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Als Adsorption von lateinisch adsorptio von adsorbere an saugen bezeichnet man die Anreicherung einer Substanz die in einer fluiden Phase im flussigen oder gasformigen Aggregatzustand gelost ist an der Grenzflache zu einer zweiten kondensierten Phase im flussigen oder festen Aggregatzustand 1 Die sich an der Grenzflache anreichernde Substanz wird als Adsorptiv bezeichnet solange sich diese in der fluiden Phase befindet Im adsorbierten Zustand wird die sich an der Grenzflache anreichernde Substanz Adsorbat genannt Die die Grenzflache bereitstellende kondensierte Phase wird als Adsorbens bezeichnet 2 Adsorption ist zu unterscheiden von Absorption bei der die Stoffe in das Innere eines Festkorpers oder einer Flussigkeit eindringen 3 Der Oberbegriff fur Adsorption und Absorption lautet Sorption 4 Adsorbieren zwei oder mehr Spezies an eine Oberflache so nennt man dies Koadsorption Dies spielt vor allem bei Katalysatoren eine wichtige Rolle bei denen die verschiedenen Atomsorten auf der gleichen Oberflache adsorbiert werden und dort reagieren 5 Inhaltsverzeichnis 1 Abgrenzung 2 Physikalische Adsorption 2 1 Adsorptionsisotherme 2 2 Konkurrierende Adsorption 3 Chemische Adsorption 4 Anwendungen 4 1 Physisorption 4 1 1 Physisorption in der Gasphase 4 1 2 Physisorption in der Flussigphase 4 2 Chemisorption 5 Siehe auch 6 Literatur 7 EinzelnachweiseAbgrenzung BearbeitenIm allgemeinen Sinn ist Adsorption ein physikalischer Prozess bei dem Stoffe in der Regel Molekule auf der Oberflache eines anderen Stoffes haften bleiben und sich auf dessen Oberflache anreichern Die Krafte die die Anhaftung verursachen sind keine chemischen Bindungen sondern nur Van der Waals Krafte Daher wird diese Form der Adsorption exakter physikalische Adsorption oder Physisorption genannt Die physikalische Adsorption umfasst grundsatzlich auch den umgekehrten Prozess die Desorption da ein System immer ein Gleichgewicht zwischen dem Adsorbieren und Desorbieren eines Stoffes anstrebt Die Oberflache auf der die Adsorption stattfindet kann die Oberflache eines Feststoffes oder die Oberflache einer Flussigkeit sein Allgemein nennt man die Oberflachen Grenzflachen Die Phase aus der der Stoff auf die Grenzflache gelangt kann eine Gasphase oder eine Flussigkeit Losung sein Die Teilchen gelangen durch ihre ungerichtete thermisch getriebene Molekularbewegung zur Grenzflache In den folgenden Abschnitten wird jedoch hauptsachlich die Adsorption von Gasen auf feste Oberflachen beschrieben Die Physisorption ist neben der Absorption ein alltaglicher Prozess und findet an fast allen Oberflachen statt die Gasen Luft oder Flussigkeiten Wasser ausgesetzt sind Bei dem speziellen Fall einer chemischen Adsorption auch Chemisorption genannt werden Stoffe durch chemische Bindungen auf die Oberflache eines Feststoffes gebunden Die Chemisorption kann erhebliche Konsequenzen fur den adsorbierten Stoff haben und unterscheidet sich damit von einer Physisorption Durch Brechen und Knupfen chemischer Bindungen konnen sich andere Stoffe bilden und ein desorbierter Stoff Desorbat kann ein Produkt einer chemischen Reaktion sein In der Regel treten bei der Chemisorption hohe Reaktionswarmen auf was als ein Kriterium zur Unterscheidung zwischen Physisorption und Chemisorption genutzt werden kann Chemisorption ist oft keine Gleichgewichtsreaktion