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Was ist Aktivkohle?
Aktivkohle sind industriell hergestellte, problemlos zu handhabende kohlenstoffhaltige Produkte, die eine poröse Struktur und eine grosse innere Oberfläche besitzen. Sie können ein breites Spektrum von Substanzen adsorbieren; d.h. sie sind in der Lage, Moleküle an ihrer inneren Oberfläche festzuhalten und werden deshalb als Adsorbentien bezeichnet.
Das Porenvolumen von Aktivkohlen ist im allgemeinen grösser als 0,2 ml/g; die innere Oberfläche grösser als 400 m2/g. Die Porenweite erstreckt sich von 0,3 bis zu einigen tausend nm (Nanometer, 1 nm = 10 - 9 cm).
Definition laut CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique).
Struktur der Aktivkohle:
Bei einer ca. 300-fachen Vergrösserung durch ein Mikroskop lässt sich bei der Kokosnuss-Schalen-Kohle wieder die zellulare Struktur des organischen Originalmaterials erkennen.
Die molekulare Struktur der Aktivkohle setzt sich zusammen aus graphitartigen Platten, nur einige Atome breit. Sie bilden die Wände molekularer Öffnungen (die Poren der Aktivkohle). Die hexagonalen C-Ringe sind häufig gebrochen. Durch die strukturellen Unvollkommenheiten gibt es viele Möglichkeiten für eine Reaktion an den Stellen, an denen die C-Ringe gebrochen sind.
Die Poren werden klassifiziert nach ihrem Durchmesser:
- Mikroporen mit Radien kleiner als 1 nm
- Mesoporen mit Radien von 1-25 nm
- Makroporen mit Radien grösser als 25 nm
Herstellung:
Aktivkohle kann fast aus jedem kohlenstoffhaltigen Material herstellt werden.
Jacobi-Aktivkohlen werden hergestellt aus:
- Kokosnuss-Schalen
- Steinkohle
- Holz
Die Herstellung von Aktivkohlen aus nicht porösen, kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien wird Aktivierung genannt. Bei dieser Aktivierung wird mikrokristalliner Kohlenstoff erzeugt, der möglichst von einer grosser Zahl statistisch verteilter Poren unterschiedlicher Grösse durchsetzt ist.
Es gibt 2 Herstellungsmethoden:
Die Gasaktivierung:
Mit Wasserdampf wird bei Temperaturen von 700 - 1000°C eine Teiloxidation des Kohlenstoffes bewirkt. Im Inneren des Rohstoffes werden die gewünschten Poren erzeugt. Es entsteht feinporige Aktivkohle.
Die chemische Aktivierung:
Die unverkohlten Rohstoffe werden mit einem dehydratisierend wirkenden Mittel (Zinkchlorid oder Phosphorsäure) vermischt und anschliessend bei Temperaturen von 400 - 600°C erhitzt (aktiviert). Es entstehen grobporige Aktivkohlen , die zu Entfärbungszwecken eingesetzt werden.
Definition Adsorption:
Die Anreicherung eines Stoffes an der Oberfläche einer benachbarten Phase wird allgemein als Adsorption bezeichnet. Bei Festkörpern (Aktivkohle) kann die Adsorption sowohl aus der Gasphase wie aus umgebenden Flüssigkeiten (Wasser) erfolgen.
Unter Desorption versteht man die Umkehrung von Adsorptionsvorgängen.
Physikalische Adsorption - Chemisorption
Bei der Adsorption lässt sich zwischen physikalischer Adsorption und Chemisorption unterscheiden.
Die physikalische Adsorption wird hauptsächlich durch Van der Waalsche Kräfte verursacht. Bei diesem Vorgang bleibt die adsorbierende Verbindung chemisch unverändert. Die physikalische Adsorption ist reversibel, d.h. die adsorbierten Substanzen können unter bestimmten Bedingungen wieder im Originalzustand von der Oberfläche gelöst werden.
Bei der Chemisorption tritt eine chemische Bindung zwischen adsorbierter Substanz und Oberfläche ein, wodurch das adsorbierte Molekül in seiner chemischen Natur verändert wird.
Die Chemisorption ist nicht reversibel.
Adsorbierende Stoffe:
An Aktivkohle werden im allgemeinen organische und nicht polare Stoffe adsorbiert.
