Die Physik dahinter – Warum sind Molsiebe wiederverwendbar?

Molekularsiebe bestehen in ihrer Grundstruktur aus SiO₄- und AlO₄-Tetraedern – auch Zeolithe genannt. Feuchtigkeit und andere Stoffe nehmen die kleinen Kugeln durch einen vollständig physikalischen Vorgang auf. Moleküle aus der Luft werden mittels van-der-Waals-Kräften und elektrostatischen Wechselwirkungen an der Oberfläche eng definierter Poren gebunden (Adsorption). Besonders polare Moleküle wie z.B. Wasser werden dabei bevorzugt angezogen. 

Da es sich um einen physikalischen und nicht um einen chemischen Prozess handelt, ist dieser wieder reversibel. Dafür muss dem Granulat Energie in Form von Wärme oder durch eine Druckminderung zugeführt werden.

Die Moleküle, die zuvor in den Poren gebunden wurden, werden durch die zugeführte Energie wie ein Magnet wieder losgelöst (Desorption). Dieser Vorgang wird als Regeneration bezeichnet.

Den richtigen Zeitpunkt für die Regeneration erkennen. 

Adsorbentien haben eine fest definierte Adsorptionskapazität, die beschreibt, wie viel Moleküle wie z.B. Wasser das Material maximal aufnehmen kann – z.B. 21-25% des eigenen Gewichtes an H₂O bei unseren Molekularsieben. Diese hängt von mehreren Faktoren, wie den spezifischen Materialeigenschaften ab, aber auch von Umgebungstemperatur und relativer Luftfeuchte. Ist die maximale Beladung erreicht, sind die Kugeln im Granulat gesättigt und können keine weiteren Stoffmoleküle mehr adsorbieren und müssen ausgetauscht oder regeneriert werden.  

Um den aktuellen Sättigungsstand von Zeolithen zu messen gibt es verschiedene Methoden. Im Gegensatz zu Silica Gel wird bei Molekularsieben kein Farbindikator zur Sättigungskontrolle verwendet. Daher muss auf andere Methoden zurückgegriffen werden: 

• Feuchtigkeitsmessung: Angebrachte Sensoren messen eine ansteigende Restfeuchte, die den Austauschzeitpunkt signalisiert. 
• Gewichtsänderung: Der Sättigungsstand wird rechnerisch durch das Wiegen des Adsorbens ermittelt. 
• Druckabfallmessung: In manchen Fällen ist ein Abfallen des Drucks im System ein Indiz für gesättigtes Adsorbens
• Zeit/Betriebszyklussteuerung: Die Adsorbens-Füllung wird basierend auf Erfahrungswerten und zu erwartender Belastung zyklisch ausgetauscht. 

Wie oft kann regeneriert werden?

Bei ordnungsgemäßer Regeneration kann in der Regel von mehreren tausend Regenerationszyklen ausgegangen werden, bevor die Molekularsiebe vollständig ausgetauscht werden sollten. 

Die Lebensdauer ist stark abhängig von Einsatzbedingungen im Betrieb: Temperatur, Druck, Gasführung, mechanische Belastung, Verunreinigungen etc. Auch, wenn Zeolithe ein beständiges Material sind, treten mit der Zeit unweigerlich Beschädigungen an der Oberfläche der Poren auf, die sich negativ auf die Adsorptionskapazität auswirken. 

Im Testversuch nach Campbell (2008) zeigt sich, dass die relative H₂O Adsorptionskapazität nach den ersten 500 Regenerationszyklen bei optimalen Bedingungen auf ⁓80% der Ursprungskapazität sinkt. Danach flacht die Kurve ab und der Kapazitätsverlust pro Zyklus wird geringer.

Kommen während dem Betrieb weitere Störfaktoren wie z.B. Verunreinigungen oder Blockaden dazu, wirkt sich dies spürbar negativ auf die Lebensdauer des Adsorbens aus.

Für unser GIEBEL CAGESPHERE® 4A würde das nach 500 Zyklen unter Optimalbedingungen einen Verlust der maximalen Adsorptionskapazitäts von ⁓230ml auf ⁓184ml pro kg Molekularsieb bedeuten. 

Erfolgreich regeneriert oder nicht?

Ob ein Regenerationsvorgang erfolgreich war und die Feuchtigkeit vollständig ausgetrieben wurde, kann im Nachhinein klar festgestellt werden. 

Taupunkt-Messung

Nach der Regeneration wird ein Gasstrom durch die Zeolith Schüttung geleitet und deren Taupunkt am Auslass gemessen. Erreicht das Gas den geforderten Taupunkt, wurde das Zeolith erfolgreich regeneriert. 

Vergleich mit Sollwerten

Viele Anlagen setzten auf feste Zyklenzeiten mit standardisierten Referenzwerten. Wenn die geplante Standzeit nicht erreicht wird, lässt dies auf eine ineffektive Regeneration schließen.

Gaskonzentration

Sollen spezifische Stoffe aus einem Gasstrom entfernt werden (z.B. O₂, N₂), kann die Ausgangsreinheit mittels Testverfahren festgestellt werden. Regeneriertes Material muss die Soll-Werte erreichen.