also irreversibel findet unter Umstanden nur bei hohen Temperaturen statt und fuhrt haufig nicht zu einer Anreicherung von Stoffen auf der Oberflache Chemisorptionen sind wichtige Schritte die bei Prozessen der heterogenen Katalyse auftreten Im Allgemeinen sollte der Begriff Adsorption nur fur die alltaglichen Prozesse der Physisorption verwendet werden Spezielle Adsorptionen mit chemischen Prozessen sollten explizit als Chemisorption bezeichnet werden Physikalische Adsorption BearbeitenPhysikalische AdsorptionMonolage Adsorptionsenergie nbsp nbsp Abb 1 a Adsorbens b Adsorbat an der Grenzflache c Gasphase bzw Losung mit Adsorptiv Abb 2 a Adsorbens b Adsorbat c Gasphase d Abstand E Energie Eb Adsorptionsenergie 1 Reflexion 2 AdsorptionMonolage und Kondensat Selektivitat nbsp nbsp Abb 3 a Adsorbens b Adsorbat c Kondensat d Gasphase bzw Losung mit Adsorptiv Abb 4 a Adsorbens b Adsorbat c Gasphase bzw Losung mit verschiedenen Adsorptiv Molekule in blau werden hier bevorzugt adsorbiertRaue Oberflache Innere Oberflache nbsp nbsp Abb 5 a Adsorbens mit rauer Oberflache b Adsorbat c Gasphase bzw Losung mit Adsorptiv Abb 6 Struktur von Zeolith A mit einer grossen inneren Oberflache Hauptartikel Physisorption Die physikalische Adsorption eines Stoffes auf einer Oberflache ahnelt einer chemischen Gleichgewichtsreaktion Der adsorbierte Stoff Adsorbat bildet jedoch mit der Oberflache keine chemische Bindung aus sondern haftet durch schwachere Krafte ahnlich der Adhasion So treten in der Regel nur Van der Waals Krafte auf Die Adsorptionsenergie liegt bei der Physisorption deutlich unter 100 kJ mol 6 Chemische Bindungen innerhalb eines adsorbierten Teilchens bleiben bestehen werden jedoch polarisiert Fur diese Gleichgewichtsreaktion kann man eine Reaktionsgleichung zwischen dem Stoff der adsorbiert wird Adsorptiv der Oberflache des Festkorpers Adsorbens und dem Adsorbat aufstellen X g X a d s displaystyle X mathrm g Box rightleftharpoons X mathrm ads nbsp Wobei gilt X g displaystyle X mathrm g nbsp Teilchen in der Gasphase bzw in Losung Adsorptiv X a d s displaystyle X mathrm ads nbsp Teilchen auf der Oberflache Adsorbat displaystyle Box nbsp freie Oberflachenplatze des AdsorbensTreffen Teilchen auf die Oberflache Abb 1 werden diese entweder reflektiert oder adsorbiert Adsorption tritt auf wenn die Teilchen ihre kinetische Energie und die Adsorptionsenergie Eb abgeben konnen die in Form von Warme frei wird Abb 2 Die Reaktion ist also exotherm Die Adsorption ist reversibel da die Teilchen mit ahnlich viel Energie die Oberflache wieder verlassen konnen da diese Reaktionen in der Regel nicht durch Ubergangszustande gehemmt werden Die Aktivierungsenergie Ea der Reaktion ist daher gleich der Adsorptionsenergie Eb Adsorbierte Teilchen haben keinen fixen Bindungsort an der Oberflache verweilen nicht an der Stelle wo sie adsorbiert wurden sondern bewegen sich frei entlang der Oberflache Die Lage des Gleichgewichts hangt von den Eigenschaften und Grosse der Oberflache den Eigenschaften und dem Druck bzw Konzentration des Adsorptivs sowie von der Temperatur ab Bei 300 C und normalen Drucken liegt das Gleichgewicht oft ganz auf der linken Seite Liegt das Gleichgewicht ganz auf der rechten Seite bilden die Teilchen aus der Gasphase im Idealfall eine monomolekulare Schicht auf der Oberflache aus Praktisch konnen sich nach der Bildung der Monolage