Kohle ist weltweit der am h\u00e4ufigsten vorkommende und am h\u00e4ufigsten verwendete Rohstoff f\u00fcr die Aktivkohleherstellung. Sie macht etwa 40 Prozent der weltweiten Produktion aus und bildet das R\u00fcckgrat der kommunalen Wasseraufbereitung, der industriellen Abwasserbehandlung und der Luftreinhaltungssysteme auf allen Kontinenten. Der weltweite Markt f\u00fcr Aktivkohle auf Kohlebasis wurde im Jahr 2024 auf 4,60 Milliarden US-Dollar gesch\u00e4tzt und wird voraussichtlich bis 2033 ein Volumen von 7,26 Milliarden US-Dollar erreichen, was einer durchschnittlichen j\u00e4hrlichen Wachstumsrate von 5,2 Prozent entspricht. W\u00e4hrend Aktivkohle aus Kokosnussschalen, Holz und Bambus jeweils unterschiedliche Nischen bedient, bleibt Aktivkohle auf Kohlebasis aufgrund ihrer un\u00fcbertroffenen Kombination aus vielseitiger Leistungsf\u00e4higkeit, zuverl\u00e4ssiger Versorgung in gro\u00dfem Ma\u00dfstab und dem wettbewerbsf\u00e4higsten Preis unter allen wichtigen Aktivkohlearten der marktbeherrschende Akteur in Bezug auf das Volumen.<\/p>\n\n\n\n
Die zentrale Bedeutung dieses Materials f\u00fcr die moderne Infrastruktur ist nicht immer sichtbar, aber \u00fcberall pr\u00e4sent. Jedes Glas kommunales Leitungswasser in St\u00e4dten von Shanghai bis Chicago durchl\u00e4uft Kontaktfilter mit k\u00f6rniger Aktivkohle auf Kohlebasis, die Geschmacks- und Geruchsstoffe, Vorl\u00e4uferstoffe f\u00fcr Desinfektionsnebenprodukte sowie zunehmend auch Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen entfernen \u2013 jene langlebigen Mikroverunreinigungen, f\u00fcr die mittlerweile strenge gesetzliche Grenzwerte gelten. Jede Industrieanlage, die aufbereitetes Abwasser einleitet, setzt auf die Kohlenstoffadsorption als abschlie\u00dfenden Reinigungsschritt. Die reichhaltigen geologischen Kohlevorkommen, die sich auf gut erschlossene Abbaugebiete in China, den Vereinigten Staaten und anderen gro\u00dfen Kohlef\u00f6rderl\u00e4ndern konzentrieren, gew\u00e4hrleisten die Versorgungssicherheit, die Kohle-Aktivkohle zur ersten Wahl f\u00fcr gro\u00dfvolumige, gesch\u00e4ftskritische Reinigungsanwendungen macht, bei denen j\u00e4hrlich Millionen Tonnen an Adsorptionsmittel verbraucht werden.<\/p>\n\n\n\n
Aktivkohle auf Kohlebasis ist ein hochpor\u00f6ses kohlenstoffhaltiges Adsorptionsmittel, das aus bitumin\u00f6ser Kohle oder Anthrazitkohle durch einen zweistufigen thermochemischen Prozess hergestellt wird. Dieser besteht aus einer Karbonisierung bei 600 bis 900 \u00b0C in einer sauerstofffreien Umgebung, um fl\u00fcchtige Verbindungen zu entfernen und ein Kohlenstoffger\u00fcst mit rudiment\u00e4rer Porosit\u00e4t zu bilden, gefolgt von einer physikalischen Aktivierung mit Hochtemperaturdampf bei 900 bis 1.100 \u00b0C, die die Kohlenstoffmatrix selektiv \u00e4tzt, um ein ausgedehntes inneres Porennetzwerk mit BET-Oberfl\u00e4chen von 800 bis 1.200 m\u00b2\/g, Jodzahlen von 800 bis 1.100 mg\/g, einer mechanischen H\u00e4rte von 80 bis 95 Prozent, Aschegehalt von 8 bis 18 Prozent bzw. 1 bis 8 Prozent bei s\u00e4uregewaschenen Sorten sowie eine ausgewogene Verteilung von Mikroporen, Mesoporen und Makroporen, die ein breites Adsorptionsspektrum f\u00fcr kleine bis gro\u00dfe Schadstoffmolek\u00fcle sowohl in Fl\u00fcssig- als auch in Gasphasenanwendungen erm\u00f6glicht.<\/strong><\/p>\n\n\n\n Der folgende Artikel beleuchtet alle wesentlichen Aspekte von Aktivkohle auf Kohlebasis: den Herstellungsprozess von der Rohkohle bis zum Endprodukt, die physikalischen und chemischen Eigenschaften, die die Leistungsf\u00e4higkeit in der Praxis bestimmen, die vorherrschenden und aufkommenden Anwendungsbereiche in verschiedenen Branchen, die Wettbewerbsposition im Vergleich zu anderen Kohlenstoffarten sowie die Marktkr\u00e4fte, die die Zukunft dieses Produkts pr\u00e4gen. Jeder Abschnitt ist so verfasst, dass er eigenst\u00e4ndig gelesen werden kann, bildet aber gleichzeitig ein umfassendes technisches und wirtschaftliches Nachschlagewerk.<\/p>\n\n\n\n Aktivkohle auf Kohlebasis wird durch einen physikalischen Aktivierungsprozess hergestellt, der mit der Auswahl und Aufbereitung von hochwertiger bitumin\u00f6ser Kohle oder Anthrazit beginnt, die zerkleinert, gemahlen und optional mit einem Bindemittel zu Briketts oder extrudierten Pellets geformt wird, gefolgt von einer Karbonisierung in einem Drehrohrofen bei 600 bis 900 \u00b0C unter einer sauerstoffarmen Atmosph\u00e4re, die fl\u00fcchtige organische Verbindungen, Teere, und Feuchtigkeit, wobei sich eine kohlenstoffreiche Kohle mit einem sich anbildenden Poren Netzwerk bildet, und gipfelt in der Aktivierung bei 900 bis 1.100 \u00b0C, bei der ges\u00e4ttigter \u00fcberhitzter Dampf als Aktivierungsmittel zugef\u00fchrt wird, wodurch Kohlenstoffatome selektiv vergast werden, um die innere Porenstruktur zu \u00e4tzen und zu erweitern und so ein voll entwickeltes Netzwerk aus Mikroporen, Mesoporen und Makroporen; der gesamte Prozess ist dabei umweltfreundlicher als chemische Aktivierungsverfahren, da er keine korrosiven Reagenzien verwendet und keine gef\u00e4hrlichen chemischen Abfallstr\u00f6me erzeugt.<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Qualit\u00e4t der Ausgangskohle bestimmt in hohem Ma\u00dfe die Qualit\u00e4t der fertigen Aktivkohle. Bitumin\u00f6se Kohle ist der vorherrschende Rohstoff und wird wegen ihres moderaten Gehalts an fl\u00fcchtigen Bestandteilen von 20 bis 35 Prozent, ihres hohen Gehalts an festem Kohlenstoff von 45 bis 70 Prozent und ihrer Kohlenstoffstruktur gesch\u00e4tzt, die sich gut f\u00fcr die Dampfaktivierung eignet. In den wichtigsten Produktionszentren in den chinesischen Provinzen Shanxi und Ningxia wird Bituminous-Kohle abgebaut, die speziell f\u00fcr die Herstellung von Aktivkohle ausgew\u00e4hlt wurde. Anthrazit, die hochwertigste Kohlesorte mit einem Festkohlengehalt von \u00fcber 86 Prozent, wird f\u00fcr Spezialanwendungen verwendet, die eine extreme Mikroporosit\u00e4t und hohe mechanische H\u00e4rte erfordern. Aufgrund seines geringen Gehalts an fl\u00fcchtigen Bestandteilen ist es jedoch schwieriger zu aktivieren, was h\u00f6here Temperaturen und l\u00e4ngere Aktivierungszeiten erfordert, wodurch sich die Produktionskosten erh\u00f6hen.<\/p>\n\n\n\n Rohe Kohle durchl\u00e4uft vor der Verkokung eine Reihe von Aufbereitungsschritten<\/a>. Es wird auf eine kontrollierte Korngr\u00f6\u00dfe zerkleinert, durch Siebung klassifiziert und in vielen Produktionslinien zu einem feinen Pulver gemahlen und mit einem Bindemittel wie Steinkohlenteerpech oder Erd\u00f6lasphalt vermischt. Die Mischung wird geknetet und durch D\u00fcsen zu zylindrischen Pellets extrudiert oder zu Briketts gepresst. Dieser Formungsschritt ist entscheidend f\u00fcr die Herstellung von k\u00f6rniger und extrudierter Aktivkohle mit der erforderlichen mechanischen Festigkeit, um der R\u00fccksp\u00fclung in Wasseraufbereitungsanlagen und der Handhabung in industriellen Prozessen standzuhalten. Die geformten Pellets werden ausgeh\u00e4rtet und getrocknet, bevor sie in den Karbonisierungsofen gelangen.