Systematische Untersuchung des Einflusses von Aluminiumdichte und Struktureigenschaften auf das Wassersorptionsverhalten von Zeolithen

Maaz, Swaantje; Palkovits, Regina; Rose, Marcus

doi:39228

Systematische Untersuchung des Einflusses von Aluminiumdichte und Struktureigenschaften auf das Wassersorptionsverhalten von Zeolithen = Systematic investigation of the influence of Aluminum density and structural properties on the behavior of zeolites in water sorption

Maaz, Swaantje^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Swaantje Maaz, M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (IV, 85 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Palkovits, Regina (Thesis advisor)^RWTH* ; Rose, Marcus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-02-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-04415
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/788066/files/788066.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aluminum density (frei) ; pore filling degree (frei) ; water vapor sorption (frei) ; zeolites (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Thermisch betriebene Wärmepumpen können in Zukunft eine wichtige Rolle in der Nutzung von Abwärme übernehmen. Materialseitig kann auf die Effizienz eines solchen Systems u.a. Einfluss genommen werden, indem die strukturellen und chemischen Eigenschaften des Adsorbens entsprechend modifiziert werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Einfluss der Aluminiumdichte und weiterer struktureller Eigenschaften, wie spezifischer Oberfläche, Porenvolumen und Mikro-/Mesoporenanteil, auf das Verhalten von Zeolithen in der Wassersorption. Eine ganzheitliche Betrachtung ist notwendig, um die Zusammenhänge in Relation zu setzen und idealerweise eine Struktur-Eigenschaftsbeziehung aufzustellen. Mit diesem Wissen können in Zukunft Adsorbentien gezielt für den Einsatz in Wärmepumpen maßgeschneidert werden. Es wurden kommerzielle Zeolithe unterschiedlicher Strukturtypen detailliert mittels Stickstoffphysisorption und Wassersorption untersucht. Am Beispiel des Typs FAU wurde außerdem der Einfluss des Gegenions (Li+, Na+, NH4+, H+) diskutiert. Des Weiteren erfolgte anhand einiger hierarchischer Zeolithe der Typen LTA und MFI eine Betrachtung des Einflusses von Meso- und Makroporen auf die Wassersorption. Die Wassersorptionsisothermen wurden qualitativ hinsichtlich des Verlaufs der Isotherme ausgewertet. Außerdem konnte durch die Berechnung des Porenfüllungsgrades bei niedrigem und hohem Relativdruck ein abweichendes Wassersorptionsverhalten für unterschiedliche Zeolithtypen mit gleicher Aluminiumdichte gezeigt werden. In allen Untersuchungen war der große Einfluss der Strukturparameter offensichtlich. Insgesamt wurde deutlich, dass die Wassersorption an Zeolithen sehr komplex ist und von den Materialeigenschaften stark beeinflusst wird. Daher ist eine einfache Betrachtung der Wassersorptionskapazität (Beladung bei hohem Relativdruck), wie häufig in der Literatur gesehen, nicht ausreichend, um über die Eignung eines Zeoliths für den Einsatz in einer Adsorptionswärmepumpe zu entscheiden.

Thermally operated heat pumps may play an important role in the usage of waste heat. Their efficiency can be influenced among other things by modifying the structural and chemical properties of the adsorbent. The focus of this thesis is the influence of Aluminum density and other structural properties, e.g. specific surface area, pore volume and proportion of micro-/mesopores, on the behavior of zeolites in water vapor sorption. A holistic approach is necessary to put the correlations in perspective, to be able to establish a structure-property-correlation and to use that knowledge to tailor adsorbents for any application. Commercially available zeolites of different framework types were thoroughly analyzed using nitrogen physisorption and water physisorption. The influence of the counterion in the framework was discussed in a type FAU zeolite (Li+, Na+, NH4+, H+). Furthermore, several hierarchical zeolites of type LTA and MFI were used to investigate the influence of meso- and macropores on the water sorption behavior. The water sorption isotherms were also qualitatively evaluated concerning the course of the isotherm. In addition, the pore filling degree at low and high relative pressure was calculated which showed a deviating water sorption behavior for different framework types with the same Aluminum density. Across all investigated areas the influence of the structural properties was significant. All in all, it was obvious that the adsorption of water on zeolite is complex and highly influenced by the material properties. Hence, a simple consideration of the sorption capacity (loading at high relative pressure), as often seen in literature, is not enough to determine the qualification of a zeolite as an adsorbent in an adsorption heat pump.

OpenAccess:
PDF
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