Was ist Aktivkohle? Woraus wird sie hergestellt?
Bei Aktivkohle handelt es sich um einen porösen feinkörnigen Kohlenstoff mit großer innerer Oberfläche. Der Kohlenstoffgehalt liegt in der Regel > 90 %.
Ausgangsmaterialien sind pflanzliche, tierische, mineralische oder petrochemische Stoffe wie Braun-, Steinkohle oder verschiedene Kunststoffe.
Aktivkohle, die aus pflanzlichen Materialien (Holz, Torf, Kokosfaser und Nussschalen) hergestellt werden, wird als Pflanzenkohle bezeichnet.
Übrigens ist Pflanzenkohle, die aus Kokosnussschalen hergestellt wird, nachweislich die effizienteste Aktivkohle, um unerwünschte Gase und Gerüche zu filtern. Sie hat merklich weniger Kohlestaub als alternative Rohstoffe und ist härter. Ein Vorteil bei Aktivkohle Granulat Filter aus Kokosnussschalen, wie zum Beispiel beim Modell Carbon Active Aktivkohlefilter Granulate von der Firma Carbon Active:
Aktivkohle aus tierischem Ausgangsmaterialien wird allgemein als Tierkohle (lat. carbo animalis) bezeichnet. Dabei wird je nach Ausgangsmaterial zwischen Blutkohle (wird aus Tierblut hergestellt) und Knochenkohle (wird aus Tierknochen hergestellt) unterschieden.
Wird als Ausgangsprodukt Glucose oder ein anderer Zucker verwendet, wird die Aktivkohle als Zuckerkohle bezeichnet.
Herstellung und Aktivierung
Für die Herstellung und Aktivierung von Aktivkohle sind zwei Verfahren anwendbar:
- die Gasaktivierung und
- die chemische Aktivierung
Bei der Gasaktivierung werden die Ausgangsmaterialien erst verkokt (verkohlt) und die daraus gewonnene Kohle dem oxidierenden Einfluß eines Gasstromes, wie z.B. Wasserdampf, Kohlendioxid, Luft oder deren Gemische ausgesetzt.
Bei der chemischen Aktivierung wird ein Gemisch von unverkohltem Ausgangsmaterial mit Chemikalien behandelt und erhitzt. Die Chemikalien werden anschließend ausgewaschen und zurückgewonnen.
Für den Aktivierungsprozesses werden Drehrohr-, Etagen-, Schacht-, Wirbelschichtöfen oder Fließbettreaktoren benutzt. Dieser Prozess gibt der Aktivkohle ihren Namen und vergrössert die adsorptive Eigenschaft, was zu einer Verbesserung der Reinigungsleistung im Vergleich zu herkömmlicher Holzkohle führt und die Kohle zu einem effektiven Wasser- und Partikelfilter macht.
Durch die Aktivierung wird ein Teil des Kohlenstoffes abgebaut und es entstehen unzählig viele unterschiedlich große Poren, Spalten und Risse, wodurch die Kohle porös wird, ähnlich wie bei einem Schwamm.
Diese Poren sind in der Regel nur wenige Nanometer groß. Die Flächen der Porenwände ergeben die innere Oberfläche. Wenige Gramm qualitativer Aktivkohle enthalten ungefähr die innere Oberflächengröße eines kompletten Fußballfeldes.
Oberfläche und Porosität
Die Oberfläche und die Porosität sind wichtig für die Adsorptionfähigkeit der Aktivkohle, bei dem sich Stoffe an der inneren Oberfläche anlagern, wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas die Kohle durchströmt. Dieser Anlagerungsprozess von Atome oder Moleküle von Flüssigkeiten oder Gasen an die Oberflächen wird als Adsorption (aus dem lateinischen adsorpio, von adsorbere „(an)saugen“) bezeichnet.
Wichtig ist aber auch die allgemeine Struktur des Porensystems, weil sie den Transport der Sorptive vom flächenmäßig kleinen Außenbereich der Kohle, in das Innere mit ihrer großen inneren Oberfläche beeinflusst. Demnach ist die äußere Oberfläche des Außenbereich gegenüber der inneren Oberfläche nahezu zu vernachlässigen, weil sie für die Adsorption praktisch keine nennenwerte Bedeutung hat und deren Porenstruktur lediglich als Hauptzugangswege für Gase oder Flüssigkeiten in das Innere der Aktivkohle dienen.
Entscheidender sind die Transportwege ins Innere, die unterschiedliche Größen haben und die große innere Oberfläche mit ihren Mikroporen zum anlagern.
Die Porengröße wird in drei Größenordnungen eingeteilt:
- Mikroporen (< 2 nm)
- Mesoporen (2 bis 50 nm) und
- Makroporen (> 50 nm).
In den kleinen Mikroporen wird gefiltert bzw. hauptangelagert, die Mesoporen sind die Übergangsporen und die Makroporen dienen als Transportstraßen.
Adsorption
Die Kohle bildet in ihrem Inneren eine schwache Bindung zu den Stoffen, sie kann Stoffe festhalten (sie werden adsorbiert).
Die Aktivkohle adsorbert allerdings eher nur solche Stoffe, deren Moleküle Strukturen haben, aufgrund deren sie einfacher absorbiert werden als andere und die unpolar oder möglichst wenig polar sind. Das liegt daran, weil Aktivkohle selbst auch unpolar ist und unpolare Moleküle bevorzugt, in denen die Ladung gleichmäßig verteilt ist.
Die unpolaren Molekühle bleiben dann durch die schwache Bindung, die sich zwischen den Molekülen bildet, an der Oberfläche der Kohle hängen. Dies geschieht dadurch, weil die Kohlenstoffatome, die den internen Oberflächenbereich der Aktivkohle umfassen, Anziehungskräfte von der Oberfläche nach außen verleihen.
