In dieser Studie zeigen wir, wie die Adsorption auf Filtermedien effizient mit GeoDict simuliert werden kann – einem leistungsstarken Tool für digitale Materialentwicklung und Prototyping.

Adsorptionsbasierte Prozesse spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Umweltverschmutzung und der Beseitigung schädlicher Substanzen. Gängige Filtermedien wie Aktivkohle, Zeolithe und metallorganische Gerüstverbindungen werden zur effektiven Reinigung von Flüssigkeiten und Gasen für Anwendungen von der Wasseraufbereitung bis zur Luftreinigung eingesetzt. Die Qualität von Adsorptionsfiltermedien kann durch Durchbruchskurven bewertet werden. Diese Kurven zeigen die Konzentration des Adsorbats im Filtrat hinter dem Filtermedium. Der sogenannte Durchbruch tritt ein, sobald das Adsorbat erstmals im Filtrat nachweisbar ist.

Bei der Kohlenstoffabscheidung spielt die Adsorption eine entscheidende Rolle, um CO2-Emissionen aus Industrie und Stromerzeugung aufzufangen und zu speichern, wodurch deren Freisetzung in die Atmosphäre verhindert wird. Das eingefangene CO2 kann entweder gelagert oder für Anwendungen wie die verbesserte Ölgewinnung oder die Herstellung synthetischer Kraftstoffe genutzt werden. Die Bestimmung von Durchbruchskurven für spezifische Schadstoffe ist jedoch oft mit zeitintensiven und kostspieligen experimentellen Verfahren verbunden.

Simulationen helfen dabei, experimentelle Parameter wie Temperatur, Druck und Oberflächeneigenschaften gezielt zu steuern. So kann man deren Einfluss auf das Adsorptionsverhalten untersuchen und wichtige Erkenntnisse über die Mikrostruktur gewinnen, um fortschrittliche Filtermedien zu entwickeln.

Adsorptions-Simulation in AddiDict

In dieser Studie zeigen wir, wie die Adsorption auf Filtermedien effizient mit GeoDict simuliert werden kann – einem leistungsstarken Tool für digitale Materialentwicklung und Prototyping. Der Ansatz beruht darauf, die molekulare Bewegung von Partikeln zu berechnen und das Adsorptionsgleichgewicht schrittweise mithilfe der Adsorptionsisothermen von Langmuir und Toth zu bestimmen. Die Simulation generiert Durchbruchskurven für verschiedene Verunreinigungen. Die Methode wird anhand experimenteller Daten von Coker und Knox, 2014 [1], validiert.

Adsorption, ein Prozess, bei dem Moleküle oder Atome an der Oberfläche eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit haften, spielt in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen eine entscheidende Rolle [2]. Dies ist von grundlegender Bedeutung für Bereiche wie Katalyse, Umweltsanierung und Materialwissenschaften, aber auch für Filtrationsanwendungen. Darüber hinaus hat der erhebliche Beitrag der anthropogenen CO₂-Emissionen zur Beschleunigung des Klimawandels zur Durchführung zahlreicher Adsorptionsstudien zur Kohlenstoffabscheidung und -bindung geführt [3,4,5]. Sie trägt auch zur Lösung kritischer Umweltprobleme bei, darunter die Wasserreinigung und die Luftreinhaltung.

Filtersysteme, die auf Absorptionstechnologie basieren, spielen eine immer wichtigere Rolle bei der Schaffung sauberer Umgebungen. Sie werden in Luftreinigungssystemen eingesetzt, um schädliche Gase, flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und Feinstaub zu entfernen [6]. In der Wasseraufbereitung helfen sie, Verunreinigungen wie Pestizide, Pharmazeutika und Schwermetalle zu beseitigen und sorgen so für sicheres Trinkwasser [7,8].

Simulation des Adsorptionsprozesses in gepackten Schüttungen für Anwendungen zur Kohlenstoffabscheidung, -speicherung und -nutzung
Abb. 1 Simulation des Adsorptionsprozesses in gepackten Schüttungen für Anwendungen zur Kohlenstoffabscheidung, -speicherung und -nutzung

In den letzten Jahren hat die Verwendung von gepackten Schüttungen zur CO2-Abscheidung erheblich zugenommen. GeoDict bietet die Möglichkeit, den Adsorptionsprozess in gepackten Schüttungen zu simulieren, was es für Anwendungen zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung äußerst wertvoll macht. Das resultierende Modell wird anhand veröffentlichter experimenteller Ergebnisse von Coker et al. (2014) für die Adsorption von CO2 an Zeolithen validiert (Siehe Abb. 2).

