Silcarbon Aktivkohle

SILCARBON = Aktivkohle

1. Allgemeines
   
   1. Definition Aktivkohle
      
   2. Struktur der Aktivkohle
      
   3. Herstellung
      
   4. Definition Adsorption
      
   5. Adsorbierbare Stoffe
      
   6. Darstellung der Adsorption
      
2. Sorten
   
   1. Sorten
      
   2. Anwendungsgebiete Pulverkohle
      
   3. Anwendungsgebiete Kornkohle
      
   4. Anwendungsgebiete Formkohle
      
3. Imprägnierte Aktivkohle
   1. Sorten
      
   2. Anwendung
      
4. Recycling
   1. Desorption
      
   2. Reaktivierung
      

1. Allgemeines

1.1 Definition Aktivkohle /CEFIC/

Aktivkohlen sind industriell hergestellte, problemlos zu handhabende kohlenstoffhaltige Produkte, die eine poröse Struktur und eine große innere Oberfläche besitzen. Sie können ein breites Spektrum von Substanzen adsorbieren, d.h. sie sind in der Lage, Moleküle an ihrer inneren Oberfläche festzuhalten, und werden deshalb als Adsorbentien bezeichnet.

Das Porenvolumen von Aktivkohlen ist im allgemeinen größer als 0,2 ml/g, die innere Oberfläche (größer als 400 m²/g, die Porenweite erstreckt sich von 0,3 bis zu einigen tausend nm .

1.2 Struktur der Aktivkohle

Bei einer ca. 300fach Vergrößerung durch ein Mikroskop lässt sich bei der Kokosnussschale-Kohle wieder die zelluläre Struktur des organischen Originalmaterials erkennen. Die molekulare Struktur der Aktivkohle setzt sich zusammen aus graphitartigen Platten, nur einige Atome breit. Sie bilden die Wände molekularer Öffnungen (die Poren der Aktivkohle). Die hexagonalen C-Ringe sind häufig gebrochen. Durch die strukturellen Unvollkommenheiten gibt es viele Möglichkeiten für eine Reaktion an den Stellen, an denen die C-Ringe gebrochen sind.

Die Poren werden klassifiziert nach ihrem Durchmesser:
Mikroporen mit Radien kleiner als 1 nm (=10 Angstrom)
Mesoporen mit Radien von 1-25 nm
Makroporen mit Radien größer als 25 nm.
Bei den aus Kokosnussschalen hergestellten Aktivkohlen liegen die meisten Poren als Mikroporen vor.

1.3 Herstellung

Aktivkohle kann fast aus jedem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt werden.
Silcarbon-Aktivkohlen werden hergestellt aus:
- Kokosnußschalen
- Steinkohle
- Holz. .

Die Herstellung von Aktivkohle aus nicht porösen, kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien wird Aktivierung genannt. Bei dieser Aktivierung wird mikrokristalliner Kohlenstoff erzeugt, der möglichst von einer großen Zahl statistisch verteilter Poren unterschiedlicher Größe durchsetzt ist. Es gibt 2 Herstellungsmethoden:
- die Gasaktivierung: mit Wasserdampf wird bei Temperaturen von 700-1000 °C eine Teiloxidation des Kohlenstoffes bewirkt. Im Inneren des Rohstoffes werden die gewünschten Poren erzeugt. Es entstehen feinporige Aktivkohlen.
- chemische Aktivierung: die unverkohlten Rohstoffe werden mit einem dehytratisierend wirkenden Mittel (Zinkchlorid oder Phosphorsäure) vermischt und anschließend bei Temperaturen von 400-600 °C erhitzt (aktiviert). Es entstehen grobporige Aktivkohlen (Silcarbon CW20), die zu Entfärbungszwecken eingesetzt werden.

1.4 Definition Adsorption

Die Anreicherung eines Stoffes an der Oberfläche einer benachbarten Phase wird allgemein als Adsorption bezeichnet. Bei Festkörpern (Aktivkohle) kann die Adsorption sowohl aus der Gasphase wie aus umgebenden Flüssigkeiten (Wasser) erfolgen. Bei Absorption dringen Moleküle ins Innere der Nachbarphase ein, z.b. Einlagerung von Wasserstoff in Metalle.
Unter Desorption versteht man die Umkehrung von Adsorptions-Vorgängen.

