Adsorption - Adsorption

Brunauer, Emmett und Tellers Modell der Mehrschichtadsorption ist eine zufällige Verteilung von Molekülen auf der Materialoberfläche.

Adsorption ist das Anhaften von Atomen , Ionen oder Molekülen aus einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem gelösten Feststoff an eine Oberfläche . Dieser Vorgang erzeugt einen Film des Adsorbats auf der Oberfläche des Adsorbens . Dieser Prozess unterscheidet sich von der Absorption , bei der eine Flüssigkeit (das Absorbat ) von einer Flüssigkeit oder einem Feststoff (dem Absorptionsmittel ) gelöst wird oder diese durchdringt . Die Adsorption ist ein Oberflächenphänomen , während die Absorption das gesamte Volumen des Materials umfasst, obwohl die Adsorption oft der Absorption vorausgeht. Der Begriff Sorption umfasst beide Prozesse, während Desorption das Gegenteil davon ist.

Wie die Oberflächenspannung ist die Adsorption eine Folge der Oberflächenenergie . In einem Schüttgut werden alle Bindungsanforderungen (sei es ionisch , kovalent oder metallisch ) der konstituierenden Atome des Materials von anderen Atomen im Material erfüllt. Atome auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels sind jedoch nicht vollständig von anderen Adsorptionsmittelatomen umgeben und können daher Adsorbate anziehen. Die genaue Art der Bindung hängt von den Details der beteiligten Spezies ab, aber der Adsorptionsprozess wird im Allgemeinen als Physisorption (charakteristisch für schwache Van-der-Waals-Kräfte ) oder Chemisorption (charakteristisch für kovalente Bindungen) klassifiziert . Es kann auch aufgrund elektrostatischer Anziehung auftreten.

Adsorption ist in vielen natürlichen, physikalischen, biologischen und chemischen Systemen und weithin in industriellen Anwendungen , wie beispielsweise verwendet wird , heterogene Katalysatoren , Aktivkohlen , die Erfassung und Verwendung von Abwärme kaltes Wasser für eine Klimaanlage und andere Prozessanforderungen (um Adsorptionskälteanlagen ), synthetische Harze , Erhöhung der Speicherkapazität von Karbid-abgeleiteten Kohlenstoffen und Wasserreinigung . Adsorption, Ionenaustausch und Chromatographie sind Sorptionsverfahren, bei denen bestimmte Adsorbate selektiv aus der flüssigen Phase an die Oberfläche von unlöslichen, starren Partikeln, die in einem Gefäß suspendiert oder in eine Säule gepackt sind, überführt werden. Weniger bekannt sind Anwendungen in der pharmazeutischen Industrie, bei denen Adsorption als Mittel zur Verlängerung der neurologischen Exposition gegenüber bestimmten Arzneimitteln oder Teilen davon verwendet wird.

Der Begriff „Adsorption“ wurde 1881 vom deutschen Physiker Heinrich Kayser (1853–1940) geprägt.

Isothermen

Die Adsorption von Gasen und gelösten Stoffen wird normalerweise durch Isothermen beschrieben, d. h. die Menge an Adsorbat auf dem Adsorbens als Funktion seines Drucks (bei Gas) oder Konzentration (bei gelösten Stoffen in flüssiger Phase) bei konstanter Temperatur. Die adsorbierte Menge wird fast immer auf die Masse des Adsorbens normiert, um einen Vergleich verschiedener Materialien zu ermöglichen. Bis heute wurden 15 verschiedene Isothermenmodelle entwickelt.

Freundlich

Die erste mathematische Anpassung an eine Isotherme wurde von Freundlich und Kuster (1906) veröffentlicht und ist eine reine empirische Formel für gasförmige Adsorbate:

${\displaystyle {\frac {x}{m}}=kP^{1/n},}$

Dabei ist die Masse des adsorbierten Adsorbats, die Masse des Adsorbens, der Druck des Adsorbats (dieser kann in die Konzentration geändert werden, wenn eine Lösung anstelle von Gas untersucht wird) und sind empirische Konstanten für jedes Adsorbens-Adsorbat-Paar bei einer gegebenen Temperatur . Die Funktion ist bei sehr hohem Druck nicht ausreichend, da in Wirklichkeit ein asymptotisches Maximum bei unbegrenztem Druckanstieg vorliegt. Mit steigender Temperatur ändern sich die Konstanten und ändern sich, um die empirische Beobachtung widerzuspiegeln, dass die adsorbierte Menge langsamer ansteigt und höhere Drücke erforderlich sind, um die Oberfläche zu sättigen. ${\displaystyle x}$${\displaystyle m}$${\displaystyle P}$${\displaystyle k}$${\displaystyle n}$${\displaystyle x/m}$${\displaystyle k}$${\displaystyle n}$

