DE19505174A1 - Adsorption filter used to purify air streams - Google Patents
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Abstract
Description
Eine wichtige Anwendung von Adsorptionsfiltern ist das Reinigen von Luftströ men, die in Innenräume geleitet werden. Neben Partikeln, die mit Partikelfiltern entfernt werden, enthält die Luft eine Reihe von Schadstoffen in niedrigen Konzentrationen im ppm- und ppb-Bereich. Unter diesen befinden sich solche, die wegen ihrer Flüchtigkeit nur schwer zu adsorbieren sind. Hier hilft man sich teils mit Imprägnierungen (Chemisorption), teils mit sehr engen Mikropo ren, in denen die Adsorption besonders ausgeprägt ist. Enge Mikroporen im Å- Bereich sind beispielsweise zur Sorption von im Straßenverkehr in geringen Konzentrationen auftretendem Benzol von absoluter Notwendigkeit. Es ist üb lich, die Mikroporen durch die dynamische Butankapazität, beispielsweise ge messen bei einer Konzentration von 76 ppm, einer Strömungsgeschwindigkeit von 62 cm/s, einer Temperatur von 23°C und einer relativen Feuchte von 35 %, zu charakterisieren. Butan ist ein schwer zu adsorbierendes Gas (Siede punkt - 0,5°C). Die dynamische Butankapazität ist somit ein Maß für die Fä higkeit, flüchtige Stoffe, insbesondere flüchtige Kohlenwasserstoffe, zu adsor bieren und ist somit ein Qualitätsmerkmal des Filters.An important application of adsorption filters is the cleaning of air flows men who are directed into interiors. In addition to particles with particle filters are removed, the air contains a number of pollutants in low Concentrations in the ppm and ppb range. Among these are those which are difficult to adsorb due to their volatility. Here you help partly with impregnation (chemisorption), partly with very narrow micropo Ren in which the adsorption is particularly pronounced. Narrow micropores in the Å For example, the range is low for sorption in road traffic Concentrations of benzene occurring are absolutely necessary. It's over Lich, the micropores by the dynamic butane capacity, for example ge measure at a concentration of 76 ppm, a flow rate of 62 cm / s, a temperature of 23 ° C and a relative humidity of 35 % to characterize. Butane is a gas that is difficult to adsorb point - 0.5 ° C). The dynamic butane capacity is therefore a measure of the color Ability to adsorb volatiles, especially volatile hydrocarbons beers and is therefore a quality feature of the filter.
Ein weiteres Merkmal für die Qualität eines Filters ist der Druckabfall, üblicher weise gemessen bei 1 m/s. Eine hohe Butankapazität verlangt eine beträchtli che Masse an Adsorbentien, die, um die Luftdurchlässigkeit nicht über Gebühr herabzusetzen, nicht zu kompakt angeordnet sein dürfen. Sehr gut bewährt hat sich das Prinzip des "fixed expanded bed" (EP 340 542), wo Adsorben zien an einer dreidimensionalen Trägerstruktur fixiert sind: Die Zwischenräu me zwischen den Teilchen garantieren eine hohe Luftdurchlässigkeit, während die Brown′sche Molekularbewegung nichtdestotrotz zu einem hervorragenden Abscheidungsgrad führt. Das Verhältnis Druckverlust/Butankapazität ist des halb ein wichtiges Kriterium für die Filterqualität.Another characteristic of the quality of a filter is the pressure drop, more common measured wise at 1 m / s. A high butane capacity requires a considerable amount che mass of adsorbents that, in order not to over-permeability to air reduce, not be too compact. Well proven has the principle of "fixed expanded bed" (EP 340 542), where Adsorben are fixed to a three-dimensional support structure: the intermediate space me between the particles guarantee high air permeability, while the Brownian molecular motion nonetheless turned into an excellent one Degree of separation leads. The pressure loss / butane capacity ratio is the half an important criterion for filter quality.
Es war Ziel der vorliegenden Erfindung, neue Filterkonstruktionen zu finden, bei denen ein günstiges Verhältnis Luftdurchlässigkeit zu Butankapazität vor liegt, wobei folgender Richtwert angestrebt wurde:The aim of the present invention was to find new filter designs where there is a favorable ratio of air permeability to butane capacity , the following guideline was aimed for:
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 40 20 427 A beschreibt ein Filter, da durch gekennzeichnet, daß ein streifenförmiges, luftundurchlässiges Material einseitig mit Adsorbenzien belegt und zu einer Scheibe bzw. einem Quader aufgewickelt wird. Bevorzugterweise wird die nicht mit Adsorbenzien belegte Seite mit einem Haft- bzw. Schmelzkleber beaufschlagt und das Filter zu einem festen Block verklebt, der in Scheiben zerschnitten werden kann. Die Adsorberteilchen dienen als Abstandshalter zwischen den Trägerbahnen. Das Filter wird parallel zu den luftundurchlässigen, mit Adsorbenzien belegten Trä gerelementen durchströmt. Es wird somit deutlich, daß der Luftwiderstand in erster Linie von den als Abstandshalter dienenden Adsorbenzien, insbesonde re deren Menge, Größe und Form abhängt und somit Schwankungen in deren Dimension zu nicht immer kontrollierbaren Schwankungen in der Luftdurchläs sigkeit führen müssen. Andererseits führt die einseitige Beladung zu einem nicht optimalen Verhältnis Gewicht Adsorbenzien/Gesamtgewicht. Diese ein fache und leicht herzustellende Filterkonstruktion sollte im Licht der neuen Er kenntnisse verbessert werden.The German patent application DE 40 20 427 A describes a filter because characterized in that a strip-shaped, air-impermeable material coated on one side with adsorbents and to a disk or a cuboid is wound up. Preferably, the one not covered with adsorbents Side with a pressure sensitive or hot melt adhesive and the filter glued to a solid block that can be cut into slices. The Adsorber particles serve as spacers between the carrier webs. The The filter is placed parallel to the air-impermeable, coated with adsorbents flowed through elements. It is therefore clear that the air resistance in primarily from the adsorbents serving as spacers, in particular depends on their quantity, size and shape and thus fluctuations in their Dimension for fluctuations in the air passage that are not always controllable must lead. On the other hand, one-sided loading leads to one not optimal ratio of weight of adsorbents / total weight. This one simple and easy to manufacture filter construction should be in the light of the new Er knowledge will be improved.