Die physikalische Adsorption wird hauptsächlich durch van der Waalsche Kräfte verursacht.
Bei diesem Vorgang bleibt die adsorbierte Verbindung chemisch unverändert. Die physikalische Adsorption ist reversibel, d.h. die adsorbierten Substanzen können unter bestimmten Bei der Adsorption lässt sich zwischen physikalischer Adsorption und Chemisorption unterscheiden. Bedingungen wieder im Originalzustand von der Oberfläche gelöst werden.
Bei der Chemisorption tritt eine chemische Bindung zwischen adsorbierter Substanz und Oberfläche ein, wodurch das adsorbierte Molekül in seiner chemischen Natur verändert wird. Die Chemisorption ist nicht reversibel.

1.5 Adsorbierbare Stoffe

An Aktivkohle werden im allgemeinen organische und nicht-polare Stoffe adsorbiert. Beispiel-. Organische Stoffe: Lösemittel (u.a. chlorierte Kohlenwasserstoffes), Farbstoffe, Öl. Bevorzugt adsorbiert werden: höhermolekulare Verbindungen unpolare Verbindungen. Allgemein gilt, dass mit abnehmender Wasserlöslichkeit, Flüchtigkeit und Polarität, sowie zunehmendem Molekulargewicht die Adsorbierbarkeit steigt.

1.6 Darstellung der Adsorption

Mittels Adsorptionsisothermen wird die Höhe der Adsorption in Abhängigkeit der Konzentration der zu adsorbierenden Substanz dargestellt. Die Adsorptionsisotherme beschreibt den Gleichgewichtszustand zwischen "Schadstoff" in der Flüssigkeit oder in der Luft (Restkonzentration) und "Schadstoff', an der Aktivkohle adsorbiert (max. Beladung bei o.e. Restkonzentration). Es gilt: je höher die Konzentration, desto höher die Beladung.
Adsorption Izotermen Lösungsmittel an Silcarbon Aktivkohle in Luft.

2. Sorten

2.1 Aktivkohle-Sorten

Es gibt 3 Erscheinungsformen der Aktivkohle: Pulverkohle,
Kornkohle
Formkohle.

Pulverkohle als Pulver-Aktivkohlen werden lt. CEFIC jene Aktivkohlen definiert, deren Kornanteil unter 0. 18 mm größer als 90% ist. Pulverkohle wird zur industriellen Reinigung von Flüssigkeiten (inkl. Abwasserreinigung) eingesetzt. Nach Adsorption muss die Pulverkohle von der Flüssigkeit mittels Filtration getrennt werden.

Kornkohle als Korn-Aktivkohlen werden lt. CEFIC jene Aktivkohlen definiert, deren Kornanteil über 0. 18 mm größer als 90% ist. Kornkohle setzt sich zusammen aus Bruchkorn mit unterschiedlichem Durchmesser. Die Charakterisierung erfolgt durch Angabe der Korngrenzen, wobei je 5% Über- und Unterkorn toleriert wird. Kornkohle wird hauptsächlich zur Reinigung von Flüssigkeiten, meist Wasseraufbereitung, eingesetzt. Hierzu wird die Kornkohle in Absorber oder Filtereinheiten eingefüllt. Zur Luftreinigung werden im allgemeinen nur sehr grobkörnige Aktivate (2 - 5 mm) benutzt.

Formkohle ist Aktivkohle im Form von Zylindern mit identischem Durchmesser und unterschiedlicher Länge, Silcarbon-Formkohlen gibt es mit folgendem Durchmesser: 1.5 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm. Formkohle wird im allgemeinen zur Luft- oder Gasreinigung eingesetzt. Hierzu wird die Formkohle in Absorber oder Filtereinheiten eingefüllt.

2.2 Anwendungsgebiete Pulverkohle

Flüssigkeitsreinigung: Abwasser Grundwasser Schwimmbadwasser Salzlösungen anorganische und organische Säuren in der chem. u. Pharma-Industrie Galvanotechnik Schönung von Getränken Lebensmittelindustrie Entfärbung Medizintechnik
Silcarbon-Pulverkohlen: wasserdampfaktivierte Pulverkohle (feinporig): Silcarbon TH90, die Anwendungen- wasserdamfaktivierte Aktivkohle zur Adsorption von Mikro-Verunreinigungen: CKW'S, geschmack/geruch-verbesserung .
chemisch aktivierte Pulverkohle (grobporig): Silcarbon CW20 zur Entfärbung, zur Adsorption von großen Molekülen (u.a, Öl) .

Zur Ermittlung
- der besten Aktivkohlesorte
- der richtigen Einsatzmenge
- der optimalen Kontaktzeit
sind Laborversuche mit der zu behandelnden Flüssigkeit (in o.g. Reihenfolge) unbedingt erforderlich.
Pulverkohlen werden in der Regel im Einrührverfahren eingesetzt. Zur Vermeidung von Staubbildung kann die Aktivkohle mit der zu reinigenden Flüssigkeit angemischt werden und dann in den Reaktionsbehälter gepumpt werden. Die beladene Aktivkohle muss dann über eine geeignete Filtereinrichtung abgetrennt werden. Eine Möglichkeit besteht im Gebrauch eines Anschwemmfilters unter Zusatz einer Filterhilfe (Kieselgur).
Eine weitere Methode ist die Schichtfiltration. Hierbei wird Aktivkohle mit dem Filterhilfsmittel auf ein geeignetes Filter angeschwemmt. Über diese Filterschicht wird nun die zu reinigende Lösung, filtriert.
Wir arbeiten mit Pulverkohle:

2.3 Anwendungsgebiete Kornkohle

Silcarbon K0.3-0.8 (0,3 - 0,8 mm)
Silcarbon K835 (0,5 - 2,5 mm)
Silcarbon K814 (1,4 - 2,5 mm)
Silcarbon K835spec. (0,5 - 2,5 mm)
Silcarbon K814spec. (1,4 - 2,5 mm)
zur Flüssigkeitsreinigung: Abwasser Grundwasser Schwimmbadwasser Trinkwasser Aquaristik Galvanotechnik Schönung von Getränken Entfärbung .

Silcarbon K48 (2,4 - 4,8 mm)
Silcarbon C46 (3 - 5 mm)
Silcarbon K48spec. (3 - 5 mm)
zur Luftreinigung (siehe weiter unter Formkohle).

Wasserreinigung grundsätzlich muss zwischen Trink-, Grund- und Abwasser unterschieden werden. In der Regel ergibt sich der Unterschied durch die Konzentration, mit denen Verunreinigungen in diesem Anwendungsgebiet auftreten. Bei Wasserreinigung mittels Aktivkohle treten die Verunreinigungen im Wasser vor allein in Form von Lösemitteln, halogenierten Kohlenwasserstoffes, wie CKW'S, FCKWs auf die verschiedenen Konzentrationsbereiche liegen je nach Löslichkeit bei:
10 - 350 Mikrogramm/1 für Trinkwasser,
10 - 1 000 Mikrogramm/1 für Grundwasser
10 - 2000 Milligramm/1 für Abwasser.
Schwimmbadwasserbehandlung lässt sich nicht in dieses Schema einpassen, da wir es in diesem Falle mit Entchlorung oder Entozonung und nicht mit einer rein adsorptiven Schadstoffentfernung zu tun haben. Die Aufbereitung der verschiedenen Wässer erfolgt meist nach dem gleichen Schema: - Abtrennen von Schwebstoffen Adsorption an Aktivkohle.

Kornkohlen werden in Festbett-Absorbern eingesetzt. Die stationäre Aktivkohleschicht wird hierbei in einer Richtung mit dem belasteten Wasser durchströmt (meist von oben nach unten). Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb eines Festbettabsorbers ist ein schwebstofffreies Wasser, was gegebenenfalls durch geeignete Vorbehandlung (z.b. mittels Sandfilter) zu gewährleisten ist. Eventuell Schwebstoffe, die trotzdem im Aktivkohlebett aufgefangen werden, können durch Rückspülung des Filters entfernt werden. Die Rahmenbedingungen für die Wasseraufbereitung werden im allgemeinen wie folgt festgelegt:
Kontaktzeit: min. 15 Min. - max. 60 Min.
Fließgeschwindigkeit: 5 - 15 m/h
Betthöhe: mind. 0.5 m, meistens 2 - 3 m
Filterhöhe: Durchmesser: ca. 2 : 1
eventuell Rückspülung. 30 - 40 m/h (bis 30 % Bettausdehnung).

