Reichelt Chemietechnik Magazin
Die Nachhaltigkeit spielt eine zunehmend wichtige Rolle bei Adsorptions- und Desorptionsverfahren. Daher wurden in den letzten Jahren intelligente Werkstoffe erforscht, wie etwa Zeolith-Filtermaterialien, die schaltbare Eigenschaften aufweisen. Diese reagieren auf äußere Einflüsse wie Temperatur und pH-Wert, sodass das sie sich mehrfach verwenden lassen. Für zahlreiche Trennprozesse bedeutet das erhebliche ökologisch und wirtschaftliche Vorteile.
Intelligente Materialien für Adsorption und Desorption
Der Begriff „intelligente oder smarte Materialien“ fasst Werkstoffe zusammen, deren Eigenschaften sich gezielt und reversibel verändern lassen – ausgelöst durch kleine Änderungen von Umweltbedingungen wie Licht, Temperatur, pH-Wert oder elektrische Leitfähigkeit.[1] Auch spezielle chemische Additive können solche umkehrbare Reaktionen auslösen.
Ein Beispiel ist die Anwendung smarter Polymere in der Biotechnologie. Das Polymer Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) reagiert sensibel auf pH- und Temperaturveränderungen. Genutzt wird dies für biologische Trennprozesse: Bestimmte Zellen binden an das smarte Polymer und vermehren sich dort bei erhöhter Temperatur. Wird die Temperatur gesenkt, ändert der Polymerträger seine Struktur und gibt die haftenden Zellen frei. Nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren auch innovative Materialien in Adsorptions- und Desorptionsverfahren.
Industrielle Aufgaben der Adsorptions- und Desorptionstechnologie
Die Adsorptionstechnologie ist ein wichtiger Bereich der chemischen Verfahrenstechnik. In industriellen Trennprozesse ist es oft notwendig, Prozesswasser aufzubereiten. Hierbei werden bestimmte Störsubstanzen oder Umweltgifte entfernt. Bei den Adsorptionsverfahren werden unterschiedliche Materialien eingesetzt – je nach Anforderungen an Kosten und Effizienz der Trennprozesse.
Ein wichtiger Vertreter ist Aktivkohle. Dieser feinkörnige, poröse Kohlenstoff weist eine große innere Oberfläche auf. Das Material ist preisgünstig und wird in großen Mengen in Adsorptionsverfahren eingesetzt. Typische Aufgaben der Aktivkohle sind die Reinigung von Rauchgasen, um Dioxine und Schwermetalle abzutrennen, sowie die Aufbereitung von Abwasser und Trinkwasser. Dabei werden oft schwer abbaubare organische Schadstoffe wie chlorierte Kohlenwasserstoffe oder Pestizide adsorbiert.[2] Abbildung 2 zeigt typische Aktivkohle zur Adsorption von Quecksilber.
Da Aktivkohle kostengünstig und für viele Aufgaben sehr nützlich ist, gibt es bislang nur wenige Studien zu deren schaltbaren Adsorptionseigenschaften. Vielmehr wird beladene Aktivkohle entsorgt oder in großem Maßstab in speziellen Reaktivierungsanlagen thermisch regeneriert. Die wenigen Studien zu kontrollierter Adsorption und Desorption von Aktivkohle fokussieren auf den medizinischen Einsatz. Denn Aktivkohle wird gut vom Körper aufgenommen. Daher kann es mit magnetischen Partikeln beladen und im magnetischen Feld gezielt zum lokalen Therapieort im Körper transportiert werden. Erfolgt an dieser medizinischen Aktivkohle die Adsorption von Medikamenten, so können diese bei bestimmten pH-Änderungen und unter Einfluss photochemischer Strahlung lokal freigesetzt werden. Es findet also kontrollierte Desorption statt mit minimalen Nebenwirkungen für den Patienten.[3]
Neben Aktivkohle gibt es weitere wichtige Adsorptionsmaterialen, die für viele Aufgaben in Trennprozessen eingesetzt werden. Dazu zählen Kieselgel (auch als Blau-Gel bekannt), das Tonmineralgemisch Bentonit, das natürliche Mineralgestein Zeolith oder metallorganische Gerüstverbindungen („Metal-Organic Frameworks“, MOFs), die für viele Aufgaben in Trennprozessen eingesetzt werden. Insbesondere Zeolith lässt sich als Material mit schaltbaren Adsorptions- und Desorptionseigenschaften gezielt nutzen. Doch was sind Zeolithe genau?
