Aktivkohle, manchmal auch als Aktivkohle bezeichnet, wird seit dem frühen 19. Jahrhundert kommerziell als Reinigungsmedium eingesetzt. Heute ist Aktivkohle in verschiedenen Formen erhältlich und wird in vielen Bereichen der Trinkwasser-, Industrieabluft- und Abwasserbehandlung, in Unternehmen und Haushalten zur Entfernung von Verunreinigungen eingesetzt.
Aktivkohle ist ein hochporöses Material, das organische Verbindungen aus Flüssigkeiten und Gasen durch einen Prozess entfernt, der als „Adsorption“ bekannt ist. Adsorption ist der Vorgang, bei dem organische Moleküle in einer Flüssigkeit oder einem Gas von der Oberfläche der Aktivkohle angezogen werden und daran haften bleiben, während die Flüssigkeit oder das Gas hindurchströmt.
Die Adsorption an porösen Kohlen wurde bereits 1550 v. Chr. in einem altägyptischen Papyrus und später von Hippokrates und Plinius dem Älteren beschrieben, hauptsächlich zu medizinischen Zwecken. Tatsächlich entdeckten Archäologen, dass die früheste Verwendung von Holzkohle zur Wasseraufbereitung um 400 v. Chr. stattfand, hauptsächlich in seefahrenden Gemeinschaften. Seeleute verkohlten die Innenseiten von Wasserfässern, um das Wasser während langer Seereisen zu reinigen und zu konservieren.
Im 18. Jahrhundert wurden Kohlen aus Blut, Holz und Tieren zur Reinigung von Flüssigkeiten verwendet. All diese Materialien, die als Vorläufer von Aktivkohlen betrachtet werden können, waren damals nur in Pulverform erhältlich.
Wie ist die Struktur von Aktivkohle?
Aktivkohle besteht aus einer zufälligen, unvollkommenen Struktur von Graphitplättchen und ist im Wesentlichen eine Rohform von Graphit, dem Material, das für Bleistiftminen verwendet wird. Diese Struktur ähnelt einem Stapel gut gebrauchter Spielkarten.
Diese unvollkommene Anordnung von Plättchen, die durch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen verbunden sind, erzeugt eine hochporöse Struktur. Diese Struktur weist eine breite Palette von Porengrößen auf, von sichtbaren Rissen und Spalten bis hin zu Poren im molekularen Maßstab. Das obige Bild zeigt die graphitische Plattenstruktur von Aktivkohle bei sehr hoher Vergrößerung.
Diese graphitische Plättchenstruktur verleiht Aktivkohle ihre sehr hohe innere Oberfläche. Aktivkohle kann eine Oberfläche von mehr als 1000 m²/g haben. Das bedeutet, dass nur 5 g Aktivkohle eine innere Oberfläche haben, die einem Fußballfeld entspricht. Diese Oberfläche ermöglicht es Aktivkohle, verschiedene organische Verbindungen aus Luft, Gasen und Flüssigkeiten zu adsorbieren.
Woraus wird Aktivkohle hergestellt?
Aktivkohle kann tatsächlich aus jedem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial hergestellt werden. Die Hauptanforderung für ein kostengünstiges Produkt ist jedoch, dass der Rohstoff einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen und leicht zu beschaffen sein sollte.
Die am häufigsten verwendeten Rohstoffe sind bituminöse Kohle, Holz, Kokosnussschalen, Braunkohle und Torf. Die Auswahl des Rohmaterials ist ein wichtiger Parameter, da sie die Einzigartigkeit der endgültigen Aktivkohle bestimmt.
Aktivkohle erbt Eigenschaften vom ursprünglichen Rohmaterial und bestimmt die Einzigartigkeit des Produkts und seine Adsorptionsfähigkeiten. Dazu gehören Ascheverunreinigungen, Dichte, Härte oder Abriebfestigkeit und die Transportporenstruktur, die ihre Leistungskinetik beeinflusst.
Die Auswahl des Rohmaterials, die Qualität und der Prozess zur Umwandlung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials in Aktivkohle haben alle einen erheblichen Einfluss auf die endgültigen Produkteigenschaften.
Zum Beispiel haben Aktivkohlen auf Basis von bituminöser Kohle und Kokosnuss unterschiedliche physikalische Eigenschaften und Merkmale, die Leistungsvorteile in verschiedenen Anwendungen bieten.
Was sind die Hauptformen von Aktivkohle?
Nicht jede Aktivkohle ist gleich, daher ist die Auswahl des geeigneten Rohmaterials, der Produktform und der Eigenschaften für jede Anwendung entscheidend. Aktivkohle oder Aktivkohle ist in vielen verschiedenen Formen erhältlich, die hauptsächlich als Granulat, extrudiertes Produkt oder als Pulver vorliegen.
Granulierte Aktivkohle (GAC)
Granulierte Aktivkohle ist ein unregelmäßig geformtes Partikel, das aus seiner Rohmaterialform zerkleinert und dann auf bestimmte Maschenweiten gesiebt wird. Diese Größen reichen typischerweise von 0,2 mm bis 5 mm. Die Hauptgrößen reichen von den gröberen US-Maschenweiten 4×8, 6×12 und 8×16 bis zu den feineren Größen 8×30, 12×20, 12×40, 20×50 US-Maschenweiten. Sie können aus jedem kohlenstoffbasierten Ausgangsmaterial hergestellt werden.
Die Adsorptionskapazität von GAC macht sie ideal für die Entfernung von Verunreinigungen aus Wasser, Luft, Flüssigkeiten und Gasen. Typischerweise wird granulierte Aktivkohle in einem Filterbett in einem Stahl- oder Betonbehälter platziert. Bei Wasser- oder Flüssigkeitsanwendungen fließt die Flüssigkeit normalerweise durch Schwerkraft nach unten durch das Kohlefilterbett. Bei Luft-, Dampf- oder Gasprozessen strömt die Luft oder das Gas typischerweise nach oben durch das Kohlebett.
Wenn granulierte Kohle keine weiteren Materialien mehr adsorbieren kann, gilt sie als erschöpft oder verbraucht. Diese verbrauchte granulierte Kohle hat den Vorteil, dass sie durch thermische Reaktivierung mehrfach recycelt und zur Wiederverwendung an Kunden zurückgegeben werden kann, anstatt entsorgt zu werden.
Pellets oder extrudierte Aktivkohlen
Pellets werden durch Komprimieren oder Extrudieren der Aktivkohle zu geformten Zylindern hergestellt. Sie haben im Allgemeinen Durchmesser von 0,8 mm bis 5 mm, mit typischen Größen von 3 mm und 4 mm. Sie werden überwiegend aus Kohle, aber auch aus kokosnussbasierten Rohstoffen hergestellt.
Der Herstellungsprozess verleiht ihnen eine hohe mechanische Festigkeit, Formgleichmäßigkeit und einen geringen Staubgehalt, wodurch sie besser für die Entfernung von Verunreinigungen aus Luft- und Gasströmen geeignet sind.
Pellets werden typischerweise für Luft- und Gasreinigungsanwendungen eingesetzt, da ein geringer Druckabfall für diese Anwendungen entscheidender ist. Pelletierte Kohlen funktionieren ähnlich wie granulierte Aktivkohlen in einem Kohlefilterbett, durch das die Luft oder das Gas strömt. Pellets können auch durch thermische Reaktivierung mehrfach für dieselbe Anwendung recycelt werden.
Pulverisierte Aktivkohlen (PAC)
Pulverisierte Aktivkohlen werden durch Pulverisieren eines granulierten Aktivkohle-Ausgangsmaterials oder aus Feinstoffen hergestellt, die während der Aktivkohleproduktion anfallen. Pulverkohlen haben eine Größe von überwiegend weniger als 0,045 mm oder 45 Mikrometer (<325 US Mesh) und können aus jedem kohlenstoffbasierten Ausgangsmaterial hergestellt werden.
Die Verwendung von pulverisierten Aktivkohlen unterscheidet sich tendenziell von der von granulierten oder pelletierten Kohlen. Sie werden typischerweise in Batch-Operationen durch Dosierung oder Zugabe in einen Wasser- oder Gasstrom eingesetzt und nach Gebrauch später herausgefiltert. In der flüssigen Phase geschieht dies meist in Batch-Operationen, wo die Pulverdosis an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.
Aktivkohlegewebe
Aktivkohle kann auch in Form eines Gewebes oder Textils hergestellt werden, das in gewebter oder gestrickter Form vorliegen kann. Diese Form der Aktivkohle hat eine mikroporöse Struktur und besteht zu 100 % aus Aktivkohle. Kohlegewebe wird eher in spezielleren Anwendungen eingesetzt, wie z. B. in medizinischen oder speziellen Bekleidungsanwendungen.
