Aktivkohle: Herstellung, Poren & Verwendung

Lexikon · Stoff- und Werkstoffkunde

Was ist Aktivkohle?

Aktivkohle besteht zu rund 85 bis über 95 Prozent aus Kohlenstoff. Dieser liegt nicht wie im Graphit oder Diamant in einem regelmässigen Kristallgitter vor, sondern als ungeordnetes, «turbostratisches» Geflecht winziger Graphitschichten. Zwischen diesen Schichtpaketen bleiben Hohlräume offen – ein dreidimensionales Porensystem, das dem Material seine aussergewöhnliche innere Oberfläche verleiht. Übliche Handelsqualitäten erreichen 500 bis 1500 Quadratmeter pro Gramm; ein einziger Teelöffel Aktivkohle bringt es damit rein rechnerisch auf eine Fläche in der Grössenordnung eines Fussballfelds.

Der eigentliche Vorgang, um den sich alles dreht, heisst Adsorption: Moleküle aus einer Flüssigkeit oder einem Gas lagern sich an der Feststoffoberfläche an und werden dort durch zwischenmolekulare Kräfte (van-der-Waals-Wechselwirkungen, bei chemisch modifizierten Kohlen auch stärkere Bindungen) festgehalten. Davon zu unterscheiden ist die Absorption, bei der ein Stoff in das Innere eines Materials aufgenommen wird und sich darin verteilt – so wie Wasser in einem Schwamm. Aktivkohle bindet Stoffe durch Adsorption, nicht durch Absorption. Der Oberbegriff für beide Vorgänge lautet Sorption.

Adsorption ist kein Einbahnvorgang. Sie ist ein Gleichgewicht: Je nach Temperatur, Konzentration, pH-Wert und Begleitstoffen können bereits gebundene Moleküle die Oberfläche auch wieder verlassen. Dieses Ablösen heisst Desorption und ist die technische Grundlage dafür, dass Aktivkohle in Industrieanlagen thermisch regeneriert und mehrfach verwendet werden kann.

Im Handel begegnet Aktivkohle in mehreren Konfektionierungen: als feines Pulver (englisch powdered activated carbon, PAC), als Granulat oder Kornkohle (granular activated carbon, GAC), als stranggepresste Pellets oder Formkohle, als Aktivkohlefasern und Gewebe sowie gepresst in Tablettenform.

Woraus wird Aktivkohle hergestellt?

Als Rohstoff dient praktisch jedes kohlenstoffreiche organische Material. In der industriellen Praxis dominieren Kokosnussschalen, Holz und Sägemehl, Torf, Braun- und Steinkohle sowie in geringerem Umfang Nuss- und Obstkerne, Bambus, Reisspelzen oder Olivenkerne. Übersichtsarbeiten zur Verwertung von Kokosnussschalen und Kokosfasern beschreiben, dass diese Reststoffe der Kokosindustrie über Pyrolyse, Vergasung oder selbsttragende Karbonisierung in kohlenstoffreiche Materialien überführt und deren Oberflächeneigenschaften – BET-Oberfläche, Porenvolumen, Porendurchmesser und funktionelle Oberflächengruppen – durch physikalische oder chemische Aktivierung gezielt verändert werden können.¹

Die Wahl des Ausgangsstoffs bestimmt massgeblich die spätere Porenstruktur: Kokosschalen liefern eine sehr mikroporöse, harte und abriebfeste Kohle, wie sie für Gas- und Trinkwasserfilter geschätzt wird; Holz und Torf ergeben eher meso- und makroporöse Kohlen, die sich zum Entfärben von Flüssigkeiten eignen. Für Anwendungen im Lebensmittel- und Pharmabereich gelten zusätzlich Reinheitsanforderungen an Aschegehalt, Schwermetalle und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe; entsprechende Qualitäten sind in Arzneibüchern und Zusatzstoff-Spezifikationen geregelt.

Wie wird Aktivkohle hergestellt?

