TOBACCO

Dr. Elisabeth Schröder

Test setup for biomass to activated carbon conversion = TOBACCO

Aktivkohle als Filtermaterial spielt bei der Reinigung von flüssigen oder gasförmigen Stoffen eine große Rolle. Die hohe aktive Oberfläche von Aktivkohle besitzt gute adsorptive Eigenschaften für eine Vielzahl chemischer Substanzen, weshalb sie sowohl im industriellen als auch im häuslichen Bereich Anwendung findet.

Die Aktivkohle besteht aus elementarem Kohlenstoff mit graphitartiger Struktur und einer hohen inneren Oberfläche, die im Bereich zwischen 500 – 1500 m²/g liegt. Aktivkohle wird vornehmlich aus Steinkohle, Braunkohle, Holz oder Kokosnussschalen gewonnen. Das Ausgangsmaterial wird hierbei zwei Umwandlungsprozessen unterworfen. Im ersten Schritt erfolgt die thermische Zersetzung des Materials unter Sauerstoffabschluss im Temperaturbereich zwischen 200° C und 600° C. Bei dieser als Pyrolyse bezeichneten Zersetzung fallen nach der Abkühlung des Materials auf Raumtemperatur drei Endprodukte an, Gase (hauptsächlich CO und H₂), flüssige Bestandteile (Teere) und fester Rückstand (Koks). Der Rückstand ist das Ausgangsmaterial für den zweiten Behandlungsschritt, der Aktivierung. Durch die Aktivierung wird die Porenstruktur des durch die Pyrolyse erzeugten Primärkoks vergrößert. Ebenso werden neue Poren generiert. Die hohe Porosität der Aktivkohle ist die Ursache für ihre hervorragenden adsorptiven Eigenschaften.

Zur Aktivierung des Primärkokses stehen grundsätzlich zwei Methoden zur Auswahl:

• Chemische Aktivierung mit Zinkchlorid oder Phosphorsäure unter Sauerstoffabschluss
• Gasaktivierung mit CO₂ oder Wasserdampf bei Temperaturen oberhalb 700° C

Weltweit werden jährlich ca. 350.000 Tonnen Aktivkohle durch über hundert Herstellerfirmen produziert. Die Nachfrage nach Aktivkohle steigt weiterhin, bedingt durch den zunehmenden Wohlstand und des Umweltbewusstseins in vielen Schwellenländern, vornehmlich im asiatischen Raum. Da Kohle und Holz nicht immer in ausreichender Menge zur Verfügung stehen, sind sie bestrebt eigene Produktionsstätten für Aktivkohle aufzubauen und die eigenen Biomasseressourcen wie Reisstroh, Olivenkerne, Baumwolle etc. zu nutzen.

Es zeigt sich jedoch, dass das zur Herstellung von Aktivkohle verwendete Ausgangsmaterial entscheidend die Qualität der Aktivkohle beeinflusst. Die für Holz oder Kohle entwickelten Herstellungsverfahren sind nicht ohne weiteres auf andere Ausgangsmaterialien übertragbar. Oft müssen, je nach Wahl des Rohmaterials, Vorbehandlungsschritte erfolgen. Ebenso müssen die Betriebsparameter der Herstellungsstufen an den Rohstoff angepasst werden. Die Beschaffungskosten für das Ausgangsmaterial sowie die Produktionskosten zur Herstellung der Aktivkohle sind entscheidend für die Wirtschaftlichkeit. Die Biomassen fallen in vielen Schwellenländern als Abfallprodukt an. Die Beschaffungskosten für diese Ausgangsmaterialien sind daher gering im Vergleich zu den bisher zur Herstellung von Aktivkohle verwendeten Rohstoffen. Außerdem werden sie bisher oft nicht umweltgerecht entsorgt, sondern auf den Feldern offen verbrannt. Allerdings fehlt die geeignete Verfahrenstechnik um Aktivkohle von hoher Qualität, d.h. einer inneren Oberfläche von 800 m²/g und mehr herzustellen.

Am IKET wurde daher ein Testlabor aufgebaut, in dem die Schritte zur Herstellung von Aktivkohle aus den o. g. neuen, bisher nicht zur Aktivkohleherstellung verwendeten Ausgangs-materialien untersucht bzw. geeignete Herstellungsverfahren entwickelt werden.

Die Herstellung des Rohkokses durch Pyrolyse des Ausgangsmaterials wird in einem aus vier „Taschen“ bestehenden Reaktor durchgeführt, Abb. 1. Hierbei werden ca. 100 g des Ausgangsmaterials unter Stickstoffatmosphäre aufgeheizt. Durch Variation der Pyrolysetemperatur und der Aufheizrate kann der Einfluss der Pyrolyse auf die Generierung der inneren Oberfläche untersucht werden.

^{Abbildung 1: Tasche des Pyrolysereaktors}

Die Aktivierung erfolgt hierbei über Gasaktivierung mit Wasserdampf bei verschiedenen Temperaturen im Bereich von 700° C – 900° C, Abb. 2.
Die Erstellung der Massenbilanzen, die Messung der inneren Oberfläche mittels BET-Methode, sowie die Aschegehaltsbestimmung und die Elementaranalysen vervollständigen die Experimente und geben Auskunft über die zu erwartende Qualität der Aktivkohle.

^{Abbildung 2: Rohreaktor zur Aktivierung des Rohkokses}

Um die so erzeugte Aktivkohle für den jeweiligen Anwendungsfall handhabbar zu machen wird der Rohkoks vor der Aktivierung unter Verwendung eines Bindemittels pelletiert. Zur Pelletierung der Aktivkohle werden hierbei verschiedene Substanzen auf ihre Eignung als Bindemittel untersucht, sowie der Einfluss des Binders auf die aktive Oberfläche ermittelt.