Fakultät für Physik und Astronomie Ruprecht-Karls-Universität ...

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