Was sagen Jodzahl und CTC-Wert über die Qualität von Aktivkohle aus – und was nicht?

Auf einem technischen Datenblatt für Aktivkohle ist fast immer eine Jodzahl angegeben, häufig zusammen mit einem CTC-Wert. Was sagen diese Zahlen über die Qualität und die Adsorptionskapazität von Aktivkohle aus?

Die Jodzahl ist einer der ältesten und am häufigsten angewandten Qualitätsindikatoren für Aktivkohle, insbesondere für Anwendungen in Flüssigkeiten. Der Grund dafür ist, dass es sich um eine relativ einfache und kostengünstige Methode handelt, die weitverbreitet ist.

Die Jodzahl gibt an, wie viel Jod (I₂) ein bestimmter Aktivkohletyp aus einer Lösung adsorbieren kann. Die Bestimmung der Jodzahl erfolgt nach der standardisierten Methode ASTM D4607. Da Jodmoleküle sehr klein sind, mit einem kinetischen Durchmesser von etwa 0,55 nm bzw. 0,00000055 mm, korreliert der Test gut mit der verfügbaren Oberfläche in den Mikroporen, insbesondere für Mikroporen um 1 nm oder kleiner.

Anhand der Jodzahl kann Aktivkohle grob in verschiedene Qualitätsstufen eingeteilt werden:

• 300–600 mg/g: geringe Qualität
• 600–900 mg/g: universelle, durchschnittliche Qualität
• 900–1200 mg/g: hohe Qualität

Aufgrund der relativen Einfachheit der Bestimmung der Jodzahl wird dieser Parameter häufig als Näherungswert für den BET-Wert verwendet, d. h. als Anhaltspunkt für die innere Oberfläche der Aktivkohle. Es kann festgestellt werden, dass:

• eine Jodzahl von 600 mg/g ± 600–700 m²/g entspricht.
• eine Jodzahl von 900 mg/g ± 900–1000 m²/g entspricht.
• eine Jodzahl von 1100 mg/g ± 1100–1200 m²/g entspricht.

Diese Korrelation ist jedoch nur indikativ und verliert für Aktivkohletypen, bei denen Mesoporen dominieren, einen großen Teil ihres Wertes. Der Grund ist, dass Jod in diese größeren Poren nicht eindringt.

Der CTC-Wert wird häufig als Qualitätsindikator für Aktivkohle in Luft- und Gasreinigungsanwendungen verwendet. CTC steht für Tetrachlorkohlenstoff (oder CCl₄). Der CTC-Wert eines Aktivkohletyps wird nach der standardisierten Methode ASTM D3467 bestimmt. Dabei wird die Aktivkohle einem mit CCl₄ beladenen Gasstrom ausgesetzt, bis ein Gleichgewicht erreicht ist (keine weitere Aufnahme von CTC durch die Aktivkohle). Der adsorbierte Massenanteil an CCl₄ wird bezogen auf die Trockenmasse der Aktivkohle ausgedrückt.

Anhand des CTC-Werts kann Aktivkohle grob in verschiedene Qualitätsstufen eingeteilt werden:

• 20–40 %: geringe Qualität
• 40–70 %: universelle, durchschnittliche Qualität
• 70–120 %: sehr hohe Qualität

Werte über 100 % sind tatsächlich möglich, da Aktivkohle mehr als ihr eigenes Gewicht an CCl₄ adsorbieren kann.

Wie bei der Jodzahl gibt es eine grobe Korrelation zwischen dem CTC-Wert und dem BET-Wert (d. h. ein Anhaltspunkt für die innere Oberfläche der Aktivkohle), so dass der CTC-Wert ebenfalls einen Anhaltspunkt für die gesamte Adsorptionskapazität von Aktivkohle gibt. Es kann festgestellt werden, dass:

• ein CTC-Wert von 50 % ± 800–900 m²/g entspricht.
• ein CTC-Wert von 60 % ± 1000 m²/g entspricht.
• ein CTC-Wert von 70 % ± 1100–1200 m²/g entspricht.

Die Porengrößenverteilung der Aktivkohle macht die Korrelation zwischen beiden jedoch weniger stark. Der Grund ist, dass der CTC-Wert aufgrund der Abmessungen von CCl₄ hauptsächlich auf Poren im Bereich von 1–5 nm fokussiert und daher vor allem empfindlich auf Mikroporen und die kleinsten Mesoporen ist.

Sowohl die Jodzahl als auch der CTC-Wert sind allgemein bekannte Qualitätsindikatoren für Aktivkohle; die Jodzahl vor allem für Wasseranwendungen, CTC eher für Gasanwendungen.

Da jedoch bei beiden Methoden ein bestimmtes Molekül mit festen Abmessungen zur Parameterbestimmung verwendet wird, sagen diese Indikatoren hauptsächlich etwas über diesen Porenbereich aus (in den das Testmolekül passt). Die Extrapolation auf die spezifische Oberfläche und damit auf die Adsorptionskapazität des Kohletyps muss daher mit der gebotenen Vorsicht erfolgen.

Um ein vollständiges und korrektes Bild der Qualität und Anwendbarkeit eines bestimmten Aktivkohletyps zu erhalten, können zusätzliche Qualitätsparameter wie Porenverteilung und Oberflächenchemie bestimmt werden.