Zeolithe und Zeolithfilter
Zeolithe sind kristalline Alumosilikate, die in der Natur in verschiedenen Modifikationen vorkommen. Die kristallinen Gerüststrukturen weisen Mikroporen auf, in denen verschiedene Moleküle eingelagert werden können (siehe Abbildung 3). Die Anwendung von Zeolith ist vielseitig. Beispielsweise eignet er sich sehr gut zur Wasserenthärtung. Dabei ersetzt Zeolith die Calcium-Moleküle durch Natrium-Ionen und verhindert so, dass sich das störende Calciumcarbonat (auch bekannt als Kalk) nicht in hoher Konzentration bildet und den Prozess stört.
Fischzucht und Aquaristik setzen gerne die Adsorption mit Zeolith ein und binden damit Ammoniak, das toxisch für Fische ist. Auch bestimmte radioaktive Isotope können durch Zeolith gebunden werden. Im Bereich der Trinkwasseraufbereitung wird Zeolith als Filtermaterial ebenfalls erfolgreich genutzt, da er effizient Schwermetalle, Arsen sowie bestimmte Mikroorganismen aus dem Trinkwasser entfernt.[4]
Zeolith-Filter werden auch zur Abwasserreinigung eingesetzt, da mittels Adsorption kostengünstig eine große Menge an Schwermetallionen, Stickstoffverbindungen, organischen Verbindungen und Trübstoffe aufgenommen werden. Darüber hinaus dient Zeolith in der industriellen Abgasreinigung dafür, dass Schwefeloxide, Schwermetalle, Ruß und Feinstaub nicht in die Luft gelangen. Bei der Filtration wird das Filtermaterial in Filtergehäuse eingesetzt, wobei als Filtermedien beispielsweise Siebgewebe, Filterkerzen oder Sinterplatten verwendet werden.
In der chemischen Verfahrenstechnik eignet sich ein optimiert ausgelegtes Filterbett am besten für Adsorption mit Zeolith. Anschließend kann das Material industriell regeneriert werden. Hierbei erfolgt die Desorption von Zeolith unter anderem bei erhöhtem Druck oder bei erhöhter Temperatur. Weiterhin können Additive wie Wasserstoffperoxid zugesetzt werden, das die organische Materie im Filterbett zersetzt.
In der Filterung gilt Zeolith also als eines der anpassungsfähigsten und effizientesten Materialien. Daher konzentrieren sich viele Forschungsansätze darauf, schaltbare Eigenschaften für die Materialklasse der Zeolithe zu realisieren. Auch hierfür hat die Chemietechnik praxisnahe Anwendungsstrategien entwickelt. Doch was sind schaltbare Adsorptionsmaterialien oder schaltbare Desorptionsmaterialien? Wie werden sie hergestellt und welchen Nutzen haben sie?[4]
Innovative Materialien mit kontrollierter Adsorption und Desorption
Schaltbare Adsorptionsmaterialien reagieren auf Umwelteinflüsse wie Temperatur, Licht oder bestimmte chemische Zusätze. Unter diesem zusätzlichen Einfluss können Umweltschadstoffe an den Zeolithen gebunden werden. Entsprechend lassen sich auch schaltbare Desorptionsmaterialien realisieren.
So gibt es eine neue Klasse von Zeolithen mit schaltbaren Adsorptionseigenschaften, die sogenannten „mit Tensiden modifizierten Zeolithe“ („Surfactant Modified Zeolites“, SMZs). Insbesondere natürliche Zeolithe weisen den Nachteil auf, dass sie vor allem positiv geladene Schadstoffe (etwa Ammonium) anziehen, jedoch schwächer auf negativ geladene Ionen (wie Nitrat) reagieren. Um diesen Nachteil auszugleichen, können Zeolithe mit kationischen Tensiden modifiziert werden. Diese binden stark an der Zeolith-Oberfläche und bilden eine stabile organische Schicht. Bei solchen modifizierten Zeolithen lassen sich die versatilen Eigenschaften bezüglich Adsorption und Desorption gut kontrollieren.