Langmuir

Irving Langmuir leitete 1918 als erster eine wissenschaftlich fundierte Adsorptionsisotherme ab. Das Modell gilt für Gase, die an festen Oberflächen adsorbiert sind. Sie ist eine semiempirische Isotherme mit kinetischer Basis und wurde auf Basis statistischer Thermodynamik abgeleitet. Sie ist aufgrund ihrer Einfachheit und ihrer Fähigkeit, eine Vielzahl von Adsorptionsdaten anzupassen, die am häufigsten verwendete Isothermengleichung. Es basiert auf vier Annahmen:

1. Alle Adsorptionsstellen sind äquivalent und jede Stelle kann nur ein Molekül aufnehmen.
2. Die Oberfläche ist energetisch homogen und adsorbierte Moleküle interagieren nicht.
3. Es gibt keine Phasenübergänge.
4. Bei maximaler Adsorption wird nur eine Monoschicht gebildet. Adsorption findet nur an lokalisierten Stellen auf der Oberfläche statt, nicht mit anderen Adsorbaten.

Diese vier Annahmen sind selten richtig: Es gibt immer Unvollkommenheiten auf der Oberfläche, adsorbierte Moleküle sind nicht unbedingt inert, und der Mechanismus ist eindeutig nicht derselbe, wenn das allererste Molekül an einer Oberfläche adsorbiert wird wie das letzte. Die vierte Bedingung ist die schwierigste, da häufig mehr Moleküle an der Monoschicht adsorbieren; Dieses Problem wird durch die BET-Isotherme für relativ flache (nicht mikroporöse ) Oberflächen angegangen . Die Langmuir-Isotherme ist dennoch die erste Wahl für die meisten Adsorptionsmodelle und hat viele Anwendungen in der Oberflächenkinetik (normalerweise als Langmuir-Hinshelwood-Kinetik bezeichnet ) und Thermodynamik .

Langmuir vermutete, dass die Adsorption über diesen Mechanismus erfolgt: , wobei A ein Gasmolekül und S eine Adsorptionsstelle ist. Die direkten und inversen Geschwindigkeitskonstanten sind k und k ₋₁ . Wenn wir die Oberflächenbelegung als den Anteil der besetzten Adsorptionsplätze definieren, gilt im Gleichgewicht: ${\displaystyle A_{\text{g}}+S\rightleftharpoons AS}$${\displaystyle\theta}$

${\displaystyle K={\frac{k}{k_{-1}}}={\frac{\theta}{(1-\theta)P}},}$

oder

${\displaystyle \theta ={\frac {KP}{1+KP}},}$

wo ist der Partialdruck des Gases oder die molare Konzentration der Lösung. Für sehr niedrige Drücke und für hohe Drücke . ${\displaystyle P}$${\displaystyle \theta \approx KP}$${\displaystyle \theta \approx 1}$

Der Wert von ist experimentell schwer zu messen; üblicherweise ist das Adsorbat ein Gas und die adsorbierte Menge wird in Mol, Gramm oder Gasvolumen bei Standardtemperatur und -druck (STP) pro Gramm Adsorbens angegeben. Wenn wir v _mon das STP-Volumen an Adsorbat nennen, das erforderlich ist, um eine Monoschicht auf dem Adsorbens zu bilden (pro Gramm Adsorbens), dann erhalten wir einen Ausdruck für eine Gerade: ${\displaystyle\theta}$${\displaystyle \theta ={\frac {v}{v_{\text{mon}}}}}}$

${\displaystyle {\frac {1}{v}}={\frac {1}{Kv_{\text{mon}}}}{\frac {1}{P}}+{\frac {1}{v_ {\text{mon}}}}.}$

Durch die Steigung und den y- Achsenabschnitt erhalten wir v _mon und K , die Konstanten für jedes Adsorbens-Adsorbat-Paar bei einer gegebenen Temperatur sind. v _mon steht über das ideale Gasgesetz mit der Anzahl der Adsorptionsplätze in Beziehung . Wenn wir davon ausgehen, dass die Anzahl der Stellen nur die gesamte Fläche des Festkörpers ist, die durch den Querschnitt der Adsorbatmoleküle geteilt wird, können wir leicht die Oberfläche des Adsorbens berechnen. Die Oberfläche eines Adsorbens hängt von seiner Struktur ab: Je mehr Poren es hat, desto größer ist die Fläche, die einen großen Einfluss auf die Reaktionen auf Oberflächen hat .

Adsorbiert mehr als ein Gas an der Oberfläche, definieren wir den Anteil der leeren Stellen und haben: ${\displaystyle \theta_{E}}$

${\displaystyle \theta_{E}={\dfrac {1}{1+\sum_{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}}.}$

Wir können auch den Anteil der vom j- ten Gas eingenommenen Stellen definieren : ${\displaystyle \theta_{j}}$

${\displaystyle \theta_{j}={\dfrac {K_{j}P_{j}}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}},}$

wobei i jedes der Gase ist, die adsorbieren.

Notiz:

1) Um zwischen den Gleichungen langmuir und freundlich zu wählen, müssen die Adsorptionsenthalpien untersucht werden. Während das Langmuir-Modell davon ausgeht, dass die Adsorptionsenergie bei der Oberflächenbelegung konstant bleibt, wird die Freundlich-Gleichung unter der Annahme abgeleitet, dass die Adsorptionswärme mit der Besetzung der Bindungsstellen kontinuierlich abnimmt. Die Wahl des Modells basierend auf der besten Anpassung der Daten ist ein weit verbreiteter Irrglaube.