Imprägnierte Aktivkohlen
Bestimmte Verbindungen weisen eine geringe Adsorptionskapazität auf der Basisaktivkohle auf. Um die Leistung der Kohle zu verbessern, können daher fein verteilte chemische Lösungen selektiv auf die Kohleoberfläche aufgebracht werden, um imprägnierte Aktivkohlen zu erzeugen.
Sie liegen typischerweise in Pellet- oder Granulatform vor und werden überwiegend aus Kohle- und Kokosnuss-basierten Rohstoffen hergestellt.
Imprägnierte Kohlen werden hauptsächlich in Luft- oder Gasphasenanwendungen und in der Regel zur Entfernung gefährlicher Verunreinigungen eingesetzt. Die in die Kohle eingebrachten chemischen Imprägnierungen können die adsorbierten Verunreinigungen durch eine chemische Reaktion an ihrer Oberfläche neutralisieren.
Wie wird Aktivkohle hergestellt?
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Aktivkohle herzustellen, abhängig vom Rohmaterial: –
- Chemische Aktivierung – typischerweise bei Holz-basierten Rohstoffen angewendet
- Physikalische Aktivierung
- Direktaktivierungsmethode
- Agglomeration oder, genauer gesagt, die Reagglomerationsmethode
Für die chemische Aktivierung wird das getrocknete Holz-basierte Rohmaterial zunächst mit einer Säure, typischerweise Phosphorsäure, behandelt und anschließend in einem Ofen thermisch aktiviert. Das resultierende Produkt wird dann gewaschen, um verbleibende Säure aus der Kohle zu entfernen.
Chemviron produziert in Europa sowohl chemisch als auch physikalisch aktivierte Kohlen aus erneuerbarem Seekiefernholz unter der Marke Acticarbone®.
Bei der Direktaktivierungsmethode wird der flüchtige organische Gehalt des Rohmaterials während eines Brenn- oder Karbonisierungsschritts entfernt, um eine Holzkohle oder Kohle zu erzeugen. Diese Kohle wird dann in einem Ofen thermisch aktiviert und gesiebt, um die endgültige Aktivkohle zu erzeugen.
Reagglomerierte Aktivkohlen
Reagglomerierte Aktivkohlen werden ebenfalls durch einen mehrstufigen Prozess hergestellt. Dieser umfasst die anfängliche Pulverisierung des Rohmaterials und anschließend die Zugabe von Pech als Bindemittel, um Briketts herzustellen. Dies ist der Agglomerationsschritt.
Diese Briketts werden dann zerkleinert und gesiebt, um Granulate zu erhalten, die für die nächsten Schritte geeignet sind. Diese Granulate werden dann gebrannt, was Oxidation + Karbonisierung beinhaltet. Anschließend werden sie durch den Hochtemperatur-Aktivierungsofen geleitet, der selektiv einen Teil der Struktur verbrennt, um diese agglomerierten Aktivkohlen zu erzeugen. Schließlich wird die Kohle gesiebt, um das fertige Produkt herzustellen.
Die Premium-Granulataktivkohlen von Chemviron, wie FILTRASORB®, werden durch diesen Reagglomerationsprozess aus ausgewählten Qualitäten bituminöser Kohle hergestellt. Dieser Prozess erzeugt eine Aktivkohle, die im gesamten Granulat gleichmäßig und hochaktiviert ist. Dieser Agglomerationsprozess führt zu Aktivkohlen mit hervorragenden Adsorptionseigenschaften und konstanter Adsorptionskinetik.
Der Reagglomerationsschritt erzeugt hochbeständige granulierte Kohlen. Dies bedeutet, dass sie dem Abrieb standhalten können, der mit wiederholtem Rückspülen und hydraulischen Transfers verbunden ist, insbesondere bei Wasserprozessen. Die reagglomerierte Struktur gewährleistet auch eine schnelle und effektive Benetzung der Aktivkohle, wenn sie in Wasser oder Lösung gegeben wird, während schwebende Materialien eliminiert werden.
Dieser Reagglomerationsprozess stellt sicher, dass diese Kohlen für mehrere Reaktivierungen ausgelegt sind, bei denen sie zur Wiederverwendung recycelt werden können, während ihre Betriebseigenschaften erhalten bleiben.
Wenn Sie weitere Beratung zu Aktivkohle oder technische Unterstützung zur Bewertung Ihrer möglichen Behandlungsoptionen benötigen, kontaktieren Sie uns bitte – kontaktieren Sie unser technisches Team.