Adsorption von CO2 an Zeolithen
Abb. 2 Adsorption von CO2 an Zeolithen

Die neuartige Adsorptionsfunktion von GeoDict nutzt die spezifischen Materialeigenschaften des Adsorbats und des Adsorbens in Kombination mit den vorgegebenen Parametern des Flusses des Adsorbats durch das Adsorbens.

Durch die Berücksichtigung der Diffusionsfähigkeit der Adsorbentien und folglich auch des Mediums wird die genaue Position der Adsorptivmoleküle innerhalb der 3D-Voxelstruktur bestimmt und für die Berechnung des Adsorptionsprozesses verwendet. Im nächsten Schritt verwendet die Adsorptions-GeoApp vorgegebene Toth- oder Langmuir-Parameter, um die entsprechende Gleichung zu lösen und den Massentransfer zur Adsorbensoberfläche im Laufe der Zeit im Mikromaßstab zu berechnen.

Zur Simulation der Molekülbewegung verwendet GeoDict eine Euler-Lagrange-Tracer-basierte Simulation, die seit mehreren Jahren im Einsatz ist. Die GeoApp bietet auch die Möglichkeit, mehrere wichtige Adsorptionsparameter wie Temperatur, Adsorptivkonzentration und Adsorptionsmitteldichte zu variieren, um sie an jede einzelne Filterkonfiguration anzupassen. Schließlich berechnet GeoDict den anfänglichen Durchbruch und bestimmt die Durchbruchskurve des Filters unter den individuellen Aufstellungsbedingungen.

Referenzen

[1] Coker, R., Knox, J., Gauto, H., & Gomez, C. (2014, July). Full System Modeling and Validation of the Carbon Dioxide Removal Assembly. In International Conference on Environmental Systems (ICES) 2014 (No. M14-3448).

[2] L. Zhou, Z.G. Qu, L. Chen, W.Q. Tao (2015), Lattice Boltzmann simulation of gas–solid adsorption processes at pore scale level, J. Comp. Physics, Vol 300, pp. 800-813, ISSN 0021-999, https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.08.014.

[3] H.S. Fabian Ramos, Ch. Baliga, A. Rajendran, P.A. Nikrityuk (2024) CFD-based model of adsorption columns: Validation, Chem. Eng. Science, Vol 285, 119606, ISSN 0009-2509, https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.119606.

[4] R. Ben-Mansour, M.A. Habib, O.E. Bamidele, M. Basha, N.A.A. Qasem, A. Peedikakkal, T. Laoui, M. Ali (2014), Carbon capture by physical adsorption: Materials, experimental investigations and numerical modeling and simulations – A review, Applied Energy, Vol 161, pp 225-255, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.011.

[5] S. Nanda, S.N. Reddy, S.K. Mitra, J.A. Kozinski (2016), The progressive routes for carbon capture and sequestration. Energy Sci Eng, Vol 4, pp 99-122. https://doi.org/10.1002/ese3.117

[6] K. Wang; J. Nie; H. Huang, F. He (2023) Literature Review on the Indoor Air VOCs Purification Performance of Metal–Organic Frameworks. Sustainability, Vol 15, 12923. https://doi.org/10.3390/su151712923

[7] J. Carratalá-Abril, M.A. Lillo-Ródenas, A. Linares-Solano, D. Cazorla-Amorós (2009), Activated Carbons for the Removal of Low-Concentration Gaseous Toluene at the Semipilot Scale, Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol 48 (4), pp 2066-2075, DOI: 10.1021/ie800521s.

[8] A. Bonilla-Petriciolet, D.I. Mendoza-Castillo, H.E. Reynel-Ávila (2017). Adsorption Processes for Water Treatment and Purification, Springer Charm, Springer Int. Publishing AG, https://doi.org/10.1007/978-3-319-58136-1