weitere Lagen bilden Abb 3 Streng genommen zahlt man nur die Bildung der ersten Schicht zur Adsorption da nur hier Wechselwirkungen zwischen Oberflache und Adsorptiv wirken In den anderen Lagen bestehen nur Wechselwirkungen zwischen den Adsorbaten Streng genommen handelt es sich dann um eine Kondensation der Adsorptive Die Kondensationsenthalpie Bindungsenergie der Adsorbate untereinander ist in der Regel deutlich geringer als die Adsorptionsenergie eines Adsorbats zum Adsorbens In der Regel haben die Oberflachen der Adsorbentien keine ideal ebene Struktur sondern haben zahlreiche Defekte Gitterfehler Diese Defekte bilden Stellen an denen das Adsorbat besonders fest gebunden ist Abb 5 Die Mobilitat des Adsorbats erlaubt die Besetzung dieser Stellen unabhangig von der Stelle wo das Adsorptiv adsorbiert wurde Die Leistungsfahigkeit eines Adsorbens steigt daher mit der Zahl seiner Defekte Aus diesem Grund ist die weitgehend amorph aufgebaute Aktivkohle im Vergleich zum Graphit ein besonders leistungsstarkes Adsorbens Andere leistungsstarke Stoffe wie Zeolithe sind nicht amorph verfugen aber uber ein sehr enges Kanalsystem Abb 6 eine so genannte innere Oberflache in dem nur wenige Molekule Adsorptive nebeneinander Platz finden Bei solchen Stoffen lassen sich Adsorption und Kondensation kaum noch unterscheiden Gelegentlich nennt man solche Prozesse auch Kapillarkondensation siehe Kapillaritat Oberflachen sind unter normalen Bedingungen immer durch Stoffe belegt Auf der Oberflache von Feststoffen in Kontakt mit Losemitteln sitzen Losemittelmolekule Oberflachen in Kontakt mit Luft sind z B mit Wassermolekulen belegt Praktisch geeignete Adsorbentien zeichnen sich durch eine Selektivitat aus Abb 4 Aus Losungen verdrangen geloste Stoffe die Losemittel und aus der Luft verdrangen bestimmte Stoffe das Wasser von der Oberflache da sie starker gebunden werden Adsorptionsverdrangung Diese Anreicherung bestimmter Stoffe auf der Oberflache erlaubt die Herstellung von Gasfiltern z B in Atemschutzfiltern und Verfahren der Adsorptionschromatografie Adsorptionsisotherme Bearbeiten Hauptartikel Adsorptionsisotherme Adsorptionsisothermemonomolekulare Schicht nbsp Abb 7 N Zahl der adsorbierten Teilchen p Druck Nm Zahl der Teilchen bei voller Belegung der Oberflache 1 und 2 Adsorptionsisotherme fur zwei Temperaturen hohere Temp bei 2 3 KondensationKapillarkondensation nbsp Abb 8 Adsorptionsverhalten vom grossporigen grobporigen Materialien wie SilicagelFur die Adsorption von monomolekularen Schichten lasst sich ein Belegungsgrad 8 displaystyle Theta nbsp der Oberflache definieren 8 N N m displaystyle Theta frac N N mathrm m nbsp mitN displaystyle N nbsp Zahl der adsorbierten Molekule N m displaystyle N m nbsp Zahl der Molekule bei voller BelegungDer Belegungsgrad 8 displaystyle Theta nbsp in einem System Gas Festkorperoberflache ist abhangig vom Partialdruck p displaystyle p nbsp des Gases und der Temperatur T displaystyle T nbsp 8 f p T displaystyle Theta f p T nbsp Fur die Charakterisierung Messung der Oberflachen von Stoffen werden bevorzugt sogenannte Adsorptionsisothermen aufgenommen bei denen die Temperatur konstant gehalten wird Als Adsorbat werden oft Gase wie Stickstoff oder Edelgase verwendet Die Lage des Gleichgewichts eines Systems ist dann nur noch abhangig vom Druck 8 f p T k o n s t a n t displaystyle Theta f p T mathrm konstant