Wärme- und Stoffaustausch bei der Adsorption aus der Gasphase

Zusammenfassung

Für den Umweltschutz ist das Verfahren Adsorption von großer Bedeutung. Unter Adsorption versteht man die Verdichtung eines Gases oder Dampfes an Phasengrenzflächen, die Feststoffe umgrenzen. Die starke Adsorption von Gasen an porenhaltigen Stoffen wie Aktivkohlen ist nur als ein besonderer Fall der Verdichtung von Gasen an der Berührungsfläche mit festen Körpern überhaupt zu betrachten. Nicht nur Körper mit rauher oder zerklüfteter Oberfläche zeigen diese Erscheinung, sondern auch solche mit glatten Oberflächen (beispielsweise Feuchtigkeitsaufnahme eines ausgeheizten Porzellantiegels aus der Atmosphäre). Die Ursache der Adsorption liegt im Wirken von Anziehungskräften zwischen der adsorbierenden Oberfläche, dem Adsorbens, und den zu adsorbierenden Molekülen, dem Adsorptiv. Diese Kräfte sind grundsätzlich von gleicher Art wie die zwischen zwei Atomen oder Molekeln herrschenden. Nach Wedler (23) kann man unterscheiden: Dispersionskräfte (Anziehungskräfte über Resonanz durch Fluktuieren der Ladungswolke trotz symmetrischer Ladungsverteilung), die relativ weit reichen, Abstoßungskräfte (bei starker Annäherung der Partner und Überlappung der Eigenfunktionen), die bei unpolarem Charakter von Adsorptiv und Adsorbens allein zu berücksichtigen sind, Dipol-Wechselwirkungen, wenn das Adsorptiv polar und das Adsorbens unpolar ist oder umgekehrt, Valenzkräfte (bei hinreichender Annäherung der Partner und Überlappung der Eigenfunktionen), die für die Chemisorption bestimmend sind, und Wechselwirkungskräfte zwischen den Atomen oder Molekeln des Adsorptivs in bereits gebundener Form, also des Adsorpts, wenn die Belegung des Adsorbens mit Adsorpt groß ist. Während bei der Absorption von Gasen in Flüssigkeiten für die Gleichgewichtsbeladung der Einfluß der Oberfläche unwesentlich ist und der aufzunehmende Stoff, das Sorptiv, ins Innere der aufzunehmenden Flüssigkeit, des Sorbens, eindringt, ist bei der Adsorption gerade die Anreicherung des Gases oder Dampfes (Adsorptiv) an der Oberfläche (auch Porenoberfläche im Innern) das wesentliche Merkmal. In vielen Fällen spielt wegen der Kleinheit der Grenzfläche die als Randerscheinung auftretende Adsorption keine Rolle. Will man diese jedoch trotz der geringen Reichweite der oben genannten Kräfte, die äußerst dünne Schichten des Adsorpts bedingen, stärker hervortreten lassen, so muß man große wirksame Oberflächen auf kleinem Raum schaffen. Wie gewaltig die Oberflächenzunahme durch Zerteilung werden kann, lehrt ein Vergleich der Oberfläche von 6 cm² eines ungeteilten Würfels von 1 cm Kantenlänge und 1 cm³ Volumen mit der durch Teilung desselben Volumens in 10¹² kleine Würfel von 1 μm = 0,001 mm = 0,0001 cm Kantenlänge vergrößerten Oberfläche von 6 m².