2) Die Verwendung der linearisierten Form des Langmuir-Modells ist nicht mehr üblich. Fortschritte bei der Rechenleistung ermöglichten eine schnelle und zuverlässige Durchführung der nichtlinearen Regression, da keine Datentransformation erforderlich ist.

WETTE

Oft bilden Moleküle Multischichten, dh einige werden an bereits adsorbierten Molekülen adsorbiert, und die Langmuir-Isotherme ist nicht gültig. 1938 entwickelten Stephen Brunauer , Paul Emmett und Edward Teller eine Modellisotherme, die diese Möglichkeit berücksichtigt. Ihre Theorie wird BET-Theorie genannt , nach den Initialen in ihren Nachnamen. Sie modifizierten den Mechanismus von Langmuir wie folgt:

A _(g) + S ⇌ AS,

A _(g) + AS ⇌ A ₂ S,

A _(g) + A ₂ S ⇌ A ₃ S und so weiter.

Langmuir (blau) und BET (rot) Isothermen

Die Herleitung der Formel ist komplizierter als die von Langmuir (siehe Links für die vollständige Herleitung). Wir erhalten:

${\displaystyle {\frac {x}{v(1-x)}}={\frac {1}{v_{\text{mon}}c}}+{\frac {x(c-1)}{ v_{\text{mon}}c}},}$

Dabei ist x der Druck dividiert durch den Dampfdruck für das Adsorbat bei dieser Temperatur (normalerweise bezeichnet ), v ist das STP-Volumen des adsorbierten Adsorbats, v _mon ist das STP-Volumen der zur Bildung einer Monoschicht erforderlichen Adsorbatmenge und c ist die Gleichgewichtskonstante K, die wir in der Langmuir-Isotherme verwendet haben, multipliziert mit dem Dampfdruck des Adsorbats. Die Schlüsselannahme bei der Herleitung der BET-Gleichung, dass die aufeinander folgenden Adsorptionswärmen für alle Schichten außer der ersten gleich der Kondensationswärme des Adsorbats sind. ${\displaystyle P/P_{0}}$

Die Langmuir-Isotherme eignet sich normalerweise besser für die Chemisorption, und die BET-Isotherme funktioniert besser für die Physisorption für nicht-mikroporöse Oberflächen.

Kisliuk

Zwei Adsorbat-Stickstoffmoleküle adsorbieren an einem Wolframadsorbens aus dem Vorläuferzustand um eine Insel aus zuvor adsorbiertem Adsorbat (links) und durch zufällige Adsorption (rechts)

In anderen Fällen bilden molekulare Wechselwirkungen zwischen zuvor an einer festen Oberfläche adsorbierten Gasmolekülen signifikante Wechselwirkungen mit Gasmolekülen in den Gasphasen. Daher ist die Adsorption von Gasmolekülen an der Oberfläche wahrscheinlicher um Gasmoleküle herum, die bereits auf der festen Oberfläche vorhanden sind, was die Langmuir-Adsorptionsisotherme für Modellierungszwecke unwirksam macht. Dieser Effekt wurde 1957 von Paul Kisliuk (1922–2008) in einem System untersucht, in dem Stickstoff das Adsorbat und Wolfram das Adsorbens war. Um die erhöhte Wahrscheinlichkeit einer Adsorption um Moleküle auf der Substratoberfläche zu kompensieren, entwickelte Kisliuk den Vorläuferzustand Theorie, wonach Moleküle an der Grenzfläche zwischen dem festen Adsorbens und dem Adsorbat in der Gasphase in einen Vorläuferzustand eintreten würden. Von hier aus würden Adsorbatmoleküle entweder an das Adsorptionsmittel adsorbieren oder in die Gasphase desorbieren. Die Wahrscheinlichkeit einer Adsorption aus dem Vorläuferzustand hängt von der Nähe des Adsorbats zu anderen bereits adsorbierten Adsorbatmolekülen ab. Befindet sich das Adsorbatmolekül im Vorläuferzustand in unmittelbarer Nähe zu einem bereits auf der Oberfläche gebildeten Adsorbatmolekül, hat es eine Haftwahrscheinlichkeit, die sich in der Größe der _SE- Konstante widerspiegelt, und wird entweder mit einer Geschwindigkeit . vom Vorläuferzustand adsorbiert von k _EC oder wird mit einer Rate von k _ES in die Gasphase desorbiert . Wenn ein Adsorbatmolekül an einer Stelle in den Vorläuferzustand eintritt, die von anderen zuvor adsorbierten Adsorbatmolekülen entfernt ist, wird die Haftwahrscheinlichkeit durch die Größe der S _D -Konstante widergespiegelt .

