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28 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN Abbildung 2.6: Beispiele für Langmuir-Isothermen bei verschiedenen Temperaturen (Tschwarz < Tblau < Trot). Für Mischungen von Gasen kann man in erster Näherung von einer Superposition von mehreren einzelnen Adsorptionsisothermen ausgehen. Die entsprechende Langmuir-Adsorptionsisotherme eines Gases i einer Mischung von n Gasen lautet entsprechend: Die entsprechende Sips-Isotherme: θi = θi = biPi 1 + n j=1 bjPj . (2.35) FiP αi i 1 + n j=1 FjP αj j . (2.36) Für praktische Anwendung zur Trennung von einzelnen Komponenten eines Gases sind neben der Adsorptionsisotherme der Separationsfaktor α sowie die vom Adsorbens sorbierte Gesamtgasmenge (Ladung q) wichtige Größen. Der Separationsfaktor α ist definiert als α = x1 x2 y2 y1 . (2.37) xi ist dabei der Anteil des Gases i an der Gesamtgasmenge vor der Separation, yi entsprechend der entsprechende Anteil nach der Separation. Mit ihm kann angegeben werden, wie gut ein Adsorbens geeignet ist, um zwei Gase voneinander zu trennen. Auch der Separationsfaktor ist eine Funktion der Temperatur. Die Ladung ist definiert als qi = xvorher i − x nachher i x vorher i , (2.38)
2.4. SEPARATION 29 wobei xn i die Gasmenge des Gases i zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Gasphase ist. Die Ladung q beschreibt also, wie groß die Menge eines Stoffes ist, die vom Adsorptionsmittel aufgenommen wurde. Im Falle eines idealisierten Adsorbers, an dem Adsorption nur an der obersten Molekülschicht stattfindet, ist die Ladung identisch mit dem Bedeckungsgrad θ multipliziert mit der Anzahl an freien Adsorptionsplätzen. Für praktische Anwendungen ist es geschickter, die Adsorptionsisothermen als Funktion der Ladung auszudrücken, sodass z. B. die Sips-Isotherme als q = qmax · F P α . (2.39) 1 + F P α geschrieben wird, mit der maximalen Ladung qmax (statt dem maximalen Bedeckungsgrad θmax = 1). Die Ladung pro Menge Adsorptionsmittel bei gegebenen Temperaturen und Gasdrücken ist ein entscheidender Faktor für die Konzipierung einer Separationsanlage, da sie die maximal mögliche Menge an adsorbiertem Gas vorgibt. Spezielle Adsorptionsmittel Aktivkohle: Als Aktivkohle bezeichnet man im weitesten Sinne ein kohlenstoffhaltiges Material, das eine hohe Porosität und eine große innere Oberfläche aufweist. Hergestellt wird sie aus verschiedenen kohlestoffhaltigen Rohmaterialien (unter anderem z. B. Kokosnussschalen) durch Graphitisierung und Aktivierung bei hohen Temperaturen (Bansal und Meenakshi, 2005). Bei der Aktivierung gruppieren sich die Kohlenstoffatome zu Stapeln einzelner Kohlenstoffschichten, welche der Grund für das große Porenvolumen und die große Oberfläche sind. Aktivkohle besteht zu 85-95% aus Kohlenstoff und enthält zusätzlich Anteile von Sauerstoff sowie kleinere Mengen anderer Elemente (Stickstoff, Wasserstoff, Schwefel). Ihre innere Oberfläche kann 800-1500 m2 g betragen, und bietet damit eine große Fläche, an der Adsorption stattfinden kann. Dies macht Aktivkohle zu einem ausgezeichneten Adsorptionsmittel (Bansal und Meenakshi, 2005). Desweiteren ist Aktivkohle weitestgehend unpolar (vgl. Tabelle 2.3), sodass van-der-Waals- Kräfte den Großteil der Bindungsenergie ausmachen. Dies führt dazu, dass unpolare Stoffe wie Edelgase oder Methan in gleichen Maße an Aktivkohle gebunden werden wie polare. Außerdem sorgt die reine van-der-Waals-Bindung dafür, dass die aufgenommenen Stoffe schnell bei höheren Temperaturen desorbieren. Bei den meisten Aktivkohlen sind z. B. schon bei Zimmertemperatur ca. 95% des Adsorbats wieder in der Gasphase. Adsorption an Aktivkohle sollte also bei möglichst geringen Temperaturen stattfinden (z.B. bei Flüssigstickstofftemperatur von 77 K). Zeolith: Zeolithen nennt man kristalline Aluminiumsilikat-Verbindungen, die natürlich oder synthetisch hergestellt werden. Sie finden eine breite industrielle Anwendung als Ionenaustauscher, in der Gasreinigung, als Trockenmittel oder zur Katalyse. Die Summenformel der Zeolithstruktur lautet allgemein: M +n x/n [(AlO2) − x (SiO2)y] · zH2O. (2.40) Die Grundstruktur besteht dabei aus tetragonal aufgebauten AlO4- und SiO4-Gruppen. Diese sind über jeweils zwei geteilte Sauerstoffatome miteinander verbunden, sodass auf ein Siliziumoder Aluminiumatom zwei Sauerstoffatome kommen. Die AlO4-Gruppe ist einfach negativ geladen. Um diese negative Ladung auszugleichen, sind im Kristallgitter des Zeolithen Kationen eingebaut, meistens Alkali- oder Erdalkaliatome ( ” M“ in der Summenformel). Die z Wassermoleküle sind in der Einheitszelle eingebaut, entweichen jedoch bei hohen Temperaturen, sodass eine reine Einheitszelle ohne Wassermoleküle zurückbleibt. Diese Abgabe von Wasser beim Erhitzen
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