Entwicklung eines Modells zur Vorausberechnung von Adsorptionsisothermen an Aktivkohlen in der flüssigen Phase auf der Basis von Gruppenbeitragsmodellen und einer neuartigen Charakterisierungsmethode
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts konnte ein umfassendes Verständnis der Wirkung von oberflächenchemischen und strukturellen Eigenschaften auf die Adsorption an Aktivkohlen gewonnen werden. Hierzu wurden neben einer umfangreichen chemischen, strukturellen und energetischen Charakterisierung von herkömmlichen und systematisch modifizierten Aktivkohlen Exzessisothermen von Aceton, Toluol und n-Heptan gemessen. Mit einer modifizierten Boehm-Titration konnte eine Methode implementiert werden, mit der die Anzahl an sauren Oberflächenoxiden, die ein geeignetes Maß für die Oberflächenpolarität darstellt, bestimmt werden kann. Der Einfluss der strukturellen und chemischen Eigenschaften auf die energetische Wertigkeit von Adsorptionsplätzen konnte anhand der beladungsabhängigen Adsorptionsenthalpie gezeigt werden. Je mikroporöser eine Aktivkohle ist, desto mehr Adsorptionsplätze mit hoher energetischer Wertigkeit weist diese auf. Gleichzeitig besitzen bei gleicher Porenweite polare Adsorptionsplätze für alle drei Probemoleküle eine höhere energetische Wertigkeit als aromatische oder unpolare Adsorptionsplätze. Anhand von Exzessisothermen, die die Konkurrenzadsorption in der Flüssigphase beschreiben, konnte gezeigt werden, dass die Anzahl an sauren Oberflächenoxiden die Lage der azeotropen Punkte in den Stoffsystemen Aceton + Toluol und Aceton + n-Heptan signifikant beeinflusst. Mit steigender Flächendichte der sauren Oberflächenoxide fand insbesondere im Stoffsystem Toluol + Aceton eine zunehmende Adsorption von Aceton statt. Während die Lage der azeotropen Punkte maßgeblich durch die Oberflächenanteile beeinflusst wird, wirken sich die strukturellen Eigenschaften wesentlich auf die Steigung der linearen Bereiche aus. Mit wachsender innerer Oberfläche und steigendem Porenvolumen nahm die Steigung der linearen Bereiche zu. Im Stoffsystem Toluol + n-Heptan konnte kein Einfluss der sauren Oberflächenoxide auf die Lage der azeotropen Punkte festgestellt werden. In diesem System wird daher eine nicht-selektive Besetzung der polaren Adsorptionsplätze vermutet. Die experimentellen Daten wurden mittels thermodynamischer und physikalischer Modelle ausgewertet. Vor allem wurde die Berechnung der Oberflächenanteile der chemischen Gruppen (aromatisch, polar, unpolar) im Rahmen dieses Projektes weiterentwickelt. Hierfür wurden verschiedene Ansätze aufgestellt und miteinander verglichen. Die beste Beschreibung der Oberflächenanteile liefert eine teilselektive Verteilungsregel. Aufbauend auf der Bestimmung der Oberflächenanteile wurde eine Modellierung der experimentellen Exzessisothermen unter Verwendung des Wilson-Modells durchgeführt. Experimentelle und modellierte Exzessisothermen zeigen eine sehr hohe Übereinstimmung. Zudem ermöglicht die Modellierung die Vorausberechnung der Exzessisothermen von anderen Aktivkohlen. Während die Adsorption an Aktivkohlen, deren Oberflächenchemie deutliche Unterschiede aufweist, nur qualitativ richtig wiedergegeben werden können, ist es möglich, die Adsorption an chemisch ähnlichen Aktivkohlen auch mit abweichendem Ausgangsmaterialien in guter Näherung vorauszuberechnen. Durch die Arbeiten im Rahmen des Projekts konnten somit der Stand des Wissens und die Methoden zur Charakterisierung von Aktivkohlen im Vergleich zum Projektstart deutlich weiterentwickelt und das Verständnis der Mechanismen bei der Adsorption an Aktivkohlen deutlich vertieft werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ein neuer Ansatz zur Charakterisierung von Aktivkohlen, ProcessNet-Jahrestagung 2018, Aachen, 12.09.2018
J.Muthmann / C. Bläker / C. Pasel / M. Luckas / D. Bathen
- Characterization of Activated Carbon Adsorbents - State of the Art and Novel Approaches, ChemBioEng Reviews 6 (2019), No. 4, S. 119–138
C. Bläker / J. Muthmann / C. Pasel / D. Bathen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cben.201900008) - Einfluss von Oberflächenmodifikationen auf die Adsorptionseigenschaften von Aktivkohlen, Jahrestagung der ProcessNet-Fachgruppe Adsorption 2019, Freiberg, 19.02.2019
J. Muthmann / C. Bläker / C. Pasel / M. Luckas / D. Bathen
- Influence of surface modifications on the adsorption properties of activated carbons, Fundamentals of Adsorption FOA 13, Cairns (AUS), 28.5.2019
J. Muthmann / C. Bläker / C. Pasel / M. Luckas / D. Bathen
- Characterization of structural and chemical modifications during the steam activation of activated carbons, Microporous Mesoporous Mater. 309 (2020) 110549
J. Muthmann/ C. Bläker / C. Pasel / M. Luckas / C. Schledorn / D. Bathen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110549)