Diese Faktoren wurden als Teil einer einzelnen Konstanten, die als "Sticking-Koeffizient" k _{E bezeichnet wird} , eingeschlossen, die im Folgenden beschrieben wird:

${\displaystyle k_{\text{E}}={\frac {S_{\text{E}}}{k_{\text{ES}}S_{\text{D}}}}.}$

Da S _D von Faktoren bestimmt wird, die vom Langmuir-Modell berücksichtigt werden, kann S _D als Adsorptionsratenkonstante angenommen werden. Die Geschwindigkeitskonstante für das Kisliuk-Modell ( R ') unterscheidet sich jedoch von der des Langmuir-Modells, da R ' verwendet wird, um den Einfluss der Diffusion auf die Monoschichtbildung darzustellen und proportional zur Quadratwurzel des Diffusionskoeffizienten des Systems ist. Die Kisliuk-Adsorptionsisotherme wird wie folgt geschrieben, wobei θ _{( t )} die fraktionelle Bedeckung des Adsorbens mit Adsorbat und t die Eintauchzeit ist:

${\displaystyle {\frac {d\theta_{(t)}}{dt}}=R'(1-\theta)(1+k_{\text{E}}\theta).}$

Auflösen nach θ _{( t )} ergibt:

${\displaystyle \theta_{(t)}={\frac {1-e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}{1+k_{\text{E}} e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}}.}$

Adsorptionsenthalpie

Adsorptionskonstanten sind Gleichgewichtskonstanten , daher gehorchen sie der van't Hoff-Gleichung :

${\displaystyle \left({\frac {\partial \ln K}{\partial {\frac {1}{T}}}}\right)_{\theta}=-{\frac {\Updelta H}{ R}}.}$

Wie aus der Formel ersichtlich, muss die Variation von K isosterisch sein, also bei konstanter Bedeckung. Wenn wir von der BET-Isotherme ausgehen und annehmen, dass die Entropieänderung für Verflüssigung und Adsorption gleich ist, erhalten wir

${\displaystyle \Updelta H_{\text{ads}}=\Updelta H_{\text{liq}}-RT\ln c,}$

dh die Adsorption ist exothermer als die Verflüssigung.

Einzelmolekül-Erklärung

Die Adsorption von Ensemblemolekülen an einer Oberfläche oder Grenzfläche kann in zwei Prozesse unterteilt werden: Adsorption und Desorption. Wenn die Adsorptionsrate die Desorptionsrate gewinnt, sammeln sich die Moleküle im Laufe der Zeit an und ergeben die Adsorptionskurve über die Zeit. Wenn die Desorptionsrate größer ist, nimmt die Anzahl der Moleküle auf der Oberfläche mit der Zeit ab. Die Adsorptionsrate ist abhängig von der Temperatur, der Diffusionsrate des gelösten Stoffes und der Energiebarriere zwischen Molekül und Oberfläche. Die Diffusion und Schlüsselelemente der Adsorptionsrate können mit Hilfe der Fickschen Diffusionsgesetze und der Einstein-Beziehung (kinetische Theorie) berechnet werden . Die Desorption eines Moleküls von der Oberfläche hängt von der Bindungsenergie des Moleküls an die Oberfläche und der Temperatur ab.

Quantenmechanisch - Thermodynamische Modellierung für Oberfläche und Porosität

Seit 1980 wurden zwei Theorien erarbeitet, um die Adsorption zu erklären und funktionierende Gleichungen zu erhalten. Diese beiden werden als Chi-Hypothese, die quantenmechanische Ableitung, und Überschüssige Oberflächenarbeit, ESW, bezeichnet. Beide Theorien liefern die gleiche Gleichung für ebene Oberflächen:

${\displaystyle \theta =(\chi -\chi_{c})U(\chi -\chi_{c})}$

Wobei U die Einheitsschrittfunktion ist. Die Definitionen der anderen Symbole sind wie folgt:

${\displaystyle \theta :=n_{ads}/n_{m},\quad\chi :=-\ln {\bigl (}-\ln {\bigl (}P/P_{vap}{\bigr )} {\bigr)}}$

wobei "ads" für "adsorbiert" steht, "m" für "Monoschicht-Äquivalenz" steht und "vap" sich auf den Dampfdruck des flüssigen Adsorptivs bei der gleichen Temperatur wie die feste Probe bezieht. Die Einheitsfunktion erzeugt die Definition der molaren Adsorptionsenergie für das erste adsorbierte Molekül durch:

${\displaystyle \chi_{c}=:-\ln {\bigl(}-E_{a}/RT{\bigr)}}$

Die Auftragung von adsorbiertem gegenüber wird als Chi-Diagramm bezeichnet. Bei ebenen Flächen ergibt die Steigung des Chi-Plots die Fläche. Empirisch wurde dieser Plot von Polanyi und auch von deBoer und Zwikker als sehr passend zur Isotherme festgestellt, aber nicht weiterverfolgt. Dies war auf Kritik im ersteren Fall von Einstein und im letzteren Fall von Brunauer zurückzuführen. Diese flache Oberflächengleichung kann als "Standardkurve" in der normalen Tradition von Vergleichskurven verwendet werden, mit der Ausnahme, dass der frühe Abschnitt der porösen Probe der Auftragung von gegen als ein Selbststandard dient. Ultramikroporöse, mikroporöse und mesoporöse Bedingungen können unter Verwendung dieser Technik analysiert werden. Typische Standardabweichungen für vollständige Isothermenanpassungen einschließlich poröser Proben betragen weniger als 2%. ${\displaystyle n_{ads}}$${\displaystyle\chi}$${\displaystyle n_{ads}}$${\displaystyle\chi}$

