Table of Contents
Einführung und Bedeutung der Adsorptionsisothermen
Prinzip der gravimetrischen Sorptionsanalyse
Die gravimetrische Methode zur Bestimmung von Adsorptionsisothermen besticht durch ihre Genauigkeit, Sensitivität und breiten Messbereich. Das Verfahren beruht auf der exakten Messung der Masseänderung eines Zeoliths, während er mit einem Adsorptiv in Kontakt gebracht wird. Diese Methode ermöglicht die direkte Erfassung der Sorptionskinetik und der Gleichgewichtsdaten.
Das Zeolith wird vor der Messung aktiviert, das bedeutet thermisch getrocknet, um adsorbiertes Wasser bzw. Reststoffe zu entfernen und „frische“ Sorptionsplätze verfügbar zu machen (3). Dies ist essentiell, da nur so eine reproduzierbare Ausgangslage für die Isothermenbestimmung gegeben ist. Die Probe wird anschließend auf einer hochsensiblen Mikrowaage in den Messaufbau eingebracht.
Im Kern der gravimetrischen Sorptionsanalyse steht die kontinuierliche Messung der Massenänderung der Probe während der Exposition gegenüber definierten Partialdrücken des Adsorptivs. Die Probe wird in einer hochpräzisen Mikrowaage in einer Messkammer platziert. Nach Einstellung einer bestimmten Temperatur wird der Partialdruck des Sorptivs schrittweise erhöht oder erniedrigt (4).
Die Änderung der Masse der Probe – bedingt durch Adsorptions- bzw. Desorptionsvorgänge – wird in Echtzeit erfasst. Nach Erreichen des Gleichgewichts auf jedem Druckniveau wird die Beladung bestimmt. Die Kombination aus Präzisionswaage mit typisch Mikrogramm-Auflösung und kontrollierter Atmosphäreneinstellung gewährleistet sehr genaue Isothermen auch bei geringen Beladungen oder niedrigen Drücken. Für Temperaturvariation wird die Probe in einem Ofen oder Thermostaten gehalten, sodass isotherme Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden können.
Messablauf und Datenauswertung
Temperaturvorbereitung:
- Einstellung und Stabilisierung der gewünschten Messtemperatur.
- Temperatur und Feuchtigkeit sind kritisch für Zeolithe – schon geringe Schwankungen können Messergebnisse beeinflussen.
Messatmosphäre:
- Stufenweise Erhöhung des Partialdrucks oder der Konzentration des Adsorptivs in der Messzelle.
- Jeder Schritt wird gehalten, bis ein Gleichgewicht erreicht ist (konstante Probenmasse).
Massemessung:
- Kontinuierliche Erfassung der Masseänderung mit einer Mikrowaage.
- Massezunahme entspricht der Adsorption – pro Schritt wird die adsorbierte Menge erfasst.
Auswertung der Adsorption:
- Aus den Einzelwerten entsteht eine Adsorptionsisotherme (Beladung vs. Druck bei konstanter Temperatur).
- Typische Auswertemodelle: Freundlich-, Langmuir- und Dubinin-Astakhov-Gleichung.
- Für Zeolithe besonders geeignet: Dubinin-Astakhov-Gleichung (erfasst Mikroporeneigenschaften und energetische Heterogenität).
Datenanalyse:
- Modellbasierte Auswertung der Rohdaten.
- Bestimmung charakteristischer Kenngrößen:
- Maximale Sorptionskapazität
- Heterogenitätsparameter
- Affinität des Adsorbents zum Adsorptiv
Einflussfaktoren auf die Genauigkeit:
- Stabilität der Waagen
- Homogenität der Probe
- Exakte Kontrolle von Temperatur und Druck
Temperatureinfluss auf die Adsorption
Die Temperatur hat einen entscheidenden Einfluss auf die Messung und den Verlauf von Adsorptionsisothermen bei Zeolithen. Mit steigender Temperatur nimmt die Gleichgewichtsbeladung des Zeolithen bei konstantem Partialdruck typischerweise ab. Der Grund ist, dass Adsorption ein exothermer Prozess ist: Höhere Temperaturen fördern die Desorption, da mehr thermische Energie zur Überwindung der Adsorptionskräfte zur Verfügung steht (5).
Die Maximalbeladung eines Zeoliths wird direkt und signifikant von der Temperatur beeinflusst: Mit steigender Temperatur sinkt in der Regel die maximale Menge an Adsorptiv, die vom Zeolith aufgenommen werden kann. Bei niedrigeren Temperaturen wird mehr Adsorptiv gebunden, während bei höheren Temperaturen die Adsorption erschwert wird und vermehrt Desorption stattfindet. Experimente zeigen beispielsweise, dass die Stickstoffbeladung bei Zeolith 13X bei 0 °C etwa 30 % höher ist als bei 30 °C (5).
Bei tiefen Temperaturen zeigen Isothermen oft einen steileren Verlauf und eine höhere Sättigungsbeladung; bei höheren Temperaturen verlaufen sie meist flacher und erreichen geringere Maximalwerte. Bei ausreichend hohen Temperaturen können die Isothermen nahezu linear werden, die typische Sättigungscharakteristik schwächt sich ab.
Durch Vergleich von Isothermen gleichen Materials und Adsorptivs bei verschiedenen Temperaturen können die isosteren Adsorptionsenthalpien berechnet werden, relevante Kennzahlen für technische und thermodynamische Auslegung. Messungen sollten stets bei kontrollierter und exakt dokumentierter Temperatur durchgeführt werden, da bereits moderate Temperaturschwankungen zu erheblichen Abweichungen bei den ermittelten Adsorptionskapazitäten führen können.
Praktische Anwendung und Fallbeispiele
Eine typische Anwendung ist die Untersuchung der Wasserdampfaufnahme eines Zeoliths bei 25°C und steigenden Partialdrücken. Die Isothermen zeigen eine steile Beladungszunahme bei relativ niedrigen Partialdrücken, was auf die hohe Affinität der Zeolithe für polare Moleküle zurückzuführen ist. Die Regenerierbarkeit wird geprüft, indem die Probe im Vakuum oder bei erhöhter Temperatur wieder getrocknet wird – ein für zyklische Wärmespeicheranwendungen zentraler Aspekt (3). Für CO2 kann die gravimetrische Methode analog verwendet werden, wobei Zeolithe auch bei moderaten Drucken hohe Beladungen ermöglichen.
Typische Auswertungsparameter umfassen die maximale Beladung und Zugänglichkeit im Arbeitsdruckbereich, Affinität- und Wechselwirkungsparameter wie die Sorptionsenthalpie, sowie die Selektivität gegenüber anderen Gasen oder Komponenten. Für die Bestimmung der Kinetik sind zusätzliche Messreihen notwendig.
Die wissenschaftliche Literatur bestätigt die zentrale Rolle der gravimetrischen Analyse in der modernen Sorptionsmaterialcharakterisierung. Die gravimetrische Bestimmung von Adsorptionsisothermen ist ein methodisches Rückgrat für die gezielte Entwicklung und Bewertung von Zeolithen im Bereich der Energiespeicherung. Verfahrenstechnische Innovationskraft, gepaart mit hochwertigen Messsystemen, bietet Labor-, Forschungs- und Entwicklungsteams maximale Datenqualität und Anwendungssicherheit – entscheidend für Fortschritte im nachhaltigen Wärmemanagement und in der thermischen Energiespeicherung.
Fazit
Die gravimetrische Sorptionsanalyse hat sich als unverzichtbare Methode für die Charakterisierung von Zeolithen in der Wärmespeicherung etabliert. Ihre hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ermöglichen es, präzise Adsorptionsisothermen zu bestimmen, die als Grundlage für die Materialauswahl und Prozessoptimierung dienen. Besonders die exakte Temperaturkontrolle erweist sich als kritischer Faktor, da bereits geringe Temperaturschwankungen erheblichen Einfluss auf die Speicherkapazität haben.
Die Methode liefert nicht nur quantitative Daten zur Sorptionskapazität, sondern auch wertvolle Einblicke in die thermodynamischen Eigenschaften der Materialien. Dies macht sie zu einem essentiellen Werkzeug für die Entwicklung effizienter Energiespeichersysteme und trägt maßgeblich zum Fortschritt in der nachhaltigen Energietechnik bei. Moderne Messsysteme ermöglichen dabei automatisierte, standardisierte Messungen, die höchste Qualität und Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleisten.
Quellenverzeichnis
(1) https://mediatum.ub.tum.de/doc/820976/820976.pdf – Materialwissenschaftliche Untersuchungen an zeolithischen Adsorbenzien zur Wärmespeicherung
(2) https://webdoc.sub.gwdg.de/ebook/diss/2003/tu-berlin/diss/2002/hauer_andreas.pdf – Beurteilung fester Adsorbentien in offenen Sorptionssystemen für die Wärmespeicherung (Hauer, Diss. 2002)
(3) https://www.eso.org/sci/facilities/develop/detectors/optdet/docs/diploma_hose.pdf – Untersuchung von Aktivkohle und Zeolithe – Adsorptionsisothermen gravimetrisch (Hose, 2000)
(4) https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/34866/1/ArifianYosefBenediktAwan_Untersuchung_zurSorption_von_Kohlendioxid_in_neuartigen_por%C3%B6sen_Materialien.pdf – Bachelorarbeit: Untersuchung zur Sorption von Kohlendioxid in neuartigen porösen Materialien – Messprinzip Gravimetrie
(5) https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00074130/Diss_Schmittmann.pdf – Einfluss der Temperatur auf die Dynamik der Adsorption kurzkettiger Alkane an Zeolithen (Schmittmann, Diss. 2021)