Beispiel: Organische Stoffe:
- Lösemittel (u.a. chlorierte Kohlenwasserstoffe)
- Farbstoffe
Bevorzugt adsorbiert werden:
- höhermolekulare Verbindungen
- unpolare Verbindungen
Allgemein gilt, dass mit abnehmender Wasserlöslichkeit, Flüchtigkeit und Polarität, sowie zunehmendem Molekulargewicht die Adsorbierbarkeit steigt.
Darstellung der Adsorption:
Mittels Adsorptionsisothermen wird die Höhe der Adsorption in Abhängigkeit der Konzentration der zu adsorbierenden Substanz dargestellt. Die Adsorptionsisotherme beschreibt den Gleichgewichtszustand zwischen „Schadstoff“ in der Flüssigkeit oder in der Luft (Restkonzentration) und „Schadstoff“, an der Aktivkohle adsorbiert (max. Beladung bei o.e. Restkonzentration). Es gilt: je höher die Konzentration, desto höher die Beladung.
Aktivkohle-Sorten
Pulverkohle
Als Pulver-Aktivkohlen werden lt. CEFIC jene Aktivkohlen definiert, deren Kornanteil unter 0,18 mm grösser sind als 90% ist.
Pulverkohle wird zur industriellen Reinigung von Flüssigkeiten (inkl. Abwasser-Reinigung) eingesetzt. Nach Adsorption muss die Pulverkohle von der Flüssigkeit mittels Filtration getrennt werden.
Kornkohle
Als Korn-Aktivkohlen werden lt. CEFIC jene Aktivkohlen definiert, deren Kornanteil über 0,18 mm grösser als 90% ist.
Kornkohle setzt sich zusammen aus Bruchkorn mit unterschiedlichem Durchmesser. Die Charakterisierung erfolgt durch Angabe der Korngrenzen, wobei je 5% Über- und Unterkorn toleriert wird.
Kornkohle wird hauptsächlich zur Reinigung von Flüssigkeiten, meist Wasseraufbereitung, eingesetzt. Hierzu wird die Kornkohle in Adsorber oder Filtereinheiten eingefüllt.
Zur Luftreinigung werden im allgemeinen nur sehr grobkörnige Aktivate (2 - 5 mm) benutzt.
Formkohle
Formkohle ist Aktivkohle in Form von Zylindern mit identischem Durchmesser und unterschiedlicher Länge.
Jacobi-Formkohlen gibt es mit unterschiedlichen Durchmessern.
Formkohle wird im allgemeinen zur Luft- oder Gasreinigung eingesetzt. Hierzu wird die Formkohle in Adsorber oder Filtereinheiten eingefüllt.
Imprägnierte Kohlen
Anwendung: Hauptanwendung für die impränierten Kohlen ist die Luftreinhaltung.
Bei vielen grosstechnischen Prozessen treten in der Abluft Schadstoffe auf, die von herkömmlichen Aktivkohlen nur unvollständig abgeschieden werden. Oft handelt es sich um niedermolekulare Stoffe, die speziell auf die entsprechende Schadstoffkomponente abgestimmt/imprägniert sind. Anhand einer mehr oder weniger komplizierten chemischen Reaktion von den Schadstoffen mit der Imprägnierung werden die Schadstoffe aus der Abluft beseitigt (Chemisorption).
Reaktivierung
Unter Reaktivierung versteht man die vollständige Regenerierung der Aktivkohle mittels Dampf bei Temperaturen über 600°C. Die Schadstoffe werden bei diesen Temperaturen verbrannt. Dies ist möglich, da während des Reaktivierungsprozesses nur ein geringer Sauerstoffgehalt und eine bestimmte Menge Wasserdampf vorhanden sind. Der Wasserdampf greift die Kohle selektiv an der Oberfläche an. Die absorbierten Verunreinigungen zeigen eine vergleichsweise hohe Reaktionsfähigkeit gegenüber Wasserdampf, wodurch die selektive Verbrennung stattfinden kann. Ein geringer Abbrand der Kohle ist jedoch unvermeidlich. Der Abbrandverlust sollte nach Reaktivierung durch Neukohle ersetzt werden. Nach der Reaktivierung sieht man oft, dass sich die innere Oberfläche der reaktivierten Aktivkohle vergrössert hat und damit die Aktivität erhöht wurde. Dies kann auf das Entstehen zusätzlicher Poren in der Aktivkohle oder auf verkohlte Verunreinigungen zurückgeführt werden. Die Reaktivierung wird in einem Reaktivierungsofen durchgeführt.