption von Methylenchlorid an drei verschiedenen Adsorbenzien
Auf einer Volumenbasis betrachtet (Molekularsiebe haben eine um 60 – 70% höhere Schüttdichte als Aktivkohle) relativieren sich die Kapazitätsunterschiede jedoch.
Einfluss der Dealuminierung von Zeolithen
Die nicht dealuminierten Molekularsiebe (also die hydrophilen) haben eine ebenfalls eine gewisse Adsorptionskapazität für organische Moleküle, die in der Größenordnung der ihrer dealuminierten Pendants liegen kann. [ 1 ]
Vergleich der Adsorptionsisothermen von n-Hexan unter trockenen Bedingungen und Wasser auf Silicalit und Zeolith X in der Natriumform.
Nicht dealuminierte Zeolithe nehmen zwar bevorzugt Wasser auf, das bedeutet aber nicht, dass sie organische Moleküle nicht ebenfalls adsorbieren. Da man jedoch in der Praxis meistens die normale Luftfeuchtigkeit in der Abluft hat, welche die organischen Moleküle verdrängen würde, kommen zur Abluftreinigung nur hydrophobe Zeolithe zum Einsatz.
Luftfeuchtigkeit
Aktivkohle ist im Grunde hydrophob. Als Faustregel gilt jedoch, dass ab einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % die Porenkondensation einen Umfang annimmt, der den erfolgreichen Einsatz der Kohle als Adsorbens verhindert. Die Adsorption von Wasserdampf an Aktivkohle folgt dem seltenen Isothermentyp V, mit zunächst minimaler Adsorption und dann schnell einsetzender Porenfüllung. [ 2 ]
Beispielhafte Typ-V-Isotherme
Stark dealuminierte Zeolithe können hydrophober sein als Kohle: Bei manchen Typen wurde eine Porenkondensation erst oberhalb von 80 % rel. Feuchte beobachtet. [3]
Mit hydrophilen Zeolithen kann bei normaler Luftfeuchtigkeit hingegen nicht gearbeitet werden, es sei denn zur Lufttrocknung. Taupunkte bis – 70 °C sind theoretisch möglich.
Einfluss der Temperatur
Zwei Isothermen von Butanol an Envisorb B+
Das obere Bild zeigt die Adsorption von Butanol auf einem Kohle-Adsorbens bei zwei verschiedenen Temperaturen. [ 4 ] Man sieht im ersten Teil der Kurven – nahe dem Ursprung – dass wie erwartet eine höhere Temperatur eine niedrigere Adsorptionskapazität zur Folge hat. Weiterhin sieht man hier bei hohen Beladungen sehr deutlich den “Knick” in der Kurve, ab dem eigentlich nur noch Kondensation für die Abreicherung des Adsorptivs aus der Gasphase verantwortlich ist.
Das folgende Bild entstand durch Rückwärtsauslesen einer Isothermenschar, aufgenommen mit Toluol an Envisorb B+: Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtsbeladung, bei konstanter Konzentration in der Gasphase. [ 4 ]
Temperaturabhängigkeit der Adsorption von Toluol an Envisorb B+ bei gleichen Rohgaskonzentrationen (Partialdrücken)
[ 1 ] Die Informationen stammen aus einer Firmenschrift der UOP GmbH. Silicalit ist eine Al-freie Zeolith-Z-Variante
[ 2 ] Einige echte Adsorptionskurven von Wasser an Aktivkohle werden von J. Hose in seiner Diplomarbeit zitiert. Der Abszissenwert 0,65 entspricht 65% relativer Feuchte, bei der schon große Unterschiede zwischen den Aktivkohletypen zu erkennen sind.
Adsorptionsisothermen verschiedener Aktivkohlen für Wasser
Jürgen Hose, Diplomarbeit an der Fachhochschule München, „Vergleich von Chemviron SCII Aktivkohle und Zeolith Typ Linde 13X als Adsorptionsmaterialien in einem CCD Kryostaten“, Onlineversion
[ 3 ] W. Otten, E. Gail, Th. Frey, „Einsatzmöglichkeiten hydrophober Zeolithe in der Adsorptionstechnik“, Chem. Ing. Tech. 64, Nr. 10, 915-25 (1992)
[ 4 ] Labordaten der Engelhard Process Chemicals GmbH