Untersuchungen zur Temperaturabhängigkeit der Adsorptionsenthalpie

• Antragsteller: Dr.-Ing. Christian Bläker
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544961101

Die Adsorption ist ein exothermer Prozess, bei dem Adsorptionswärme freigesetzt wird. Festbett-Adsorber stellen aufgrund des kleinen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses quasi adiabate Systeme dar, sodass der Zeitpunkt des Durchbruchs und die Form der Durchbruchskurven durch kalorische Effekte stark beeinflusst werden. Kritisch ist eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit der Adsorptionswärme, da sich insbesondere bei TSA-Prozessen (Temperature Swing Adsorption) die Temperaturen bei der Adsorption und Desorption deutlich unterscheiden und die Adsorptionswärme die jeweiligen Prozessschritte in unterschiedlicher Weise beeinflusst. In der Wissenschaft wird anstelle der Prozessgröße Adsorptionswärme häufig die Zustandsgröße Adsorptionsenthalpie betrachtet; beide können direkt ineinander umgerechnet werden. Im Rahmen des beantragten Projekts soll erstmals umfassend die Temperaturabhängigkeit der beladungsabhängigen Adsorptionsenthalpie für verschiedene Adsorbens-Adsorptiv-Systeme quantifiziert werden. Die Adsorptionsenthalpie wird zum einen mittels Adsorptionskalorimetrie für verschiedene Temperaturen gemessen und zum anderen analog zur Clausius-Clapeyron-Methode mit der Isosterenmethode, die eine Temperaturunabhängigkeit der Adsorptionsenthalpie voraussetzt, berechnet. Der systematische Vergleich beider Methoden erlaubt erstmals, den Einfluss einer Temperaturabhängigkeit der Adsorptionsenthalpie auf die Vorhersagegenauigkeit der Isosterenmethode zu quantifizieren. Da die Adsorptionsenthalpie ein Maß für die Stärke der Wechselwirkungen ist, soll zudem der Einfluss der Temperatur auf die verschiedenen Wechselwirkungsmechanismen zwischen Adsorptiv und Adsorbensoberfläche analysiert werden. Diese Erkenntnisse sollen in ein heuristisches Regelwerk münden, mit dem abgeschätzt werden kann, für welche Systeme bzw. welche Arten von Wechselwirkungen eine Temperaturunabhängigkeit vorliegt und die Isosterenmethode nutzbar ist, und bei welchen Systemen infolge der Temperaturabhängigkeit kalorimetrische Messungen der Adsorptionsenthalpie notwendig sind. Für temperaturabhängige Systeme soll basierend auf physikalischen Analogien ein empirischer Modellansatz entwickelt werden, mit dem die Temperaturabhängigkeit der beladungsabhängigen Adsorptionsenthalpie abgeschätzt werden kann. Abschließend sollen unter Verwendung der kalorimetrisch gemessenen Adsorptionsenthalpie und der Gibbs-Energie die Adsorptionsentropie berechnet und der wechselseitige Einfluss des Ordnungszustandes (Entropie) und der Stärke der Wechselwirkungen (Enthalpie) diskutiert werden. Durch den Vergleich lässt sich prüfen, ob der enthalpische oder der entropische Beitrag in höherem Maße temperaturabhängig ist und die Temperaturabhängigkeit der Beladung dominiert. Vergleichbare Untersuchungen sind bisher in der Literatur nicht zu finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen