Aktivkohle

Hellfeldmikroskopie granulierter Aktivkohle. Die brüchige Struktur der Kohlepartikel deutet auf die enorme Größe der Oberfläche hin. Jedes Partikel auf dem Bild mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm hat eine Oberfläche von mehreren Quadratmetern.

Rasterelektronenmikroskopie eines Aktivkohlepellets

Aktivkohle, kurz A-Kohle, auch medizinische Kohle genannt, ist poröser, feinkörniger Kohlenstoff mit großer innerer Oberfläche, die als Adsorptionsmittel unter anderem in Chemie, Medizin, Trinkwasseraufbereitung, Abwasserbehandlung sowie Lüftungs- und Klimatechnik eingesetzt wird. Sie kommt granuliert oder gepresst in Tablettenform (Kohlekompretten) zum Einsatz. Ebenso dient Aktivkohle als Trägermaterial von Katalysatoren für die heterogene Katalyse.

Eigenschaften

Aktivkohle besteht überwiegend aus Kohlenstoff (meist > 90 %) mit hochporöser Struktur. Die Poren sind wie bei einem Schwamm untereinander verbunden (offenporig). Die innere Oberfläche beträgt zwischen 300 und 2000 m²/g Kohle, damit entspricht die innere Oberfläche von vier Gramm Aktivkohle ungefähr der Fläche eines Fußballfeldes. Die Dichte von Aktivkohle liegt im Bereich von 0,2 bis 0,6 g/cm³.

Die Porengröße und die Porengrößenverteilung teilt man in drei Größenordnungen ein: Mikroporen (< 2 nm), Mesoporen (auch Übergangsporen genannt, 2 bis 50 nm) und Makroporen (> 50 nm).

Die Makroporen sind die Hauptzugangswege für Gase oder Flüssigkeiten in das Innere der Kohlen und haben für die Adsorption praktisch keine nennenswerte Bedeutung. Der überwiegende Anteil der Adsorption erfolgt am Kohlenstoffmaterial an der Oberfläche der Mikroporen. Dieser Bereich ist die wirksame Oberfläche und bestimmt die Adsorptionseigenschaften einer Kohle. Die Größe der inneren Oberfläche im Verhältnis zum Volumen einer Aktivkohle zeigen die nachfolgenden Daten. Bei einem Würfel mit einer Kantenlänge von 1 cm übersteigt die innere Oberfläche die äußere um mehr als den Faktor 10.000.

Grundsätzlich steigt die Adsorbierbarkeit einer Verbindung mit

• steigendem Molekülgewicht
• steigender Anzahl funktioneller Gruppen wie Doppelbindungen oder Halogenliganden
• steigender Polarisierbarkeit des Moleküls.

Gewinnung

Aktivkohle

Aktivkohle wird aus pflanzlichen, tierischen, mineralischen oder petrochemischen Stoffen hergestellt. Als Ausgangsmaterialien dienen dabei Holz, Torf, Nussschalen, Braun-, Steinkohle oder verschiedene Kunststoffe. Entsprechend wird sie auch manchmal als Pflanzenkohle bezeichnet. Als Tierkohle, lat. carbo animalis, wird Aktivkohle bezeichnet, die aus tierischem Blut (Blutkohle) oder aus Knochen (Knochenkohle) hergestellt wird. Mit Zuckerkohle wird eine Aktivkohle bezeichnet, die aus Glucose oder einem anderen Zucker als Ausgangsprodukt hergestellt wird.

Für die Herstellung und Aktivierung sind zwei Verfahren anwendbar:

• die Gasaktivierung und
• die chemische Aktivierung

Bei der Herstellung mit chemischer Aktivierung wird ein Gemisch von unverkohltem Ausgangsmaterial mit Chemikalien behandelt. Dies geschieht im Allgemeinen durch Verwendung mit Dehydratisierungsmitteln (z. B. Zinkchlorid oder Phosphorsäure) bei 500–900 °C. Ein anderes Verfahren ist die trockene Destillation, bei der das Material in einer sauerstofffreien Atmosphäre erhitzt und flüchtige Bestandteile bei Temperaturen um die 800 °C ausgetrieben werden. Die so erhaltene Rohaktivkohle wird anschließend oxidativ aktiviert bei 700–1000 °C mit Wasserdampf oder Kohlendioxid, zum Teil auch mit Luft. Bei dieser Aktivierung wird ein Teil des Kohlenstoffs nach dem Wassergasverfahren in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt, wodurch zusätzliche Poren entstehen und die Oberfläche der Kohle vergrößert wird.

Für einige Verwendungszwecke wird die Aktivkohle mit weiteren Chemikalien behandelt (imprägniert), um die Abscheidewirkung zu verbessern. Filterkohle für Atemfilter in Gasmasken wird mit Metallsalzen belegt, was die Abscheidewirkung für viele chemische Giftstoffe verbessert. Aktivkohle mit einer Silberbelegung ist für die Trinkwasserfilterung besonders gut geeignet. Eine Verkeimung dieser Filter im Betrieb wird durch das Silber weitgehend unterdrückt.

Einsatzgebiete

Ein Wasserfilter: Aktivkohle bildet die 4. Schicht von unten

Reinigung von Flüssigkeiten und Gasen

Aktivkohle wird in erster Linie als Adsorptionsmittel zur Entfernung unerwünschter Farb-, Geschmacks- und Geruchsstoffe aus Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten eingesetzt. Ein großer Vorteil von Aktivkohlen besteht in ihrer thermischen Reaktivierbarkeit. Eine biologische Reaktivierung ist bei zur Abwasserreinigung eingesetzter Aktivkohle auch möglich.

Hauptsächlich findet Aktivkohle Verwendung in Form von Granulaten, als Pulver oder in pelletierter Form. Auch Gewebe aus Aktivkohle sind auf dem Markt erhältlich.

Mit Aktivkohle werden zum Beispiel entfernt:

• Chlor, Ozon und andere geschmacks- und geruchsstörende Stoffe sowie Bakterien aus Wasser, Süßungsmitteln, Glycerin und chemischen Flüssigkeiten
• farbgebende Stoffe und Störstoffe aus flüssigen Strömen in der chemischen- oder Nahrungsmittelindustrie
• Giftstoffe aus der Luft (Filter bei Atemschutzmasken, Belüftungsanlagen von Panzern und Schutzräumen, Abluft bei Produktionsanlagen)
• Entstickung von Rauchgasen aus Glasschmelzöfen, Abfallverbrennungsanlagen und sonstigen Abgasen
• Uranhexafluorid aus der Luft in der Kerntechnik (Brennstoffherstellung)
• Benzindämpfe aus der Abluft von Tankanlagen
• Chlorkohlenwasserstoffe aus Abluft und Abgasen z. B. bei chemischen Reinigungen
• Teer aus dem Zigarettenrauch in Zigarettenfiltern
• unerwünschte Aromastoffe aus Wodka und anderen Spirituosen
• unerwünschte Farbstoffe aus weißem Rum und anderen Spirituosen
• Schweißgeruch in Schuhen (durch aktivkohlehaltige Einlagen)
• Gärungsnebenprodukte wie Fuselöle und Ester aus Bier
• Schadstoffe in Aquarien- und Teichfiltern
• störende Gerüche aus der Fortluft von Raumlüftungen
• in der Zuluft von Fahrzeugen Feinstaub, Pollen und Gerüche (siehe Kabinenluftfilter)

In der Abwasserreinigung werden Aktivkohlen verwendet, um adsorbierbare, gelöste Abwasserinhaltstoffe (z.B. Spurenstoffe) aus dem Wasser zu adsorbieren. Dieser Verfahrensschritt wird zumeist erst eingesetzt, wenn preiswertere Methoden wie biologische Verfahren, Fällung und Flockung nicht zum Ziel führen. Diese Methode kann auch zur Reinigung von Teilströmen in der Industrie eingesetzt werden, wobei das Ziel verfolgt werden kann, Reststoffe zurückzugewinnen. Abwässer aus Textilfärbereien enthalten Farbstoffe, die häufig nur durch Adsorption mit Aktivkohle entfernt werden können. Dies kann wirtschaftlich mit biologisch regenerierter Aktivkohle durchgeführt werden.

Eine weitere bedeutende Anwendung für Aktivkohle liegt in den Kabinenluftfiltern für die Automobilindustrie. Seit Mitte der 1990er Jahre wird diese Filterklasse in Klimaanlagen eingesetzt. Die sogenannten Kombifilter (das ist eine spezifische Kabinenluftfilterklasse) beinhalten eine Schicht Aktivkohle, welche schädliche Gase aus der Luft herausfiltriert und somit die Passagiere vor diesen Schadstoffen schützt. Für diese Anwendung werden jährlich weltweit mehr als 5000 Tonnen Aktivkohle verarbeitet.

In den Abluftstrecken von Kernkraftwerken werden Aktivkohlefilter als Verzögerungsstrecken für kurzlebige radioaktive Edelgase verwendet. Die Edelgase durchlaufen – bedingt durch temporäre Adsorption – die Filterstrecken deutlich langsamer als der Rest der Abluft. Durch den radioaktiven Zerfall wird dabei die Menge der radioaktiven Edelgase in der Abluft erheblich vermindert.

Die Wasseraufbereitung bedient sich ebenfalls der Adsorption an Aktivkohle zur Reinigung von Rohwasser.

Durch ihre hohe Adsorptionskapazität lässt sich Aktivkohle auch in Sorptionspumpen zur Erzeugung von Vakua verwenden.

