Jodzahl als Kenngröße zur Beurteilung der Einsatzfähigkeit von körniger (bzw. pelletierter) Aktivkohle.
In den meisten Anwendungen wird Aktivkohle zum Adsorbieren von Molekülen verwendet, die zu einem hohen Anteil aus kovalenten Bindungen bestehen, wie etwa den Kohlenstoff-Kohlenstoff- oder Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen organischer Verbindungen. Aktivkohle wird auch als Reagenz oder Katalysator verwendet, beispielsweise bei der Entchlorung von Wasser, einer der häufigsten Anwendungen von Aktivkohle in Mexiko. Die Entchlorungsreaktion (Entfernung von freiem Chlor, um es in Chloridionen umzuwandeln) läuft wie folgt ab:
HOCl(l) + C(s) ➜ CO* + H+(l) + Cl–(l),
wobei HOCl(l) Hypochlorsäure, C(s) Aktivkohle und CO* ein Oxid ist. Es ist Kohlenstoff die an der Oberfläche der Aktivkohle gebunden sein oder in Form von Kohlensäure in einer Lösung vorliegen können.
Die obige Reaktion ist nicht die einzige Reaktion, die auftritt, wenn Wasser durch Aktivkohle abgelassen wird. Es gibt weitere Fälle, in denen Kohlenstoff als Reagenz oder Katalysator fungiert.
Nehmen wir an, dass die „Betriebskapazität“ einer Aktivkohle die Menge an Flüssigkeit (Gas oder Flüssigkeit) ist, die sie verträgt, um eine bestimmte Qualität zu erreichen. Diese Qualität kann anhand des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB), der Farbe, des Geruchs, des freien Chlors oder einer bestimmten Verbindung oder Verbindungsgruppe gemessen werden. Der „Bruchpunkt“ liegt dort, wo die Qualität des Abwassers aus Geräten, die Aktivkohle enthalten, nicht mehr akzeptabel ist. Zu diesem Zeitpunkt muss die Kohle ausgetauscht werden, da ihre Lebensdauer abgelaufen ist. Gebrauchte Kohle muss entsorgt oder reaktiviert werden.
Die Einsatzfähigkeit von körniger Aktivkohle lässt sich nur vor Ort genau beurteilen.
Hersteller und Anwender von körniger Aktivkohle suchen nach leicht messbaren physikochemischen Variablen, die die Einsatzfähigkeit der Kohle widerspiegeln. Zu diesen Variablen gehören die Adsorptionskapazität von Jod, Phenol, Methylenblau, Melasse, Tetrachlorkohlenstoff, Butan usw.
Die kommerziell am weitesten verbreitete Variable ist die Jodzahl (Jodindex). Dabei handelt es sich um die Anzahl Milligramm Jod, die von einem Gramm Kohlenstoff (auf Trockenbasis) absorbiert werden, wenn die Restjodkonzentration in der Lösung 0,02 N beträgt.
Warum ist Kohle mit höherer Jodzahl teurer?
Die Jodzahl ist so allgemein akzeptiert, dass der Preis der meisten Standardaktivkohlen auf dem Markt weitgehend auf ihrem Wert basiert. Es gibt zwei Gründe, warum die Jodzahl als Variable zur Kohlenstoffbewertung allgemein akzeptiert ist: (a) Es hat sich gezeigt, dass bei bestimmten Kohlenstoffarten, die unter bestimmten Bedingungen aktiviert werden, die Jodzahl relativ proportional zur Kohlenstoffoberfläche ist. (Fläche bestimmt durch Stickstoffaufnahme); und (b) die Materialien und Reagenzien zur Messung der Jodzahl sind kostengünstig und die für die Durchführung der Analyse erforderliche Zeit ist verhältnismäßig kurz.
Leider ist die Realität so, dass die Jodzahl bei weitem nicht die Oberfläche der Aktivkohle und ihre Einsatzkapazität widerspiegelt. In der Wissenschaft wird die Jodzahl nicht als Variable zur Bewertung von Kohlenstoff verwendet.
Ist die Jodzahl ausschlaggebend für die Adsorptionskapazität von Aktivkohle?
