Aktivkohle

Aktivkohle
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Was ist Aktivkohle?

Aktivkohle hat chemisch gesehen eine sehr große Oberfläche pro Volumeneinheit sowie ein Netzwerk aus submikroskopischen Poren, in denen die Giftstoffadsorption stattfindet. Sie besteht aus einem kohlenstoffhaltigem Ausgangsmaterial, wie zum Beispiel Kohle aus Nussschalen, Kokosnüssen , Lignit, Holz oder Torf. Das optimale Ausgangsmaterial ist also ein beliebiges organisches Material mit einem hohem Kohlenstoffgehalt. Das auf Kohlenstoff basierende Material wird im Produktionsvorgang zur Aktivkohle. Durch physikalische Modifikation und thermische Zersetzung in einem Ofen und unter kontrollierter Atmosphäre und Temperatur findet die Verkohlung statt, welcher am Ende die Aktivkohle liefert. Das fertige Produkt, die Aktivkohle kann mit seinen submikroskopischen Poren sind auf Grund der großen Oberfläche nun in der Lage eine große Menge organischer Giftstoffe zu absorbieren. Diese Aktivkohle ist das Ausgangsmaterial für im Handel erhältliche Kohletabletten.

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Aktivkohlefilter zur Wasserreinigung

Aktivkohle wird verwendet, um Flüssigkeiten und Gase in einer Vielzahl von Anwendungen zu reinigen, einschließlich der kommunalen Trinkwasser, Nahrungsmittel und Getränke-Verarbeitung, Geruchsbeseitigung, Umweltverschmutzung durch die Industrie und heimischen Filteranlagen. Das ökologische Bewusstsein und die Sorge um sauberes Trinkwasser haben die Verbraucher angetrieben Wasserreinigungsanlagen mit Aktivkohlefilter zu Hause einzusetzen, die ihnen die Möglichkeit geben ihr Leitungswasser selbst zu reinigen. Auch wenn wir in Deutschland weltweit eine der höchsten Wasserqualität haben, können Nutzer von Aktivkohlefilter auf Nummer sicher gehen. Viele dieser Hauswasserfilter verwenden Aktivkohle zuverlässig um gelöste Verunreinigungen und Desinfektionsnebenprodukte zu entfernen, die den Geschmack des Wassers schlecht machen und seine Qualität beeinflussen. Der Aschegehalt kann eine wichtige Rolle bei der Wasseraufbereitung spielen. Die wasserlösliche Asche kann bei Kontakt mit der Aktivkohle gelöst werden und zu einer Trübung des Wasser führen. Aber was ist Aktivkohle und wie funktioniert sie?

Was sind die Eigenschaften von Aktivkohle?

Ein Aktivkohleprodukt wird durch seine physikalischen Eigenschaftenund seine Aktivität charakterisiert. Die Aktivität umfasst die Porengrößenverteilung, welche über drei Porengrößen-Bereiche definiert: Die Mikroporen, Mesoporen und Macroporen. Um sich das Skelett und seine riesige Oberfläche besser vorstlellen zu können sind hier die Größeneinheiten der verschiedenen Poren:
Die Mikroporen haben einen Durchmesser kleiner als 100 Angström
Die Mesoporen haben einen Durchmesser zwischen 100 und 1000 Angström
Die Macroporen haben einen Durchmesser von mehr als 1000 Angström
Die verschiedenen Porengrößen sind das wichtigste Merkmal wenn es um die Wasserreinigung geht. Moleküle welche in der Gasphase vorgefunden werden sind in der Regel kleiner als die Moleküle aus der flüssigen Phase. Daher werden in der Gasphasen des Kohlenstoffs eine Mehrzahl an Mikroporen vorgefunden.

Für die Bewegung der zu absorbierenden Stoffe sowie auch die Leichtigkeit der Aktivkohle muss ein breites Spektrum an Porengrößen vorhanden sein. Flüssigphasenkohlenstoffe enthält eine größere Porengrößenverteilung und ist somit optimal für die Absorption von Farbkörpern und größeren organischen Materialien. Seine Mikroporen sind eher für die Entfernung von Geschmacks- und Geruchsstoffe zu verwendbar.