Aktivkohle weist nur eine eingeschränkte Beladbarkeit auf. Eine Regeneration erfolgt meist durch Erhitzen auf mehrere hundert Grad Celsius. Dabei verdampft zum einen ein Teil der Beladung (z. B. organische Lösemittel), ein anderer Teil kann aber auch verkoken, dann muss die Aktivkohle wie bei der Herstellung wieder mit Wasserdampf reaktiviert werden.

Thermische Reaktivierung

Weltgrößte Reaktivierungsanlage in Feluy, Belgien

Gesättigte Aktivkohle kann mittels eines thermischen Prozesses bei hohen Temperaturen (bis zu 900 °C) zum Beispiel in Drehrohröfen oder Mehretagenöfen reaktiviert werden. Bedingt durch moderne und intensive Rauchgasreinigung kann gesättigte Aktivkohle aus unterschiedlichsten Anwendungen recycelt werden.

Der komplette Reaktivierungsprozess besteht aus folgenden Schritten:

1. Trocknung des Materials bis zu + 105 °C.
2. Verdampfung der adsorbierten flüchtigen Komponenten bis + 300 °C.
3. Zerfall der adsorbierten nicht flüchtigen Komponenten in kleinere Moleküle bei bis zu + 600 °C, die in der Ofenatmosphäre durch Pyrolyse zu amorphem Kohlenstoff auf der inneren Oberfläche abgebaut werden.
4. Vergasung von amorphem Kohlenstoff mittels Wasserdampf über 800 °C.

Durch die Reaktion des amorphen Kohlenstoffes mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen zu Kohlenstoffmonoxid (CO) und abschließend zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) werden Mikroporen geschaffen, welche die große spezifische Oberfläche bilden.

$\mathrm {C\ +\ H_{2}O\ \longrightarrow \ H_{2}\ +\ CO}$

Mit der sinnvollen Nutzung von natürlichen Rohstoffen durch Reaktivierung wird eine Reduzierung der CO₂-Emission um den Faktor 5 erreicht.

Medizinische Anwendung

Aktivkohle für medizinische Anwendung

In der Medizin wird Aktivkohle vor allem dafür benutzt, Giftstoffe aus dem Magen-Darm-Trakt zu entfernen. Bei harmlosen Durchfallerkrankungen, z. B. Magen-Darm-Grippe (Gastroenteritis), werden üblicherweise Kohlekompretten benutzt. Bei Vergiftungsnotfällen wird Aktivkohle in größerer Menge benutzt, um oral aufgenommene Gifte, die sich im Verdauungstrakt befinden oder einem enterohepatischen Kreislauf unterliegen, aus dem Organismus zu entfernen. Die Dosierung ist in solchen Fällen 0,5 bis 1 g Kohle pro Kilogramm Körpergewicht bei einem erwachsenen Menschen.

Als Darmregulans wird auch nicht aktivierte Holzkohle, etwa nicht aktivierte Birkenkohle verwendet.

Verwendung als Träger für Katalysatoren

In der Chemie werden Katalysatoren auf der Basis von Aktivkohle verwendet. Dabei dient die Aktivkohle als Träger von Übergangsmetallen, beispielsweise Palladium, Platin oder Rhodium. Ein typischer Einsatzbereich dieser Katalysatoren ist die katalytische Hydrierung.

Lebensmittelfarbe

Aktivkohle wird in der Lebensmittelindustrie als Farbstoff E 153 eingesetzt. E 153 kommt in Fruchtsaftkonzentraten, Gelees, Marmeladen, Süßwaren und in schwarzen Wachsüberzügen bei Käse zum Einsatz.

Aktivkohlewärmer

Aktivkohle kommt auch in Wärmebeuteln vor.

Weblinks

• Wiktionary: Aktivkohle – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Literatur

• Hartmut von Kienle, Erich Bäder: Aktivkohle und ihre industrielle Anwendung. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1980, ISBN 3-432-90881-4.
• Roop Chand Bansal, Jean-Baptiste Donnet, Fritz Stoeckli: Active Carbon. Marcel Dekker, New York 1988, ISBN 0-8247-7842-1.
• John W. Patrick (Hrsg.): Porosity in Carbons. Edward Arnold, London 1995, ISBN 0-340-54473-2.
• Eintrag zu Aktivkohle. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag
• Thomas Schneider, Benno Wolcke, Roman Böhmer: Taschenatlas Notfall & Rettungsmedizin – Kompendium für den Notarzt. 3. Auflage, Springer Medizin Verlag, Heidelberg 2000/ 2004/ 2006, ISBN 3-540-29565-8.
• Dieter Bathen, Marc Breitenbach: Adsorptionstechnik Springer-Verlag, Berlin 2001, VDI-Buch, ISBN 3-540-41908-X.