Über Aktivkohle

Aktivkohle ist ein Adsorbens, deren Verwendung bereits einige hundert Jahre vor unserer Zeit bekannt war. Sie wurde für medizinische Zwecke und als ein reinigendes Mittel verwendet. Die Ursprünge der industriellen Verwendungen der Aktivkohle datieren sich auf das Jahr 1900, in dem sie als ein Mittel zum Entfärben von Sirup in der Zuckerindustrie eingesetzt wurde. Kohlen weckten Interesse während des Ersten Weltkrieges, als es anfing, sie in Gasmasken zum Schutz vor gefährlichen Gasen und Dämpfen zu verwenden.

Aktivkohle ist ein Adsorbens, deren Verwendung bereits einige hundert Jahre vor unserer Zeit bekannt war. Sie wurde für medizinische Zwecke und als ein reinigendes Mittel verwendet. Die Ursprünge der industriellen Verwendungen der Aktivkohle datieren sich auf das Jahr 1900, in dem sie als ein Mittel zum Entfärben von Sirup in der Zuckerindustrie eingesetzt wurde. Kohlen weckten Interesse während des Ersten Weltkrieges, als es anfing, sie in Gasmasken zum Schutz vor gefährlichen Gasen und Dämpfen zu verwenden.

Die strukturelle Grundeinheit der Aktivkohle ist eine hexagonale Struktur von Graphit, also die Form von unzähligen kleinen Graphitplättchen. Die Plättchen sind durch ihre chemischen Verbindungen miteinander verbunden, wobei sie Spalten, Rissen und Taschen bilden, in denen Verunreinigungen adsorbiert werden.

Die Zugänglichkeit der inneren Struktur der Aktivkohle vergrößert die Schnelligkeit des Adsorptionsprozesses und macht sie effizienter. Die am häufigsten verwendeten Aktivkohlen haben die Fläche im Bereich von 800-1500 m2/g. Die Fläche dieser Kohlen zeichnen sich vor allem durch die Anwesenheit von Mikroporen aus, deren Wirkdurchmesser kleiner als 2 ist nm ist. In der Tat ist Aktivkohle aus einem komplexen Porennetz gebaut, klassifiziert als:

• Mikroporen ( < 2 nm Durchmesser)
• Mesoporen ( 2-50 nm Durchmesser)
• Makroporen ( > 50 nm Durchmesser)

Die Adsorption auf Aktivkohlen erfolgt hauptsächlich in Mikroporen und in einem kleinen Teil in Mesoporen, während Makroporen nur eine Funktion der Durchlaufkanäle für das Adsorbat in das Innere der Mesoporen und die Oberfläche der Mikroporen erfüllen. Die Porengrößenverteilung in der jeweiligen Kohle hängt von der verwendeten Sorte des Rohrmaterials sowie der Methode und der Bedingungen seiner Produktion ab.

Adsorption an Aktivkohle

Die Reinigung mit Aktivkohle ist durch die Nutzung des Adsorptionsprozesses möglich. Vereinfacht gesagt besteht dieses Phänomen darin, dass sich Moleküle von Gasen oder Flüssigkeiten an der Oberfläche eines Feststoffs ansammeln, der als Adsorbens bezeichnet wird.

Die Adsorption kann je nach Art der Wechselwirkungen unterteilt werden in:

• physikalische Adsorption – sie beruht auf zwischenmolekularen Van-der-Waals-Kräften
• chemische Adsorption – die Wechselwirkung zwischen Molekülen und Adsorbat erfolgt durch chemische Reaktionen

Die Art der Adsorption kann bestimmt werden anhand von:

Prozesswärme – gering bei physikalischer Adsorption, jedoch hoch bei entsprechenden Reaktionen im Fall der Chemisorption.

Reversibilität des Prozesses – eine durch physikalische Wechselwirkungen adsorbierte Substanz kann während der Regeneration leicht entfernt werden, während die Entfernung einer chemisch adsorbierten Schicht schwierig ist und drastische Bedingungen erfordert.

Dicke der Adsorptionsschichten – bei physikalischer Adsorption kann ihre Dicke mehreren Durchmessern der Adsorbatteilchen entsprechen (bei geeigneten Druck- und Temperaturwerten), während bei der Chemisorption monomolekulare Schichten entstehen.

