Adsorption

Das Modell der Mehrschichtadsorption von Brunauer, Emmett und Teller geht von einer zufälligen Verteilung von Molekülen auf der Materialoberfläche aus. ⓘ

Adsorption ist die Anhaftung von Atomen, Ionen oder Molekülen aus einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem gelösten Feststoff an einer Oberfläche. Bei diesem Prozess bildet sich ein Film des Adsorbats auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels. Dieser Prozess unterscheidet sich von der Absorption, bei der eine Flüssigkeit (das Absorbens) von einer Flüssigkeit oder einem Feststoff (dem Absorptionsmittel) gelöst wird oder diese durchdringt. Bei der Adsorption handelt es sich um ein Oberflächenphänomen, während bei der Absorption das gesamte Volumen des Materials betroffen ist, obwohl die Adsorption häufig der Absorption vorausgeht. Der Begriff Sorption umfasst beide Prozesse, während die Desorption das Gegenteil davon ist. ⓘ

IUPAC-Definition

Zunahme der Konzentration eines Stoffes an der Grenzfläche zwischen einer kondensierten und einer flüssigen oder gasförmigen Schicht aufgrund der Wirkung von Oberflächenkräften.

Anmerkung 1: Die Adsorption von Proteinen ist von großer Bedeutung, wenn ein Material mit Blut oder Körperflüssigkeiten in Berührung kommt. Im Falle von Blut wird im Allgemeinen zuerst das Albumin adsorbiert, das weitgehend überwiegt, und dann kommt es zu Umlagerungen zugunsten anderer kleinerer Proteine entsprechend der Oberflächenaffinität gegen die Auswahl nach dem Massengesetz (Vroman-Effekt).

Anmerkung 2: Adsorbierte Moleküle sind solche, die im Falle der Adsorption aus Lösungen gegen das Waschen mit demselben Lösungsmittel resistent sind. Die Waschbedingungen können daher die Messergebnisse verändern, insbesondere wenn die Wechselwirkungsenergie gering ist. ⓘ

Wie die Oberflächenspannung ist auch die Adsorption eine Folge der Oberflächenenergie. In einem Massenmaterial werden alle Bindungsanforderungen (ob ionisch, kovalent oder metallisch) der Atome, aus denen das Material besteht, von anderen Atomen im Material erfüllt. Die Atome an der Oberfläche des Adsorptionsmittels sind jedoch nicht vollständig von anderen Atomen des Adsorptionsmittels umgeben und können daher Adsorbate anziehen. Die genaue Art der Bindung hängt von den Einzelheiten der beteiligten Spezies ab, aber der Adsorptionsprozess wird im Allgemeinen als Physisorption (charakteristisch für schwache Van-der-Waals-Kräfte) oder Chemisorption (charakteristisch für kovalente Bindungen) eingestuft. Sie kann auch aufgrund elektrostatischer Anziehung erfolgen. ⓘ

Adsorption kommt in vielen natürlichen, physikalischen, biologischen und chemischen Systemen vor und ist in industriellen Anwendungen weit verbreitet, z. B. bei heterogenen Katalysatoren, Aktivkohle, der Abscheidung und Nutzung von Abwärme zur Bereitstellung von Kaltwasser für Klimaanlagen und andere Prozessanforderungen (Adsorptionskältemaschinen), Kunstharzen, der Erhöhung der Speicherkapazität von Karbidkohlen und der Wasseraufbereitung. Adsorption, Ionenaustausch und Chromatographie sind Sorptionsverfahren, bei denen bestimmte Adsorbate selektiv von der flüssigen Phase auf die Oberfläche unlöslicher, starrer Partikel übertragen werden, die in einem Gefäß suspendiert oder in einer Säule gepackt sind. Weniger bekannt sind Anwendungen in der pharmazeutischen Industrie, bei denen die Adsorption als Mittel zur Verlängerung der neurologischen Exposition gegenüber bestimmten Medikamenten oder Teilen davon eingesetzt wird. ⓘ

Der Begriff "Adsorption" wurde 1881 von dem deutschen Physiker Heinrich Kayser (1853-1940) geprägt. ⓘ

Als Adsorption (von lateinisch adsorptio, von adsorbere „(an)saugen“) bezeichnet man die Anreicherung von Stoffen aus Gasen oder Flüssigkeiten an der Oberfläche eines Festkörpers, allgemeiner an der Grenzfläche zwischen zwei Phasen. ⓘ

Adsorbieren zwei oder mehr Spezies an eine Oberfläche, so nennt man dies Koadsorption. Dies spielt vor allem bei Katalysatoren eine wichtige Rolle, bei denen die verschiedenen Atomsorten auf der gleichen Oberfläche adsorbiert werden und dort reagieren. ⓘ

Isothermen

Die Adsorption von Gasen und gelösten Stoffen wird in der Regel durch Isothermen beschrieben, d. h. die Menge des Adsorbats auf dem Adsorptionsmittel als Funktion des Drucks (bei Gasen) oder der Konzentration (bei gelösten Stoffen in flüssiger Phase) bei konstanter Temperatur. Die adsorbierte Menge wird fast immer auf die Masse des Adsorptionsmittels normiert, um einen Vergleich verschiedener Materialien zu ermöglichen. Bis heute wurden 15 verschiedene Isothermenmodelle entwickelt. ⓘ

Freundlich

Die erste mathematische Anpassung an eine Isotherme wurde von Freundlich und Kuster (1906) veröffentlicht und ist eine rein empirische Formel für gasförmige Adsorbate:

${\frac {x}{m}}=kP^{1/n},$ ⓘ

wobei $x$ die Masse des adsorbierten Stoffes ist, $m$ die Masse des Adsorptionsmittels ist, $P$ der Druck des Adsorbats ist (dies kann in Konzentration umgewandelt werden, wenn eine Lösung und nicht ein Gas untersucht wird), und $k$ und $n$ sind empirische Konstanten für jedes Adsorptionsmittel-Adsorbat-Paar bei einer bestimmten Temperatur. Die Funktion ist bei sehr hohem Druck nicht geeignet, da in Wirklichkeit $x/m$ bei unbegrenzt steigendem Druck ein asymptotisches Maximum aufweist. Mit steigender Temperatur ändern sich die Konstanten $k$ und $n$ um die empirische Beobachtung widerzuspiegeln, dass die adsorbierte Menge langsamer ansteigt und höhere Drücke erforderlich sind, um die Oberfläche zu sättigen. ⓘ

