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Der Einsatz von Aktivkohle bei der Sanierung von Grundwasser und Bodenluft

von Dr. Christian Röhr und Wolfram Holzapfel

1.Einleitung 2.Grundlagen 3.Adsorptions-Isothermen 4.Mehrkomponenten-Adsorption 5.Aktivkohlefilter

Teil 2: Grundlagen

5. Überblick über Aktivkohle

5.1. Grundlagen

Adsorption bezeichnet die Bindung von Molekülen an die Oberfläche eines festen Körpers . Die Abgabe von Molekülen von der Oberfläche heißt Desorption.

An jeder Grenzfläche zwischen einer festen und einer fluiden (= gasförmigen oder flüssigen) Phase treten Wechselwirkungen auf, die zu einer Bindung oder Abstoßung führen können. Im Falle der Bindung entsteht eine zweidimensionale Grenzflächenphase in der Dicke der Molekülabmessungen.

Die Grundlagen für die Adsorption aus der Gasphase und aus der flüssigen Phase sind die gleichen, unterschiedlich sind aber die Transportmechanismen und Transportkoeffizienten. Daraus folgen Unterschiede in Auslegung und Verfahrensdurchführung.

Da Adsorption eine Bindung bedeutet, müssen Kräfte von der Oberfläche ausgehen, die eine Verdichtung der Moleküle bewirken. Daher ist mit der Adsorption ein Energieumsatz verbunden. Dieser Energieumsatz bestimmt Gleichgewicht und Kinetik der Adsorption.

Die Anreicherung wird also bei der Adsorption durch Zufuhr von innerer Energie erreicht, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren mit äußerer Energiezufuhr, wie zum Beispiel Destillieren.

Die Kräfte, die die Bindung der Moleküle an der Öberfläche bewirken sind rein physikalischer Natur (van der Waals'sche Kräfte). Prozesse bei denen eine chemische Reaktion (Chemisorption) oder eine katalytische Wirkung eine Rolle spielt wird hier nicht weiter behandelt.


Schematischer Schnitt durch einen Aktivkohlepartikel

 Abb. 2: Schematischer Schnitt durch einen Aktivkohlepartikel (aus KAST 1988)


Technisch nutzbar ist die Adsorption, wenn

Dies setzt Oberflächen von einigen 100 m²/g des adsorbierenden festen Stoffes voraus, wie sie nur durch die innere Oberfläche feinporöser Stoffe geboten werden kann. Aktivkohle weist nicht nur Poren mit einem bestimmten Durchmesser auf, sondern hat eine bestimmte Porenverteilung, im Gegensatz zu den zeolitischen Molekularsieben. Die Porenverteilung der Aktivkohle sollte so sein, daß neben den Mikroporen, die die eigentliche Sorptionsfläche bieten, genügend Makroporen vorhanden sind, durch die der Transport des Schadstoffs möglichst schnell in das Innere erfolgen kann (Abb. 2).

Die Selektivität für bestimmte Stoffe wird insbesondere durch Unterschiede im Dampfdruck, der Diffusionsgeschwindigkeit und der Molekülgröße gesteuert. So wird die Komponente mit dem niedrigeren Dampfdruck besser adsorbiert als die mit dem höheren Dampfdruck (vgl. Tabelle 1).

Tabelle 1: Physikalische Daten ausgewählter CKW und BTX

Stoff

Siedetemperatur [°C]

Dampfdruck bei 20 °C [mbar]

Molmasse [g/Mol]

Sättigungskonz. bei 20 °C [g/m³]

Vinylchlorid

-13

3.090

62

7.900

Trichlormethan

24

890

138

5.000

1,1,2 Trichlortrifluorethan

48

360

187

2.800

Dichlormethan

41

470

85

1.600

cis 1,2 Dichlorethen

60

230

97

920

Trichlormethan

62

210

119

1.000

1,1,1 Trichlorethan

74

130

133

710

Tetrachlormethan

76

120

154

760

Trichlorethen

87

80

131

430

Tetrachlorethen

121

20

166

140

Benzol

80

100

78

320

Toluol

111

30

92

100

Xylol

140

12

106

55

Die Diffusionsgeschwindigkeit ist von der Molekülgröße und -form abhängig. Deshalb beläd eine Komponente die Aktivkohle schneller als eine andere. Die Molekülgröße ist dann entscheidend, wenn manche Komponenten auf Grund ihrer Abmessungen nicht in die Poren eindringen können.

Große Moleküle wie Tenside oder Pestizide aus dem Wasser werden werden besser mit einer Aktivkohle mit relativ großen Poren adsorbiert, kleine Moleküle, wie die von Lösemitteln, werden besser an einer Kohle mit relativ kleinen Poren abgeschieden.

5.2 Charakteristische Daten einer Aktivkohle

Die Eigenschaften einer Aktivkohle werden im wesentlichen durch die Daten der Tabelle 2 charakterisiert.

Tabelle 2: Charakteristische Daten von Aktivkohle

Partikeldurchmesser

1 - 4 mm

Wahre Dichte

2.000 kg/m³

Scheinbare Dichte

600 - 800 kg/m³

Schüttdichte

350 - 500 kg/m³

Porosität

0,6 - 0,7 m³/m³

Porenvolumen total

0,7 - 1,1 cm³/g

- Mikroporen (0,8 - 2 nm)

0,25 - 0,5 cm³/g

- Mesoporen (2 - 50 nm)

0,05 - 0,1 cm³/g

- Makroporen (>50 nm)

0,3 - 0,5 cm³/g

Innere Oberfläche total

900 - 1200 m²/g

- Mikroporen

850 - 1200 m²/g

- Mesoporen

10 - 20 m²/g

- Makroporen

10 - 50 m²/g

5.3 Anorganische Bestandteile der Aktivkohle

Aktivkohle enthält außer Kohlenstoff noch die anorganischen Be standteile des Rohstoffs, die sich bei der Herstellung nicht verflüchtigt haben. Die Gehalte liegen zwischen 1 und 10 %. Die Tabelle 3 zeigt typische Konzentrationen.

Tabelle 3: Anorganische Bestandteile von Aktivkohle

Anorganischer Bestandteil

Gehalt in Gew.-%

Asche

8

HCl-lösliche Stoffe

5

wasserlösliche Stoffe

0,3

Kalzium

0,5

Eisen

0,2

Zink

0,0003

Kupfer

0,0005

Blei

0,0001

Chlor

0,02

Sulfat

0,1

Phosphat

0,15

Bei der Reinigung von Wasser können diese Stoffe in das gereinigte Wasser übergehen. Insbesondere reagiert das erste durch die Aktivkohle hindurchlaufende Wasser alkalisch. In den meisten Fällen ist dies ohne Bedeutung.

5.4. Einflußfaktoren für die Adsorption

Die Adsorption erfolgt durch das Zusammenwirken von physikalischen Oberflächenkräften der Aktivkohle und molekularen Anziehungskräften der Lösemittel. Folgende Faktoren bestimmen das Ausmaß der Adsorption:

Eigenschaften der Aktivkohle für die Adsorption

Eigenschaften des Schadstoffs

Physikalisch-Chemischen Bedingungen

Die adsorbierte Menge an Schadstoffen ist höher bei

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