<\/p>\n\n\n\n Bei der Karbonisierung werden Rohkohle oder geformte Kohle-Bindemittel-Pellets in eine kohlenstoffreiche Koksmasse umgewandelt. Das Material wird in einen Drehrohrofen eingebracht und in einer sauerstoffarmen Atmosph\u00e4re auf 600 bis 900 \u00b0C erhitzt; diese Atmosph\u00e4re wird in der Regel durch die Steuerung der Luftzufuhr zum Ofen und durch die Verbrennung der aus der Kohle freigesetzten fl\u00fcchtigen Gase aufrechterhalten. W\u00e4hrend dieser Pyrolysephase werden fl\u00fcchtige Bestandteile wie Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Teere und Leicht\u00f6le ausgetrieben, wodurch der Gehalt an festem Kohlenstoff erh\u00f6ht und ein rudiment\u00e4res Porennetzwerk im festen R\u00fcckstand gebildet wird. Die Karbonisierungstemperatur, die Aufheizgeschwindigkeit und die Verweilzeit werden pr\u00e4zise geregelt, um Holzkohle mit einem optimalen Gleichgewicht zwischen Reaktivit\u00e4t und struktureller Integrit\u00e4t f\u00fcr den anschlie\u00dfenden Aktivierungsschritt zu erzeugen.<\/p>\n\n\n\n Der Karbonisierungsofen arbeitet unter sorgf\u00e4ltig kontrollierten Bedingungen. Die Austrittstemperatur des Materials wird auf 350 bis 400 \u00b0C gehalten, und die Kohle wird vor dem Eintritt in das Aktivierungssystem auf unter 50 \u00b0C abgek\u00fchlt. Die Innentemperatur des Ofens wird in der Karbonisierungszone unter 650 \u00b0C gehalten, und die Abgase treten mit einer Temperatur von 800 bis 950 \u00b0C aus. Sie durchlaufen Zyklonabscheider, Schlauchfilter und Spr\u00fchwaschanlagen, bevor sie in die Atmosph\u00e4re abgeleitet werden, um die Emissionsvorschriften einzuhalten.<\/p>\n\n\n\n Die Aktivierung ist der prozessbestimmende Schritt, durch den die gro\u00dfe innere Oberfl\u00e4che entsteht, die f\u00fcr die Adsorption verantwortlich ist. Bei der Herstellung von Aktivkohle auf Kohlebasis ist die physikalische Aktivierung mit Dampf das mit Abstand am h\u00e4ufigsten angewandte industrielle Verfahren. Die karbonisierte Kohle wird in einen separaten Aktivierungs-Drehrohrofen bef\u00f6rdert, der bei 900 bis 1.100 \u00b0C betrieben wird. Ges\u00e4ttigter \u00fcberhitzter Dampf mit einem Druck von etwa 8 Kilogramm und einer Durchflussrate von 1,5 bis 2,2 Tonnen pro Stunde wird in den Ofen eingeleitet. Die Dampfmolek\u00fcle reagieren selektiv mit Kohlenstoffatomen an energetisch g\u00fcnstigen Stellen auf der Oberfl\u00e4che der Kohle, wobei sie Mikroporen mit einem Durchmesser von weniger als 2 Nanometern in die Kohlenstoffmatrix ein\u00e4tzen und vorhandene Mesoporen von 2 bis 50 Nanometern erweitern.<\/p>\n\n\n\n Die Dampf-Kohlenstoff-Reaktion ist endotherm, und die W\u00e4rme wird \u00fcber die Ofenwand sowie durch die kontrollierte Verbrennung eines Teils des Kohlenstoffs und der entstehenden Gase zugef\u00fchrt. Die pr\u00e4zise Steuerung von Dampfdurchsatz, Temperatur und Verweilzeit bestimmt den Ausma\u00df des Ausbrennens, der typischerweise zwischen 30 und 60 Prozent liegt, und legt die resultierende Porengr\u00f6\u00dfenverteilung fest. H\u00f6here Ausbrenngrade f\u00fchren im Allgemeinen zu einer gr\u00f6\u00dferen Oberfl\u00e4che, jedoch zu einer geringeren Ausbeute und einer geringeren mechanischen H\u00e4rte. Die Aktivierungsparameter werden auf die jeweilige Zielanwendung abgestimmt: mehr Mikroporen f\u00fcr die Trinkwasseraufbereitung, mehr Mesoporen f\u00fcr die Entf\u00e4rbung von Industrieabw\u00e4ssern und optimierte Porenverteilungen f\u00fcr Anwendungen in der Gasphase.