Adsorption von Aktivkohle: Was ist das und wie sind die Filter aufgebaut?

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November 28, 2024 - Updated at December 5, 2024
Tiziano B.
Führer
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Die Adsorption ist ein grundlegender Prozess, um eine effektive Luftfilterung durch die Dunstabzugshaube zu gewährleisten.
Das entscheidende Element, das filtrierende Dunstabzugshauben auszeichnet, ist Aktivkohle – ein hochporöses Material mit einer extrem großen inneren Oberfläche.

Dank seiner porösen Struktur kann Aktivkohle Schadstoffmoleküle aus der Luft binden und neutralisieren, wodurch die Qualität der häuslichen Umgebung verbessert wird. Dieser Vorgang wird als Adsorption bezeichnet.

Aber was genau ist dieser Prozess?
In diesem Artikel erklären wir das Prinzip der Adsorption und die Rolle der Aktivkohle im Detail, um Ihnen alle nützlichen Informationen darüber zu geben, was in Ihrer Dunstabzugshaube passiert.

Was ist Adsorption?

Die Adsorption ist ein physikalisch-chemischer Prozess, bei dem die Moleküle einer Substanz an der Oberfläche eines porösen Feststoffs, wie Aktivkohle, haften, ohne in die Struktur des Materials einzudringen. Dieses Phänomen tritt auf, weil die Moleküle in einer Flüssigkeit (flüssig oder gasförmig) aufgrund molekularer Anziehungskräfte an der Oberfläche des Feststoffs haften und somit Schadstoffe zurückhalten.

Der Unterschied zwischen Adsorption und Absorption liegt in der Interaktion der Substanzen mit dem Material:

Bei der Absorption wird die Flüssigkeit vollständig in den Feststoff oder die Flüssigkeit aufgenommen und verteilt sich im gesamten Volumen des Materials.
Bei der Adsorption hingegen wird die Substanz nur an der Oberfläche des Feststoffs zurückgehalten.

In der Praxis:
Im Falle einer Dunstabzugshaube mit Aktivkohlefiltern fängt die Adsorption Partikel und Gase ein und reinigt so die Luft. Aus diesem Grund ist die Adsorptionsfunktion für Ihre Haube von entscheidender Bedeutung.

Was ist der Ursprung der Aktivkohle? Wo wird sie gewonnen?

Aktivkohle kann aus verschiedenen organischen Quellen mit hohem Kohlenstoffgehalt gewonnen werden. Zu den häufigsten zählen:

Holz: etwa 130.000 Tonnen pro Jahr
Fossile Kohle: etwa 100.000 Tonnen pro Jahr
Kokosnussschalen: 35.000 Tonnen pro Jahr
Torf: 35.000 Tonnen pro Jahr

Dank ihrer Zusammensetzung können diese Rohstoffe so verarbeitet werden, dass Aktivkohle mit hoher Adsorptionskapazität entsteht. Um jedoch für die Produktion geeignet zu sein, müssen sie bestimmte grundlegende Eigenschaften aufweisen:

Einen geringen Anteil an nicht karbonisiertem organischem Material
Eine lange Haltbarkeit
Die Fähigkeit, ihre Eigenschaften zu bewahren

Die Wahl der Rohstoffe beeinflusst die Porenstruktur und die Oberfläche der Aktivkohle erheblich, was die Qualität des Endprodukts bestimmt.

Die Produktion erfolgt in zwei Hauptphasen: Karbonisierung und Aktivierung (wie unten beschrieben), die beide entscheidend dafür sind, das Material porös und für die Filtration geeignet zu machen.

Warum heißt es Aktivkohle?

Der Name „Aktivkohle“ leitet sich vom Aktivierungsprozess ab, den das Material durchläuft. Wie erwähnt, besteht es zunächst aus Kohle pflanzlichen oder mineralischen Ursprungs. Es wird „aktiv“, nachdem es in speziellen Öfen mit Hochtemperaturdampf behandelt wurde.

Dieser Prozess erzeugt winzige Passagen in den Kohlegranulaten, die als Mikroporen bezeichnet werden. Diese Mikroporen verleihen der Kohle ihre Adsorptionseigenschaften und ermöglichen es, effektiv Moleküle wie Rauch, Gerüche und Fette einzufangen.

Die Hauptmerkmale, die eine Art von Aktivkohle von einer anderen unterscheiden, umfassen die Herkunft der Kohle, die Porengröße, die Granulatgröße, die Schüttdichte und die spezifische Oberfläche, die bis zu 1.000 m² pro Gramm Material erreichen kann. Dank dieser Eigenschaften kann Aktivkohle durch chemische, physikalisch-chemische und physikalische Mechanismen wirken.

Wie wird Aktivkohle hergestellt?

Die Herstellung von Aktivkohle erfolgt in mehreren Schritten, von der Auswahl des Ausgangsmaterials bis hin zur abschließenden Kühl- und Mahlphase. Nachfolgend eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Phasen:

Ausgangsmaterial:
Die Wahl der Rohstoffe beeinflusst die endgültigen Eigenschaften der Kohle, wie ihre Porenstruktur und Adsorptionskapazität. Rohstoffe mit hoher Reinheit und niedrigem Gehalt an flüchtigen Substanzen werden bevorzugt, um ein qualitativ hochwertiges Produkt zu erhalten.
Karbonisierung:
Das ausgewählte Material wird in Abwesenheit von Sauerstoff erhitzt, sodass flüchtige Bestandteile (VOC) verdampfen. In dieser Phase entsteht die poröse Grundstruktur der Kohle, die die ersten für die Adsorption notwendigen Mikroporen bildet. Dies kann in einem geschlossenen Behälter bei niedrigen Temperaturen (ca. 400–800 °C) über mehrere Stunden erfolgen.
Aktivierung:
Nach der Karbonisierung wird das Material aktiviert, was auf zwei Arten geschehen kann:
- Physikalische Aktivierung: Die Kohle wird mit Dampf oder Gas bei hohen Temperaturen (800–1100 °C) behandelt, wodurch die Poren weiter geöffnet und die Adsorptionsfläche vergrößert wird.
- Chemische Aktivierung: Mit einem chemischen Mittel (z. B. Phosphorsäure) wird die Kohle bei niedrigeren Temperaturen (450–900 °C) behandelt, um größere und gleichmäßigere Poren zu schaffen. Anschließend wird sie ausgespült, um chemische Rückstände zu entfernen.
Kühlung und Mahlung:
Nach Abschluss der Aktivierung wird die Aktivkohle schnell abgekühlt, um ihre poröse Struktur zu erhalten. Anschließend wird sie gemahlen, um die gewünschte Partikelgröße zu erreichen, von feinem Pulver bis hin zu größeren Granulaten, die in Filtern verwendet werden.

Wie ist die Struktur von Aktivkohle?

Die Struktur von Aktivkohle ähnelt der von Graphit, weist jedoch aufgrund von Verunreinigungen und des Aktivierungsprozesses einige Unterschiede auf. Reines Graphit besteht aus Kristallen, die aus Schichten von Kohlenstoffatom-Sechsecken aufgebaut sind, die durch schwache Van-der-Waals-Kräfte verbunden sind, während innerhalb jeder Schicht Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bestehen.

Bei Aktivkohle ist diese Anordnung im Vergleich zu Graphit weniger organisiert. Verunreinigungen und Herstellungstechniken erzeugen eine weniger geordnete Struktur, die zu einem hochporösen Material führt. Diese Porosität, das Hauptmerkmal von Aktivkohle, hängt sowohl von der Art des verwendeten Rohmaterials als auch vom angewandten Aktivierungsverfahren ab.

Porosität von Aktivkohle

Die Porosität von Aktivkohle ist eine ihrer grundlegenden Eigenschaften, da sie bestimmt, wie gut sie schädliche Moleküle adsorbieren und Luft reinigen kann (z. B. in einer Dunstabzugshaube). Die poröse Struktur von Aktivkohle besteht aus einem komplexen Netzwerk von Poren unterschiedlicher Größen, die in drei Hauptkategorien eingeteilt werden:

Mikroporen (Durchmesser unter 2 nm):
- Effektiv bei der Adsorption kleiner Moleküle wie Phenolverbindungen, Chlor und Chloraminen.
- Aufgrund ihrer geringen Größe binden diese Poren flüchtige und toxische Moleküle in Wasser oder Luft besonders effektiv.
Mesoporen (Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm):
- Ideal für die Adsorption mittelgroßer Moleküle wie Proteine, Peptide und Farbstoffe.
- Nützlich, um komplexe organische Substanzen zu entfernen, die die Wasser- und Luftqualität beeinträchtigen.
Makroporen (Durchmesser über 50 nm):
- Fangen große organische Moleküle und voluminösere Partikel ein.
- Obwohl ihre Hauptfunktion nicht die chemische Adsorption ist, erleichtern sie den Zugang von Molekülen zu kleineren Poren und wirken als mechanischer Filter.