Die physikalischen Eigenschaften der Aktivkohle umfassen im Wesentlichen seine Oberfläche, Produktdichte, Maschengröße, Abriebfestigkeit und Aschegehalt.
Typische Messwerte von Aktivkohle sind:
Jodzahl – Standardtests um die Oberfläche der Aktivkohle zu schätzen durch eine Jod-Adsorption bei einer gegebenen Anzahl von Standardtestbedingungen.
Oberfläche – Größe der Oberfläche durch Adsorption für eine bestimmte Masse an Kohlenstoff, gemessen mit Techniken wie BET-Stickstoff-Adsorption
Maschenweite – Maß für den Partikelbereich des körnigen Produktes.
Aschegehalt – ein Maß für den Nicht-Kohlenstoffanteil der Aktivkohle. Alle Basismaterialien haben einen unterschiedlichen Aschegehalt der je nach Ausgangsmaterial Variiert. Kokosnußschale hat zum beispiel mehr Erdalkalimetalle während kohlebasierte Kohlenstoffe mehr Schwermetalle enthalten.

Wie funktioniert Aktivkohle?

Physikalische Adsorption ist die primäre Eigenschaft durch welche die Aktivkohle Verunreinigungen aus Flüssigkeiten oder Gasen entfernt. Die große Oberfläche der Aktivkohle ermöglicht Schadstoffen genug Poren zum Anbinden zu finden.
Die große innere Oberfläche von Kohlenstoff hat mehrere Anziehungskräfte, die andere Moleküle anziehen. Diese Kräfte funktionieren ähnlich wie die Schwerkraft. Daher „kleben“ Verunreinigungen im Wasser auf der Oberfläche des Kohlenstoffs.
Die physikalische Adsorption tritt auf, weil alle Moleküle Anziehungskräfte ausüben, insbesondere Moleküle an der Oberfläche von festen Stoffen und diese Oberflächenmoleküle versuchen, an anderen Moleküle zu haften.
Die gelösten Adsorbate wandern durch die Lösung um die Porenkanäle und das Gebiet zu erreichen, wo sich die stärkste Anziehungskräfte befinden. Dort werden Verunreinigungen adsorbiert, da die Anziehung der Kohlenstoffoberfläche für sie stärker ist als die Anziehungskräfte, die sie in Lösung gelöst halten.
Verunreinigungen, die organisch sind, weisen ein hohes Molekulargewicht auf und sind neutral oder nicht-polar, daher werden sie in ihrer chemischen Natur von Aktivkohle leicht adsorbiert.
Neben der physikalischen Adsorption, können chemische Reaktionen auf einer Kohlenstoffoberfläche auftreten. Eine solche Reaktion ist zum Beispiel die Chlorentfernung aus Wasser, durch welche die chemische Reaktion von Chlor mit Kohlenstoff genutzt wird um Chloridionen zu bilden.

Warum gibt es unterschiedliche Arten von Aktivkohle?

Die Eigenschaften von Aktivkohle unterscheiden sich je nach Ausgangsmaterial und Herstellungsverfahren. Die Rohstoffe machen den Großteil der Unterschiede des Endprodukts aus.
Hierzulande wird die meiste Aktivkohle aus Kohle hergestellt. Der Rohstoff und die Verarbeitung zur können viel der Aktivkohle beeinflussen. Dies unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedene Rohstoffe macht einige Kohlenstoffe besser geeignet für spezifische Anwendungen als andere Rohstoffe.
Aktivkohlen aus Steinkohle hat ein großes Spektrum von Porendurchmessern. Da die Kohlenstoffatome sowohl feine als auch breite Porendurchmesser haben, sind sie für die Entchlorung und die Entfernung einer großen Anzahl von organischen und chemischen Verunreinigungen aus dem Wasser, einschließlich der größeren Farbkörper bestens geeignet. Kokosnussschalen-basierter Kohlenstoff neigt dazu, eine größere Mikroporosität aufweisen, die für die Entfernung von geringen Konzentrationen an organischen Stoffen wie zum Beispiel die Trinkwasserreinigung, besser geeignet ist. Diese Eigenschaft kann ermittelt werden, indem die Jodanzahl der Aktivkohlen verglichen werden. Kohlen mit höheren Jodzahlen neigen dazu, eine größere Oberfläche haben. Daher haben sie höhere Kapazität für vergleichsweise schwach adsorbierbare organische Stoffe. Kohlenstoffmaterialien mit niedrigen Jodzahlen haben hingegen größere Poren die für die Entfernung von großen organischen Molekülen verwendet werden können.
Ein weiterer Vergleichsfaktor ist die Härte des Kohlenstoff. So kann beispielsweise die Abriebfestigkeit von Aktivkohlen wichtig sein, wenn der Kohlenstoff in einer Anwendung verwendet werden soll, wo häufige Rückspülung erforderlich sind. Wie oben bereits erwähnt, haben Kokosnusskohlenstoffe eine höhere Abriebzahl als bituminöse kohlebasierte Kohlenstoffe.
Die Dichte kann auch ein wichtiger Aspekt für bestimmte Anwendungen sein. Wie die folgende Tabelle zeigt, variieren die Dichten der Aktivkohle mit dem Rohmaterial.