VOC-Adsorption

VOC-Adsorption

Die Adsorption von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC: Volatile Organic Compounds) an verschiedenen Sorbentien, jedoch größtenteils an Aktivkohle, ist am Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA) seit vielen Jahren ein Forschungsthema, das für unterschiedlichste Anwendungen und unter verschiedenen Aspekten untersucht wird.

Die Anwendungen reichen beispielsweise von der VOC-Abluftreinigung über Atemschutzfilter bis hin zu Adsorptionsfiltern für die Innenraumluft von Kraftfahrzeugen und Gebäuden. Dabei unterliegt die VOC-Adsorption je nach Anwendung unterschiedlichen Bedingungen hinsichtlich Schichtstärke des Sorbens, Anströmverhältnissen, zu behandelnder VOC-Konzentration, Temperatur und Luftfeuchte. Schichtstärken liegen zwischen mehr als einem Meter in großen Abluftbehandlungsanlagen und ca. 1 mm bei Kfz-Innenraumfiltern. Während bei Atemschutzfiltern die Anströmgeschwindigkeiten bei wenigen cm/s liegen, können sich bei Kfz-Innenraumfiltern Anströmgeschwindigkeiten bis ungefähr 0,6 m/s einstellen. Die VOC-Konzentrationen, z. B. mehrere 100 mg/m³ bei Atemschutzmasken oder im Bereich von 1 µg/m³ Benzol in der Außenluft, sind von Bedeutung, weil die Kapazität des Sorbens für VOC aufgrund des Adsorptionsgleichgewichtes konzentrationsabhängig ist. Auch die Temperatur und die relative Luftfeuchte können die VOC-Adsorption maßgeblich beeinflussen. Bei der Physisorption von VOC als exothermem Prozess bedeutet eine Temperaturerhöhung eine Verringerung der Kapazität. Höhere Luftfeuchten können zur Verdrängung bereits adsorbierter VOC führen. Ein weiterer wichtiger Unterschied bei den verschiedenen Anwendungen ist die Bandbreite der abzuscheidenden VOC, auch hinsichtlich ihrer Flüchtigkeit, die in direktem Zusammenhang mit der Adsorptionskapazität steht. Das Spektrum der am IUTA untersuchten Substanzen ist groß, es reicht beispielsweise von dem leichtflüchtigen n-Butan, über die BTEX-Substanzen Toluol, Benzol, Ethylbenzol, und Xylol und über Formaldehyd bis hin zu dem schwerflüchtigen Limonen.

Der Einfluss der genannten Faktoren auf das Gleichgewicht und die Kinetik der VOC-Adsorption wurde und wird in Forschungsprojekten auf der Basis umfangreicher Versuchsreihen untersucht. Im experimentellen Teil werden Durchbruchskurven (siehe Abbildung) ermittelt, aus denen Daten zum Adsorptionsgleichgewicht und der Kinetik abgeleitet werden. Für die Versuche werden je nach den Abmessungen der Sorbensschicht und den Stoffeigenschaften der VOC verschiedene Versuchseinrichtungen, z. B. der Prüfstand für toxische Substanzen, genutzt. Die theoretischen Arbeiten bestehen unter anderem in dem Ableiten von Adsorptionsisothermen (siehe Abbildung) und Faktoren, die die Adsorptionskinetik beschreiben, und der Berechnung von Durchbruchskurven unter Einbeziehung verschiedener Modellansätze.

Abb. 1: Durchbruchskurven von Benzol und Toluol (jeweils 90 ppm) durch eine Aktivkohleschüttung (23 °C, 50 % r. F., 0,25 m/s)

Abb. 2: Adsorptionsisothermen von Benzol und Toluol bei 23 °C an Aktivkohle