Beachten Sie, dass in dieser Beschreibung der physikalischen Adsorption die Adsorptionsentropie mit dem thermodynamischen Kriterium von Dubinin übereinstimmt, d. h. die Adsorptionsentropie vom flüssigen Zustand in den adsorbierten Zustand ist ungefähr null.

Adsorbentien

Eigenschaften und allgemeine Anforderungen

Als Adsorptionsmittel wird Aktivkohle verwendet

Adsorbentien werden üblicherweise in Form von kugelförmigen Pellets, Stäben, Formkörpern oder Monolithen mit einem hydrodynamischen Radius zwischen 0,25 und 5 mm verwendet. Sie müssen eine hohe Abriebfestigkeit , hohe thermische Stabilität und kleine Porendurchmesser aufweisen, was zu einer höheren exponierten Oberfläche und damit zu einer hohen Adsorptionskapazität führt. Die Adsorbentien müssen außerdem eine ausgeprägte Porenstruktur aufweisen, die einen schnellen Transport der gasförmigen Dämpfe ermöglicht.

Die meisten industriellen Adsorbentien fallen in eine von drei Klassen:

• Sauerstoffhaltige Verbindungen – Sind typischerweise hydrophil und polar, einschließlich Materialien wie Silicagel und Zeolithe .
• Verbindungen auf Kohlenstoffbasis – Sind typischerweise hydrophob und unpolar, einschließlich Materialien wie Aktivkohle und Graphit .
• Polymerbasierte Compounds – Sind polar oder unpolar, abhängig von den funktionellen Gruppen in der Polymermatrix.

Kieselgel

Kieselgeladsorber für NO ₂ , Fixed Nitrogen Research Laboratory, ca. 1930s

Kieselgel ist eine chemisch inerte, ungiftige, polare und dimensionsstabile (< 400 °C oder 750 °F) amorphe Form von SiO ₂ . Es wird durch die Reaktion von Natriumsilikat und Essigsäure hergestellt, gefolgt von einer Reihe von Nachbehandlungsprozessen wie Altern, Beizen usw. Diese Nachbehandlungsmethoden führen zu verschiedenen Porengrößenverteilungen.

Kieselsäure wird zur Trocknung von Prozessluft (zB Sauerstoff, Erdgas) und zur Adsorption von schweren (polaren) Kohlenwasserstoffen aus Erdgas verwendet.

Zeolithe

Zeolithe sind natürliche oder synthetische kristalline Alumosilikate, die ein sich wiederholendes Porennetzwerk aufweisen und bei hoher Temperatur Wasser abgeben. Zeolithe sind polarer Natur.

Sie werden durch hydrothermale Synthese von Natriumaluminiumsilikat oder einer anderen Kieselsäurequelle in einem Autoklaven hergestellt, gefolgt von einem Ionenaustausch mit bestimmten Kationen (Na ⁺ , Li ⁺ , Ca ²⁺ , K ⁺ , NH ₄ ⁺ ). Das Kanaldurchmesser von Zeolithkäfigen liegt üblicherweise im Bereich von 2 bis 9 Å . Nach dem Ionenaustauschprozess erfolgt die Trocknung der Kristalle, die mit einem Bindemittel zu makroporösen Pellets pelletiert werden können.

Zeolithe werden bei der Trocknung von Prozessluft, der CO ₂ -Entfernung aus Erdgas, der CO-Entfernung aus Reformiergas, der Luftzerlegung, dem katalytischen Cracken und der katalytischen Synthese und Reformierung eingesetzt.

Unpolare (silikatische) Zeolithe werden aus aluminiumfreien Siliziumdioxidquellen oder durch Dealuminierung von aluminiumhaltigen Zeolithen synthetisiert. Der Dealuminierungsprozess erfolgt durch Behandlung des Zeoliths mit Dampf bei erhöhten Temperaturen, typischerweise über 500 °C (930 °F). Diese Hochtemperatur-Wärmebehandlung bricht die Aluminium-Sauerstoff-Bindungen und das Aluminiumatom wird aus dem Zeolith-Gerüst ausgetrieben.

Aktivkohle

Aktivkohle ist ein hochporöser, amorpher Feststoff, der aus Mikrokristalliten mit Graphitgitter besteht und meist in kleinen Pellets oder Pulver hergestellt wird. Es ist unpolar und billig. Einer seiner Hauptnachteile ist, dass es bei moderaten Temperaturen (über 300 °C) mit Sauerstoff reagiert.