Mit Tensiden modifizierte Zeolithe haben also gewisse Vorteile, was die Flexibilität sowie Effizienz der Adsorption und Desorption betrifft. Die Komponente Tensid wirkt sich jedoch auch negativ aus. So findet im Laufe der Zeit eine Desorption vom Tensid statt, was die aquatische Umwelt belastet. Insbesondere das kationische Tensid ist potenziell hoch toxisch. Damit die innovativen und versatilen „mit Tensiden modifizierten Zeolithe“ kosteneffizient im industriellen Maßstab eingesetzt werden können, wäre eine schaltbare Desorption des Tensids wichtig. Damit könnte nach einer bestimmten Einsatzdauer in einem nachhaltigen Prozess das Tensid entfernt und dann frisches Tensid wieder auf die Zeolith-Oberfläche adsorbiert werden. [5, 6]
Die Chemietechnik strebt daher eine optimale Kontrolle von Adsorption und Desorption an, um Prozesswasser nachhaltig und ressourceneffizient aufzubereiten. Daher nutzt die moderne Forschung Gast-Wirt-Käfigverbindungen. Diese nehmen nicht nur typische Schwermetalle oder kleinere Ionen wie Ammonium oder Nitrat auf, sondern auch komplexe Verbindung wie Tenside. Ein bekanntes Beispiel ist die Käfigverbindung Cucurbituril (siehe Abbildung 4). Es nimmt Tenside nahezu vollständig auf und desorbiert sie wieder bei Zugabe eines chemischen Additivs, wie per Schaltknopf. Aktuell sind die Anwendungen noch sehr teuer, doch die wissenschaftliche und industrielle Forschung arbeiten daran, die Verbindungen in der Aufbereitung von Prozesswasser und Abwasser zu nutzen.
Fazit und Ausblick
In den letzten Jahren sind die Anforderungen an Materialien mit Adsorptions- und Desorptionseigenschaften deutlich gestiegen. Diese Werkstoffe sollen hocheffizient sein und zugleich Nachhaltigkeitskonzepte wie die Kreislaufschließung unterstützen. Gerade Materialien mit schaltbaren Eigenschaften eignen sich hierfür perfekt, allerdings sind sie noch zu kostenintensiv. Inzwischen gibt es auch für diese Werkstoffe bereits Nischenanwendungen – etwa die Herstellung innovativer Medizinprodukte oder spezielle Verfahren wie in der Pharmaproduktion –, in denen kostspielige, aber hocheffiziente Materialien für kontrollierte Adsorption und Desorption erfolgreich eingesetzt werden.
Quellen: [1] https://de.wikipedia.org/wiki/Intelligenter_Werkstoff (Aufruf: 07.04.25) [2] https://de.wikipedia.org/wiki/Aktivkohle (Aufruf: 07.04.25) [3] J. A. Lirio Piñar et al. Mater. Adv., 2025,6, 2170-2179 [4] https://de.wikipedia.org/wiki/Zeolithe_(Stoffgruppe) (Aufruf: 07.04.25) [5] Peter J. Reeve, Howard J. Fallowfield, Natural and surfactant modified zeolites: A review of their applications for water remediation with a focus on surfactant desorption and toxicity towards microorganisms, Journal of Environmental Management, Volume 205, 2018, Pages 253-261, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.09.077 [6] Zhang, Z., Gao, C., Chen, H. et al. The investigation of sorption–desorption performance and mechanism of copper by surfactant-modified zeolite in aqueous solutions. Environ Sci Pollut Res 31, 22962–22975 (2024), https://doi.org/10.1007/s11356-024-32622-5 [7] Liang Xiao Gan, Chun Ling Hao, Xiao Ming Jiang, Controllable adsorption and desorption of a cationic surfactant at quartz directed by host-guest complex, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 625, 2021, 126880, https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126880
Bildquellen: Beitragsbild | © Влад Варшавский – stock.adobe.com Abbildung 1: Adsorption und Vermehrung von Zellen | © Guillaume Paumier (user:guillom), CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons Abbildung 2: Nahaufnahme von Aktivkohle unter Rasterelektronenmikroskop (linke Bildhälfte) | © Mydriatic, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons Abbildung 2: Aktivkohle zur Aufnahme von Quecksilber (rechte Bildhälfte) | © RCT: https://www.rct-online.de/de/filtration/granulate-und-sorbentien/aktivkohle-granulat-sorbens-quecksilber-feinreinigung Abbildung 3: Gerüststruktur von Zeolith (linke Bildhälfte) | © Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons Abbildung 3: Molekularsieb-Sorbentien 4 Å (rechte Bildhälfte) | © RCT: https://www.rct-online.de/de/filtration/granulate-und-sorbentien/molekularsieb-sorbentien-4-aa Abbildung 4: Käfigverbindung Cucurbituril mit schaltbarer Adsorption und Desorption | © M stone at the English-language Wikipedia, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons
