Adsorption – Physisorption und Chemisorption einfach erklärt

Was ist Adsorption?

Der Begriff Adsorption beschreibt die Anreicherung von Molekülen oder Atomen eines Stoffes an der Oberfläche eines Feststoffes oder einer Flüssigkeit. Diese Moleküle stammen typischerweise aus einer gasförmigen oder flüssigen Phase und haften aufgrund von intermolekularen Kräften an der Grenzfläche zwischen den Phasen. Während das adsorbierende Material als Adsorbens bezeichnet wird, nennt man die angelagerten Moleküle im gebundenen Zustand Adsorbat. Solange sich diese jedoch noch in der fluiden Phase befinden, werden sie als Adsorptiv bezeichnet.

Adsorption ist ein Grenzflächenphänomen und unterscheidet sich von Absorption, bei der die Moleküle in das Innere eines Materials eindringen. Beide Prozesse fallen unter den Oberbegriff Sorption, der die Wechselwirkungen von Stoffen an und in Materialien beschreibt.

Grundbegriffe der Adsorption

Für ein besseres Verständnis des Adsorptionsprozesses werden die beteiligten Komponenten klar definiert:

Adsorbens

Das Adsorbens ist ein Material, meist ein Feststoff, das über eine große Oberfläche verfügt, um Moleküle aus einer gasförmigen oder flüssigen Phase zu binden. Beispiele für Adsorbentien sind Aktivkohle, Silicagel und Zeolithe. Die Porosität und Oberflächenstruktur des Adsorbens sind entscheidend für die Adsorptionskapazität.

Adsorbat

Das Adsorbat bezeichnet die Moleküle oder Atome, die an der Oberfläche des Adsorbens angelagert werden. Dieser Begriff wird auch verwendet, um die Kombination von Adsorbens und adsorbierten Molekülen zu beschreiben.

Adsorptiv

Das Adsorptiv beschreibt die Moleküle oder Atome in ihrer ursprünglichen Phase, bevor sie an das Adsorbens gebunden werden. Diese befinden sich noch in der flüssigen oder gasförmigen Phase.

Adsorption als Teil der Sorption

Adsorption ist ein wichtiger Unterprozess der Sorption und wird durch physikalische Wechselwirkungen an Grenzflächen ausgelöst. Dies macht die Adsorption besonders geeignet für Trenn- und Reinigungsprozesse, bei denen spezifische Stoffe aus einer Mischung entfernt werden sollen, und eröffnet Raum für Innovation.

Die Effizienz der Adsorption hängt dabei stark von der Größe der Oberfläche des Adsorbens sowie seiner Porenstruktur ab, was bereits im Pre-Engineering berücksichtigt wird. Materialien mit einer großen spezifischen Oberfläche – wie Aktivkohle oder Molekularsiebe – ermöglichen eine besonders hohe Anlagerung von Molekülen.

Adsorption ist in verschiedenen Bereichen der Technik und Wissenschaft von Bedeutung, sei es in der Analysechemie, bei Trennverfahren oder in der Umwelttechnik. Sie spielt eine wesentliche Rolle bei der Reinigung von Gasen und Flüssigkeiten sowie in der chemischen Industrie.

Durch die klare Trennung der Begriffe und Prozesse bietet Adsorption eine strukturierte Grundlage für die Entwicklung und Optimierung technischer Verfahren.

Physisorption – Physikalische Adsorption

Die Physisorption ist ein Adsorptionsprozess, der auf schwachen Wechselwirkungen zwischen einer Oberfläche (Adsorbens) und den adsorbierten Molekülen (Adsorbat) beruht. Dabei bleiben die chemischen Eigenschaften der Adsorbatmoleküle unverändert, da keine chemischen Bindungen ausgebildet werden. Stattdessen wirken schwache intermolekulare Kräfte wie Van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen. Aufgrund der schwachen Bindungskräfte kann sich der Prozess leicht umkehren (Desorption).

Eigenschaften der Physisorption:

1. Bindungsenergie: Die Bindungsenergie liegt unter 100 kJ/mol, was die schwache Wechselwirkung zwischen Adsorbat und Adsorbens widerspiegelt.
2. Exotherme Reaktion: Die Adsorption ist exotherm, da kinetische Energie der adsorbierten Teilchen als Wärme abgegeben wird.
3. Reversibilität: Die Physisorption ist vollständig reversibel, da keine chemischen Bindungen gebildet werden. Desorption erfolgt oft durch Erhöhung der Temperatur oder Drucksenkung.
4. Mehrlagige Adsorption: Aufgrund der schwachen und langreichweitigen Bindungskräfte können sich mehrere Adsorptionsschichten übereinander bilden.
5. Keine hohe Aktivierungsenergie: Der Prozess benötigt keine hohe Aktivierungsenergie und läuft daher vergleichsweise schnell ab.

Einflussfaktoren auf das Gleichgewicht:

• Oberflächengröße: Die Menge des adsorbierten Stoffes hängt stark von der verfügbaren Oberfläche des Adsorbens ab. Materialien mit hoher spezifischer Oberfläche, wie Aktivkohle oder Zeolithe, sind besonders effektiv.
• Temperatur: Bei steigender Temperatur wird die Adsorptionsrate durch verstärkte thermische Bewegung der Moleküle verringert.
• Partialdruck oder Konzentration: Im Falle von Gasen beeinflusst der Partialdruck des Adsorptivs das Gleichgewicht. Höherer Druck oder höhere Konzentration fördern die Adsorption.

Dynamik auf der Oberfläche:

Adsorbierte Moleküle bleiben nicht starr an ihrem anfänglichen Bindungsort, sondern bewegen sich entlang der Oberfläche. Diese Mobilität ermöglicht die Besetzung besonders attraktiver Stellen, beispielsweise Gitterfehler oder Poren. Solche Defekte erhöhen die Adsorptionskapazität erheblich, da sie bevorzugte Ankerpunkte für Moleküle darstellen.

Übergang zur Kondensation:

Nach der Bildung einer monomolekularen Adsorptionsschicht kann sich bei weiterer Zufuhr von Adsorptiv eine mehrschichtige Struktur bilden. Sobald die gesamte Oberfläche belegt ist, geht die Adsorption in Kondensation über. Hierbei dominieren Wechselwirkungen zwischen den Adsorbatmolekülen, deren Energie geringer ist als die Adsorptionsenergie zur Oberfläche.

Typische Adsorbentien:

• Aktivkohle: Hohe Leistungsfähigkeit durch amorphe Struktur mit zahlreichen Defekten.
• Zeolithe: Kristalline Materialien mit engmaschigen Kanalsystemen, die eine selektive Adsorption ermöglichen.
• Silicagel und Molekularsiebe: Granulate mit hoher innerer Oberfläche, ideal für Gasreinigung und Trennprozesse.

Chemisorption – Chemische Adsorption

Chemisorption, auch chemische Adsorption genannt, ist eine Form der Adsorption, bei der chemische Bindungen zwischen den Molekülen oder Atomen des Adsorbats und der Oberfläche des Adsorbens entstehen. Diese Bindungen sind deutlich stärker als die Kräfte, die bei der physischen Adsorption wirken, und liegen im Bereich von etwa 200–800 kJ/mol. Aufgrund der Bindungsstärke verändert sich die elektronische Struktur des Adsorbats bei diesem Prozess.

Die chemische Adsorption ist in der Regel chemisch selektiv, d. h., sie tritt nur bei spezifischen Kombinationen von Adsorbat und Adsorbens auf. Dabei bildet sich maximal eine monomolekulare Schicht (Monolage) auf der Oberfläche des Adsorbens.

Eigenschaften der Chemisorption:

• Bindungsenergie und Temperaturabhängigkeit: Die hohe Bindungsenergie führt dazu, dass Chemisorption oft irreversibel ist. Eine Desorption kann in der Regel nur bei hohen Temperaturen erfolgen. In manchen Fällen benötigt die Adsorption eine hohe Aktivierungsenergie, weshalb sie häufig bei erhöhten Temperaturen stattfindet.
• Irreversibilität: Aufgrund der chemischen Veränderungen im Adsorbat und der Bindungsstärke ist eine Rückführung des adsorbierten Materials in seinen ursprünglichen Zustand oft nicht möglich. Dies unterscheidet die Chemisorption fundamental von der physikalischen Adsorption.
• Katalytische Aktivität: Chemisorption ist ein zentraler Mechanismus in der heterogenen Katalyse. Sie erleichtert chemische Reaktionen, indem sie Bindungen im Adsorbat schwächt oder das Adsorbat in einen aktivierten Zustand überführt.

Mechanismen und Prozesse:

• Dissoziative Chemisorption: Einige Moleküle, wie z. B. Wasserstoff (H₂), zerfallen beim Kontakt mit bestimmten Metalloberflächen (z. B. Eisen, Platin, Palladium) in einzelne Atome. Diese Atome binden sich anschließend chemisch an die Oberfläche. Dieser Zerfall wird als dissoziative Chemisorption bezeichnet.
• Richtungsabhängigkeit der Bindung: In einigen Fällen, wie bei Kohlenstoffmonoxid (CO), erfolgt die Bindung gezielt über ein spezifisches Atom (z. B. das Kohlenstoffatom bei CO auf Metalloberflächen). Diese gerichtete Chemisorption ist ein weiteres charakteristisches Merkmal dieses Prozesses.
• Aktivierte Adsorption: Chemisorption kann energetisch anspruchsvoll sein, da hohe Übergangszustände überwunden werden müssen. Dies unterscheidet sie von der Physisorption, die in der Regel keine zusätzliche Aktivierungsenergie benötigt.

Einfluss auf das Adsorbat:

Die chemischen Veränderungen durch Chemisorption können Bindungen innerhalb des Adsorbats schwächen, brechen oder dessen räumliche Struktur verändern. Dies ermöglicht es, chemische Reaktionen zu erleichtern oder überhaupt erst zu ermöglichen. So können z. B. durch Chemisorption an einem Katalysator chemische Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen ablaufen.

Chemisorption in der Katalyse:

Chemisorption ist ein zentraler Bestandteil vieler katalytischer Prozesse. Sie ermöglicht die Bindung von Reaktanten an die Oberfläche eines Katalysators, wodurch deren chemische Aktivierung erfolgt. Dies kann die Geschwindigkeit und Effizienz chemischer Reaktionen erhöhen. Ein Beispiel ist die Aktivierung von Wasserstoff durch Metalle, was für viele industrielle Reaktionen entscheidend ist.

Einschränkungen der Chemisorption:

Ein häufiges Problem bei der Chemisorption ist die Möglichkeit der irreversiblen Bindung, bei der das Adsorbat nur schwer von der Oberfläche entfernt werden kann. Solche Prozesse können zur Deaktivierung von Katalysatoren führen, ein Phänomen, das als Katalysatorgift bezeichnet wird.

Adsorptionsisotherme

Eine Adsorptionsisotherme beschreibt den Zusammenhang zwischen der an einer Oberfläche gebundenen Menge eines Adsorbats und dessen Konzentration oder Partialdruck bei konstanter Temperatur. Diese Darstellung ermöglicht es, die Wechselwirkungen zwischen dem Adsorbat und dem Adsorbens zu charakterisieren und in der Dokumentation festzuhalten.