2.4 Anwendungsgebiete Formkohle

Grundsätzlich werden Formkohlen nach ihrem Durchmesser klassifiziert:
1,5 mm Silcarbon SIL15, SC15
3 mm Silcarbon SIL40-3S
4 mm Silcarbon SIL40, SC40, SC44
8 mm Silcarbon SC80

Anwendungsgebiete- 1.5 und 2 mm Formkohle: Abwasser Reinigung von Chemikalien Luftreinigung (kleine Filtereinheiten) Aquaristik Pfeifenfilter 3 - 8 mm Formkohle: Luft- und Gasreinigung.

Luftreinigung in vielen Industriezweigen werden bei Bearbeitungs- und Produktionsverfahren Dünste und Dämpfe mit mehr oder weniger toxischen Stoffen freigesetzt. In der Regel dürfen die Schadstoffe nicht ins Freie geblasen werden. Die häufigsten Schadstoffe in den Abluftströmen sind Lösemittel, die für die Produktion vieler Dinge unseres täglichen Lebens benötigt werde. Zur Abtrennung der Lösemittel, meist Kohlenwasserstoffes, wie CKW'S, FCKW'S, hat sich Aktivkohle aufgrund ihres hydrophoben Charakters hervorragend bewährt.

Grundsätzlich muss zwischen Abluftreinigung und Lösemittelrückgewinnung unterschieden werden. In der Regel ergibt sich der Unterschied durch die Konzentration und Menge, mit denen die Verunreinigungen in der Luft auftreten. Bei sehr großen Mengen wird es wirtschaftlich die Lösemittel von der Aktivkohle zu desorbieren (z.B. mit Dampf) und wiederaufzubreiten. Liegen die Schadstoffe jedoch in sehr niedrigen Konzentrationen oder in Gemischen, die nicht wiederverwendet werden können, vor, so werden Einweg-Formkohlen bevorzugt.
Formkohlen werden in Festbett-Absorbern eingesetzt. Die stationäre Aktivkohleschicht wird hierbei in einer Richtung mit der belasteten Luft durchströmt (meist von unten nach oben) die Rahmenbedingungen für die Luft- und Gasreinigung werden im allgemeinen wie folgt festgelegt:
Fließgeschwindigkeit: 0. 1 - 0.5 m/s
Kontaktzeit: ca. 0. 1- 0. 5 Sekunden
Betthöhe: mind. 0.5 m, meistens 1 - 3 m.

Filtration Luft mit Aktivkohle Silcarbon in kleinen und großen Absorberen.

3. Imprägnierte Aktivkohle

3.1 Sorten

3.2 Anwendung

Hauptanwendungsgebiet ist die Luftreinhaltung. Bei vielen großtechnischen Prozessen treten in der Abluft Schadstoffe auf, die an herkömmlichen Aktivkohlen nur unvollständig abgeschieden werden. Oft handelt es sich um niedermolekulare Stoffe, die selbst in geringer Konzentration eine toxische Wirkung aufweisen oder belästigend wirken. In diesen Fällen setzt man Aktivkohlen ein, die speziell auf die entsprechende Schadstoffkomponente abgestimmt/imprägniert sind. Anhand einer mehr oder weniger komplizierten chemischen Reaktion von den Schadstoffen mit der Imprägnierung werden die Schadstoffe aus der Abluft beseitigt (Chemisorption).

4. Recycling

Aktivkohle adsorbiert organische Substanzen aus Wasser und Luft und kann daher mit organischen Bestandteilen verunreinigtes Wasser oder kontaminierte Luft reinigen- die Schadstoffe werden von der Aktivkohle aufgenommen. Die Adsorption ist ein reversibler Prozess, die Schadstoffe können von der Aktivkohle entfernt werden:
- mittels Desorption oder
- mittels Reaktivierung.

