Welche Aktivkohle eignet sich am besten zur Entfernung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in Innenräumen?

Was sind flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und warum sie für die Innenraumluftqualität wichtig sind

VOCs, also flüchtige organische Verbindungen, sind im Grunde genommen kohlenstoffbasierte Chemikalien, die dazu neigen, zu verdampfen, wenn sie bei normalen Temperaturen stehen gelassen werden. Wir finden sie dabei, wie sie aus Dingen wie Farbdosen, den Reinigungssprays unter unserer Spüle, neuen Möbeln und sogar einigen Baumaterialien, die beim Bau verwendet werden, austoßen. Das Problem ist, dass diese in der Luft befindlichen Chemikalien die Qualität unserer Innenraumluft tatsächlich verschlechtern und eine Vielzahl von gesundheitlichen Problemen verursachen können. Menschen können Kopfschmerzen bekommen oder sich schwindelig fühlen, doch es gibt auch Hinweise darauf, dass eine langfristige Exposition Atemprobleme und Beeinträchtigungen der Gehirnfunktion verursachen kann. Angesichts der Tatsache, dass die meisten Menschen in Amerika laut dem EPA-Bericht aus dem Jahr 2023 etwa 90 Prozent ihres Lebens in Gebäuden verbringen, bedeutet dies, dass VOCs sowohl zu Hause als auch in Büros im ganzen Land zu einem ernstzunehmenden Thema werden.

Wie Aktivkohle funktioniert: Die Wissenschaft der Adsorption zur Entfernung von innerhalb von Räumen vorkommenden VOCs

Aktivkohle wirkt, indem sie flüchtige organische Verbindungen (VOCs) durch einen Prozess namens Adsorption bindet. Im Wesentlichen haften Gasmoleküle auf der Oberfläche der Kohle, da diese über zahlreiche winzige Poren verfügt. Ein einziges Gramm enthält Tausende mikroskopisch kleine Poren mit Größen zwischen unter 2 Nanometern und etwa 50 Nanometern. Diese Poren verleihen der Aktivkohle eine beeindruckende Oberfläche von 1.000 bis 3.000 Quadratmetern pro Gramm, was ungefähr der Fläche von 2 bis 5 vollständigen Tennisplätzen entspricht! Das Material fängt schädliche Substanzen wie Formaldehyd, das etwa 0,45 Nanometer groß ist, und Benzol mit einer Größe von ungefähr 0,6 Nanometern ein. Dies geschieht dank schwacher Anziehungskräfte, sogenannter van-der-Waals-Kräfte, sowie teilweise auch durch direkte chemische Bindungen. Es gibt einen Unterschied zwischen diesem Vorgang und der normalen Absorption, bei der Stoffe in ein anderes Medium gelöst werden. Bei der Adsorption heften sich die Moleküle buchstäblich direkt an das Filtermaterial.

Warum chemische Filtration für gasförmige Schadstoffe in Wohnungen und Büros unerlässlich ist

Standard-HEPA-Filter fangen Partikel ein, entfernen aber keine gasförmigen VOCs. Untersuchungen zeigen, dass Aktivkohlefilter innerhalb von 48 Stunden 60–90 % der luftgetragenen Chemikalien eliminieren können. Diese chemische Filtration ist entscheidend in Umgebungen mit neuen Möbeln, Reinigungsmitteln oder Verbrennungsquellen, wo die VOC-Konzentrationen 2–5-mal höher sein können als im Freien.

Porenstruktur und Oberfläche: Wie sie die VOC-Adsorptions-Effizienz beeinflussen

Mikroporen vs. Mesoporen: Abstimmung der Porengröße auf die molekularen Abmessungen von VOCs

Wie gut Aktivkohle flüchtige organische Verbindungen (VOCs) in Innenräumen entfernt, hängt entscheidend davon ab, ob ihre Poren zur Größe der Schadstoffe passen. Kleine Poren unter 2 Nanometern eignen sich hervorragend zur Aufnahme winziger VOCs wie Formaldehyd, das etwa 0,45 nm groß ist. Größere Poren im Bereich von 2 bis 50 nm sind besser geeignet, um größere Moleküle wie Toluol mit einer Größe von etwa 0,67 nm zu binden. Eine Studie aus dem Jahr 2022 im Fachjournal Building and Environment zeigte zudem etwas Interessantes bezüglich der Entfernung von Benzol. Demnach erfolgt die maximale Adsorption, wenn ein Mikroporenvolumen von etwa 0,6 bis 0,9 nm verfügbar ist. Dies richtig einzustellen ist sehr wichtig, da es den sogenannten molekularen Siebeffekt erzeugt. Wenn alles optimal aufeinander abgestimmt ist, kann die Kohle mehr Schadstoffe binden, ohne ihr Adsorptionspotenzial zu verschwenden.

Oberfläche und deren Zusammenhang mit der Filtereffizienz bei der Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) in Innenräumen

Die Menge an verfügbarem Platz auf der Oberfläche eines Aktivkohlefilters beeinflusst direkt, wie viele VOC-Moleküle er binden kann. Aktivkohlefilter mit einer BET-Oberfläche von über 1000 Quadratmetern pro Gramm zeigen im Allgemeinen etwa 40 Prozent bessere Fähigkeit, typische Schadstoffe in Innenräumen zu absorbieren. Stellen Sie sich vor: Jeder Gramm dieser Aktivkohle verfügt über eine Oberfläche, die ungefähr der von 1,5 Tennisplätzen zusammen entspricht. Diese enorme Oberfläche bietet zahlreiche Stellen, an denen gasförmige Schadstoffe haften bleiben können. Labortests zeigen, dass diese Kohlenstoffe mit hoher Oberfläche bei idealen Bedingungen etwa 98 % der flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), einschließlich Substanzen wie Limonen und Xylol, entfernen können. In der Praxis hängt die Effizienz jedoch stark von Faktoren wie Luftströmungsgeschwindigkeit und Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung ab.

Dateneinblick: BET-Oberflächen über 1000 m²/g verbessern die Entfernung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in Innenräumen

Tests haben gezeigt, dass Kohlenstoffmaterialien mit BET-Oberflächen von über 1200 Quadratmetern pro Gramm etwa 92 % flüchtige organische Verbindungen zurückhalten können, wenn die Konzentrationen unter 1 Teil pro Million Volumen liegen. Das ist im Vergleich zu lediglich 68 % Rückhalterate bei Materialien mit nur 800 Quadratmetern pro Gramm Oberfläche ziemlich beeindruckend. Woran liegt das? Diese besseren Ergebnisse hängen damit zusammen, wie gut die Poren innerhalb der Materialstruktur miteinander verbunden sind. Wenn die Poren besser vernetzt sind, entsteht weniger Widerstand für Moleküle, die während des Adsorptionsprozesses an der Oberfläche haften wollen. Hochleistungsfilter aus solchen Materialien halten in Haushalten normalerweise zwischen sechs und neun Monaten, das ist etwa 30 % länger als bei herkömmlichen Filtern auf dem heutigen Markt. Obwohl sie zunächst teurer sein können, stellen die meisten Hausbesitzer fest, dass sich diese Filter langfristig finanziell lohnen, da sie nicht so häufig ausgetauscht werden müssen.