Häufig verwendete Modelle

1. Henry-Isotherme:
   • Beschreibung für niedrige Konzentrationen.
   • Lineare Beziehung: q = K_H * C_eq, wobei q die Beladung, C_eq die Gleichgewichtskonzentration und K_H die Henry-Konstante ist.
   • Wechselwirkungen zwischen Adsorbatmolekülen werden nicht berücksichtigt.
2. Freundlich-Isotherme:
   • Berücksichtigt eine begrenzte Aufnahmefähigkeit und Wechselwirkungen.
   • Mathematische Form: q = K_F * C_eq^(1/n), wobei K_F der Freundlich-Koeffizient und n der Exponent ist.
   • Eine vollständige Sättigung kann nicht beschrieben werden.
3. Langmuir-Isotherme:
   • Beschreibt Adsorption an einer homogenen Oberfläche mit begrenzter Anzahl an Adsorptionsplätzen.
   • Formel: q = q_mono_max * (K * C_eq) / (1 + K * C_eq), wobei q_mono_max die maximale Beladung bei vollständiger Bedeckung ist.
   • Wechselwirkungen zwischen Adsorbatmolekülen werden nicht berücksichtigt.
4. BET-Isotherme:
   • Erweiterung der Langmuir-Isotherme zur Beschreibung mehrerer Adsorptionsschichten.
   • Komplexere mathematische Form, die auch Kapillarkondensation berücksichtigt.

Was ist der Bedeckungsgrad?

Der Bedeckungsgrad (Θ) ist eine dimensionslose Größe, die das Verhältnis der belegten Adsorptionsplätze zur maximal möglichen Anzahl beschreibt.

Definition:

Θ = N / N_m

• N: Anzahl der besetzten Adsorptionsplätze
• N_m: Maximale Anzahl der Adsorptionsplätze
• Θ = 0: Keine Adsorption
• Θ = 1: Alle Adsorptionsplätze sind belegt

Zusammenhang mit der Beladung:

Die Beladung q kann in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad ausgedrückt werden:
q = Θ * Γ_mono_max * S

• Γ_mono_max: Konzentration einer vollständigen Monoschicht
• S: Spezifische Oberfläche des Adsorbens

Der Bedeckungsgrad ist ein zentrales Konzept für die Analyse von Adsorptionsprozessen und wird in vielen Adsorptionsisothermen verwendet, um die Bindung des Adsorbats an die Oberfläche quantitativ zu beschreiben.

Anwendungen von Adsorption

Adsorption ist eine zentrale Technologie im verfahrenstechnischen Anlagenbau, da sie eine effiziente Möglichkeit bietet, Stoffe zu trennen, zu reinigen oder spezifische Komponenten aus komplexen Gemischen zu extrahieren – häufig begleitet durch professionelle Beratung. Aber auch in vielen anderen Branchen und Industrien ist Adsorption von großer Bedeutung. Im Folgenden wird die Anwendung physikalischer und chemischer Adsorption detailliert beschrieben.

Anwendungen von physikalischer Adsorption

Wärmepumpen und Adsorptionskältemaschinen

Im Bereich der Adsorptionskältemaschinen und Wärmepumpen wird die Physisorption eingesetzt, um Wärme durch Adsorption und Desorption zu speichern oder abzugeben. Diese Maschinen verändern den Aggregatzustand von Fluiden und eignen sich für energieeffiziente Lösungen im Kühl- und Heizungsbereich. Anlagenplaner berücksichtigen dabei die thermodynamischen Eigenschaften der Adsorbenzien und die Betriebsbedingungen, um maximale Effizienz zu erzielen – sowohl im Basic- als auch im Detail-Engineering.

Gasaufbereitung und Abgasreinigung

Die Physisorption wird in der Gasphase breit angewendet. In der Planung und dem Bau von Anlagen spielen folgende Anwendungen eine wichtige Rolle:

• Abgasreinigung: Verfahren zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen (z. B. Lösungsmitteldämpfe oder Benzindämpfe) und Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. Adsorptive Filter sorgen auch für die Beseitigung von Geruchsstoffen.
• Gastrennung: Verfahren wie Temperaturwechsel- oder Druckwechsel-Adsorption (TSA/PSA) trennen Gasgemische. Beispielsweise wird CO₂ aus Biogas entfernt oder hochreiner Wasserstoff aus Synthesegas gewonnen. Diese Prozesse sind in Anlagen mit hohen Reinheitsanforderungen, etwa in der chemischen Industrie, unverzichtbar.
• Filtertechnik: Atemschutzfilter und Gasfilter nutzen Materialien wie Aktivkohle, Aktivkoks, Silicagel oder Zeolithe, um Schadstoffe effizient zu adsorbieren. Diese Technologien werden in sicherheitskritischen Anlagen integriert.