Die Herstellung läuft in zwei Stufen ab. In der Karbonisierung (Pyrolyse) wird das Ausgangsmaterial unter Luftabschluss auf etwa 400 bis 800 Grad Celsius erhitzt. Flüchtige Bestandteile entweichen, zurück bleibt ein kohlenstoffreiches, aber noch wenig poröses Zwischenprodukt – die sogenannte Kokskohle oder Biokohle.

Erst die Aktivierung öffnet und erweitert das Porensystem. Zwei Verfahrenswege sind üblich:

• Physikalische (Gas-)Aktivierung: Das Zwischenprodukt wird bei etwa 800 bis 1000 Grad Celsius von überhitztem Wasserdampf oder Kohlendioxid durchströmt. Ein Teil des Kohlenstoffs reagiert ab (Vergasung), wodurch Kanäle und Hohlräume freigelegt werden.
• Chemische Aktivierung: Der Rohstoff wird vor oder während der Erhitzung mit Reagenzien wie Phosphorsäure, Zinkchlorid oder Kaliumhydroxid aufgeschlossen. Diese Variante arbeitet bei tieferen Temperaturen und liefert oft besonders hohe Oberflächen; die Chemikalien müssen anschliessend ausgewaschen und zurückgewonnen werden.

Wie weit die Aktivierung getrieben wird, ist eine Abwägung: Ein hoher «Abbrand» erzeugt viel Porenraum, macht das Korn aber weicher und senkt die Ausbeute. Nach der Aktivierung folgen je nach Produkt Waschen, Trocknen, Mahlen, Sieben oder Granulieren. Charakterisiert wird die fertige Kohle unter anderem über die BET-Oberfläche (aus der Stickstoffadsorption berechnet), das Porenvolumen sowie über anwendungsnahe Kennzahlen wie Iodzahl und Methylenblauzahl.

Wie ist das Porensystem aufgebaut?

Die Internationale Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) teilt Poren nach ihrer Weite in drei Klassen ein. Makroporen mit über 50 Nanometern Durchmesser wirken als Transportkanäle, über die Moleküle ins Korninnere gelangen. Mesoporen zwischen 2 und 50 Nanometern verteilen die Moleküle weiter und sind für grössere Verbindungen wie Farbstoffe oder Huminstoffe entscheidend. Mikroporen unter 2 Nanometern stellen den weitaus grössten Teil der inneren Oberfläche – hier findet der überwiegende Anteil der Adsorption kleiner Moleküle statt.

Wie gut ein bestimmter Stoff gebunden wird, hängt deshalb nicht allein von der Gesamtoberfläche ab, sondern davon, ob die Porengrösse zur Molekülgrösse passt. Weitere Einflussgrössen sind Temperatur, Konzentration, pH-Wert, Löslichkeit und Polarität des Stoffes sowie die Konkurrenz durch Begleitsubstanzen: In realen Gemischen verdrängen gut adsorbierbare Moleküle schwächer gebundene wieder von der Oberfläche. Unpolare, schlecht wasserlösliche und mittelgrosse Moleküle werden aus Wasser typischerweise besser gebunden als kleine, stark polare wie Methanol oder Salze.

Wo wird Aktivkohle technisch verwendet?

Der weitaus grösste Teil der weltweit produzierten Aktivkohle geht nicht in den Konsumbereich, sondern in Verfahrenstechnik und Umwelttechnik. Typische Einsatzfelder sind:

• Trinkwasser- und Abwasseraufbereitung: als Pulverkohle in der Dosierstufe oder als Kornkohle im Festbettfilter, um gelöste organische Verbindungen sowie Geschmacks- und Geruchsstoffe zu binden. In der Schweiz gehört die Pulveraktivkohle-Stufe zu den anerkannten Verfahren, mit denen Abwasserreinigungsanlagen organische Spurenstoffe zurückhalten.
• Luft- und Abluftreinigung: in Dunstabzugshauben, Klima- und Lüftungsanlagen, Lösungsmittelrückgewinnung, Deponiegasbehandlung sowie in Atemschutzfiltern und Gasmasken.
• Lebensmittel- und Getränkeindustrie: zum Entfärben und Klären von Zuckersirup, Fruchtsäften, Speiseölen und Spirituosen sowie zur Entfernung unerwünschter Aroma- und Bitterstoffe.
• Chemie und Labor: zur Aufreinigung von Zwischenprodukten, als Katalysatorträger, in der Chromatografie und in der Entschwefelung.
• Aquaristik und Haushalt: in Aquarien-, Dunstabzugs- und Tischwasserfiltern, in Kühlschrank- und Schuhdeodorants.
• Kosmetik und Körperpflege: als schwarzer, sichtbarer Bestandteil von Reinigungsmasken, Seifen und Zahnpasten – hier meist als Farb- und Marketingmerkmal.
• Energie- und Werkstofftechnik: als Elektrodenmaterial in Superkondensatoren und in der kapazitiven Entsalzung.

Als schwarzer Lebensmittelfarbstoff ist nicht die technische Aktivkohle, sondern die eng verwandte Pflanzenkohle unter der Nummer E 153 geregelt. Sie unterliegt eigenen Reinheitsanforderungen und dient allein der Färbung. Für die Schweiz sind die zugelassenen Zusatzstoffe in der Zusatzstoffverordnung des Eidgenössischen Departements des Innern aufgeführt.

Forschung & Untersuchungsbereiche

Aktivkohle ist ein intensiv beforschtes Material – allerdings verteilt sich diese Forschung über sehr unterschiedliche Disziplinen, von der Verfahrenstechnik über die Umweltchemie bis zur klinischen Toxikologie. Die folgenden Punkte beschreiben, welche Fragestellungen Gegenstand der Forschung sind, und nicht, dass daraus ein gesundheitlicher Nutzen abzuleiten wäre. Recherche und Verifikation der genannten Arbeiten erfolgten über PubMed.

Materialforschung: Rohstoffe, Aktivierung, Porenarchitektur. Ein grosser Forschungsstrang befasst sich damit, aus welchen Reststoffen sich Aktivkohle mit welchen Eigenschaften herstellen lässt. Eine Übersichtsarbeit zu Biokohle aus Kokosnussschalen und Kokosfasern fasst Produktions- und Aktivierungstechnologien zusammen und beschreibt, dass sich BET-Oberfläche, Porenvolumen, Porendurchmesser und funktionelle Oberflächengruppen über physikalische und chemische Aktivierung sowie über Metallimprägnierung beeinflussen lassen; die Autoren ordnen die Materialien anschliessend Anwendungsfeldern wie Wasseraufbereitung, kapazitiver Entsalzung, Bodenverbesserung und Kohlenstoffbindung zu und diskutieren zugleich Investitions- und Betriebskosten als begrenzenden Faktor.¹

Umwelttechnik: Spurenstoffe im Wasser. Ein zweites grosses Feld untersucht, wie zuverlässig Aktivkohle sogenannte Mikroverunreinigungen aus Wasser und Abwasser zurückhält. Eine systematische Übersichtsarbeit zur biologisch besiedelten Aktivkohle (biological activated carbon, BAC) analysiert den Forschungsstand der vergangenen zehn Jahre und beschreibt, dass sich auf der Kohleoberfläche ein Biofilm bildet, der das Adsorbens teilweise biologisch regeneriert und dessen Standzeit verlängert. Die Autorinnen benennen zugleich offene Punkte: die Zusammensetzung der Biofilm-Gemeinschaft, die reale Lebensdauer der Filtersäulen und die Kostenanalyse seien bislang unzureichend untersucht.²

Klinische Toxikologie: Konsenspapiere internationaler Fachgesellschaften. In der Notfall- und Vergiftungsmedizin ist Aktivkohle seit Jahrzehnten Gegenstand von Positionspapieren der American Academy of Clinical Toxicology und der European Association of Poisons Centres and Clinical Toxicologists. Das Positionspapier zur Einmalgabe fasst Freiwilligenstudien zusammen und beschreibt, dass die dort gemessene Verringerung der Aufnahme einer zuvor eingenommenen Substanz mit wachsendem zeitlichem Abstand deutlich abnimmt – von rund 47 Prozent bei 30 Minuten auf rund 21 Prozent bei drei Stunden. Die Autoren halten ausdrücklich fest, dass keine zufriedenstellend angelegten klinischen Studien vorliegen, dass es keinen Beleg dafür gibt, dass die Gabe das klinische Ergebnis verbessert, und dass sie nicht routinemässig erfolgen soll; ohne intakte oder geschützte Atemwege gilt sie als kontraindiziert.³ Ein späteres Positionspapier derselben Fachgesellschaften zu einem anderen Dekontaminationsverfahren beschreibt zudem, dass die gleichzeitige Anwendung beider Verfahren die Wirksamkeit der Kohle vermindern könnte, wobei die klinische Bedeutung dieser Wechselwirkung unklar sei.⁴ Diese Literatur betrifft ausschliesslich die notfallmedizinische Versorgung durch Fachpersonen im Spital. Für Nahrungsergänzungsmittel oder eine Anwendung in Eigenregie lässt sich daraus nichts ableiten, und dieser Artikel spricht dazu keine Empfehlung aus.

Zahnmedizin: Aktivkohle in Zahnpasten. Mit dem Marktboom schwarzer Zahnpasten wurde auch deren Untersuchung zum Thema. Eine systematische Übersichtsarbeit wertete elf Laborstudien (in vitro) aus und kam zu einem zurückhaltenden Ergebnis: Die Befunde zum aufhellenden Effekt fielen uneinheitlich aus, und die Mehrzahl der Studien beschrieb für Aktivkohle-Zahnpasten ein höheres Abrasionspotenzial als für Vergleichsprodukte; die Autorinnen stuften das Verzerrungsrisiko der eingeschlossenen Studien als mittel bis hoch ein.⁵

Verdauungsbereich: dünne und uneinheitliche Datenlage. Kombinationen aus Aktivkohle und Simeticon werden in einzelnen klinischen Untersuchungen als Vergleichsarm mitgeführt. In einer randomisierten Pilotstudie mit sehr kleiner Fallzahl schnitt ein solcher Vergleichsarm schlechter ab als das geprüfte Antibiotikum; die Autorinnen und Autoren bezeichnen ihr Ergebnis selbst nur als Trend und die Fallzahl als limitierend.⁶ Zusammenfassend gilt für diesen Bereich: Die verfügbaren Untersuchungen sind klein, methodisch heterogen und erlauben nach heutigem Stand keine belastbaren Schlüsse.

Traditionelle und historische Anwendungsgebiete

Kohle gehört zu den ältesten von Menschen genutzten Werkstoffen überhaupt. Die folgenden Angaben geben die kulturhistorische Überlieferung wieder; sie sind als Traditions- und Technikgeschichte zu verstehen und keine Aussage über eine gesundheitliche Wirkung.

Antike. Aus dem alten Ägypten ist die Verwendung von Holzkohle überliefert; der medizinische Papyrus Ebers (etwa 1550 v. Chr.) nennt sie unter den gebräuchlichen Materialien. Von den Phöniziern wird berichtet, dass sie die Innenseiten hölzerner Wasserfässer für Seereisen ankohlten, um das Wasser länger geniessbar zu halten – eine Praxis, die auch von späteren Seefahrernationen überliefert ist. In altindischen Sanskrit-Schriften, die dem Traditionsgut des Ayurveda zugerechnet werden, findet sich die Anweisung, Trinkwasser durch Holzkohle und Sand zu filtern und in Kupfergefässen aufzubewahren. Auch in den Schriften der griechischen und römischen Antike wird Holzkohle als Material erwähnt.

Ostasien. In der chinesischen Arzneimittelzubereitung ist das kontrollierte Verkohlen pflanzlicher Drogen (chinesisch chao tan, «bis zur Kohle rösten») ein überliefertes Verarbeitungsverfahren, dem die Lehre eine eigene Ordnungskategorie zuweist. In Japan ist Holzkohle unter dem Namen Binchōtan bekannt – eine besonders hart gebrannte Eichenkohle, die traditionell zum Grillen und zur Wasserbehandlung sowie kulturell als Raumobjekt verwendet wird. Diese Zuordnungen sind kulturhistorische Einordnungen der jeweiligen Lehre oder Tradition und treffen keine Aussage über einen gesundheitlichen Nutzen.

Europäische Volksüberlieferung. Verkohltes Brot, Holzkohle aus dem Herdfeuer und später gepresste «Kohletabletten» gehörten in der europäischen Volksüberlieferung des 18. und 19. Jahrhunderts zum Hausgebrauch. Überliefert ist ausserdem der Einsatz von Kohle zum Frischhalten von Vorräten und zum Entfernen von Gerüchen in Kellern und Ställen.

Vom Hausmittel zur Industrie. Die naturwissenschaftliche Beschäftigung setzte im 18. Jahrhundert ein: 1773 beschrieb Carl Wilhelm Scheele, dass Holzkohle Gase aufnimmt; 1785 dokumentierte Johann Tobias Lowitz in Sankt Petersburg das Entfärben von Flüssigkeiten durch Kohle. Anfang des 19. Jahrhunderts nutzte die Zuckerindustrie Knochen- und Holzkohle im grossen Massstab zum Klären von Sirup. Medizinhistorisch überliefert sind die aufsehenerregenden Selbstversuche des französischen Apothekers Pierre-Fleurus Touéry, der 1831 vor der Pariser Académie de Médecine eine Mischung aus einem Gift und Holzkohle einnahm, sowie ein ähnlich gelagerter Versuch von Michel Bertrand aus dem Jahr 1813. Diese Schilderungen sind historische Anekdoten und keine wissenschaftlichen Belege; sie werden hier ausschliesslich als Wissenschaftsgeschichte referiert und stellen ausdrücklich keine Anleitung dar.

Der Sprung zum industriellen Produkt gelang um 1900: Der Chemiker Raphael von Ostrejko liess in den Jahren 1900 und 1901 Verfahren patentieren, bei denen Kohle mit Metallchloriden beziehungsweise mit Wasserdampf und Kohlendioxid behandelt wird – die Grundlage der bis heute üblichen chemischen und physikalischen Aktivierung. Ab 1911 kam mit «Norit» eine der ersten kommerziellen Aktivkohlen für die Entfärbung auf den Markt. Der Erste Weltkrieg beschleunigte die Entwicklung nochmals: Die Filterpatronen der ersten Gasmasken beruhten auf Aktivkohle, ein Konzept, das massgeblich auf Arbeiten des russischen Chemikers Nikolai Selinski (1915) zurückgeht.

Sicherheit, Wechselwirkungen & Abgrenzung

Aktivkohle adsorbiert unspezifisch. Genau die Eigenschaft, die sie technisch so vielseitig macht, ist auch der Grund, weshalb Wechselwirkungen ein Standardthema der Fachliteratur sind: Die Oberfläche unterscheidet nicht danach, ob ein Molekül unerwünscht ist oder nicht. In den oben referierten toxikologischen Positionspapieren wird die Bindung von Arzneistoffen an Kohle als messbarer Effekt beschrieben³ – entsprechend ist die Frage möglicher Beeinflussung anderer oral aufgenommener Substanzen ein wiederkehrender Diskussionspunkt. Wer regelmässig Medikamente einnimmt, schwanger ist oder stillt, sollte Fragen zu kohlehaltigen Zubereitungen grundsätzlich mit einer Ärztin, einem Arzt oder einer Apothekerin besprechen. Dieser Hinweis ist allgemein gehalten und nicht produktbezogen.

Wichtig sind ausserdem klare Abgrenzungen, weil im Sprachgebrauch vieles vermischt wird:

• Grillkohle ist unaktivierte Holzkohle. Sie hat weder die Porenstruktur noch die Reinheitsanforderungen einer Aktivkohle und ist ein Brennstoff.
• Biokohle (Pflanzenkohle im landwirtschaftlichen Sinn) ist ein Pyrolyseprodukt zur Bodenverbesserung und Kohlenstoffbindung – in der Regel nicht aktiviert.
• Pflanzenkohle E 153 ist ein Lebensmittelfarbstoff mit eigener Spezifikation und dient allein der Schwarzfärbung.
• Knochenkohle (Spodium) wird aus tierischen Knochen gewonnen, besteht überwiegend aus Calciumphosphat und ist nicht mit pflanzlicher Aktivkohle gleichzusetzen.
• Technische Aktivkohle für Filteranlagen unterliegt anderen Spezifikationen als Qualitäten für den Lebensmittel- oder Arzneibuchbereich.

Bei kohlehaltigen Zahnpasten beschreibt die zitierte systematische Übersichtsarbeit ein erhöhtes Abrasionspotenzial gegenüber Vergleichsprodukten.⁵ Eine schwarze Verfärbung von Zunge, Mundraum oder Stuhl ist bei oraler Aufnahme kohlehaltiger Zubereitungen eine bekannte, rein optische Begleiterscheinung. In der Verarbeitung ist zudem zu beachten, dass feiner Aktivkohlestaub brennbar und in Konzentration staubexplosionsfähig ist und dass frisch aktivierte Kohle beim Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit Wärme entwickeln kann; industrielle Sicherheitsdatenblätter behandeln diese Punkte ausführlich.

Häufige Fragen zur Aktivkohle

Was ist der Unterschied zwischen Adsorption und Absorption?

Bei der Adsorption lagern sich Stoffe an einer Oberfläche an und werden dort festgehalten. Bei der Absorption werden sie dagegen in ein Material aufgenommen und verteilen sich in dessen Innerem, wie Wasser in einem Schwamm. Aktivkohle bindet Stoffe durch Adsorption. Der Oberbegriff für beide Vorgänge lautet Sorption.

Woraus besteht Aktivkohle?

Aktivkohle besteht zu 85 bis über 95 Prozent aus Kohlenstoff in ungeordneter, stark poröser Form. Als Rohstoff dienen Kokosnussschalen, Holz, Torf, Braun- und Steinkohle sowie Nussschalen oder Obstkerne. Aktiviert wird das verkohlte Zwischenprodukt anschliessend mit Wasserdampf, Kohlendioxid oder Chemikalien.

Wie gross ist die innere Oberfläche von Aktivkohle?

Handelsübliche Qualitäten liegen meist zwischen 500 und 1500 Quadratmetern pro Gramm; Spezialkohlen erreichen mehr. Gemessen wird diese Grösse üblicherweise über die Stickstoffadsorption nach der BET-Methode. Die Zahl beschreibt allein eine physikalische Materialeigenschaft.

Was bedeutet E 153?

E 153 ist die Nummer des Lebensmittelfarbstoffs Pflanzenkohle, mit dem Lebensmittel schwarz gefärbt werden können. Er unterliegt eigenen Reinheitsanforderungen und ist nicht mit technischer Aktivkohle für Filteranlagen gleichzusetzen.

Was unterscheidet Aktivkohle von Grillkohle und Biokohle?

Grillkohle ist unaktivierte Holzkohle und dient als Brennstoff. Biokohle ist ein Pyrolyseprodukt für Boden und Kohlenstoffbindung und meist ebenfalls nicht aktiviert. Nur die zusätzliche Aktivierung erzeugt das feine Porensystem mit sehr grosser innerer Oberfläche, das Aktivkohle auszeichnet.

Woran misst man die Qualität einer Aktivkohle?

Gebräuchliche Kennzahlen sind die BET-Oberfläche, das Porenvolumen und die Porenverteilung sowie anwendungsnahe Prüfwerte wie Iodzahl und Methylenblauzahl. Hinzu kommen Aschegehalt, Härte beziehungsweise Abriebfestigkeit und Feuchtegehalt. Welche Kennzahl zählt, hängt vom Einsatzzweck ab.