Sorptionsisotherme

Eine Sorptionsisotherme beschreibt den Gleichgewichtszustand der Sorption eines Stoffes bei konstanter Temperatur.

Bei Adsorption besteht für eine Substanz (das Adsorbat) ein Gleichgewicht zwischen Atomen/Molekülen die sich in einer Gasphase befinden oder in einem Lösungsmittel gelöst sind und solchen, die an einer Grenzfläche des Adsorptionsmittels (=Adsorbens) adsorbiert sind. Adsorptionsisothermen ordnen die bei konstanter Temperatur an der Oberfläche gebundene Menge des Sorbates seinem Partialdruck in der Gasphase bzw. seiner Konzentration in der Lösung zu. Adsorptionsisothermen werden experimentell durch Adsorptionsversuche ermittelt. D. h., ein unbeladenes Adsorptionsmittel wird in Kontakt mit einer Gasphase oder Lösung gebracht, die das betrachtete Sorbat enthält, und die adsorbierte Menge als Funktion des Partialdruckes bzw. der Konzentration bestimmt. Ein einfaches Experiment kann allerdings i. d. R. nicht zwischen Absorption und Adsorption unterscheiden.

Zur Ermittlung einer Desorptionsisotherme wird ein beladener Sorbent mit einer unbeladenen Lösung in Kontakt gebracht. Wenn Adsorptions- und Desorptionsisotherme nicht identisch sind, spricht man von einer Adsorptions-Desorptionshysterese. Das bedeutet, dass ein beladenes Adsorptionsmittel ein anderes Verhältnis von Partialdruck zu Beladung aufweist (also auch eine andere relative Gleichgewichtsfeuchte), je nachdem, ob aktuell eine Adsorption (d. h. der Partialdruck erhöht sich) oder ob eine Desorption stattfindet. Bei der Desorption von Wasser auf Silicagel beispielsweise reduziert sich die Beladung bei Verringerung des Partialdrucks auf den Ausgangswert nicht mehr auf den ursprünglichen Wert. Entweder müsste also der Partialdruck weiter reduziert oder das Silicate erwärmt werden, um es auf die ursprüngliche relative Feuchtebeladung zu entwässern.

Die in mathematisch formulierten Adsorptionsisothermen enthaltenen Parameter können aus Messdaten mittels Regressionsanalysen gewonnen werden. Manche Adsorptionsisothermen sind empirisch ermittelt. Andere basieren auf kinetischen bzw. thermodynamischen Ableitungen. In der Literatur finden sich verschiedene Adsorptionsisothermen, die jeweils unter anderen Randbedingungen anwendbar sind.

Nachfolgend werden die am häufigsten verwendeten Isothermen beschrieben. Es existieren noch zahlreiche weitere, die oft Modifikationen der genannten Modelle sind. Die Menge des Adsorbats wird meist in einer der beiden folgenden Größen angegeben.

• Verhältnis von adsorbierter Menge zur Menge einer hypothetischen geschlossenen Monoschicht, ${\displaystyle \Theta }$ oder
• Verhältnis von adsorbierter Menge zur Menge des Adsorptionsmittels, ${\displaystyle q}$.

${\displaystyle \Theta }$ ist dimensionslos, die Dimension von q richtet sich danach welche Größen wir zur Erfassung der jeweiligen Mengen verwenden. D. h. q kann dimensionslos sein oder die Dimensionen Masse/Volumen, Stoffmenge/Volumen, oder Stoffmenge/Masse haben. Man kann ${\displaystyle \Theta }$ in q umrechnen, indem man es mit dem Produkt aus der Grenzflächenkonzentration einer geschlossenen Monoschicht ${\displaystyle \Gamma _{\text{mono,max}}}$ des Adsorbates und der spezifischen Oberfläche des Adsorptionsmittels, ${\displaystyle S}$, multipliziert:

${\displaystyle q=\Theta \cdot \Gamma _{\text{mono,max}}\cdot S}$

In den u. a. Formeln ist als Maß für die adsorbierte Menge ${\displaystyle q}$ verwendet, in der Literatur wird jedoch mit der gleichen Berechtigung links des Gleichheitszeichens ${\displaystyle \Theta }$ anstelle von ${\displaystyle q}$ verwendet und die Terme rechts des Gleichheitszeichens unverändert gelassen. Zahlenwerte und Dimensionen der entsprechenden Parameter ändern sich entsprechend.

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