Chromatografische Verfahren

Adsorptionschromatografie nutzt die Physisorption, um Stoffgemische effizient zu trennen. In der verfahrenstechnischen Planung werden chromatografische Trennmethoden in der Analyse und Aufbereitung komplexer Substanzen berücksichtigt, insbesondere in der Pharma- und Chemieindustrie.

Wasseraufbereitung und Umwelttechnik

Physisorption wird in der Flüssigphase eingesetzt, um Schadstoffe aus Wasser zu entfernen oder wertvolle Stoffe zurückzugewinnen. Typische Anwendungen umfassen:

• Wasseraufbereitung: Entfernung von organischen und anorganischen Schadstoffen aus Trinkwasser.
• Abwasserreinigung: Nutzung von Aktivkohle und ähnlichen Adsorbenzien, um industrielle Abwässer zu behandeln.
• Grundwassersanierung: Adsorption hilft, kontaminiertes Grundwasser von gefährlichen Chemikalien zu reinigen.
• Industriewasserwirtschaft: Rückgewinnung von Stoffen aus Prozesswässern.

Materialcharakterisierung

In der Planung von Anlagen, die Adsorbenzien nutzen, ist die Charakterisierung der Materialien essenziell. Gassorptionsmessungen, die Gassorptionsisothermen messen und modellbasiert auswerten, werden genutzt, um mikro- und mesoporöse Materialien optimal auf die Anwendungsanforderungen abzustimmen.

Anwendungen von chemischer Adsorption

Heterogene Katalyse

Chemisorption ist ein essenzieller Prozess in katalytischen Verfahren. Sie wird in zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen integriert:

• Haber-Bosch-Verfahren: Für die Synthese von Ammoniak wird die Chemisorption von Wasserstoff an Katalysatoren wie Eisen genutzt.
• Fischer-Tropsch-Synthese: Kohlenmonoxid und Wasserstoff reagieren durch chemisorptive Bindung an Katalysatoren zu Kohlenwasserstoffen.
• Fahrzeugkatalysatoren: Diese Anlagen nutzen chemisorptive Prozesse, um Schadstoffe wie Stickoxide in weniger gefährliche Substanzen umzuwandeln.

Trocknungsmittel

Chemisorption findet in Trocknungsprozessen Anwendung, z. B. durch Molekularsiebe oder Bentonit. Diese binden Wassermoleküle chemisch und eignen sich für die Trocknung unter anspruchsvollen Bedingungen, etwa in petrochemischen Anlagen oder bei der Verarbeitung hygroskopischer Substanzen.

Spezifische Anwendungen in der Chemie und Petrochemie

Chemisorption wird genutzt, um gezielte Reaktionen zu fördern, beispielsweise bei der Hydrierung von C=C-Doppelbindungen in der organischen Chemie. Adsorbenzien wie Raney-Nickel oder Nickel-Aluminium-Legierungen sind zentrale Komponenten solcher Verfahren.

FAQ: Wichtige Fragen zur Adsorption

Was ist der Unterschied zwischen Absorption und Adsorption?

Absorption bezeichnet die Aufnahme einer Substanz in das Innere eines anderen Materials, beispielsweise das Eindringen eines Gases oder einer Flüssigkeit in einen Feststoff oder eine Flüssigkeit. Ein typisches Beispiel ist die Aufnahme von Wasser durch einen Schwamm.

Adsorption hingegen beschreibt die Anlagerung von Molekülen oder Atomen an der Oberfläche eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit. Es handelt sich um einen Oberflächenprozess, bei dem die adsorbierten Teilchen (Adsorbate) durch physikalische oder chemische Kräfte an die Oberfläche gebunden werden.

Was bedeutet Desorption?

Desorption ist der Prozess, bei dem zuvor adsorbierte Moleküle, Atome oder Ionen von einer Oberfläche wieder freigesetzt werden. Dies geschieht häufig durch Änderungen der Temperatur, des Drucks oder der chemischen Zusammensetzung der Umgebung. Ein Beispiel ist das Verdampfen von Wasser, das zuvor auf einer Oberfläche kondensiert ist.

Was kann man adsorbieren?

Du kannst eine Vielzahl von Stoffen adsorbieren, darunter:

• Gase: z. B. Kohlenstoffdioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) oder Sauerstoff (O₂).
• Flüssigkeiten: z. B. organische Lösungsmittel wie Ethanol oder Aceton.
• Ionen und Moleküle in Lösungen: z. B. Schwermetallionen oder Farbstoffe.

Adsorption ist besonders in der Umwelttechnik, wie bei der Reinigung von Wasser oder der Abgasaufbereitung, relevant.

Was ist konkurrierende Adsorption?

Konkurrierende Adsorption tritt auf, wenn mehrere Stoffe um die gleichen Adsorptionsplätze auf einer Oberfläche konkurrieren. Dies kann die Effizienz der Adsorption eines bestimmten Stoffes verringern. Zum Beispiel können in einer Mischung aus Gasen einige Gase stärker adsorbiert werden als andere, abhängig von ihrer Bindungsaffinität zur Oberfläche des Adsorbens.

Wo tritt Absorption im Alltag auf?

Absorption begegnet Dir in vielen alltäglichen Situationen, darunter:

• Getränke: Zucker oder Kohlensäure löst sich in Flüssigkeiten.
• Hautpflege: Cremes oder Öle werden von der Haut aufgenommen.
• Schwämme: Wasser wird von Schwämmen oder anderen porösen Materialien aufgesogen.
• Gasmasken: Schadstoffe werden in speziellen Materialien absorbiert.

Wie bezeichnet man den Bereich zwischen physikalischer und chemischer Adsorption?

Den Übergangsbereich zwischen physikalischer und chemischer Adsorption nennt man aktivierte Adsorption. Dabei liegt eine Mischung aus schwachen physikalischen Wechselwirkungen (Van-der-Waals-Kräfte) und stärkeren chemischen Bindungen vor. Dieser Bereich kann Eigenschaften beider Adsorptionstypen zeigen.

Sind der Bedeckungsgrad und der Belegungsgrad dasselbe?

Nein, sie unterscheiden sich. Der Bedeckungsgrad beschreibt den Anteil der Adsorptionsplätze, die von Adsorbaten besetzt sind, bezogen auf die gesamte Oberfläche. Der Belegungsgrad kann zusätzlich chemische oder strukturelle Aspekte einbeziehen, z. B. die Anzahl der Adsorbatmoleküle pro Adsorptionsplatz. Die Begriffe werden je nach wissenschaftlichem Kontext unterschiedlich verwendet.

Welche verfahrenstechnischen Anlagen nutzen Adsorption?

Adsorption wird in vielen industriellen Anlagen eingesetzt, darunter:

• Aktivkohlefilter: Zur Reinigung von Wasser und Luft.
• Trockner mit Silikagel: Zur Feuchtigkeitsentfernung aus Gasen.
• Gasaufbereitungsanlagen: Zum Entfernen unerwünschter Gase oder Verunreinigungen.
• Katalysatoren: Für chemische Reaktionen, die an Adsorptionsstellen stattfinden.
• Abgasreinigungsanlagen: Zur Entfernung von Schadstoffen aus industriellen Abgasen.

Diese Anlagen machen sich die vielseitigen Eigenschaften der Adsorption zunutze, um Stoffe effizient zu trennen oder zu entfernen.