Diese Kräfte sind als Van-der-Waals-Kräfte bekannt, benannt nach dem niederländischen Physiker Johannes Diderik van der Waals. Dabei handelt es sich um eine physikalische Adsorption (Physisorption), die zu keiner Veränderung der chemischen Struktur des Adsorbats oder Adsorbens führt, weil die chemischen Bindungen innerhalb eines adsorbierten Teilchens bestehen bleiben, aber jedoch polarisiert werden. Die physikalischen Eigenschaften der Moleküle sorgen für die Bindung.
Bei der chemische Adsorption (Chemisorption) wird die elektronische Struktur innerhalb des Adsorbats verändert und die Bindungen zu der Oberfläche geknüpft.
Bei der chemischen Adsorption liegen die Reaktionswärmen im Bereich von 40 bis 420 kJ/mol, die bei der chemischen Reaktion entstehen, während die Bindungskräfte, die bei der physikalischen Adsorption wirken, bis ca. 40 kJ/mol liegen.
KJ bedeutet Kilojoule und Mol ist die Stoffmenge (Energieeinheit pro Materialmenge bzw. Stoffmenge). Ob Reaktionswärme oder Bindungskraft, beide sind Energieeinheiten die in der Aktivkohle wirken und für Adsorptionsprozesse sorgen.
Allgemein ist Adsorption druck- und temperaturabhängig. Eine Erwärmung setzt die Adsorptionswirkung herab, eine Abkühlung verbessert sie.
Historie der Aktivkohle
Aktivkohle wie wir sie in heutiger Zeit kennen, gib es noch nicht so lange. Vorläufer waren verkohlte Reste von verbranntem Holz und klassische Holzkohle, die durch Erhitzen von Holz bei Luftabschluss im Kohlenmeiler hergestellt wird.
Seit weit über 10.000 Jahren ist der Gebrauchswert von verkohltem Holz bekannt. Enventuell auch schon viel länger als Konservierungsmittel. Weil mit starkt verkohltem Holz bzw. verkohlter Holzasche oder Holzkohle eingeriebenes bzw. umgebenes Fleisch zersetzt sich erst nach längerer Zeit, und zwar ohne großartige Fäulniserscheinungen. Gerüche werden adsorbiert, was unter anderem nützlich ist, um keine Wildtiere oder Insekten anzulocken, die das Fleisch durch den Geruchssinn aufspüren können. Dadurch kann man frisch erlegtes Fleich vor der weiteren Verarbeitung etwas länger lagern und sich vor Raubtieren schützen.
Es existieren achäologische Funde die belegen, dass Kohle als Farbstoff in der prähistorischen Kunst der Höhlenmalerei benutzt wurde. In schwarzen Pigmenten wurden Spuren aus der Kohle von Knochen oder verkohltem Holz gefunden.
Holzkohlenmeiler für die Holzkohleherstellung sind seit dem Altertum bekannt. Schon die alten Ägypter, Inder, Griechen und Römer benutzten Holzkohle. Ob zur Metallurgie oder als Mittel zur Einbalsamierung von Verstorbenen, in der Abdichtung von Schiffsrümpfen oder für die Trinkwasseraufbereitung. Ein alter Sanskrit-Text aus dem Jahr etwa um 200 v. Chr. berichtet, dass Holzkohle für die Trinkwasseraufbereitung benutzt wurde.
Als Antidot bzw. als medizinsiches Gegenmittel wurde Holzkohle von den alten Griechen gegen leichte Lebensmittelvergiftungen eingesetzt. Typische Symptome sind Magenschmerzen, Durchfall und Erbrechen.
Im Laufe der Zeit endeckte der Mensch, dass wenn man Holzfässer innen ankohlt, sich das Trinkwasser länger frisch halten tut, was in früherer Zeit bei längeren Seereisen von Vorteil war. In heutiger Zeit kommen moderne Filteranlagen zum Einsatz, in denen unter anderem Aktivkohlefilter eingesetzt werden.
Im Zeitalter der Industrialisierung wurde sowohl mit Holzkohle, als auch mit Tierkohle geforscht, um Flüssigkeiten zu entfärben. Besonders die zu dieser Zeit aufkommenden Zuckerindustrie war auf der Suche nach einem Mittel, um den Rohzuckersirup zu Entfärben. Aber auch die damalige allgemeine Forschung führte dann zur Entwicklung der Aktivkohle. So wurde die Kohle nicht nur zum Entfärben von Zuckerlösungen verwendet, auch andere industrielle Einsatzmöglichkeiten wurden im Laufe der Zeit entwickelt.
Karl Wilhelm Scheele (* 19. Dezember 1742, † 21. Mai 1786), ein deutsch-schwedischer Apotheker und Chemiker, entdeckte am Ende des 18. Jahrhunderts, dass Holzkohle Gase aufnehmen kann, weil sie porös ist.
Bei einem Selbstversuch im Jahre 1811, überlebte der französische Chemiker Michel Bertrand, als er sich Aktivkohle und Arsen zuführte. Er wollte die entgiftende Wirkung der Aktivkohle beweisen.
1831 nahm ein französischer Professor namens Touéry vor Zeugen Strychnin mit Aktivkohle ein. Auch er überstand unbeschadet den Selbstversuch.
Durch diese Selbstversuche und der weiteren Forschung, kennt die Wissenschaft die absorbierende und entgiftende Wirkung der Aktivkohle, die auch heute noch als Medizinkohle eingesetzt wird.
Produktformen
Die gängigen Produktformen für Aktivkohlen sind:
- geformt als Pellets
- gebrochen als Granulat oder Bruchaktivkohle
- pulverförmig in definierten Korngrößen
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