nbsp Eine praktisch wichtige Isotherme ist die Langmuir Isotherme die in dieser Form dargestellt werden kann N N m p b p displaystyle N frac N mathrm m p b p nbsp Die Grosse b displaystyle b nbsp kann man als Verhaltnis der Geschwindigkeitskonstanten der Desorption und Adsorption eines Systems betrachten Die Abbildung 7 zeigt den Verlauf der Belegung Fur kleine p displaystyle p nbsp p b displaystyle p ll b nbsp verlauft die Adsorptionsisotherme proportional zu p displaystyle p nbsp Fur grosse p displaystyle p nbsp p b displaystyle p gg b nbsp nahert sich die Kurve der monomolekularen Belegung N m displaystyle N m nbsp Bei hoheren Drucken kommt es zur Kondensation die jedoch durch die Langmuir Isotherme nicht beschrieben wird Neben der langmuirschen Adsorptionsisotherme kann auch mit der freundlichschen Gleichung die chemische Adsorption beschrieben werden 7 Materialien mit rauer oder inneren Oberflache zeigen oft ein anderes Adsorptionsverhalten welches sich nicht durch Langmuir Isotherme beschreiben lasst Haufig wird auf die Isotherme nach Brunauer Emmett und Teller BET Isotherme zuruckgegriffen N N m a p p 0 p 1 a 1 p p 0 displaystyle N frac N mathrm m ap p 0 p 1 a 1 p p 0 nbsp mit a als systemspezifische Konstante Adsorptionsisothermen von Materialien wie Silicagel zeigen bei niedrigem Druck einen steilen Anstieg Abb 8 haben jedoch nur eine Tendenz sich N m displaystyle N m nbsp anzunahern und ubersteigen diesen Wert fruh Hier kommt die Kapillarkondensation zum Tragen die energetisch nahe bei der Adsorptionswarme einer monomolekularen Belegung liegt Konkurrierende Adsorption Bearbeiten Belegen Molekule einer Komponente die Oberflache eines Adsorbens das fur die Abscheidung einer anderen Komponente gedacht war so wird von konkurrierender Adsorption gesprochen Dies ist bei technischen Trennaufgaben von Bedeutung da in vielen Fallen Stoffgemische auftreten z B ein Kohlenwasserstoff und Wasserdampf In solchen Fallen ist die Selektivitat des Adsorbens von grosser Bedeutung 8 Konkurrierende Adsorption kann durch Messung von Durchbruchskurven mit zwei oder mehr Adsorptiven beobachtet und quantifiziert werden Chemische Adsorption BearbeitenChemische AdsorptionMonolage nbsp Abb 9 a Adsorbens b Adsorbat c Gasphase mit Adsorptiv 1 Physisorption 2 dissoziative Chemisorption 3 gerichtete ChemisorptionAdsorptionsenergieMolare Enthalpie in kJ mol 9 Cr FeCO 192H2 188 134C2H4 427 248 Hauptartikel Chemisorption Die chemische Adsorption ist eine Anlagerung von Stoffen auf die Oberflache von Feststoffen die chemischen Bindungskraften gleicht Wahrend bei der physikalischen Adsorption die Bindungskrafte von deutlich unter 100 kJ mol wirken liegt die Adsorptionsenthalpie bei chemischen Adsorption bei mehr als 200 kJ mol 6 Bei der Chemisorption werden Bindungen zu der Oberflache geknupft und die elektronische Struktur innerhalb des Adsorbats verandert Durch die direkten Bindungen zur Oberflache konnen sich maximal monomolekulare Schichten bilden Trotz einer chemischen Bindung zur Oberflache kann sich das Adsorbat wie bei einer Physisorption meist entlang der Oberflache bewegen Die Chemisorption kann erhebliche Konsequenzen fur den adsorbierten Stoff haben die von den Eigenschaften des Adsorbats des Adsorbens und der Temperatur des Systems abhangen Chemisorption ist ein grundlegender Prozess bei der Katalyse mit festen Katalysatoren die so