Langmuir

Irving Langmuir war der erste, der 1918 eine wissenschaftlich fundierte Adsorptionsisotherme ableitete. Das Modell gilt für Gase, die an festen Oberflächen adsorbiert werden. Es handelt sich um eine halbempirische Isotherme mit einer kinetischen Grundlage und wurde auf der Grundlage der statistischen Thermodynamik abgeleitet. Aufgrund ihrer Einfachheit und ihrer Fähigkeit, eine Vielzahl von Adsorptionsdaten zu erfassen, ist sie die am häufigsten verwendete Isothermengleichung. Sie basiert auf vier Annahmen:

1. Alle Adsorptionsstellen sind gleichwertig, und jede Stelle kann nur ein Molekül aufnehmen.
2. Die Oberfläche ist energetisch homogen, und die adsorbierten Moleküle interagieren nicht.
3. Es gibt keine Phasenübergänge.
4. Bei maximaler Adsorption wird nur eine Monoschicht gebildet. Die Adsorption findet nur an lokalisierten Stellen auf der Oberfläche statt, nicht mit anderen Adsorbaten. ⓘ

Diese vier Annahmen sind selten alle zutreffend: Es gibt immer Unvollkommenheiten auf der Oberfläche, die adsorbierten Moleküle sind nicht notwendigerweise inert, und der Mechanismus ist eindeutig nicht derselbe für die allerersten Moleküle, die an einer Oberfläche adsorbieren, und für die letzten. Die vierte Bedingung ist die problematischste, da häufig mehr Moleküle an die Monoschicht adsorbiert werden; dieses Problem wird durch die BET-Isotherme für relativ flache (nicht mikroporöse) Oberflächen gelöst. Die Langmuir-Isotherme ist jedoch die erste Wahl für die meisten Adsorptionsmodelle und hat viele Anwendungen in der Oberflächenkinetik (gewöhnlich Langmuir-Hinshelwood-Kinetik genannt) und Thermodynamik. ⓘ

Langmuir schlug vor, dass die Adsorption durch diesen Mechanismus erfolgt: $A_{\text{g}}+S\rightleftharpoons AS$wobei A ein Gasmolekül und S eine Adsorptionsstelle ist. Die direkten und inversen Geschwindigkeitskonstanten sind k und k-1. Wenn wir die Oberflächenbedeckung definieren, $\theta$als den Anteil der besetzten Adsorptionsstellen definiert, ergibt sich im Gleichgewicht:

$K={\frac {k}{k_{-1}}}={\frac {\theta }{(1-\theta )P}},$ ⓘ

oder ⓘ

$\theta ={\frac {KP}{1+KP}},$ ⓘ

wobei $P$ ist der Partialdruck des Gases oder die molare Konzentration der Lösung. Für sehr niedrige Drücke $\theta \approx KP$und für hohe Drücke $\theta \approx 1$. ⓘ

Der Wert von $\theta$ ist experimentell schwer zu messen; normalerweise ist das Adsorbat ein Gas und die adsorbierte Menge wird in Mol, Gramm oder Gasvolumen bei Standardtemperatur und -druck (STP) pro Gramm Adsorptionsmittel angegeben. Wenn wir v_mon als das STP-Volumen des Adsorbats bezeichnen, das erforderlich ist, um eine Monoschicht auf dem Adsorptionsmittel zu bilden (pro Gramm Adsorptionsmittel), dann $\theta ={\frac {v}{v_{\text{mon}}}}$und wir erhalten einen Ausdruck für eine gerade Linie:

${\frac {1}{v}}={\frac {1}{Kv_{\text{mon}}}}{\frac {1}{P}}+{\frac {1}{v_{\text{mon}}}}.$ ⓘ

Über die Steigung und den y-Achsenabschnitt erhalten wir v_mon und K, die Konstanten für jedes Adsorptionsmittel-Adsorbat-Paar bei einer gegebenen Temperatur. v_mon hängt mit der Anzahl der Adsorptionsstellen über das ideale Gasgesetz zusammen. Wenn man davon ausgeht, dass die Anzahl der Plätze der gesamten Fläche des Festkörpers, geteilt durch den Querschnitt der Adsorbatmoleküle, entspricht, kann man die Oberfläche des Adsorptionsmittels leicht berechnen. Die Oberfläche eines Adsorptionsmittels hängt von seiner Struktur ab: Je mehr Poren es hat, desto größer ist die Fläche, was einen großen Einfluss auf die Reaktionen an Oberflächen hat. ⓘ

Wenn mehr als ein Gas an der Oberfläche adsorbiert, definieren wir $\theta _{E}$ als den Anteil der leeren Stellen, und wir haben:

$\theta _{E}={\dfrac {1}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}}.$ ⓘ

Wir können auch definieren $\theta _{j}$ als den Anteil der durch das j-te Gas besetzten Stellen definieren:

$\theta _{j}={\dfrac {K_{j}P_{j}}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}},$ ⓘ

wobei i für jedes der Gase steht, die adsorbieren. ⓘ

Anmerkung: 1) Um zwischen der Langmuir- und der Freundlich-Gleichung zu wählen, müssen die Adsorptionsenthalpien untersucht werden. Während das Langmuir-Modell davon ausgeht, dass die Adsorptionsenergie mit der Oberflächenbelegung konstant bleibt, wird die Freundlich-Gleichung unter der Annahme abgeleitet, dass die Adsorptionswärme mit der Besetzung der Bindungsstellen kontinuierlich abnimmt. Die Wahl des Modells auf der Grundlage der besten Anpassung der Daten ist ein weit verbreiteter Irrtum. ⓘ

2) Die Verwendung der linearisierten Form des Langmuir-Modells ist nicht mehr gängige Praxis. Dank der Fortschritte bei der Rechenleistung können nichtlineare Regressionen schnell und mit größerer Sicherheit durchgeführt werden, da keine Datentransformation erforderlich ist. ⓘ

BET

Häufig bilden Moleküle Mehrfachschichten, d. h. einige werden an bereits adsorbierten Molekülen adsorbiert, und die Langmuir-Isotherme ist nicht gültig. Im Jahr 1938 entwickelten Stephen Brunauer, Paul Emmett und Edward Teller eine Modellisotherme, die diese Möglichkeit berücksichtigt. Ihre Theorie wird BET-Theorie genannt, nach den Anfangsbuchstaben ihrer Nachnamen. Sie modifizierten den Langmuirschen Mechanismus wie folgt:

A_(g) + S ⇌ AS, ⓘ

A_(g) + AS ⇌ A₂S, ⓘ

A_(g) + A₂S ⇌ A₃S und so weiter. ⓘ

Langmuir- (blau) und BET-Isothermen (rot) ⓘ

Die Ableitung der Formel ist komplizierter als die von Langmuir (siehe Links für die vollständige Ableitung). Wir erhalten:

${\frac {x}{v(1-x)}}={\frac {1}{v_{\text{mon}}c}}+{\frac {x(c-1)}{v_{\text{mon}}c}},$ ⓘ

wobei x der Druck geteilt durch den Dampfdruck für das Adsorbat bei dieser Temperatur ist (üblicherweise bezeichnet als $P/P_{0}$), v ist das STP-Volumen des adsorbierten Adsorbats, v_mon ist das STP-Volumen der zur Bildung einer Monoschicht erforderlichen Adsorbatmenge und c ist die Gleichgewichtskonstante K, die wir in der Langmuir-Isotherme verwendet haben, multipliziert mit dem Dampfdruck des Adsorbats. Die wichtigste Annahme bei der Ableitung der BET-Gleichung ist, dass die aufeinanderfolgenden Adsorptionswärmen für alle Schichten außer der ersten gleich der Kondensationswärme des Adsorbats sind. ⓘ

Die Langmuir-Isotherme eignet sich in der Regel besser für die Chemisorption und die BET-Isotherme besser für die Physisorption auf nicht mikroporösen Oberflächen. ⓘ

Kisliuk

Zwei Stickstoffmoleküle des Adsorbats, die auf einem Wolfram-Adsorptionsmittel aus dem Vorläuferzustand um eine Insel aus zuvor adsorbiertem Adsorbat (links) und durch zufällige Adsorption (rechts) adsorbieren ⓘ

In anderen Fällen bilden molekulare Wechselwirkungen zwischen Gasmolekülen, die zuvor an einer festen Oberfläche adsorbiert wurden, bedeutende Wechselwirkungen mit Gasmolekülen in der Gasphase. Daher ist es wahrscheinlicher, dass die Adsorption von Gasmolekülen an der Oberfläche in der Nähe von Gasmolekülen stattfindet, die sich bereits auf der Festkörperoberfläche befinden, wodurch die Langmuir-Adsorptionsisotherme für die Zwecke der Modellierung unwirksam wird. Dieser Effekt wurde 1957 von Paul Kisliuk (1922-2008) in einem System untersucht, in dem Stickstoff das Adsorbat und Wolfram das Adsorptionsmittel war. Um die erhöhte Wahrscheinlichkeit der Adsorption in der Nähe von Molekülen auf der Substratoberfläche zu kompensieren, entwickelte Kisliuk die Theorie des Vorläuferzustands, wonach Moleküle an der Grenzfläche zwischen dem festen Adsorptionsmittel und dem Adsorbat in der Gasphase in einen Vorläuferzustand eintreten würden. Von hier aus würden die Adsorbatmoleküle entweder an das Adsorptionsmittel adsorbieren oder in die Gasphase desorbieren. Die Wahrscheinlichkeit einer Adsorption aus dem Vorläuferzustand hängt von der Nähe des Adsorbats zu anderen, bereits adsorbierten Adsorbatmolekülen ab. Befindet sich das Adsorbatmolekül im Vorläuferzustand in unmittelbarer Nähe eines Adsorbatmoleküls, das sich bereits auf der Oberfläche gebildet hat, hat es eine Anhaftungswahrscheinlichkeit, die sich in der Größe der SE-Konstante widerspiegelt, und wird entweder mit einer Geschwindigkeit von k_EC aus dem Vorläuferzustand adsorbiert oder mit einer Geschwindigkeit von k_ES in die Gasphase desorbiert. Wenn ein Adsorbatmolekül in den Vorläuferzustand an einer Stelle eintritt, die von allen anderen zuvor adsorbierten Adsorbatmolekülen entfernt ist, spiegelt sich die Anhaftungswahrscheinlichkeit in der Größe der SD-Konstante wider. ⓘ

Diese Faktoren wurden als Teil einer einzigen Konstante, dem so genannten "Klebekoeffizienten" kE, berücksichtigt, der weiter unten beschrieben wird:

$k_{\text{E}}={\frac {S_{\text{E}}}{k_{\text{ES}}S_{\text{D}}}}.$ ⓘ

Da die SD durch Faktoren bestimmt wird, die im Langmuir-Modell berücksichtigt werden, kann die SD als Adsorptionsgeschwindigkeitskonstante angenommen werden. Die Geschwindigkeitskonstante des Kisliuk-Modells (R') unterscheidet sich jedoch von der des Langmuir-Modells, da R' dazu dient, den Einfluss der Diffusion auf die Bildung von Monoschichten darzustellen, und proportional zur Quadratwurzel des Diffusionskoeffizienten des Systems ist. Die Kisliuk-Adsorptionsisotherme wird wie folgt geschrieben, wobei θ_(t) der Anteil der Bedeckung des Adsorptionsmittels mit Adsorbat und t die Eintauchzeit ist:

${\frac {d\theta _{(t)}}{dt}}=R'(1-\theta )(1+k_{\text{E}}\theta ).$ ⓘ

Das Lösen für θ_(t) ergibt:

$\theta _{(t)}={\frac {1-e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}{1+k_{\text{E}}e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}}.$ ⓘ

Adsorptionsenthalpie

Die Adsorptionskonstanten sind Gleichgewichtskonstanten und gehorchen daher der van 't Hoff-Gleichung:

$\left({\frac {\partial \ln K}{\partial {\frac {1}{T}}}}\right)_{\theta }=-{\frac {\Delta H}{R}}.$ ⓘ

Wie aus der Formel ersichtlich, muss die Veränderung von K isosterisch sein, d. h. bei konstanter Bedeckung. Wenn man von der BET-Isotherme ausgeht und annimmt, dass die Entropieänderung bei Verflüssigung und Adsorption gleich ist, erhält man

$\Delta H_{\text{ads}}=\Delta H_{\text{liq}}-RT\ln c,$

d. h., die Adsorption ist exothermer als die Verflüssigung. ⓘ

Erklärung des Einzelmoleküls

Die Adsorption von Einzelmolekülen an einer Oberfläche oder Grenzfläche kann in zwei Prozesse unterteilt werden: Adsorption und Desorption. Wenn die Adsorptionsrate die Desorptionsrate übersteigt, sammeln sich die Moleküle im Laufe der Zeit an, so dass sich die Adsorptionskurve über die Zeit ergibt. Wenn die Desorptionsrate größer ist, nimmt die Anzahl der Moleküle auf der Oberfläche mit der Zeit ab. Die Adsorptionsrate ist abhängig von der Temperatur, der Diffusionsrate des gelösten Stoffes (bezogen auf die mittlere freie Weglänge für reines Gas) und der Energiebarriere zwischen dem Molekül und der Oberfläche. Die Diffusions- und Schlüsselelemente der Adsorptionsrate können mit Hilfe der Fick'schen Diffusionsgesetze und der Einstein-Beziehung (kinetische Theorie) berechnet werden. Unter idealen Bedingungen, wenn es keine Energiebarriere gibt und alle Moleküle, die diffundieren und mit der Oberfläche zusammenstoßen, adsorbiert werden, ist die Anzahl der adsorbierten Moleküle $\Gamma$ an einer Oberfläche der Fläche $A$ auf einer unendlich großen Oberfläche direkt aus der Differentialgleichung des zweiten Fickschen Gesetzes integriert werden:

$\Gamma =2AC{\sqrt {\frac {Dt}{\pi }}}$ ⓘ

wobei $A$ ist der Oberflächenbereich (Einheit m²), $C$ ist die Anzahlkonzentration des Moleküls in der Hauptlösung (Einheit #/m³), $D$ ist die Diffusionskonstante (Einheit m²/s), und $t$ ist die Zeit (Einheit s). Weitere Simulationen und Analysen dieser Gleichung zeigen, dass die Quadratwurzelabhängigkeit von der Zeit auf die Abnahme der Konzentrationen in der Nähe der Oberfläche unter idealen Adsorptionsbedingungen zurückzuführen ist. Außerdem funktioniert diese Gleichung nur für den Beginn der Adsorption, wenn sich ein gut ausgeprägter Konzentrationsgradient in der Nähe der Oberfläche bildet. Korrekturen zur Verringerung der Adsorptionsfläche und zur Verlangsamung der Entwicklung des Konzentrationsgradienten müssen über einen längeren Zeitraum berücksichtigt werden. Unter realen experimentellen Bedingungen führen die Strömung und die kleine Adsorptionsfläche dazu, dass die Adsorptionsrate immer schneller ist als in dieser Gleichung vorhergesagt, und die Energiebarriere wird diese Rate entweder durch Oberflächenanziehung beschleunigen oder durch Oberflächenabstoßung verlangsamen. Daher weicht die Vorhersage dieser Gleichung oft um einige bis mehrere Größenordnungen von den experimentellen Ergebnissen ab. In besonderen Fällen, wie z. B. bei einer sehr kleinen Adsorptionsfläche auf einer großen Oberfläche und bei chemischem Gleichgewicht, wenn in der Nähe der Oberfläche kein Konzentrationsgefälle besteht, ist diese Gleichung zur Vorhersage der Adsorptionsrate mit fragwürdiger besonderer Sorgfalt geeignet, um einen bestimmten Wert von $t$ bei einer bestimmten Messung zu bestimmen. ⓘ

Die Desorption eines Moleküls von der Oberfläche hängt von der Bindungsenergie des Moleküls an der Oberfläche und der Temperatur ab. Die typische Gesamtadsorptionsrate ist daher oft ein kombiniertes Ergebnis von Adsorption und Desorption. ⓘ

Quantenmechanisch-thermodynamische Modellierung für Oberfläche und Porosität

Seit 1980 wurde an zwei Theorien gearbeitet, um die Adsorption zu erklären und Gleichungen zu erhalten, die funktionieren. Diese beiden Theorien werden als Chi-Hypothese, quantenmechanische Ableitung und überschüssige Oberflächenarbeit (ESW) bezeichnet. Beide Theorien ergeben die gleiche Gleichung für ebene Oberflächen:

$\theta =(\chi -\chi _{c})U(\chi -\chi _{c})$ ⓘ

wobei U die Einheitsschrittfunktion ist. Die Definitionen der anderen Symbole lauten wie folgt:

$\theta :=n_{\text{ads}}/n_{m},\quad \chi :=-\ln {\bigl (}-\ln {\bigl (}P/P_{\text{vap}}{\bigr )}{\bigr )}$ ⓘ

Dabei steht "ads" für "adsorbiert", "m" steht für "Monolayer-Äquivalenz" und "vap" bezieht sich auf den Dampfdruck der adsorptiven Flüssigkeit bei gleicher Temperatur wie die feste Probe. Durch die Einheitsfunktion wird die molare Adsorptionsenergie für das erste adsorbierte Molekül definiert:

$\chi _{c}=:-\ln {\bigl (}-E_{a}/RT{\bigr )}$ ⓘ

Die Darstellung von $n_{ads}$ adsorbiert gegen $\chi$ wird als Chi-Kurve bezeichnet. Für ebene Oberflächen ergibt die Steigung des chi-Plots die Oberfläche. Empirisch gesehen wurde dieses Diagramm von Polanyi und auch von deBoer und Zwikker als eine sehr gute Anpassung an die Isotherme angesehen, aber nicht weiter verfolgt. Dies war auf die Kritik von Einstein im ersten Fall und von Brunauer im zweiten Fall zurückzuführen. Diese Gleichung für die flache Oberfläche kann als "Standardkurve" in der üblichen Tradition der Vergleichskurven verwendet werden, mit der Ausnahme, dass der frühe Teil der Kurve der porösen Probe von $n_{ads}$ gegen $\chi$ als Selbststandard fungiert. Ultramikroporöse, mikroporöse und mesoporöse Bedingungen können mit dieser Technik analysiert werden. Typische Standardabweichungen für vollständige Isothermenanpassungen einschließlich poröser Proben betragen weniger als 2 %. ⓘ

Beachten Sie, dass bei dieser Beschreibung der physikalischen Adsorption die Adsorptionsentropie mit dem thermodynamischen Kriterium von Dubinin übereinstimmt, d. h. die Adsorptionsentropie vom flüssigen Zustand zum adsorbierten Zustand ist annähernd Null. ⓘ

Adsorbentien

Eigenschaften und allgemeine Anforderungen

Aktivkohle wird als Adsorptionsmittel verwendet ⓘ

Adsorbentien werden in der Regel in Form von kugelförmigen Pellets, Stäben, Formteilen oder Monolithen mit einem hydrodynamischen Radius zwischen 0,25 und 5 mm verwendet. Sie müssen eine hohe Abriebfestigkeit, eine hohe thermische Stabilität und einen kleinen Porendurchmesser aufweisen, was zu einer größeren exponierten Oberfläche und damit zu einer hohen Adsorptionskapazität führt. Die Adsorbentien müssen außerdem eine ausgeprägte Porenstruktur aufweisen, die einen schnellen Transport der gasförmigen Dämpfe ermöglicht. ⓘ

Die meisten industriellen Adsorbentien lassen sich in eine von drei Klassen einteilen:

• Sauerstoffhaltige Verbindungen - sind in der Regel hydrophil und polar, einschließlich Materialien wie Kieselgel, Kalkstein (Calciumcarbonat) und Zeolithe.
• Verbindungen auf Kohlenstoffbasis - sind in der Regel hydrophob und unpolar, einschließlich Materialien wie Aktivkohle und Graphit.
• Verbindungen auf Polymerbasis - Sie sind polar oder unpolar, je nach den funktionellen Gruppen in der Polymermatrix. ⓘ

Kieselgel

Kieselgeladsorber für NO₂, Fixed Nitrogen Research Laboratory, ca.1930er Jahre ⓘ

Kieselgel ist eine chemisch inerte, ungiftige, polare und formstabile (< 400 °C oder 750 °F) amorphe Form von SiO₂. Es wird durch die Reaktion zwischen Natriumsilikat und Essigsäure hergestellt, an die sich eine Reihe von Nachbehandlungsverfahren wie Alterung, Beizen usw. anschließen. Diese Nachbehandlungsverfahren führen zu unterschiedlichen Porengrößenverteilungen. ⓘ

Kieselsäure wird zur Trocknung von Prozessluft (z. B. Sauerstoff, Erdgas) und zur Adsorption von schweren (polaren) Kohlenwasserstoffen aus Erdgas verwendet. ⓘ

Zeolithe

Zeolithe sind natürliche oder synthetische kristalline Alumosilikate, die ein sich wiederholendes Porennetz aufweisen und bei hohen Temperaturen Wasser abgeben. Zeolithe sind von Natur aus polar. ⓘ

Sie werden durch hydrothermale Synthese von Natriumaluminiumsilikat oder einer anderen Siliciumdioxidquelle in einem Autoklaven hergestellt, gefolgt von einem Ionenaustausch mit bestimmten Kationen (Na⁺, Li⁺, Ca²⁺, K⁺, NH₄⁺). Der Kanaldurchmesser der Zeolith-Käfige liegt in der Regel zwischen 2 und 9 Å. Nach dem Ionenaustauschprozess werden die Kristalle getrocknet und können mit einem Bindemittel zu makroporösen Pellets verarbeitet werden. ⓘ

Zeolithe werden zur Trocknung von Prozessluft, zur CO₂-Entfernung aus Erdgas, zur CO-Entfernung aus Reformiergas, zur Luftzerlegung, zum katalytischen Cracken und zur katalytischen Synthese und Reformierung eingesetzt. ⓘ

Unpolare (kieselsäurehaltige) Zeolithe werden aus aluminiumfreien Siliziumdioxidquellen oder durch Dealuminierung von aluminiumhaltigen Zeolithen synthetisiert. Bei der Dealuminierung wird der Zeolith mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen, in der Regel über 500 °C (930 °F), behandelt. Durch diese Hochtemperaturwärmebehandlung werden die Aluminium-Sauerstoff-Bindungen gebrochen und das Aluminiumatom aus dem Zeolithgerüst ausgetrieben. ⓘ

Aktivkohle

Aktivkohle ist ein hochporöser, amorpher Feststoff, der aus Mikrokristalliten mit einem Graphitgitter besteht und in der Regel in kleinen Pellets oder als Pulver hergestellt wird. Sie ist unpolar und billig. Einer seiner Hauptnachteile ist, dass er bei moderaten Temperaturen (über 300 °C) mit Sauerstoff reagiert.

Aktivkohle-Stickstoff-Isotherme, die ein ausgeprägtes mikroporöses Typ-I-Verhalten zeigt ⓘ

Aktivkohle kann aus kohlenstoffhaltigem Material wie Kohle (bituminös, subbituminös und Braunkohle), Torf, Holz oder Nussschalen (z. B. Kokosnuss) hergestellt werden. Der Herstellungsprozess besteht aus zwei Phasen, der Karbonisierung und der Aktivierung. Der Verkohlungsprozess umfasst das Trocknen und anschließende Erhitzen, um Nebenprodukte wie Teer und andere Kohlenwasserstoffe vom Rohmaterial zu trennen und entstehende Gase abzutreiben. Der Prozess wird durch Erhitzen des Materials auf über 400 °C (750 °F) in einer sauerstofffreien Atmosphäre abgeschlossen, die keine Verbrennung zulässt. Die verkohlten Partikel werden dann "aktiviert", indem sie einem Oxidationsmittel ausgesetzt werden, in der Regel Dampf oder Kohlendioxid bei hoher Temperatur. Dieses Mittel verbrennt die während der Karbonisierungsphase entstandenen porenverschließenden Strukturen, so dass sie eine poröse, dreidimensionale Graphitgitterstruktur entwickeln. Die Größe der bei der Aktivierung entstehenden Poren hängt von der Zeit ab, die sie in diesem Stadium verbringen. Längere Einwirkungszeiten führen zu größeren Porengrößen. Die gebräuchlichsten Wasserphasenkohlen sind aufgrund ihrer Härte, Abriebfestigkeit, Porengrößenverteilung und niedrigen Kosten auf Bitumenbasis, doch muss ihre Wirksamkeit für jede Anwendung getestet werden, um das optimale Produkt zu ermitteln. ⓘ

Aktivkohle wird für die Adsorption von organischen Stoffen und unpolaren Adsorbaten verwendet und kommt in der Regel auch bei der Behandlung von Abgasen (und Abwässern) zum Einsatz. Sie ist das am weitesten verbreitete Adsorptionsmittel, da die meisten ihrer chemischen (z. B. Oberflächengruppen) und physikalischen Eigenschaften (z. B. Porengrößenverteilung und Oberfläche) auf den jeweiligen Bedarf abgestimmt werden können. Seine Nützlichkeit ergibt sich auch aus seinem großen Mikroporen- (und manchmal Mesoporen-) Volumen und der daraus resultierenden großen Oberfläche. Jüngste Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass Aktivkohle ein wirksames Mittel zur Adsorption kationischer Spezies toxischer Metalle aus Systemen mit mehreren Verunreinigungen ist, und haben mögliche Adsorptionsmechanismen mit entsprechenden Nachweisen vorgeschlagen. ⓘ

Wasseradsorption

Chemische Adsorption ⓘ

Monolage

Abb. 9: a) Adsorbens, b) Adsorbat, c) Gasphase mit Adsorptiv, (1) Physisorption, (2) dissoziative Chemisorption (3) gerichtete Chemisorption

Adsorptionsenergie

Molare Enthalpie in kJ/mol Cr Fe CO −192 H2 −188 −134 C2H4 −427 −248

Die chemische Adsorption ist eine Anlagerung von Stoffen auf die Oberfläche von Feststoffen, die chemischen Bindungskräften gleicht. Während bei der physikalischen Adsorption die Bindungskräfte von deutlich unter 100 kJ/mol wirken, liegt die Adsorptionsenthalpie bei chemischen Adsorption bei mehr als 200 kJ/mol. Bei der Chemisorption werden Bindungen zu der Oberfläche geknüpft und die elektronische Struktur innerhalb des Adsorbats verändert. Durch die direkten Bindungen zur Oberfläche können sich maximal monomolekulare Schichten bilden. Trotz einer chemischen Bindung zur Oberfläche kann sich das Adsorbat – wie bei einer Physisorption – meist entlang der Oberfläche bewegen. ⓘ

Die Chemisorption kann erhebliche Konsequenzen für den adsorbierten Stoff haben, die von den Eigenschaften des Adsorbats, des Adsorbens und der Temperatur des Systems abhängen. Chemisorption ist ein grundlegender Prozess bei der Katalyse mit festen Katalysatoren, die so genannte heterogene Katalyse. Bindungen innerhalb des adsorbierten Stoffes können geschwächt werden. Chemische Reaktionen mit anderen Reaktionspartnern können nun leichter ablaufen; man spricht von einer katalytischen Aktivierung der Reaktion. ⓘ

Unter Umständen können Bindungen innerhalb des Adsorbats gebrochen werden, was zu einem Zerfall des Adsorbats in zwei oder mehr Teilchen führen kann (dissoziative Chemisorption). So dissoziiert z. B. Wasserstoff (H₂) auf Metallen wie Eisen- Platin- und Palladium zu einzeln gebundenen Wasserstoffatomen (Abb. 9, (2)). Dissoziative Chemisorptionen können dazu führen, dass andere Teilchen desorbiert werden, als adsorbiert wurden. Die Chemisorption hat dann eine chemische Reaktion ausgelöst (Katalyse). ⓘ

Kohlenstoffmonoxid (CO) dissoziiert bei Adsorption auf die oben genannten Metalle nur bei hohen Temperaturen. In der Regel findet eine so genannte gerichtete Chemisorption statt: CO bindet über das C-Atom auf die Metallfläche (Abb. 9, (3)), analog zur Bindungsrichtung die bei Metallcarbonylen vorliegt. ⓘ

Die Adsorption ist eine exotherme Reaktion, die jedoch über energetisch ungünstig hohe Übergangszustände verlaufen kann (aktivierte Adsorption). Bei aktivierten Adsorptionen erfolgt Adsorption – im Gegensatz zur Physisorption – erst bei höheren Temperaturen und die Geschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur. ⓘ

Im Gegensatz zur Physisorption ist die Aktivierungsenergie der Desorption oft ungleich der Aktivierungsenergie der Adsorption. Die Aktivierungsenergie der Desorption resultiert aus den Veränderungen am Adsorbat. Während einige adsorbierte Teilchen (z. B. H₂ oder O₂) dissoziiert sind, haben andere Teilchen (z. B. CO₂) ihre räumliche Konfiguration geändert. Die Größe der Aktivierungsenergien und der Adsorptionswärmen hängen neben der Art der adsorbierten Teilchen bzw. deren Reaktionsprodukten stark von der chemischen Zusammensetzung und der (elektronischen) Struktur des Adsorptivs ab (Tabelle „Adsorptionsenergie“). Bei Chemisorption kann die Adsorption irreversibel sein, wenn für die Desorption bestimmter Teilchen eine (zu) hohe Aktivierungsenergie erforderlich ist. Tritt solche Chemisorption bei Katalysatoren auf, führt dies zur Deaktivierung und man spricht von Katalysatorgift. ⓘ

Adsorptionssolarheizung und -speicherung

Die niedrigen Kosten (200 $/Tonne) und die hohe Zyklusrate (2.000 ×) von synthetischen Zeolithen wie Linde 13X mit Wasseradsorption haben in letzter Zeit großes akademisches und kommerzielles Interesse an der Nutzung für die Speicherung thermischer Energie (TES) geweckt, insbesondere von schwacher Sonnen- und Abwärme. Von 2000 bis heute (2020) wurden in der EU mehrere Pilotprojekte finanziert. Das Grundkonzept besteht darin, solare Wärmeenergie als latente chemische Energie im Zeolith zu speichern. In der Regel wird heiße trockene Luft aus Flachkollektoren durch ein Zeolithbett geleitet, so dass eventuell vorhandenes Wasser adsorbiert wird. Die Speicherung kann tageweise, wöchentlich, monatlich oder sogar saisonal erfolgen, je nach Volumen des Zeoliths und der Fläche der Solarkollektoren. Wenn in der Nacht, in sonnenlosen Stunden oder im Winter Wärme benötigt wird, strömt befeuchtete Luft durch das Zeolith. Da die Feuchtigkeit vom Zeolith adsorbiert wird, wird die Wärme an die Luft und anschließend an den Gebäuderaum abgegeben. Diese Form der TES, bei der speziell Zeolithe eingesetzt werden, wurde erstmals 1978 von Guerra vorgestellt. ⓘ

Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff

Typische Adsorbentien, die für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung vorgeschlagen werden, sind Zeolithe und MOFs. Die individuelle Anpassung von Adsorbentien macht sie zu einer potenziell attraktiven Alternative zur Absorption. Da Adsorptionsmittel durch Temperatur- oder Druckwechsel regeneriert werden können, kann dieser Schritt weniger energieintensiv sein als die Regenerationsmethoden der Absorption. Die Hauptprobleme bei den Adsorptionskosten für die Kohlenstoffabscheidung sind: Regeneration des Adsorptionsmittels, Massenverhältnis, Lösungsmittel/MOF, Kosten des Adsorptionsmittels, Herstellung des Adsorptionsmittels, Lebensdauer des Adsorptionsmittels. ⓘ

Bei der sorptionsgestützten Wassergasverschiebung (SEWGS) wird ein auf Feststoffadsorption basierender Pre-Combustion-Prozess zur Kohlenstoffabscheidung mit der Wassergasverschiebungsreaktion (WGS) kombiniert, um einen Hochdruck-Wasserstoffstrom zu erzeugen. Der erzeugte CO₂-Strom kann gespeichert oder für andere industrielle Prozesse verwendet werden. ⓘ

Adsorption von Proteinen und Tensiden

Die Proteinadsorption ist ein Prozess, der auf dem Gebiet der Biomaterialien eine grundlegende Rolle spielt. Die Oberflächen von Biomaterialien, die mit biologischen Medien wie Blut oder Serum in Berührung kommen, werden nämlich sofort mit Proteinen beschichtet. Daher interagieren lebende Zellen nicht direkt mit der Biomaterialoberfläche, sondern mit der adsorbierten Proteinschicht. Diese Proteinschicht vermittelt die Interaktion zwischen Biomaterialien und Zellen und übersetzt die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Biomaterials in eine "biologische Sprache". Tatsächlich binden Zellmembranrezeptoren an bioaktive Stellen der Proteinschicht, und diese Rezeptor-Protein-Bindungsereignisse werden über die Zellmembran in einer Weise weitergeleitet, die spezifische intrazelluläre Prozesse stimuliert, die dann die Zelladhäsion, die Form, das Wachstum und die Differenzierung bestimmen. Die Proteinadsorption wird von vielen Oberflächeneigenschaften beeinflusst, z. B. von der Oberflächenbenetzbarkeit, der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche und der Morphologie der Oberfläche im Nanometerbereich. Bei der Adsorption von Tensiden handelt es sich um ein ähnliches Phänomen, bei dem jedoch Tensidmoleküle anstelle von Proteinen verwendet werden. ⓘ

Adsorptionskältemaschinen

Schematische Darstellung einer Adsorptionskältemaschine: (1) Wärmeverlust durch Verdampfung des Kältemittels, (2) Adsorption des Kältemitteldampfes an das feste Medium, (3) Desorption des Kältemittels aus dem nicht genutzten Teil des festen Mediums, (4) Kondensation des Kältemittels und Rückführung in den Ausgangszustand, (5) & (6) zyklischer Wechsel zwischen Adsorption und Desorption des festen Mediums zu dessen Regeneration. ⓘ

Adsorptionskältemaschinen, die ein Adsorptionsmittel mit einem Kältemittel kombinieren, nutzen Wärme, um einen Kühleffekt zu erzielen. Diese Wärme in Form von heißem Wasser kann aus einer Vielzahl industrieller Quellen stammen, z. B. aus der Abwärme industrieller Prozesse, aus der Primärwärme von Solarthermieanlagen oder aus der Abgas- oder Wassermantelwärme eines Kolbenmotors oder einer Turbine. ⓘ

Obwohl es Ähnlichkeiten zwischen Adsorptionskältemaschinen und Absorptionskälteanlagen gibt, basiert erstere auf der Wechselwirkung zwischen Gasen und Feststoffen. Die Adsorptionskammer der Kältemaschine ist mit einem Feststoff (z. B. Zeolith, Kieselgel, Aluminiumoxid, Aktivkohle oder bestimmte Metallsalze) gefüllt, der in seinem neutralen Zustand das Kältemittel adsorbiert hat. Bei Erwärmung des Feststoffs wird Kältemitteldampf desorbiert (freigesetzt), der anschließend abgekühlt und verflüssigt wird. Dieses flüssige Kältemittel sorgt dann aufgrund seiner Verdampfungsenthalpie für einen Kühleffekt am Verdampfer. In der letzten Stufe wird der Kältemitteldampf (wieder) an den Feststoff adsorbiert. Da eine Adsorptionskältemaschine keinen Verdichter benötigt, ist sie relativ leise. ⓘ

Da bei der Adsorption Wärme freigesetzt und bei der Desorption Wärme aufgenommen wird, werden auf der Adsorption basierende Wärmepumpen (Adsorptionskältemaschinen) gebaut. Beim Betrieb von Adsorptionskältemaschinen wird der Aggregatzustand des Fluids geändert. ⓘ

Portalstandort-vermittelte Adsorption

Die portalstellenvermittelte Adsorption ist ein Modell für die stellenselektive Adsorption aktivierter Gase in metallischen katalytischen Systemen, die eine Vielzahl verschiedener Adsorptionsstellen enthalten. In solchen Systemen können defektähnliche Stellen mit niedriger Koordinierung (Kanten und Ecken) deutlich niedrigere Adsorptionsenthalpien aufweisen als Stellen mit hoher Koordinierung (Basalebene). Infolgedessen können diese Stellen als "Portale" für eine sehr schnelle Adsorption an den Rest der Oberfläche dienen. Das Phänomen beruht auf dem allgemeinen "Spillover"-Effekt (siehe unten), bei dem bestimmte adsorbierte Spezies auf einigen Oberflächen eine hohe Mobilität aufweisen. Das Modell erklärt scheinbar widersprüchliche Beobachtungen der Gasadsorptionsthermodynamik und -kinetik in katalytischen Systemen, bei denen Oberflächen in einer Reihe von Koordinationsstrukturen existieren können, und es wurde erfolgreich auf bimetallische katalytische Systeme angewandt, bei denen eine synergistische Aktivität beobachtet wird. ⓘ

Im Gegensatz zum reinen Spillover bezieht sich die Adsorption an Portalstellen auf die Oberflächendiffusion zu benachbarten Adsorptionsstellen und nicht auf nichtadsorbierende Trägeroberflächen. ⓘ

Das Modell wurde offenbar erstmals von Brandt et al. (1993) für Kohlenmonoxid auf Platin mit Siliziumdioxidträger vorgeschlagen. Ein ähnliches, aber unabhängiges Modell wurde von King und Mitarbeitern entwickelt, um die Wasserstoffadsorption auf Siliziumdioxid-geträgerten, mit Alkali angereicherten Ruthenium-, Silber-Ruthenium- und Kupfer-Ruthenium-Bimetallkatalysatoren zu beschreiben. Die gleiche Gruppe wandte das Modell auf die CO-Hydrierung (Fischer-Tropsch-Synthese) an. Zupanc et al. (2002) bestätigten anschließend dasselbe Modell für die Wasserstoffadsorption an bimetallischen Cäsium-Ruthenium-Katalysatoren mit Magnesia-Träger. Trens et al. (2009) haben in ähnlicher Weise die CO-Oberflächendiffusion auf kohlenstoffgeträgerten Pt-Partikel unterschiedlicher Morphologie beschrieben. ⓘ

Adsorptionsüberlauf

Bei Katalysator- oder Adsorptionssystemen, bei denen eine Metallspezies auf einem Träger (oder Trägermaterial) dispergiert ist (häufig quasi-inerte Oxide wie Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid), ist es möglich, dass eine adsorptive Spezies unter Bedingungen, bei denen eine solche Adsorption thermodynamisch ungünstig ist, indirekt an der Trägeroberfläche adsorbiert. Das Vorhandensein des Metalls dient als energieärmerer Weg für gasförmige Spezies, zunächst an das Metall zu adsorbieren und dann auf die Trägeroberfläche zu diffundieren. Dies ist möglich, weil die adsorbierte Spezies einen niedrigeren Energiezustand erreicht, sobald sie an das Metall adsorbiert ist, wodurch die Aktivierungsbarriere zwischen der Spezies in der Gasphase und der an den Träger adsorbierten Spezies gesenkt wird. ⓘ

Der Wasserstoff-Spillover ist das häufigste Beispiel für einen adsorptiven Spillover. Im Falle von Wasserstoff geht die Adsorption meist mit einer Dissoziation von molekularem Wasserstoff (H₂) zu atomarem Wasserstoff (H) einher, gefolgt von einem Spillover der vorhandenen Wasserstoffatome. ⓘ

Der Spillover-Effekt wurde zur Erklärung vieler Beobachtungen in der heterogenen Katalyse und Adsorption herangezogen. ⓘ

Polymer-Adsorption

Die Adsorption von Molekülen an Polymeroberflächen ist von zentraler Bedeutung für eine Reihe von Anwendungen, darunter die Entwicklung von Antihaftbeschichtungen und verschiedenen biomedizinischen Geräten. Polymere können auch durch die Adsorption von Polyelektrolyten an Oberflächen adsorbiert werden. ⓘ

Adsorption in Viren

Die Adsorption ist der erste Schritt im Lebenszyklus von Viren. Die nächsten Schritte sind Penetration, Entschichtung, Synthese (gegebenenfalls Transkription und Translation) und Freisetzung. Der Virusreplikationszyklus ist in dieser Hinsicht bei allen Virustypen ähnlich. Faktoren wie die Transkription können überflüssig sein, wenn das Virus in der Lage ist, seine genomischen Informationen in den Zellkern zu integrieren, oder wenn das Virus sich direkt im Zytoplasma der Zelle replizieren kann. ⓘ

In der Populärkultur

Das Spiel Tetris ist ein Puzzlespiel, bei dem 4er-Blöcke während des Spiels auf einer Oberfläche adsorbiert werden. Wissenschaftler haben Tetris-Blöcke "stellvertretend für Moleküle mit komplexer Form" und deren "Adsorption auf einer ebenen Oberfläche" zur Untersuchung der Thermodynamik von Nanopartikeln verwendet. ⓘ

Physikalische Adsorption

Konkurrierende Adsorption

Belegen Moleküle einer Komponente die Oberfläche eines Adsorbens, das für die Abscheidung einer anderen Komponente gedacht war, so wird von konkurrierender Adsorption gesprochen. Dies ist bei technischen Trennaufgaben von Bedeutung, da in vielen Fällen Stoffgemische auftreten (z. B. ein Kohlenwasserstoff und Wasserdampf). In solchen Fällen ist die Selektivität des Adsorbens von großer Bedeutung. Konkurrierende Adsorption kann durch Messung von Durchbruchskurven mit zwei oder mehr Adsorptiven beobachtet und quantifiziert werden. ⓘ

Anwendungen

Physisorption in der Gasphase

Als Adsorbenzien kommen beispielsweise Aktivkohle, Aktivkoks, Silicagel oder Molekularsiebe (Zeolithe) in Form von Schüttungen oder in strukturierter Form zum praktischen Einsatz. Auf Physisorption beruhen Gasfilter, wie Atemschutzfilter und Verfahren zur Trocknung feuchter Luft (Adsorptionstrocknung). ⓘ

Adsorptive Verfahren werden häufig zur Abgasreinigung verwendet. Sie dienen zur Rückhaltung von Kohlenwasserstoffen z. B. in Form von Lösungsmitteln oder Benzindämpfen. Weiterhin werden Adsorptionsverfahren zur Beseitigung von Geruchsstoffen, Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid eingesetzt. Auch zur Glättung von Konzentrationsspitzen vor Oxidations-Katalysatoren findet die Adsorption Anwendung. ⓘ

Viele Verfahren zur Trennung bzw. Reinigung sowie der Analyse von Stoffgemischen beruhen auf chromatografischen Methoden, der Adsorptionschromatografie. Alle diese Verfahren nutzen die stoffspezifische Gleichgewichtsreaktion der Physisorption zwischen einer Grenzfläche und einer mobilen Phase. ⓘ

Bei technischer Trennung und von Gasgemischen wird Physisorption genutzt, da Gase druck- und temperaturabhängig unterschiedlich stark an der Oberfläche eines Adsorbens anlagern. Man unterscheidet die Betriebsarten Temperaturwechsel- und Druckwechsel-Adsorption. So kann beispielsweise aus Synthesegas hochreiner Wasserstoff gewonnen werden. Eine weitere Anwendung zur technischen Trennung von Gasgemischen ist das Entfernen von CO₂ aus Biogas. ⓘ

Physisorption in der Flüssigphase

Zur Reinigung vieler Naturstoffe und heute vor allem in der Wasseraufbereitung, Abwasserreinigung, Grundwassersanierung sowie in der Industriewasserwirtschaft wird die Adsorption zur Entfernung von schädlichen Wasserinhaltsstoffen oder zur Stoffrückgewinnung verwendet. ⓘ