1. Die Jodzahl ist nur proportional zur Oberfläche der Aktivkohle.
Bei der Bestimmung der Jodzahl ist das an Kohlenstoff adsorbierte Molekül das Trijodidion: I 3 -1 . Da es sich um ein Anion handelt, wird es von den Oberflächenoxiden auf Aktivkohle abgestoßen. Je mehr Oberflächenoxide eine Aktivkohle enthält, desto geringer ist daher ihre Jodzahl, ihre Oberfläche ändert sich jedoch nicht.
2. Obwohl die Jodzahl proportional zur Oberfläche jeder Aktivkohle ist, ist die Jodadsorptionskapazität nicht proportional zur Adsorptionskapazität anderer Moleküle.
Dafür gibt es zwei Gründe:
2.1 Die Adsorptionskapazität von Aktivkohle hängt vom Verhältnis zwischen der Größe der zu haltenden Molekülform und der Porengrößenverteilung der Kohle ab.
Moleküle, die größer sind als der Durchmesser der Poren, gelangen nicht hinein. Und Moleküle, die viel kleiner sind als der Porendurchmesser, werden mit weniger Kraft adsorbiert und sind daher weniger effizient.
2.2 Die Adsorptionskapazität von Aktivkohle hängt von der chemischen Struktur der zurückzuhaltenden Moleküle und der Oberflächenchemie der Kohle ab.
Aus diesem Grund entspricht eine höhere Jodzahl nicht unbedingt einer höheren Adsorptionskapazität des Moleküls (oder der Molekülfamilie), das wir adsorbieren möchten. In der Literatur findet man häufig Grafiken wie die folgenden:
3. Bei den meisten Anwendungen körniger Aktivkohle hängt deren Einsatzfähigkeit nicht nur von deren Adsorptionskapazität (genauer „Gleichgewichtsadsorptionskapazität“ bzw. „Adsorptionskapazität bei Erreichen des Gleichgewichts“) ab, sondern auch von deren Kinetik (Geschwindigkeit). Sie funktionieren.
Die Wirkungskinetik von körniger Aktivkohle hängt von folgenden Faktoren ab:
3.1 Seine Porengrößenverteilung sowie der vorherrschende Porendurchmesser. Je größer der Porendurchmesser ist, desto größer ist die Kinetik, mit der die Aktivkohle arbeitet.
3.2 Partikelgrößenverteilung von körniger Aktivkohle. Je kleiner die Partikelgröße, desto höher ist die Kinetik der körnigen Aktivkohle.
Letzteres kann beispielsweise anhand des folgenden Schemas veranschaulicht werden, in dem zwei Säulen aus körniger Aktivkohle mit der gleichen Lösung, dem gleichen Momentandurchfluss und der gleichen Art und Menge an Aktivkohle gespeist werden. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Spalten besteht darin, dass die durchschnittliche Größe der Kohlenstoffpartikel in der rechten Spalte kleiner ist. Wenn Sie die Tiefe des Kohlenstoffbetts messen, in dem der Adsorptionsprozess stattfindet (eine Tiefe, die als „Massentransferzone“, MTZ, bezeichnet wird), werden Sie feststellen, dass die Höhe der MTZ umso geringer ist, je kleiner die Partikelgröße ist. Und da die MTZ bei Kohlenstoff mit kleinerer Partikelgröße niedriger ist, tritt der Versagenspunkt später auf und dieser Kohlenstoff hat eine höhere Betriebskapazität.
Ergebnis:
Aus dem oben Gesagten lässt sich schließen, dass die Jodzahl keine Variable ist, mit der die Fähigkeit von Kohlenstoff, ein anderes Molekül als das Trijodion zu adsorbieren, direkt gemessen werden kann. Und noch viel weniger kann es eine Variable sein, mit der sich die Einsatzfähigkeit einer körnigen Aktivkohle vorhersagen lässt.
Um die verbleibende Betriebskapazität einer verwendeten Aktivkohle vorherzusagen, kann es hilfreich sein , die Jodzahl zum Zeitpunkt des Versagens zu messen und diese Daten zur Vorhersage des ungefähren Versagenszeitpunkts für zukünftige Betriebszyklen zu verwenden. Sofern die gleiche handelsübliche Aktivkohlegranulat verwendet wird und die Zusammensetzung der mit der Aktivkohle behandelten Lösung nicht wesentlich verändert wird.