Aktivkohle

Stoffsystem

Aktivkohle ist ein Sammelname für eine Gruppe von künstlich hergestellten, porösen Kohlenstoffen mit einer schwammartigen Struktur. Dieser hochporöse reine Kohlenstoff zeichnet sich durch eine große spezifischer Oberfläche aus (bis zu 300 m2 pro Gramm).

Bei einer ca. 300-fachen Vergrößerung durch ein Mikroskop lässt sich z.B. bei der Kokosnussschale-Kohle wieder die zelluläre Struktur des organischen Originalmaterials erkennen. Die molekulare Struktur der Aktivkohle setzt sich zusammen aus graphitartigen Platten, nur einige Atome breit. Sie bilden die Wände molekularer Öffnungen (die Poren der Aktivkohle). Die hexagonalen C-Ringe sind häufig gebrochen. Durch die strukturellen Unvollkommenheiten gibt es viele Möglichkeiten für eine Reaktion an den Stellen, an denen die C-Ringe gebrochen sind.

Die Poren werden klassifiziert nach ihrem Durchmesser: 

  • Mikroporen mit Radien kleiner als 1 nm (=10 Ångstrøm) 
  • Mesoporen mit Radien von 1-25 nm 
  • Makroporen mit Radien größer als 25 nm. 

Bei den aus Kokosnussschalen hergestellten Aktivkohlen liegen die meisten Poren als Mikroporen vor.

Aktivkohle adsorbiert organische Substanzen aus Wasser und Luft und kann daher mit organischen Bestandteilen verunreinigtes Wasser oder kontaminierte Luft reinigen- Die Schadstoffe werden von der Aktivkohle aufgenommen. Die Adsorption ist ein reversibler Prozess, die Schadstoffe können von der Aktivkohle entfernt werden: - mittels Desorption oder - mittels Reaktivierung.

Herstellung und Anwendung

Aktivkohle wird aus Torf, Holz, Braunkohle, Steinkohle und Nussschalen hergestellt. Diese Materialien werden zunächst verkohlt. Dabei entstehen nur sehr kleine Poren.

Das aktive Porensystem wird anschließend durch Entfernen von flüchtigen Komponenten geschaffen (Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel usw.). Dabei werden teerige Produkte, die die Feinporen verstopfen, ausgetrieben und das Kohlenstoffgerüst weitgehend freigelegt. Dies geschieht durch Einwirkung von 900 - 1100 °C heißem Wasserdampf auf das verkohlte Halbfabrikat. Dabei findet eine oxidierende Reaktion zwischen Kohlenstoff und Wasser an den inneren Oberflächen des Kohlenstoffs statt, die auch Kohlenstoff von den Porenwänden entfernt. Die Porengröße kann für die verschiedenen Anwendungsfälle durch Variation der Verfahrensparameter (Temperatur, Zeit etc.) maßgeschneidert werden. Weltweit werden pro Jahr ca. 250.000 Tonnen Aktivkohle erzeugt.

Aktivkohle wird als Pulver- oder Kornkohle vertrieben. Pulverförmige Aktivkohle wird im Reinigungseinsatz gründlich mit Wasser vermischt und später wieder abfiltriert und entsorgt.

Die einige mm-große Kornkohle gibt es als gebrochene Partikel oder als stäbchenförmige Presslinge (Formkohle). Kornkohle wird in Adsorberbehälter verwendet, durch die der zu reinigende Gas- oder Flüssigkeitsstrom hindurch geleitet wird. Die gebrochene, scharfkantige Aktivkohle wird bevorzugt für die Wasserreinigung eingesetzt.

Bei der Herstellung von Formkohle wird das verkohlte Halbfabrikat pulverisiert, mit einem Bindemittel vermischt und zu Strängen mit 1 - 4 mm Durchmesser gepresst. Nach dem Trocknen des Bindemittels werden die Stränge aktiviert. Durch die glatte, gleichmäßige Oberfläche bleibt der Abrieb gering.

Bei der Herstellung zahlreicher Produkte wird Aktivkohle eingesetzt: Zucker wird durch Aktivkohle von der braunen Farbe gereinigt und weiß. Ebenso wird Speiseöl, Alkohol und Seife mit Aktivkohle gereinigt. Aktivkohle wird auch bei der Blutreinigung (Dialyse) von Nierenkranken eingesetzt.

Umwelteinfluss und Gesundheit

Aktivkohle wird beim Menschen u.a. gegen Magen-Darm-Beschwerden eingesetzt.

Abwasserreinigung/Trinkwasseraufbereitung

In der Abwasserbehandlung wird es als Adsorptionsmittel (Adsorbens) verwendet. Es eignet sich u.U. auch als Fläche zur Immobilisation von Mikroorganismen.

Im Bereich der Wasserreinigung wird bevorzugt die gebrochene, scharfkantige Aktivkohle eingesetzt u.a. bei der Reinigung von Industrieabwässern, Grundwasser und Schwimmbadabwasser.

Im Bereich der Flüssigkeitsreinigung erfolgt der Einsatz auch bei Salzlösungen anorganische und organische Säuren in der chem. u. Pharmaindustrie, Galvanotechnik, bei der Schönung von Getränken, in der  Lebensmittelindustrie, Entfärbung und Medizintechnik.

Rasterelektronenmikroskopische Bilder von Aktivkohle (Lurgi GmbH).