Dank des hohen Reinheitsgrades und der einfachen Anwendung ist Aktivkohle ein Adsorbens mit breitem Einsatzspektrum. Die Adsorption verursacht keine Veränderung der chemischen Zusammensetzung des gereinigten Mediums, daher werden die Eigenschaften von Aktivkohle in vielen technologischen Prozessen genutzt.

Fachwissen über Adsorptionsprozesse sowie die langjährige Erfahrung des Ingenieurteams der ACES Sp. z o.o. ermöglichen die Auswahl des geeigneten Aktivkohletyps, sodass die erzielten Reinigungsergebnisse die Erwartungen unserer Kunden vollständig erfüllen.

Wirksamkeit der Adsorption

Welche Verbindungen können von Aktivkohle adsorbiert werden?

An Aktivkohle können organische Verbindungen sowie einige größere anorganische Verbindungen und Moleküle wie Jod oder Quecksilber adsorbiert werden. Man kann davon ausgehen, dass etwa 90 % der organischen Verbindungen durch Aktivkohle adsorbiert werden können, während nur etwa 10 % als schwach adsorbierbar oder nicht adsorbierbar gelten. Allerdings werden nicht alle Verbindungen mit gleicher Wirksamkeit adsorbiert, und der Verlauf des Adsorptionsprozesses hängt von vielen Faktoren ab.

Zu den wichtigsten gehören:

• Charakter und Art der zu entfernenden Verbindungen – besser adsorbiert werden Stoffe mit höherem Molekulargewicht, niedrigerem Dampfdruck und höherem Siedepunkt
• Typ der eingesetzten Aktivkohle – die Anpassung der Porengröße und des Porendurchmessers an die zu entfernenden Verbindungen erhöht die Effizienz des Prozesses
• Konzentration der zu entfernenden Stoffe – die Adsorptionsfähigkeit steigt mit der Konzentration
• Feuchtigkeit – in den meisten Fällen verringert eine höhere Luftfeuchtigkeit die Wirksamkeit der Adsorption
• Druck – ein höherer Druck erhöht die Adsorptionskapazität
• Temperatur – die Wirksamkeit der Adsorption sinkt mit steigender Temperatur
• Vorhandensein anderer Verbindungen – einzelne Bestandteile der Mischung konkurrieren um Platz in den Poren der Aktivkohle
• Kontaktzeit – die empfohlene Kontaktzeit zwischen Aktivkohle und dem zu reinigenden Medium ist je nach Prozess unterschiedlich

Die Fähigkeit, die oben genannten Prinzipien anzuwenden, zusammen mit Fachwissen über das eingesetzte Produkt, ist entscheidend für die Auswahl der richtigen Lösung auf Basis von Aktivkohle. Das Team von ACES Sp. z o.o. wird auf Grundlage seiner Erfahrung alle Anstrengungen unternehmen, damit die vorgeschlagenen Aktivkohlen maximale Wirksamkeit gewährleisten. Falls Sie weitere Fragen haben, laden wir Sie ein, den Bereich Kontakt zu besuchen.

Herstellung von Aktivkohle

Aktivkohlen können praktisch aus jedem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt werden, das einen hohen Anteil an elementarem Kohlenstoff enthält.

Üblicherweise verwendete Rohstoffe zur Herstellung von Aktivkohle sind:

• Steinkohle,
• Braunkohle
• Kokosnussschalen,
• Anthrazit,
• Holz.

Etwa 60 % der weltweit eingesetzten Aktivkohlen basieren auf Steinkohle. Die endgültigen Eigenschaften der Aktivkohle können unterschiedlich sein und hängen von vielen Faktoren während des Herstellungsprozesses ab. Kohlebasierte Aktivkohlen lassen sich leicht zu einer stark entwickelten Porenstruktur aktivieren, Braunkohle erreicht das größte Porenvolumen, Kokoskohlen zeichnen sich durch die größte Anzahl aktiver Zentren, hohe Härte und Abriebfestigkeit aus. Anthrazit besitzt den höchsten Anteil an elementarem Kohlenstoff und ist daher besonders hart und beständig gegenüber aggressiven Medien. Holzbasierte Aktivkohlen werden meist als Pulveraktivkohle mit geringer Schüttdichte und relativ hohem Anteil an Makroporen eingesetzt.

