Durchbruchskurven: dynamische Sorption von Gas- und Dampfgemischen

Die Untersuchung praktisch relevanter Trennprozesse sind mit den Standardsorptionsgeräten zur Texturcharakterisierung poröser Materialien nur begrenzt möglich.

Betrachtet man Aufgabenstellungen wie die

• Untersuchung der Adsorption von CO₂ aus trockener und feuchter Luft
• Adsorption von Methan aus Biogas
• Unterscheidung des praxisrelevanten Sorptionsverhaltens von Adsorbentien von Gas- und Dampfgemischen

so lassen sich diese Trennprozesse meist nicht durch BET-Werte oder Porenverteilungen vorhersagen oder gar modellieren.

Die dynamische Sorptionsmethode, in engl. meist flow method genannt, dient unter anderem solchen praktischen Untersuchungen wie

• Dynamische Gasflow-Adsorption und -Desorption
• Bestimmung und Bewertung von Durchbruchskurven
• Untersuchungen zur Sorptionskinetik
• Untersuchung von Co-Adsorptions- und Verdrängungseffekten
• Bestimmung von Sorptionsselektivitäten
• Bestimmung von Sorptiongleichgewichten von Gasgemischen
• Maßstabsübertragung von technischen Sorptionsprozessen
• Untersuchung der Wärmebilanzen dynamischer Adsorptionsprozesse

Messgeräte

mixSorb S:

Aufnahme von Durchbruchskurven; Verdampferoption; konzipiert für sehr kleine Probenmengen

mixSorb L:

Aufnahme von Durchbruchskurven; Verdampferoption; sicheres und einfach zu bedienendes Tischgerät

mixSorb SHP:

Aufnahme von Durchbruchskurven; Verdampferoption; konzipiert für sehr kleine Probenmengen und hohe Drücke (bis zu 68 bar)

Messmethode

In der Abbildung unten ist eine mit dem mixSorb L gemessene Durchbruchskurve (DBK) von CO₂ an einer Aktivkohle dargestellt. Die vertikale, rote Linie markiert den Beginn der Durchbruchskurvenmessung. Ab diesem Zeitpunkt wurde der Adsorber bei einem Druck von 5 bar, einem Volumenstrom von 1 L min^-1 und einer Messtemperatur von 40 °C mit einem Gasgemisch von etwa 5 Vol.-% CO₂ in Helium durchströmt. Die schwarze Kurve repräsentiert die CO₂-Konzentration am Adsorberausgang. Man beobachtet, dass sich erst nach etwa 15 Minuten Spuren von CO₂ am Adsorberausgang nachweisen lassen. Zuvor wird CO₂ vollständig durch Adsorption an der Aktivkohle zurückgehalten. Der sich anschließende, durch ein steiles Ansteigen der CO₂-Konzentration gekennzeichnete Bereich wird als Massenstransferzone bezeichnet. Aus dem Verlauf der Durchbruchskurve in diesem Bereich lassen sich Aussagen über die Sorptionskinetik und die Konzentrationsverteilung innerhalb der Schüttung gewinnen. Nach etwa 30 min hat die Aktivkohle unter den hier gewählten Versuchsbedingungen die maximale Menge an CO₂ adsorbiert. Infolge dessen nähert sich die ausgangsseitige CO₂-Konzentration einem konstanten Wert, welcher der Eingangskonzentration entspricht.

Die freiwerdende Sorptionswärme bewirkt eine Temperaturerhöhung der Schüttung. Um diesen Vorgang verfolgen zu können, sind beim mixSorb L vier Temperatursensoren entlang der Adsorberachse angebracht. Ihre Position ist in der rechten Bildhälfte skizziert. Das Ansprechen der Temperatursensoren erfolgt in der Reihenfolge, wie sie von der Konzentrationsfront erreicht werden, also von T1 nach T4. Die gemessenen Temperaturkurven (orange, grau, gelb und blau) sind ebenfalls dargestellt. Sie erlauben unter anderem Rückschlüsse auf die freiwerdende Wärmemenge, die Geschwindigkeit von Energieaustauschprozessen und die Dispersion des Konzentrationsprofils im Strömungsfeld des Adsorbers.

In der folgenden Abbildung wird verdeutlicht, wie mit den Durchbruchskurven die praktisch bzw. technisch nutzbare Sorptionskapazität unter bestimmten Randbedingungen ermittelt werden kann. Während die aus Texturuntersuchungen bestimmten BET-Oberfläche und das Mikroporenvolumen zwar akkurat ermittelt werden können, stehen diese in technischen Flow-Prozessen für bestimmte Reinigungs- oder Trennprozesse eben nicht vollständig zur Verfügung. Im Beispiel der Abtrennung von CO₂ aus N₂ (40 °C, 2 L min^-1, 5 bar, Eingangsgaszusammensetzung: 5 % CO₂ in N₂) erfolgt der Durchbruch des CO₂ bereits, wenn die Gesamtbeladung ca. 75 % der Sättigungskapazität erreicht hat. Mit Analysegeräten der mixSorb-Reihe lassen sich solche praxisrelevanten Vorinformationen nun deutlich schneller für neuartige Adsorbentien gewinnen und einschätzen.

Literatur und Normen

• Webinar mixed gas/vapor adsorption: Working with Vapors and Low Concentrations in Breakthrough Experiments (Videoaufzeichnung)
• PARTICLE WORLD 19; p. 20 – 25, „From the idea to the technology behind the separation process:
  mixSorb L is gearing up!“
  
• Dynamic and equilibrium-based investigations of CO₂-removalfrom CH₄-rich gas mixtures on microporous adsorbents; A. Möller, R. Eschrich, C. Reichenbach, J. Guderian, M. Lange, J. Möllmer: Adsorption (2017) 23: 197-209; externer Link zur pdf-Ansicht
• Partikelwelt 17; S. 22-27, „Dynamische Gastrennprozesse untersuchen, verstehen, verbessern: Durchbruchskurven-experimente mit dem dynaSorb BT“
• Partikelwelt 18, S. 24-30, „Von der Idee zum technischen Trennprozess: Das dynaSorb BT macht jetzt ordentlich Dampf!“
• Tagungsposter 2017 – Deutsche Zeolithtagung, „Porous solids for heat storage applications: In-depth material testing by vapor breakthrough measurements“, pdf-Download
• Tagungsposter 2016 – Fundamentals of Adsorption – „Dynamic and equilibrium-based investigations of CO₂ removal from CH₄-rich gas mixtures on zeolites“, pdf-Download
• Tagungsposter 2016 – Reaktionstechniktagung – „Dynamische Untersuchungen zur Adsorption an Aktivkohlen“, pdf-Download
• Tagungsposter 2016 – Fachgruppe Adsorption und Gasreinigung – „dynaSim – A Modeling and Evaluation Tool for Dynamic Sorption Data“ pdf-Download
• Tagungsposter 2015 – Carbon – „Breakthrough Curves of CO₂ and CH₄ on Carbon Molecular Sieves“, pdf-Download