genannte heterogene Katalyse Bindungen innerhalb des adsorbierten Stoffes konnen geschwacht werden Chemische Reaktionen mit anderen Reaktionspartnern konnen nun leichter ablaufen man spricht von einer katalytischen Aktivierung der Reaktion Unter Umstanden konnen Bindungen innerhalb des Adsorbats gebrochen werden was zu einem Zerfall des Adsorbats in zwei oder mehr Teilchen fuhren 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 konnen dazu fuhren dass andere Teilchen desorbiert werden als adsorbiert wurden Die Chemisorption hat dann eine chemische Reaktion ausgelost 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 uber das C Atom auf die Metallflache Abb 9 3 analog zur Bindungsrichtung die bei Metallcarbonylen vorliegt Die Adsorption ist eine exotherme Reaktion die jedoch uber energetisch ungunstig hohe Ubergangszustande verlaufen kann aktivierte Adsorption Bei aktivierten Adsorptionen erfolgt Adsorption im Gegensatz zur Physisorption erst bei hoheren 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 Veranderungen am Adsorbat Wahrend einige adsorbierte Teilchen z B H2 oder O2 dissoziiert sind haben andere Teilchen z B CO2 ihre raumliche Konfiguration geandert Die Grosse der Aktivierungsenergien und der Adsorptionswarmen hangen 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 fur die Desorption bestimmter Teilchen eine zu hohe Aktivierungsenergie erforderlich ist Tritt solche Chemisorption bei Katalysatoren auf fuhrt dies zur Deaktivierung und man spricht von Katalysatorgift Anwendungen BearbeitenPhysisorption Bearbeiten Da bei der Adsorption Warme freigesetzt und bei der Desorption Warme aufgenommen wird werden auf der Adsorption basierende Warmepumpen Adsorptionskaltemaschinen gebaut Beim Betrieb von Adsorptionskaltemaschinen wird der Aggregatzustand des Fluids geandert Physisorption in der Gasphase Bearbeiten Als Adsorbenzien kommen beispielsweise Aktivkohle Aktivkoks Silicagel oder Molekularsiebe Zeolithe in Form von Schuttungen oder in strukturierter Form zum praktischen Einsatz Auf Physisorption beruhen Gasfilter wie Atemschutzfilter und Verfahren zur Trocknung feuchter Luft Adsorptionstrocknung Adsorptive Verfahren werden haufig zur Abgasreinigung verwendet Sie dienen zur Ruckhaltung von Kohlenwasserstoffen z B in Form von Losungsmitteln 10 oder Benzindampfen 11 Weiterhin werden Adsorptionsverfahren zur Beseitigung von Geruchsstoffen 12 Schwefelwasserstoff 13 und Schwefeldioxid 14 eingesetzt Auch zur Glattung von Konzentrationsspitzen vor Oxidations Katalysatoren findet die Adsorption Anwendung 15 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 Grenzflache und einer mobilen Phase Bei technischer Trennung und von Gasgemischen wird Physisorption genutzt da Gase druck und temperaturabhangig unterschiedlich stark an der Oberflache 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 16 Gassorptionsmessungen also die Messung von Gassorptionsisothermen und deren modellbasierte Auswertung sind Standardverfahren zur Charakterisierung von mikro und mesoporosen Materialien sowie Pulvern Physisorption in der Flussigphase Bearbeiten Zur Reinigung vieler Naturstoffe 17 und heute vor allem in der Wasseraufbereitung Abwasserreinigung Grundwassersanierung sowie in der Industriewasserwirtschaft wird die Adsorption zur Entfernung von schadlichen Wasserinhaltsstoffen oder zur Stoffruckgewinnung verwendet 18 Chemisorption Bearbeiten Chemisorption ist der grundlegende Prozess bei der heterogenen Katalyse Katalysatoren sind hierfur geeignete Feststoffe Fur die Hydrierung von C C Doppelbindungen wird Wasserstoff und als Katalysator Raney Nickel oder Nickel Aluminium Legierungen verwendet Die Chemisorption von Wasserstoff auf Katalysatoren spielt auch beim Haber Bosch Verfahren zur Gewinnung von NH3 eine wesentliche Rolle Die Chemisorption von Kohlenmonoxid und Wasserstoff ermoglicht bei der Fischer Tropsch Synthese die Synthese von Kohlenwasserstoffen Auch Fahrzeugkatalysatoren beruhen auf einer heterogenen Katalyse Siehe auch BearbeitenAbsorption Chemie Gassorptionsmessung SorptionsisothermeLiteratur BearbeitenWilhelm Schwieger Helge Toufar Anorganisch porose Materialien Praparation Verarbeitung und Industrielle Herstellung Springer Berlin 2007 ISBN 978 3 540 23649 8 Dieter Bathen Marc Breitbach Adsorptionstechnik Springer Berlin 2001 ISBN 978 3 540 41908 2 L W Bruch Milton W Cole Eugene Zaremba Physical Adsorption Forces and Phenomena Dover Pubn Inc 2007 ISBN 978 0 486 45767 3 Stephen Brunauer The Adsorption of Gases and Vapors Vol I Physical Adsorption Dodo Press 2007 ISBN 978 1 4067 5030 0 VDI 3674 2013 04 Abgasreinigung durch Adsorption Prozessgas und Abgasreinigung Waste gas cleaning by adsorption Process gas and waste gas cleaning Beuth Verlag Berlin Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis online Einzelnachweise Bearbeiten IUPAC adsorption A00155 In Compendium of Chemical Terminology 2nd ed the Gold Book The International Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC abgerufen am 20 April 2023 englisch Hans Jorg Bart Ulrich von Gemmingen Adsorption In Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim 2005 ISBN 978 3 527 30673 2 doi 10 1002 14356007 b03 09 pub2 wiley com abgerufen am 20 April 2023 IUPAC absorption A00036 In Compendium of Chemical Terminology 2nd ed the Gold Book The International 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3674 2013 04 Abgasreinigung durch Adsorption Prozessgas und Abgasreinigung S 51 62 Rolf Germerdonk Adsorption von Geruchs und anderen problematischen Stoffen Staub Reinhalt Luft ISSN 0949 8036 36 1976 Nr 7 S 306 311 Kurt Hedden L Huber B R Rao Adsorptive Reinigung von schwefelwasserstoffhaltigen Abgasen Staub Reinhalt Luft ISSN 0949 8036 36 1976 Nr 7 S 313 317 Karl Knoblauch R Noack Betriebserfahrungen mit dem Bergbau Forschungsverfahren zur Rauchgasentschwefelung Staub Reinhalt Luft ISSN 0949 8036 36 1976 Nr 7 S 318 323 VDI 3476 Blatt 2 2010 01 Abgasreinigung Verfahren der katalytischen Abgasreinigung Oxidative Verfahren Waste gas cleaning Catalytic waste gas cleaning methods Oxidative processes Beuth Verlag Berlin S 28 VDI 3896 2015 10 Emissionsminderung Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualitat Emission Control Preparation of biogas to natural gas quality Beuth Verlag Berlin S 15 Otto Westphal Theodor Wieland Heinrich Huebschmann Lebensregler Von Hormonen Vitaminen Fermenten und anderen Wirkstoffen Societats Verlag Frankfurt am Main 1941 Frankfurter Bucher Forschung und Leben Band 1 S 118 122 Gabi Fortsch Heinz Meinholz Handbuch Betrieblicher Immissionsschutz 2013 Springer Spektrum ISBN 978 3 658 00005 9 S 286 293 Normdaten Sachbegriff GND 4000536 7 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Adsorption amp oldid 237501514