Nanoporöse Festkörper weisen sehr hohe spezifische Oberflächen von mehreren hundert bis mehreren Tausend Quadratmetern pro Gramm auf und haben dadurch eine hohe technische Relevanz als sogenannte Adsorbenzien bei Adsorptionsprozessen. Sowohl für die Entwicklung solcher Prozesse als auch für die Übertragung in den industriellen Maßstab sind verlässliche Informationen über die texturellen und energetischen Eigenschaften der Adsorbenzien unerlässlich. Nur mit diesen Informationen können die Adsorbenzien gezielt für wichtige Prozesse, z.B. in der Stofftrennung, Katalyse, Sensorik oder Chromatographie, ausgewählt werden. Zur Charakterisierung von Adsorbenzien kann eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden eingesetzt werden, jedoch variieren die Aussagekraft und der Informationsgehalt der verschiedenen Methoden.
Das Ziel der Arbeit ist der Methodenvergleich von kommerziellen und nichtkommerziellen Methoden der Adsorption und Immersion zur Festkörpercharakterisierung und die Bewertung dieser Methoden hinsichtlich der Verlässlichkeit der erhaltenen Festkörperparameter. Zu diesem Zweck wird die Adsorptionsmanometrie von Gasen und Dämpfen, die Flüssigphasenadsorption und die Immersionskalorimetrie zur umfassenden Charakterisierung von Modellfestkörpern mit einer Reihe von Modellfluiden eingesetzt. Als Modellfestkörper dient eine Serie von vier verschiedenen hierarchischen Kohlenstoffmaterialien, sogenannte Kohlenstoffmolekularsiebe (KMS). Die Modellfluide sind gezielt nach variierender Polarität und variierendem Platzbedarf der Fluidteilchen ausgewählt, um die Aussagekraft der verschiedenen Methoden hinsichtlich textureller und energetischer Oberflächeneigenschaften gezielt vergleichen zu können.
Insgesamt zeigt der Methodenvergleich eine sinnvolle Ergänzung und eine gute Abstützung der Methoden untereinander. Dies ermöglicht eine gezielte Kombination der Methoden zur Erhöhung der Aussagekraft bei der Festkörpercharakterisierung mit möglichst geringem experimentellem Aufwand. Die Aussagekraft der Flüssigphasenadsorption und der -immersion rechtfertigt den jeweils hohen experimentellen Aufwand für sich allein dabei nicht. Weiterhin wurden Trennungsdiagramme aus den experimentell ermittelten Exzessgrößen mit verschiedenen Modellen vorausberechnet. Dabei zeigt sich, dass beim modellmäßigen Übergang von Exzess- zu Absolutgrößen realistische Annahmen von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Vorausberechnung sind.:Inhaltsverzeichnis I
Abbildungsverzeichnis III
Tabellenverzeichnis VI
Symbol- und Abkürzungsverzeichnis VII
Danksagung XI
1. Einleitung und Aufgabenstellung 1
1.1 Einordnung der Thematik 1
1.2 Zielstellung und Vorgehensweise 3
2. Theoretische Grundlagen 4
2.1 Grundbegriffe der Sorption 4
2.1.1 Gassorption 5
2.1.2 Flüssigphasenadsorption 6
2.1.3 Exzess- und Absolutgrößen 7
2.1.4 Relativer und reduzierter Adsorptionsexzess 10
2.2 Poröse Materialien 13
2.3 Texturelle und energetische Heterogenität von Adsorbenzien 15
2.3.1 Informationen aus Gas- und Dampfsorptionsisothermen 15
2.3.1.1 Spezifische Oberfläche und Porenvolumen 16
2.3.1.2 Porenweitenverteilung 20
2.3.1.3 Energetische Heterogenität 22
2.3.2 Informationen aus Flüssigphasenisothermen 24
2.3.2.1 Spezifische Oberfläche und Porenvolumen 25
2.3.2.2 Polarität der Oberfläche und Oberflächenenergie 27
2.3.2.3 Gleichgewichtsdiagramme 28
2.3.3 Informationen aus Immersionsexperimenten 30
3. Materialien und Methoden 33
3.1 Adsorbenzien und Probenvorbereitung 33
3.2 Verwendete Fluide 35
3.3 Ermittlung von Gassorptionsisothermen 36
3.4 Ermittlung von Dampfsorptionsisothermen 41
3.5 Ermittlung von Adsorptionsexzessisothermen flüssiger Mischungen 42
3.6 Ermittlung der Immersionsenthalpie 43
3.7 Bestimmung des pH-Wertes der Carboxen-Kohlenstoffmaterialien 46
4. Ergebnisse und Diskussion 48
4.1 Stickstoff- und Argonsorption bei tiefen Temperaturen 48
4.2 CO2-Adsorption bei drei Temperaturen 56
4.3 Dampfsorption von Wasser, Alkoholen und n Octan 59
4.3.1 Wasserdampf-Isothermen 59
4.3.2 Sorption organischer Adsorptive 63
4.4 Vergleich der Sorption aller Adsorptive 66
4.5 Immersionsenthalpien 67
4.6 Flüssigphasenadsorption 69
4.6.1 Adsorptionsexzessisothermen 69
4.6.2 Gleichgewichtsdiagramme 72
5. Zusammenfassung 76
Literaturverzeichnis 78
Tabellenanhang 84
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:90929 |
| Date | 29 April 2024 |
| Creators | Hähnel, Thomas |
| Contributors | Breitkopf, Cornelia, Kalies, Grit, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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