In unserem anderen Artikel haben wir Aktivkohle vorgestellt; ihre Struktur, woraus sie besteht, die Hauptformen und wie sie hergestellt wird. In diesem Artikel erklären wir, wie Aktivkohle funktioniert.
Kohlenstoffadsorption?
Beachten Sie, dass es einen wichtigen und deutlichen Unterschied zwischen ADsorption und ABsorption gibt:
Adsorption wird durch London-Dispersionskräfte verursacht, eine Art Van-der-Waals- oder elektrostatische Kraft, die zwischen allen Molekülen existiert. Van-der-Waals-Kräfte sind unspezifisch und relativ schwache elektrische Kräfte, die neutrale Moleküle in Flüssigkeiten, Luft und Gasen anziehen.
London-Dispersionskräfte sind kurzreichweitige Anziehungskräfte und daher recht empfindlich gegenüber dem Abstand zwischen der Oberfläche der Aktivkohle und dem zu adsorbierenden Molekül. Diese Kräfte sind jedoch additiv.
Dies bedeutet, dass die Adsorptionskraft an der Adsorptionsstelle die Summe aller Wechselwirkungen zwischen den Kohlenstoffatomen und dem zu adsorbierenden Molekül ist. Die kurze Reichweite und die additive Natur dieser Kräfte bedeuten, dass Aktivkohle als die stärksten physikalischen Adsorptionskräfte und das höchste Adsorptionsvolumen aller bekannten Materialien gilt.
Daher treten die stärksten Adsorptionskräfte auf, wenn der Abstand zwischen den Kohlenstoffplättchen und dem zu adsorbierenden Molekül sehr gering ist, sodass die stärkste Adsorptionsenergie vorhanden ist.
Adsorption ist die Ablagerung von Verbindungen (Adsorbaten) aus Wasser oder einer Lösung oder die Kondensation von Gasen auf der Oberfläche der Aktivkohle (oder des Adsorbens). Diese Adsorbate erfahren bei der Adsorption eine Phasenänderung, da sie nach der Adsorption eine viel geringere Energie haben. Adsorption findet daher wirklich durch energetische Wechselwirkungen statt und nicht durch einen Prozess der molekularen Siebung.
Aktivkohle quillt jedoch nicht wie ein Ionenaustauscherharz oder ein Schwamm. Dies liegt daran, dass die gesamte Arbeit tief im Inneren der Kohlenstoffstruktur stattfindet, wo das adsorbierende Molekül alle Wassermoleküle verdrängt, die auf der inneren Oberfläche gehalten werden.
Schadstoffmoleküle werden aufgrund der zahlreichen Wechselwirkungen in der Kohlenstoff„pore“ effektiv auf der inneren Kohlenstoffoberfläche gehalten und entfernt.
Aktivkohle-Struktur
Ein Bett aus Aktivkohle besteht aus ungefähr
- 40 % aus den Hohlräumen zwischen den Kohlenstoffpartikeln, die das entwässerbare Volumen darstellen, wenn sich das Kohlenstoffbett in Lösung befindet.
- 20 % gelten als das Volumen des Kohlenstoffpartikels selbst, das das Kohlenstoffskelett umfasst.
- 40 % gelten als das gesamte „Porenvolumen“ innerhalb des Kohlenstoffpartikels, das das nicht entwässerbare Volumen darstellt.
Wenn man dann nur das einzelne Kohlenstoffgranulat oder -partikel selbst betrachtet, besteht dieses aus ungefähr: –
- 35 % als dann das Kohlenstoffskelettvolumen,
- 25 % als das „Transportporen“-Volumen
- 40 % als das „Adsorptionsporen“-Volumen
Das „Transportporen“-Volumen umfasst große Poren, die in der Größe variieren, wobei die größten 0,1 Mikrometer bis hin zu sichtbaren Rissen und Spalten im Partikel von 0,1 mm betragen.
Diese „Transportporen“ wirken als Diffusionsweg, um den Schadstoff von außerhalb der Kohlenstoffstruktur in das Partikel und zur Adsorptionsstelle zu transportieren. Sie enthalten Konzentrations- oder Druckgradienten, die den PorenDiffusionsprozess und damit den Schadstoff in die Adsorptionsstellen treiben.
Diese Poren sind viel größer als die größten Adsorptionsporen und können keine Schadstoffe adsorbieren, selbst nicht unter nahezu gesättigten Bedingungen. Daher gilt jede Lösung in diesen Poren als potenziell rückgewinnbar.
Die folgende Abbildung zeigt eine adsorbierende Verbindung (Adsorbat) in einer Flüssigkeit, die durch das Aktivkohlebett, durch das Partikel selbst und dann in die Adsorptionsstelle diffundiert.
Die „Adsorptionsporen“ sind die feinsten Poren in der Kohlenstoffstruktur und jene Teile der Kohlenstoffstruktur, die die Adsorptionsfähigkeit besitzen. Diese Adsorptionsporen sind die Lücken, Risse und Spalten zwischen den Graphitplatten, wo genügend intermolekulare Kräfte vorhanden sind, damit Adsorption stattfinden kann. Die Breiten dieser Struktur sind von molekularen Dimensionen und nicht größer als 10 bis 50 nm.
Adsorption findet nur in den Adsorptionsporenregionen statt, und bei Sättigung sind dann alle Adsorptionsporenregionen gefüllt. Daher gilt jede Lösung in diesen Poren als nicht rückgewinnbar.
Das zu adsorbierende Molekül muss sich in der Nähe einer Kohlenstoffplatte befinden, um zu adsorbieren. Sobald das Adsorbat mehr als ein paar Moleküldurchmesser von der Kohlenstoffoberfläche entfernt ist, findet keine Adsorption mehr statt.
Wie funktioniert Aktivkohle?
Aktivkohle funktioniert durch einen Adsorptionsprozess aufgrund ihrer Porenstruktur, hohen Oberfläche und hohen Oberflächenreaktivität.
Die Schlüsselfaktoren, die die Adsorption an Aktivkohle beeinflussen, sind:
- Konzentration – die Gewichts-%-Beladung auf der Kohle steigt mit zunehmender Konzentration des einströmenden Schadstoffs.
- Strukturelle Komplexität – je komplexer die Strukturen, desto leichter werden sie adsorbiert
- Molekulargewicht – je höher das Molekulargewicht des Schadstoffs, desto besser wird er adsorbiert
- Temperatur – je höher die Zulauftemperatur, desto schlechter wird der Schadstoff adsorbiert.
In der flüssigen Phase gehen die Moleküle der zu entfernenden Verbindung von der flüssigen Masse in die Poren der Aktivkohle über, in einem halbfüssigen Zustand. Der zusätzliche Faktor, der die Adsorption in der flüssigen Phase beeinflusst, ist
- Löslichkeit – je höher die Löslichkeit, desto schwieriger ist die Adsorption
Daher nimmt die Adsorbierbarkeit eines organischen Moleküls mit zunehmendem Molekulargewicht und abnehmender Löslichkeit zu.
Die Dampf- oder Gasphase ist ein Kondensationsprozess, bei dem die Adsorptionskräfte die Moleküle der Verbindung zu einer Flüssigkeit kondensieren. Diese kann dann aus der Luft- oder Gasphase innerhalb der Poren der Aktivkohle entfernt werden. Die zusätzlichen Faktoren, die die Adsorption in der Dampfphase beeinflussen, sind:
- Dampfdruck – Verbindungen mit niedrigerem Dampfdruck sind besser adsorbierbar als Verbindungen mit hohem Dampfdruck.
- Relative Luftfeuchtigkeit – eine niedrigere relative Luftfeuchtigkeit führt zu einer besseren Adsorption
- Polarisierbarkeit – je höher die Polarität, desto schwieriger ist die Adsorption
Die tatsächliche Lebensdauer eines Kohlenstoffbettes hängt jedoch von vielen anderen Faktoren ab. Dazu gehören die Art des ausgewählten Kohlenstoffs, der spezifische Schadstoff und die Konzentration für die Entfernung sowie das erforderliche Behandlungsniveau für den oder die Schadstoffe.
Darüber hinaus sind die allgemeinen Anwendungsbedingungen wichtig. Dazu gehören, welche anderen Verbindungen vorhanden sein können und deren Konzentrationen sowie die installierte oder geplante Systemauslegung, die die EBCT – Empty Bed Contact Time – beinhaltet.
Welche Verbindungen können an Aktivkohle adsorbiert werden?
Alle Verbindungen sind bis zu einem gewissen Grad an Aktivkohle adsorbierbar. Diejenigen Verbindungen, die leicht adsorbiert werden, sind aromatische und chlorierte Verbindungen, PFAS, VOCs und Farbkörper.
In der Praxis wird Aktivkohle hauptsächlich zur Adsorption organischer Verbindungen und einiger anorganischer Verbindungen verwendet, wenn eine imprägnierte Aktivkohle verwendet wird.
Je nach Anwendung können unterschiedliche Arten von Aktivkohle erforderlich sein. Es ist wichtig, die geeignete Sorte und Größe in Bezug auf den zu entfernenden Schadstoff oder den Reinheitsgrad, den Sie erreichen möchten, auszuwählen.
Bei Chemviron verfügen wir über mehr als 80 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung und Implementierung von Aktivkohlelösungen. In dieser Zeit haben wir eine Bibliothek mit Felddaten und Leistungsinformationen entwickelt.
Anhand dieser Daten und unserer proprietären Modelle ist Chemviron besser in der Lage, die wahrscheinliche Leistung von Aktivkohle vorherzusagen. Wir können daher effektivere Behandlungslösungen auf der Grundlage des Konzepts der Adsorptionsenergie anpassen, anstatt der älteren Mikro-, Meso- und Makroporendefinitionen.
In den folgenden Abschnitten werden die spezifischen zu entfernenden Verbindungen detaillierter behandelt.