Diese Kombination aus Porosität macht Aktivkohle zu einem äußerst vielseitigen Material für die Entfernung einer Vielzahl von Schadstoffen.

Größe und Form von Aktivkohle

Aktivkohle ist in verschiedenen Formen und Größen erhältlich, je nach spezifischer Anwendung. Sie kann als feines Pulver, Granulat oder in kompakten Blöcken hergestellt werden. Die Größe der Granulate beeinflusst direkt die verfügbare Oberfläche für die Adsorption.

Pulverisierte Aktivkohle:
- Besteht aus sehr kleinen Partikeln, die eine große Kontaktfläche bieten, ideal für schnelle Adsorptionsprozesse.
Granulierte oder blockförmige Aktivkohle:
- Wird in Filtern verwendet, die eine höhere mechanische Festigkeit und längere Behandlungszeiten erfordern.

Die Granulate bestehen typischerweise aus Partikeln mit einer Größe zwischen 0,5 und 5 Millimetern, abhängig von der Filterkonstruktion und den spezifischen Adsorptionsanforderungen.

In Dunstabzugshaubenfiltern liegt die Menge an Aktivkohle meist zwischen 100 und 500 Gramm, was ausreicht, um Gerüche und chemische Substanzen effektiv aus der Luft zu adsorbieren. Größe und Form der Aktivkohle beeinflussen somit auch ihre Wirksamkeit bei der Bindung von Schadstoffmolekülen.

Wie ist die Struktur von Aktivkohlefiltern in Dunstabzugshauben?

Aktivkohlefilter haben in der Regel eine gitterartige Struktur, die den Luftdurchgang durch mehrere Schichten von Material ermöglicht. Sie sind so konzipiert, dass sie Gerüche, Rauch und Dämpfe, die beim Kochen entstehen, auffangen und eliminieren. Ihre Bestandteile sind:

Granulierte oder pulverisierte Aktivkohle:
- Das Hauptmaterial für die Adsorption.
Filterträger:
- Die Aktivkohle ist in einem Trägermaterial eingebettet, das aus Vliesstoffen, synthetischen Materialien oder Zellulose bestehen kann.
- Dieses Trägermaterial hält die Aktivkohle in Position und lässt Luft durch den Filter strömen.
Gehäusestruktur:
- Der Filter ist in einem Gehäuse aus Kunststoff oder Metall eingeschlossen, das die Stabilität der Aktivkohle gewährleistet und die einfache Installation in der Haube ermöglicht.

Dank dieser Zusammensetzung sind Aktivkohlefilter äußerst effektiv bei der Verbesserung der Luftqualität in der Küche, indem sie Gerüche und Schadstoffe reduzieren.

Die Funktion von Aktivkohle in Dunstabzugshaubenfiltern

Wenn verschmutzte Luft in den Filter eintritt, strömt sie durch die Granulate der Aktivkohle. Während dieses Prozesses haften Moleküle von Rauch und Fett, die beim Kochen entstehen, an der Oberfläche der Kohle durch Adsorption.

Dieser Prozess findet auf molekularer und nicht chemischer Ebene statt, was bedeutet, dass die Substanzen nicht zerstört, sondern lediglich in den Poren der Kohle zurückgehalten werden.

Die Filterkapazität der Aktivkohle ermöglicht es, die Luft gereinigt wieder in die Umgebung zurückzuführen und so die Gesundheit und Sicherheit in der Küche zu gewährleisten.

Die Bedeutung der Wartung von Aktivkohlefiltern

Was passiert, wenn die Aktivkohlefilter nicht ordnungsgemäß gewartet werden? Mit der Zeit verstopfen diese Filter und können die Luft nicht mehr effektiv reinigen.

Aus diesem Grund ist eine regelmäßige Wartung wichtig, die den Austausch oder die Regeneration vorsieht, wie es bei Long-Life-Filtern der Fall ist. Aktivkohlefilter lassen sich in zwei Kategorien einteilen:

Standard-Aktivkohlefilter:
- Dieser Filter muss regelmäßig ausgetauscht werden und kann nicht gewaschen werden.
Long-Life-Aktivkohlefilter:
- Dieser Filter hat eine längere Lebensdauer und kann regeneriert werden. Allerdings muss auch er nach einer bestimmten Zeit ausgetauscht werden.

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