Aktivkohle-Stickstoff-Isotherme zeigt ein ausgeprägtes mikroporöses Typ-I-Verhalten

Aktivkohle kann aus kohlenstoffhaltigem Material hergestellt werden, einschließlich Kohle (bituminös, subbituminös und Braunkohle), Torf, Holz oder Nussschalen (zB Kokosnuss). Der Herstellungsprozess besteht aus zwei Phasen, der Karbonisierung und der Aktivierung. Der Karbonisierungsprozess umfasst das Trocknen und anschließende Erhitzen, um Nebenprodukte wie Teer und andere Kohlenwasserstoffe aus dem Rohmaterial zu trennen sowie entstehende Gase auszutreiben. Der Prozess wird durch Erhitzen des Materials auf über 400 ° C (750 ° F) in einer sauerstofffreien Atmosphäre, die die Verbrennung nicht unterstützen kann, abgeschlossen. Die karbonisierten Partikel werden dann "aktiviert", indem sie einem Oxidationsmittel, gewöhnlich Dampf oder Kohlendioxid bei hoher Temperatur ausgesetzt werden. Dieses Mittel verbrennt die während der Karbonisierungsphase entstandenen Porensperrstrukturen und bildet so eine poröse, dreidimensionale Graphitgitterstruktur. Die Größe der während der Aktivierung entwickelten Poren ist eine Funktion der Zeit, die sie in diesem Stadium verbringen. Längere Einwirkzeiten führen zu größeren Porengrößen. Die beliebtesten Kohlenstoffe in wässriger Phase basieren aufgrund ihrer Härte, Abriebfestigkeit, Porengrößenverteilung und geringen Kosten auf Bitumen, aber ihre Wirksamkeit muss in jeder Anwendung getestet werden, um das optimale Produkt zu bestimmen.

Aktivkohle wird zur Adsorption von organischen Substanzen und unpolaren Adsorbaten verwendet und wird üblicherweise auch zur Abgas- (und Abwasser-) Behandlung verwendet. Es ist das am weitesten verbreitete Adsorptionsmittel, da die meisten seiner chemischen (zB Oberflächengruppen) und physikalischen Eigenschaften (zB Porengrößenverteilung und Oberfläche) nach Bedarf abgestimmt werden können. Seine Nützlichkeit ergibt sich auch aus seinem großen Mikroporen- (und manchmal Mesoporen-) Volumen und der daraus resultierenden großen Oberfläche.

Wasseraufnahme

Die Adsorption von Wasser an Oberflächen ist von großer Bedeutung in der Verfahrenstechnik , Materialwissenschaft und Katalyse . Auch als Oberflächenhydratation bezeichnet, spielt die Anwesenheit von physikalisch oder chemisch adsorbiertem Wasser an der Oberfläche von Festkörpern eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Grenzflächeneigenschaften, der chemischen Reaktionswege und der katalytischen Leistung in einer Vielzahl von Systemen. Im Fall von physikalisch adsorbiertem Wasser kann die Oberflächenhydratation einfach durch Trocknen bei Temperatur- und Druckbedingungen beseitigt werden, die eine vollständige Verdampfung des Wassers ermöglichen. Bei chemisch adsorbiertem Wasser kann die Hydratation entweder in Form einer dissoziativen Adsorption erfolgen, bei der H ₂ O-Moleküle in oberflächenadsorbiertes -H und -OH dissoziiert werden, oder in Form einer molekularen Adsorption (assoziative Adsorption), bei der einzelne Wassermoleküle intakt bleiben

Adsorptionssolarheizung und -speicherung

Die geringen Kosten (200 USD/Tonne) und die hohe Zyklenrate (2.000 ×) von synthetischen Zeolithen wie Linde 13X mit Wasseradsorbat haben in letzter Zeit großes akademisches und kommerzielles Interesse für die Verwendung zur thermischen Energiespeicherung (TES) geweckt, insbesondere für minderwertige Solar und Abwärme. In der EU wurden von 2000 bis heute (2020) mehrere Pilotprojekte gefördert. Das Grundkonzept besteht darin, solarthermische Energie als chemische latente Energie im Zeolith zu speichern. Typischerweise wird heiße trockene Luft von Flachplatten-Solarkollektoren durch ein Zeolithbett geleitet, so dass jegliches vorhandene Wasseradsorbat ausgetrieben wird. Die Speicherung kann je nach Menge des Zeoliths und der Fläche der Solarthermiepaneele täglich, wöchentlich, monatlich oder sogar saisonal erfolgen. Wenn in der Nacht, in sonnenlosen Stunden oder im Winter Wärme benötigt wird, strömt befeuchtete Luft durch den Zeolith. Da die Feuchtigkeit vom Zeolith absorbiert wird, wird Wärme an die Luft und anschließend an den Bauraum abgegeben. Diese Form von TES mit spezifischer Verwendung von Zeolithen wurde erstmals 1978 von Guerra gelehrt.

Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

Typische Adsorptionsmittel, die für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung vorgeschlagen werden, sind Zeolithe und MOFs . Die Anpassung von Adsorbentien macht sie zu einer potenziell attraktiven Alternative zur Absorption. Da Adsorbentien durch Temperatur- oder Druckwechsel regeneriert werden können, kann dieser Schritt weniger energieintensiv sein als Absorptionsregenerationsverfahren . Hauptprobleme bei den Adsorptionskosten bei der Kohlenstoffabscheidung sind: Regenerierung des Adsorptionsmittels, Massenverhältnis, Lösungsmittel/MOF, Kosten des Adsorptionsmittels, Herstellung des Adsorptionsmittels, Lebensdauer des Adsorptionsmittels.

Bei der Sorption Enhanced Water Gas Shift (SEWGS)-Technologie wird ein auf Feststoffadsorption basierender Pre-Combustion-Kohlenstoff-Abscheidungsprozess mit der Wassergas-Shift-Reaktion (WGS) kombiniert , um einen Hochdruck-Wasserstoffstrom zu erzeugen. Der erzeugte CO ₂ -Strom kann gespeichert oder für andere industrielle Prozesse verwendet werden.

Protein- und Tensidadsorption

Die Proteinadsorption ist ein Prozess, der im Bereich der Biomaterialien eine grundlegende Rolle spielt . Tatsächlich werden Biomaterialoberflächen, die mit biologischen Medien wie Blut oder Serum in Kontakt kommen, sofort mit Proteinen beschichtet. Daher interagieren lebende Zellen nicht direkt mit der Biomaterialoberfläche, sondern mit der adsorbierten Proteinschicht. Diese Proteinschicht vermittelt die Interaktion zwischen Biomaterialien und Zellen und übersetzt die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Biomaterialien in eine "biologische Sprache". In der Tat, Zellmembran - Rezeptoren binden an Proteinschicht bioaktiven Seiten und diese Rezeptor-Protein - Bindungsereignisse sind transduziert, durch die Zellmembran, in einer Weise , dass stimulieren spezifische intrazelluläre Prozesse , die dann die Zelladhäsion, die Form, das Wachstum und die Differenzierung bestimmen. Proteinadsorption wird von vielen Oberflächeneigenschaften wie Oberflächen beeinflusst die Benetzbarkeit , Oberflächen chemische Zusammensetzung und die Oberfläche im Nanometer-Maßstab - Morphologie. Die Adsorption von Tensiden ist ein ähnliches Phänomen, wobei jedoch Tensidmoleküle anstelle von Proteinen verwendet werden.

Adsorptionskältemaschinen

Schematische Darstellung einer Adsorptionskältemaschine: (1) Wärme geht durch Verdampfung des Kältemittels verloren, (2) Kältemitteldampf wird auf dem festen Medium adsorbiert, (3) Kältemittel wird aus dem nicht verwendeten Abschnitt des festen Mediums desorbiert, (4) Kältemittel kondensiert und zum Start zurückgeführt wird, (5) und (6) festes Medium wird zwischen Adsorption und Desorption zirkuliert, um es zu regenerieren.

Durch die Kombination eines Adsorptionsmittels mit einem Kältemittel verwenden Adsorptionskältemaschinen Wärme, um einen Kühleffekt zu erzielen. Diese Wärme in Form von heißem Wasser kann aus einer Vielzahl von industriellen Quellen stammen, einschließlich Abwärme aus industriellen Prozessen, Primärwärme aus solarthermischen Anlagen oder aus der Abgas- oder Wassermantelwärme eines Kolbenmotors oder einer Turbine.

Obwohl Adsorptionskältemaschinen und Absorptionskältemaschinen Ähnlichkeiten aufweisen , beruht erstere auf der Wechselwirkung zwischen Gasen und Feststoffen. Die Adsorptionskammer des Chillers ist mit einem Feststoff gefüllt (zB Zeolith, Kieselgel, Aluminiumoxid, Aktivkohle oder bestimmte Arten von Metallsalzen), der im neutralen Zustand das Kältemittel adsorbiert hat. Beim Erhitzen desorbiert (gibt) der Feststoff Kältemitteldampf, der anschließend abgekühlt und verflüssigt wird. Dieses flüssige Kältemittel sorgt dann durch seine Verdampfungsenthalpie für eine Kühlwirkung am Verdampfer . In der letzten Stufe wird der Kältemitteldampf in den Feststoff (re)adsorbiert. Da eine Adsorptionskältemaschine keinen Kompressor benötigt, ist sie relativ leise.