<\/p>\n\n\n\n Das physikalische Dampfaktivierungsverfahren gilt als umweltfreundlicher als chemische Aktivierungsverfahren. Es kommen keine korrosiven S\u00e4uren oder Laugen zum Einsatz, es fallen keine gef\u00e4hrlichen chemischen Abf\u00e4lle an, und die Abgase \u2013 haupts\u00e4chlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff \u2013 werden in einem Nachbrenner verbrannt, um W\u00e4rme f\u00fcr den Prozess bereitzustellen, was die Energieeffizienz verbessert. Die aus dem Ofen austretende Aktivkohle wird gek\u00fchlt, auf die gew\u00fcnschte Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung gesiebt und f\u00fcr den Versand verpackt.<\/p>\n\n\n\n W\u00e4hrend die Dampfaktivierung in der kommerziellen Produktion vorherrscht, kann auch eine chemische Aktivierung unter Verwendung von Reagenzien wie Kaliumhydroxid oder Zinkchlorid bei Kohle angewendet werden, wenngleich dies weniger verbreitet ist. Durch chemische Aktivierung lassen sich Kohlenstoffe mit extrem gro\u00dfer Oberfl\u00e4che von \u00fcber 2.000 m\u00b2\/g f\u00fcr Forschungs- und Spezialanwendungen herstellen, doch die Kosten, die Korrosion der Anlagen und die Anforderungen an die Abfallbehandlung schr\u00e4nken den kommerziellen Einsatz ein. Manchmal wird ein hybrider physikalisch-chemischer Ansatz verwendet, bei dem die Kohle vor der Dampfaktivierung mit einer geringen Menge eines Katalysators oder chemischen Mittels vorimpr\u00e4gniert wird, wodurch die Porenbildung in bestimmten Gr\u00f6\u00dfenbereichen verbessert wird.<\/p>\n\n\n\n Aktivkohle auf Kohlebasis zeichnet sich durch eine ausgewogene, mehrskalige Porenstruktur aus, die Mikroporen unter 2 Nanometern, Mesoporen von 2 bis 50 Nanometern sowie Makroporen \u00fcber 50 Nanometer umfasst. Dies f\u00fchrt zu einem vielseitigen Adsorptionsprofil, das in der Lage ist, Verunreinigungen von kleinen Chlor- und VOC-Molek\u00fclen bis hin zu mittelgro\u00dfen Farbstoffen und gel\u00f6sten organischen Stoffen zu binden, mit kommerziellen BET-Oberfl\u00e4chen von 800 bis 1.200 m\u00b2\/g, Jodzahlen von 800 bis 1.100 mg\/g bei granulierten Sorten und bis zu 1.200 mg\/g bei extrudierten Pelletsorten, eine Tetrachlorkohlenstoff-Aktivit\u00e4t von 50 bis 85 Prozent, eine mechanische H\u00e4rte von 80 bis 95 Prozent, wodurch es f\u00fcr wiederholte R\u00fccksp\u00fclungen und den Einsatz in industriellen Systemen geeignet ist, einen Aschegehalt von 8 bis 18 Prozent bei Standardqualit\u00e4ten, der durch S\u00e4urew\u00e4sche auf 1 bis 8 Prozent reduzierbar ist, eine Sch\u00fcttdichte von 0,45 bis 0,58 g\/ml sowie eine ausgezeichnete thermische Stabilit\u00e4t \u00fcber einen breiten Betriebstemperaturbereich.<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Porenarchitektur von Aktivkohle auf Kohlebasis ist ihr charakteristisches technisches Merkmal und die Grundlage f\u00fcr ihren Ruf als vielseitigste aller Aktivkohlesorten. Im Gegensatz zu Kokosnussschalen-Aktivkohle, die mit \u00fcber 85 Prozent des Porenvolumens in Poren unter 2 Nanometern \u00fcberwiegend mikropor\u00f6s ist, und im Gegensatz zu Holzaktivkohle, die vorwiegend makropor\u00f6s und mesopor\u00f6s ist, verteilt sich das Porenvolumen von Kohleaktivkohle \u00fcber das gesamte Gr\u00f6\u00dfenspektrum. Diese ausgewogene Verteilung ergibt sich aus der Heterogenit\u00e4t der Kohle selbst, die Bereiche unterschiedlicher Dichte, unterschiedlichen Gehalts an fl\u00fcchtigen Bestandteilen und mineralischer Einschl\u00fcsse enth\u00e4lt, die unterschiedlich auf die Dampfaktivierung reagieren.<\/p>\n\n\n\nWie wird Aktivkohle auf Kohlebasis hergestellt?<\/h2>\n\n\n\n
Auswahl und Aufbereitung der Rohstoffe<\/h3>\n\n\n\n
Karbonisierungsstufe<\/h3>\n\n\n\n
K\u00f6rperliche Aktivierung mit Dampf<\/h3>\n\n\n\n
Alternative Aktivierungsmethoden<\/h3>\n\n\n\n
Physikalische und chemische Eigenschaften<\/h2>\n\n\n\n
Porenstruktur und ihre industrielle Bedeutung<\/h3>\n\n\n\n