4.1 Desorption

Unter Desorption versteht man die Umkehrung von Adsorptions-Vorgängen. Die bei der Adsorption wirkenden "Van der Waalschen Kräfte" werden in solcher Maße verringert, dass die Schadstoffe sich von der Aktivkohle lösen. Es haben sich technisch drei Verfahren durchgesetzt:
- Temperaturwechselverfahren: durch erhöhte Temperatur werden die für die Adsorption verantwortlichen Van der Waalschen Kräfte so reduziert, dass sich die adsorbierten Substanzen lösen. Die Temperaturerhöhung findet durch Zugabe von Dampf (110- 160°C) oder mittels Durchströmung mit erhitztem Stickstoff statt.
- Druckwechselverfahren: durch Partialdruckerniedrigung werden, wie bei der Temperaturerhöhung, die Van der Waalschen Kräfte verringert: die Aktivkohle wird desorbiert.
- Extraktion: Desorption in eine flüssige Phase: die adsorbierten Stoffe werden chemisch gelöst.
Alle drei o.g. Verfahren haben den Nachteil, dass die adsorbierten Substanzen nicht vollständig von der Aktivkohle entfernt werden. Es bleiben beträchtliche Mengen der Schadstoffe an der Aktivkohle gebunden. Mittels Dampfregeneration bleibt im allgemeinen noch 1/3 der Gesamtbeladung auf der Aktivkohle zurück.

4.2 Reaktivierung

Unter Reaktivierung versteht man die vollständige Regenerierung der Aktivkohle mittels Dampf bei Temperaturen über 600°C. Die Schadstoffe werden bei diesen Temperaturen verbrannt ohne, dass die Aktivkohle selbst verbrannt wird. Dies ist möglich, da während des Reaktivierungsprozesses nur ein geringer Sauerstoffgehalt und eine bestimmte Menge Wasserdampf vorhanden ist. Der Wasserdampf greift die Kohle selektiv an der inneren Oberfläche an. Die adsorbierten Verunreinigungen zeigen eine vergleichsweise hohe Reaktionsfähigkeit gegenüber Wasserdampf, wodurch die selektive Verbrennung stattfinden kann. Ein geringer Abbrand der Kohle ist jedoch unvermeidlich. Der Abbrand muss nach der Reaktivierung durch Neukohle ersetzt werden. Nach der Reaktivierung sieht man oft, dass sich die innere Oberfläche der reaktivierten Aktivkohle vergrößert hat und damit die Aktivität erhöht wurde. Dies kann auf das Erstehen zusätzlicher Poren in der Aktivkohle oder auf verkohlte Verunreinigungen zurückgeführt werden. Die Reaktivierung wird in einem Reaktivierungsofen durchgeführt Es gibt hauptsächlich drei Sorten Reaktivierungsöfen:
- Drehrohrofen
- Etagenöfen
- Fließbettöfen.

Silcarbon-Aktivkohlen werden in einem Fließbettofen reaktiviert. Der Fließbett- oder auch Wirbelschichtofen hat den Vorteil des geringen Abrannt- und Abriebverlustes. Die verbrauchte Aktivkohle wird im Fließbettofen über einem Rost transportiert, wodurch Luft und Verbrennungsgase von unten nach oben durchgeblasen werden. Durch den starken Gasstrom wird ein Teil der Aktivkohle aufgewirbelt. Die Gase transportieren die Verbrennungsprodukte des Reaktivierungsprozesses von der Aktivkohle zur Nachverbrennungskammer. Im Nachverbrennungsbereich wird Sauerstoff zugegeben, wodurch die teilweise noch nicht vollständig verbrannten Gase nachverbrannt werden. Es entstehen somit Temperaturen von ca. 1200°C. Nach der Verbrennung wird das Gas durch ein Gaswäscher geführt, in welchem das Gas mit Wasser und Fremdluft bis auf 50-100°C abgekühlt wird. Außerdem wird hier die im Abgas eventuell befindliche Salzsäure, welche aus an der verbrauchten Aktivkohle adsorbierten chlorierten Kohlenwasserstoffes entsteht, mit Natronlauge neutralisiert. Durch die hohe Temperatur und schnelle Abkühlung ist gewährleistet, dass keine giftigen Gase (wie z.B. Dioxins, Furane) in die Umgebung abgegeben werden.

Expedition Aktivkohle Silcarbon.

Josef Komárek
Silcarbon CZ
CZ-277 13 Kostelec nad Labem
tel.: +420-326981424 fax.: +420-326982284

E-Mail: silcarbon@telecom.cz
WWW: http://web.telecom.cz/silcarbon/index.htm

WWW: http://www.silcarbon.de

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