Portalsite-vermittelte Adsorption

Die portalstellenvermittelte Adsorption ist ein Modell für die ortsselektive Aktivgasadsorption in metallischen katalytischen Systemen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Adsorptionsstellen enthalten. In solchen Systemen können "Kanten- und Eck"-Defekt-ähnliche Stellen mit geringer Koordination signifikant niedrigere Adsorptionsenthalpien aufweisen als Stellen mit hoher Koordination ( Basisebene ). Als Ergebnis können diese Stellen als "Portale" für eine sehr schnelle Adsorption an den Rest der Oberfläche dienen. Das Phänomen beruht auf dem üblichen "Spillover"-Effekt (unten beschrieben), bei dem bestimmte adsorbierte Spezies auf einigen Oberflächen eine hohe Mobilität aufweisen. Das Modell erklärt scheinbar inkonsistente Beobachtungen der Thermodynamik und Kinetik der Gasadsorption in katalytischen Systemen, in denen Oberflächen in einer Reihe von Koordinationsstrukturen existieren können, und wurde erfolgreich auf bimetallische katalytische Systeme angewendet, in denen synergistische Aktivität beobachtet wird.

Im Gegensatz zum reinen Spillover bezieht sich die Portalstellenadsorption auf die Oberflächendiffusion zu benachbarten Adsorptionsstellen, nicht auf nicht-adsorptive Trägeroberflächen.

Das Modell scheint zuerst von Brandt et al. für Kohlenmonoxid auf Siliciumdioxid-geträgertem Platin vorgeschlagen worden zu sein . (1993). Ein ähnliches, aber unabhängiges Modell wurde von King und Mitarbeitern entwickelt, um die Wasserstoffadsorption auf Siliciumdioxid-gestützten, alkaliaktivierten Ruthenium-, Silber-Ruthenium- und Kupfer-Ruthenium-Bimetallkatalysatoren zu beschreiben. Dieselbe Gruppe wendete das Modell auf die CO-Hydrierung ( Fischer-Tropsch-Synthese ) an. Zupanc et al. (2002) bestätigten anschließend das gleiche Modell für die Wasserstoffadsorption an Magnesiumoxid-geträgerten Cäsium-Ruthenium-Bimetallkatalysatoren. Trenset al. (2009) haben in ähnlicher Weise die CO-Oberflächendiffusion auf kohlenstoffgestützten Pt-Partikeln unterschiedlicher Morphologie beschrieben.

Adsorptions-Spillover

Bei katalytischen oder adsorbierenden Systemen, bei denen eine Metallspezies auf einem Trägermaterial (oder Trägermaterial) dispergiert ist (oft quasi-inerte Oxide, wie Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid), ist es möglich, dass eine adsorptive Spezies indirekt an der Trägeroberfläche unter Bedingungen, bei denen eine solche Adsorption thermodynamisch ungünstig ist. Die Anwesenheit des Metalls dient als Weg mit niedrigerer Energie für gasförmige Spezies, die zuerst an das Metall adsorbieren und dann auf der Trägeroberfläche diffundieren. Dies ist möglich, weil die adsorbierte Spezies einen niedrigeren Energiezustand erreicht, sobald sie an das Metall adsorbiert ist, wodurch die Aktivierungsbarriere zwischen der Gasphasenspezies und der trägeradsorbierten Spezies gesenkt wird.

Wasserstoff-Spillover ist das häufigste Beispiel für einen adsorptiven Spillover. Im Fall von Wasserstoff wird die Adsorption am häufigsten von einer Dissoziation von molekularem Wasserstoff (H ₂ ) zu atomarem Wasserstoff (H) begleitet, gefolgt von einem Überlaufen der vorhandenen Wasserstoffatome.

Der Spillover-Effekt wurde verwendet, um viele Beobachtungen in der heterogenen Katalyse und Adsorption zu erklären .

Polymeradsorption

Die Adsorption von Molekülen auf Polymeroberflächen ist für eine Reihe von Anwendungen von zentraler Bedeutung, einschließlich der Entwicklung von Antihaftbeschichtungen und in verschiedenen biomedizinischen Geräten. Polymere können auch durch Polyelektrolytadsorption an Oberflächen adsorbiert werden .

Adsorption in Viren

Die Adsorption ist der erste Schritt im viralen Lebenszyklus . Die nächsten Schritte sind Penetration, Entschichtung, Synthese (bei Bedarf Transkription und Übersetzung) und Freisetzung. Der Virus-Replikationszyklus ist in dieser Hinsicht für alle Arten von Viren ähnlich. Faktoren wie Transkription können erforderlich sein oder auch nicht, wenn das Virus seine genomischen Informationen in den Zellkern integrieren kann oder wenn das Virus sich direkt im Zytoplasma der Zelle replizieren kann.

In der Populärkultur

Das Spiel Tetris ist ein Puzzlespiel, bei dem 4er-Blöcke während des Spiels auf einer Oberfläche adsorbiert werden. Wissenschaftler haben Tetris-Blöcke "als Stellvertreter für Moleküle mit komplexer Form" und ihre "Adsorption auf einer flachen Oberfläche" verwendet, um die Thermodynamik von Nanopartikeln zu untersuchen .

Siehe auch

• Adatom
• Kryo-Adsorption
• Dual-Polarisations-Interferometrie
• Wirbelschichtkonzentrator
• Kelvin-Sondenkraftmikroskop
• Mikromeritik
• Molekularsieb
• Polanyi-Adsorption
• Druckwechseladsorption
• Zufällige sequentielle Adsorption

Verweise

Weiterlesen

Externe Links