Wie zu erkennen ist, bestimmt vor allem die Herkunft der eingesetzten Aktivkohle deren Porosität sowie die Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen industriellen Prozessen.

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht der wichtigsten Rohstoffe zur Herstellung von Aktivkohle sowie den Zusammenhang zwischen innerer Struktur des Materials und seiner industriellen Anwendung.

Charakteristik der Struktur von Aktivkohlen in Abhängigkeit von ihrer Herkunft

Produktionsstufen von Aktivkohle

1. Auswahl des Ausgangsrohstoffes:
   Der Prozess beginnt mit der sorgfältigen Auswahl und Beschaffung des geeigneten Rohstoffs. Je nach Verwendungszweck des Endprodukts kann es sich um Steinkohle, Braunkohle, Kokosnussschalen, Holz oder Anthrazit handeln.

2. Trocknung:
   Natürliche Rohstoffe wie Holz enthalten eine große Menge Feuchtigkeit. Daher werden sie im ersten technologischen Schritt getrocknet, um den Wassergehalt zu reduzieren und die Effizienz der weiteren Prozesse zu verbessern.

3. Mahlen, Zerkleinern, Agglomeration und Formgebung:
   Abhängig von der Körnung des Rohstoffs oder den Anforderungen an das Endprodukt kann das Material zunächst gemahlen werden, um die gewünschte Fraktion zu erhalten. Wenn das Endprodukt eine geformte Struktur haben soll (z. B. Pellet oder Zylinder), folgt nach dem Mahlen ein Agglomerations- oder Formgebungsprozess.

4. Karbonisierung:
   Dies ist die erste grundlegende Stufe der Aktivkohleherstellung. Der Rohstoff wird in einer sauerstofffreien Atmosphäre bei einer Temperatur von 300–400 °C etwa 12 Stunden lang thermisch behandelt. Dabei werden flüchtige Bestandteile entfernt (bis zu ⅔ der Masse) und erste Poren entstehen. Anschließend wird das Material weitere 12 Stunden abgekühlt. Das entstandene Produkt wird als Karbonisat bezeichnet.

5. Aktivierung:
   Das Karbonisat gelangt in die wichtigste Produktionsstufe – die Aktivierung, deren Ziel die Entwicklung der porösen Struktur ist:

   • Chemische Aktivierung – wird seltener angewendet und besteht in der Behandlung mit starken Säuren, die die Oberfläche des Materials anätzen.
   • Aktivierung mit Wasserdampf – die vorherrschende Methode, durchgeführt bei etwa 800 °C. Der Wasserdampf entfernt organische Rückstände und bildet eine Mikroporenstruktur. Prozessparameter wie Zeit und Temperatur beeinflussen die Adsorptionseigenschaften des Endprodukts.

   Nach dem Verlassen des Aktivierungsofens wird die Aktivkohle gekühlt, getrocknet und gesiebt, um die gewünschte Körnung zu erhalten. Bei Pulveraktivkohlen erfolgt zusätzlich ein weiteres Mahlen auf die erforderliche Fraktion.

6. Zusätzliche Prozesse:
   Je nach Anwendung kann die Aktivkohle weiteren Behandlungen unterzogen werden:

   • Säurewäsche – senkt den pH-Wert und reduziert den Aschegehalt.
   • Imprägnierung – z. B. mit Silber (Aktivkohlen für Wasser mit bakteriostatischen Eigenschaften) oder mit chemischen Verbindungen zur Entfernung von Schwefelwasserstoff und Mercaptanen aus Biogas.

   Nach dem Verlassen des Aktivierungsofens wird die Aktivkohle gekühlt, getrocknet und gesiebt, um die gewünschte Körnung zu erhalten. Bei Pulveraktivkohlen erfolgt zusätzlich ein weiteres Mahlen auf die erforderliche Fraktion.

7. Verpackung und Lagerung:
   Proben werden zur Qualitätskontrolle in akkreditierte Labore geschickt, wo detaillierte Prüfungen der wichtigsten Parameter durchgeführt werden. Nach Bestätigung der Übereinstimmung mit den Qualitätsanforderungen wird das Produkt verpackt und zum Verkauf freigegeben.