Adsorption

Beim Vorgang der Adsorption lagert sich ein Atom oder Molekül aus einem Gas oder einer Flüssigkeit auf einer Oberfläche an.

Im Unterschied dazu bezeichnet die Absorption die Einlagerung eines Atomes oder Moleküles in das Volumen eines Festkörpers.

Das Gegenteil, die Abgabe, wird Desorption genannt.

Oberflächenphysik

In der Oberflächenphysik unterscheidet man zwischen Physisorption, bei der das Teilchen nur schwach durch Van-der-Waals-Bindungen an die Oberfläche gebunden wird, und der Chemisorption, bei der das Teilchen eine kovalente Bindung mit der Oberfläche ausbildet.

Technische Anwendung findet die Adsorption bei allen katalytischen Vorgängen, bei denen Oberflächen beteiligt sind, wie z.B. auch im Abgaskatalysator von Kraftfahrzeugen.

Funktionsweise

Festkörper zeichnen sich im Allgemeinen dadurch aus, dass alle Bindungen der Atome bzw. Moleküle gesättigt sind. Bei Kristallen drückt sich dies durch die Koordinationszahl aus, die angibt, wieviel Nachbar jedes Atom besitzt.

Auf der Oberfläche ist diese Symmetrie verletzt und es sind freie Bindungselektronen (engl. dangling bonds) vorhanden bzw. leichte Ladungsverschiebungen.

Neben einer Rekonstruktion der Oberfläche gibt es viele möglichen Bindungsplätze für Adatome.

Die genaue Gestaltung des Potentials der Oberfläche hängt von der elektronischen Struktur ab. Im einfachsten Fall existiert knapp oberhalb der Oberfläche nur ein Potentialminimum, in dem sich Adatome aufhalten können. Ansonsten kann etwas weiter außerhalb ein Potentialmaximum liegen, das eine Adsorptionsbarriere darstellt.

Fliegt ein Teilchen auf die Oberfläche zu, würde es beim elastischen Stoß ohne Enrgieverlust immer reflektiert und es würde nie zu einer Adsorption kommen.

Stattdessen führen zwei Mechanismen zu einer Adsorption des Teilchens aus der Gasphase auf der Oberfläche:

• Durch inelastische Stöße verliert das Teilchen soweit kinetische bzw. Schwingungsenergie, dass es letztendlich an der Obefläche bindet und
• durch elastische Reflexion an der rauen Oberfläche sinkt die Energiekomponte senkrecht zur Oberfläche, so dass das Teilchen die Energiebarriere nicht überwinden kann.

Weiterhin kann eine Adsorption über so genannte Precursor stattfinden: Auf der Oberfläche sitzt bereits ein anderes Teilchen B, an das zuerst das ankommende Teilchen A bindet, um dann zur Oberfläche zu diffundieren.

Adsorptionsrate

Die genaue mathematische Beschreibung der Adsorptionsrate hängt von den Annahmen über das System ab:

mit

• s: Haftkoeffizient
• F: Teilchenrate (entweder durch Temperatur oder Teilchenstrahl)
• θ: Bedeckung der Oberfläche
• n: Adsorptionsordnung
• E_A: Adsorptionsenergie (falls vorhanden)
• k_B: Boltzmannkonstante
• T: Temperatur

Anwendung

Man kann die Adsorption auch zur Trennung und Feinreinigung von Gasgemischen nutzen. Man macht sich den Effekt zu nutze, dass die Gase sich druck- und temperaturabhängig unterschiedlich stark an Oberflächen (dem Adsorbens) anlagern. Man unterscheidet die Betriebsarten Druckwechsel-Adsorption und Temperaturwechsel-Adsorption. In der Industrie wird so z.B. aus Synthesegas hochreiner Wasserstoff gewonnen. Auch mit Lösungsmitteldämpfen verunreinigte Luft kann so gereinigt werden.

Als Adsorbenzien kommen beispielsweise Aktivkohle, ein Molekularsieb und Zeolithe in Form von Schüttungen oder als strukturierte Adsorbenzien zum Einsatz.

In der Wasseraufbereitung, Abwasserreinigung und in der Industriewasserwirtschaft wird die Adsorption zur Entfernung von schädlichen Wasserinhaltsstoffen und zur Stoffrückgewinnung verwendet.

Siehe auch: Sorption