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Tutorial MenueKompaktkurs KatalyseLerneinheit 3 von 6

Ablauf der heterogenen Katalyse

Diffusionvorgänge in den Poren

In den Poren können verschiedene Diffusionsmechanismen stattfinden:

  • Freie molekulare Diffusion/Normal-Diffusion
  • Knudsen-Diffusion
  • Konfigurelle Diffusion

Welche der drei Diffusionsmechanismen dominiert, ist vom Porendurchmesser und vom Gasdruck – also von der freien Weglänge der einzelnen Moleküle - abhängig.

Abb.1

Normal-Diffusion

In großen Poren werden die Moleküle selten die Wand treffen. Es herrscht freie molekulare Gasdiffusion, welche sich mit dem binären Gasdiffusionskoeffizienten D 1,2 beschreiben lässt.

Da in diesem Diffusionskoeffizienten die Struktur des porösen Katalysators nicht berücksichtigt wird, wurde der effektive Diffusionskoeffizient

D 1,2 e = D 1,2 ε p τ p

eingeführt. Der Porositätsfaktor ε p gibt den Flächenanteil der Porenöffnungen der äußeren Oberfläche wieder, der Labyrinthfaktor τ p die innere Vernetzung.

Knudsen-Diffusion

Ist die Porengröße kleiner als die mittlere freie Weglänge der Moleküle, werden diese im Porengefüge ihren Impuls häufiger an die Porenwand als an andere Moleküle weitergeben. Dieser Bereich wird Knudsen-Diffusion genannt. Der zugehörige effektive Diffusionskoeffizient berechnet sich mit:

D 1 K , e = ε p τ p d p 3 8 R T π M 1

Konfigurelle Diffusion

Nimmt der Porendurchmesser die Größenordnung eines Moleküls an, wird der Stofftransport durch die konfigurelle Diffusion beschrieben. Typisches Beispiel dafür ist der Stofftransport innerhalb des Porengefüges eines Zeolithen.

Kleine Veränderungen an der Struktur des Feststoffes können den Wert des Diffusionskoeffizienten um mehrere Zehnerpotenzen verschieben. Den gleichen Effekt können geringe Strukturveränderungen der diffundieren Spezies hervorrufen (vgl. Diffusion von iso- und n-Alkanen im Zeolith A).

Eine abschätzende Vorausberechnung der Geschwindigkeit der konfigurellen Diffusion ist derzeit noch nicht möglich.

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