Aktivkohle in der trockenen Rauchgasreinigung

Ein sehr häufig verwendetes Verfahren zur Reinigung sowohl hoch als auch gering konzentrierter organisch belasteter Rauchgase ist die Adsorption an Feststoffen. Als Adsorbens wird hierbei Aktivkohle verwendet, die in Form von kleinen Kugeln oder Strangpresslingen hergestellt werden.

Die feingemahlene Aktivkohle wird im Reaktor dem Rauchgasstrom zudosiert. Durch die hohe spezifische Oberfläche bietet Aktivkohle eine große Angriffsfläche für das vorbeiströmende Gas. Die im Rauchgas enthaltenen Schadstoffe wie z. B. flüchtige Schwermetalle wie Quecksilber, Cadmium, Thallium, Selen und Arsen, chlorierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane (PCDD/PCDF), schwerflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Hexachlorbenzol, Hexachlorcyclohexan, PCB, PAK diffundieren aufgrund eines Konzentrationsgradienten zwischen der Gasströmung und der Gleichgewichtsbeladung des Adsorbens aus dem Gasraum durch die Makroporen sowie Mikroporen ins Innere der Kugel und lagern sich dort an der Oberfläche an. Ein weiterer Mechanismus der zu einer Abscheidung führt, ist der sogenannte Sperreffekt. Dieser Effekt wird an kleinen Partikeln wirksam, die wegen ihrer geringen Masse auf den Strömungslinien um das Korn bleiben, dann auf das Korn stoßen und von diesem angezogen und festgehalten werden (Van-der-Waals-Kräfte).

Chemische Reaktion/Natriumhydrogenkarbonat

Natriumhydrogenkarbonat wird im Reaktor dem Rauchgasstrom zugeführt. Durch die thermische Einwirkung des Rauchgases dissoziiert das Natriumhydrogenkarbonat zu Natriumkarbonat, Wasser und Kohlendioxid.

${\displaystyle \mathrm {NaHCO_{3(aq)}+HCl_{(aq)}\longrightarrow NaCl_{(aq)}+CO_{2(g)}+H_{2}O} }$

Die Dissoziationstemperatur von trockenem Natriumkarbonat liegt dabei bedeutend höher (ca. 850 °C) als die des Natriumhydrogenkarbonats (65 °C). In wässriger Lösung findet die Reaktion bereits bei Raumtemperatur (20 °C) statt. Da das Rauchgas durch die Oxidation (Verbrennung) mit Wasserdampf versetzt ist, kann die Dissoziationstemperatur des Natriumkarbonats auf ca. 165 – 180 °C gesenkt werden. In diesem Temperaturbereich verliert das Natriumkarbonat die kristalline Struktur und zerfällt in Na⁺ und CO₃²⁻ Ionen. Betrachtet man dabei die Karbonat-Ionen, stellt man fest, dass das Gleichgewicht sehr stark auf die Seite von CO₂ und H₂O verschoben ist.

${\displaystyle \mathrm {2H^{+}+CO_{3}^{2-}\longrightarrow H_{2}O+CO_{2}} }$

Damit die Reaktion stattfindet, werden Protonendonatoren (H⁺ - Spender) benötigt die z. B. in Form von säurehaltigen Gasen (HCl, H₂SO₄, HF…) bereits vorhanden sind. Die nach der Reaktion im Rauchgas enthaltenen Kationen (Na⁺) sind jedoch bestrebt eine stabile Verbindung zu bilden und reagieren zu diesem Zweck mit den Anionen der Säuren (Cl⁻, SO₄²⁻, F⁻). Es findet ein Kristallisationsprozess statt, wobei Na⁺ mit den Anionen der Säuren, Salze wie z. B. NaCl, NaF, Na₂SO₂ bildet.