Entwicklung neuartiger Adsorbentien auf Aktivkohle-Basis durch CVI-Infiltration von keramischen Materialien und Charakterisierung ihrer Adsorptions-Eigenschaften unter extrem abrasiven und reaktiven Prozessbedingungen
Technische Thermodynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die gezielte Modifizierung von handelsüblichen Aktivkohlen durch chemische Gasphaseninfiltration wurde mit dem Ziel untersucht, die inneren Poren und gegebenenfalls die äußere Oberfläche mit einer inerten keramischen Beschichtung zu versehen und so die Beständigkeit des Materials gegenüber mechanischen oder chemischen Einflüssen zu erhöhen. Als Adsorbentien wurden die Aktivkohlen C40/4 Extra und A35/4 Extra der Firma CarboTech AC GmbH ausgewählt. Die Beschichtung der Aktivkohlen erfolgte zunächst mit SiO2 bzw. SiC bei Temperaturen von 700°C und 825°C. Nach einer Aufskalierung konnte die Beschichtung der Aktivkohlen mit größerer Kapazität erfolgen, sodass diese für die Untersuchung der chemischen und physikalischen Eigenschaften in ausreichender Menge vorlagen. Ein Teil der bei 825°C mit SiC beschichteten Aktivkohlen wurde dazu genutzt, die amorphe SiC-Schicht auf der Aktivkohle mittels Induktionsheizung bei 900°C – 1700°C in kristallines SiC umzuwandeln. Neben der Infiltration mit siliziumbasierten Keramiken wurde die Studie auf die Beschichtung mit Al2O3 durch die die Umsetzung von Al(acac)3 erweitert. Die optimalen Abscheidungstemperaturen lagen im Bereich von 350°C – 410°C, da bei höheren Temperaturen die Zersetzung des Vorläufers beginnt. Mit energiedispersen Röntgenspektroskopie wurde nachgewiesen, dass es sich bei diesen Beschichtungen um Al2O3 handelt. Weiterhin gaben die Wachstumskurven und weitere Infiltrationsexperimente mit unporösen Graphit Aufschluss darüber, dass das Wachstum von Al2O3 auf Aktivkohle schneller ist, als das (mehrschichtige) Wachstum von Al2O3 auf Al2O3. Die spezifischen Oberflächen lagen auch nach der Beschichtung weiterhin bei Werten über 1000 m2/g, sodass sich die mit Al2O3 beschichteten Aktivkohlen weiterhin für die Verwendung in Adsorptionsprozessen eignen. Im Rahmen des vorliegenden Projektes konnte ein umfassendes Verständnis über die Auswirkungen der oben beschriebenen Beschichtung auf die strukturellen, adsorptiven, mechanischen sowie chemischen Eigenschaften gewonnen werden. Infolge der Beschichtung nehmen die spezifischen Oberflächen und die Porenvolumina ab. Die Abnahmen sind bei den bei 825°C mit Si-basierten Keramiken beschichteten Materialien mit 25-30% im Vergleich zu den bei 700°C beschichteten Materialien mit 35-40% geringer ausgeprägt, da bei 825°C bei gleicher Massenzunahme auch eine äußere Beschichtung der Pellets auftritt. Aufgrund der spez. Oberflächen von 800-1000 m²/g und Porenvolumina im Bereich von 0,4-0,6 cm³/g sowie der vollständigen Regenerierbarkeit werden die adsorptiven Eigenschaften weitgehend erhalten. Die mechanische Stabilität wurde durch die Beschichtung deutlich verbessert; es konnten daher auch in bewegten Betten erfolgreich kumulative Adsorptionsmessungen durchgeführt werden. Die chemische Beständigkeit gegenüber reaktiven Medien wurde exemplarisch untersucht. Nach einer oxidierenden Behandlung mit konzentrierter Salpetersäure wurde mit dem Material der Adsorptionsexzess in einem binären flüssigen Gemisch aus einer aromatischen und einer polaren Komponente gemessen und mit den unbehandelten Materialien verglichen. Im Falle einer Oxidation steigt der Exzess der polaren Komponente. Die amorph beschichteten Materialien zeigten im Vergleich mit der unbeschichteten Aktivkohle keine Verbesserung der chemischen Beständigkeit. Hingegen führte eine Kristallisation der SiC-Beschichtung durch Nachtemperierung nahezu zum gleichen Adsorptionsexzess wie für die unbehandelten Materialien, wodurch eine chemische Beständigkeit gegenüber HNO3 nachgewiesen wird. Die ursprüngliche Aktivkohle kann demnach durch die Beschichtung so modifiziert werden, dass eine höhere mechanische und chemische Beständigkeit erreicht wird. Somit wurden die oben genannten Forschungsziele erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Al-basierte Adsorbentien durch Chemische Gasphaseninfiltration von Aktivkohle: Untersuchung der Wachstumskinetik, Thermodynamik- Kolloquium 2016, Kaiserslautern
S. Heib / C. Bläker / D. Bathen / B. Atakan
- Al-basierte Adsorbentien durch Chemische Gasphaseninfiltration von Aktivkohle: Parameterstudie und Modellentwicklung, Thermodynamik-Kolloquium 2017, Dresden
S. Heib / C. Bläker / C. Pasel / D. Bathen / B. Atakan
- Alumina based adsorbents by chemical vapor infiltration of activated carbon: Investigation of the grows kinetics, Joint EuroCVD-21 and BalticALD-15 Conference 2017, Linköping (Schweden)
S. Heib / C. Bläker / C. Pasel / D. Bathen / B. Atakan
- Investigation of mechanical, chemical and adsorption properties of novel silicon-based adsorbents with activated carbon structure, C – Journal of Carbon Research 3 (2017)
C. Bläker / S. Heib / C. Pasel / B. Atakan / D. Bathen
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/c3030027) - Kopplung von kalorimetrischen und volumetrischen Adsorptionsmessungen, Kalorimetrie-Tage 2017, Braunschweig
C. Bläker / C. Pasel / M. Luckas / D. Bathen
- Modifizierte Adsorbentien durch Chemische Gasphaseninfiltration von Aktivkohle: Amorphes und kristallines SiC, Processnet Jahrestreffen 2017, Köln
S. Heib / C. Bläker / C. Pasel / D. Bathen / B. Atakan
- A new approach in surface characterisation of activated carbon by combination of different measurement techniques, 30. Deutsche Zeolith-Tagung, 2018, Kiel
J. Muthmann / C. Pasel / M. Luckas / D. Bathen
- Coupling of volumetric and calorimetric devices for simultaneous measurements of adsorption isotherms and enthalpies, 8th International Conference on Characterization of Porous Materials, 2018, Delray Beach (USA)
D. Bathen / C. Bläker / C. Pasel / F. Dreisbach