Zunächst wurde versucht, das Trägermaterial beidseitig mit Adsorbenzien zu beladen. Das geschieht am besten durch Abquetschen (Zwickel) der Träger bahn mit einem hochviskosen Kleber und beidseitigem Bestreuen mit Adsor benzien. Als Kleber haben sich sogenannte "High Solids" PU-Beschichtungen der Fa. Bayer gut bewährt, weil sie eine hohe Anfangsklebrigkeit sowie beim Aushärten ein Viskositätsminimum durchlaufen, welches zu einer hohen Haf tung der Teilchen am Träger sowie zur Ausbildung von "Tragesockeln" führt, wobei letzteres die Zugänglichkeit der Adsorberteilchen noch erhöht. Dem Fachmann stehen noch andere geeignete Haftmassen zur Verfügung, so daß die erwähnten High Solids nicht als Einschränkung betrachtet werden dürfen.First, an attempt was made to cover the carrier material on both sides with adsorbents loaded. This is best done by squeezing (gusset) the straps sheet with a highly viscous adhesive and sprinkled on both sides with adsor benzien. So-called "high solids" PU coatings are used as adhesives from Bayer has proven itself well because it has a high initial tack as well as Cure through a minimum viscosity, which leads to a high Haf tion of the particles on the carrier and the formation of "support bases", the latter increasing the accessibility of the adsorber particles. The Other suitable adhesive compositions are available to a person skilled in the art, so that the mentioned high solids should not be regarded as a limitation.
Damit die Luftdurchlässigkeit nicht ausschließlich von der Belegung mit Adsor benzien abhängt, ist es vorteilhaft, die Trägerbahn zu prägen. Wenn die Haft masse, wie vorgeschlagen, mit Quetschwalzen aufgetragen wird, muß darauf geachtet werden, daß die Prägung nach dem Abquetschen wieder "aufsteht". Das ist beispielsweise der Fall bei geprägter PES- oder PA-Maschenware oder Vliesen aus gleichem Material: Die Prägung, z. B. eine Noppenprägung, wird zwar flachgedrückt, tritt aber nach wenigen Augenblicken wieder hervor. Die Prägung hat bevorzugterweise eine Höhe von 2 bis höchstens 5 mittleren Teilchendurchmessern bei einer Breite von ein- bis viermal die Höhe. Der Form der Prägung sind grundsätzlich keine Grenzen gesetzt. Neben der Nop penprägung kommen auch Zickzack-Prägungen infrage.So that the air permeability does not depend solely on the adsor depends on benzene, it is advantageous to emboss the carrier web. If the detention mass, as suggested, is applied with squeeze rollers, must be on it be made sure that the embossing "stands up" again after being squeezed. This is the case, for example, with embossed PES or PA knitwear or nonwovens made of the same material: the embossing, e.g. B. a knob embossing, is pressed flat, but comes out again after a few moments. The embossing preferably has a height of 2 to at most 5 medium Particle diameters with a width of one to four times the height. Of the There are basically no limits to the shape of the embossing. In addition to the nop Zigzag embossing is also an option.
Wenn die Adsorbenzien selbst als Abstandshalter zwischen den Lagen fungie ren sollen, dürfen sie eine gewisse Größe nicht unterschreiten. So sind bei spielsweise Teilchengrößen von 0,3 bis einigen mm geeignet. Dabei gilt hier das Gleiche wie für die Schüttung: Je kleiner die Teilchen, desto besser die Ki netik, aber auch desto höher der Druckverlust im Filter. Eine Möglichkeit, den Druckverlust trotz kleiner Teilchen in Grenzen zu halten, besteht darin, die Haftmasse punktförmig aufzutragen, so daß die Adsorbenzien nicht vollflächig, sondern in Häufchen vorliegen und zwischen diesen freie Passagen existie ren. Die Brown′schen Bewegungen sorgen dafür, daß es trotzdem zur Ad sorption kommt. If the adsorbents themselves act as spacers between the layers they should not be less than a certain size. So are at for example, particle sizes from 0.3 to a few mm are suitable. It applies here the same as for the bed: the smaller the particles, the better the Ki netik, but also the higher the pressure loss in the filter. One way that Keeping pressure loss within limits despite small particles is that Apply adhesive mass in spots so that the adsorbents do not cover the entire surface, but are in piles and there are free passages between them ren. The Brownian movements ensure that it is still an ad sorption is coming.
Die mit Adsorbenzien belegten Trägerbahnen müssen anschließend zu Fil terelementen verarbeitet werden. Dies kann, wie bereits in der DE 40 20 427 A1 angeregt wurde, durch Aufwickeln um einen Kern geschehen, wobei je nach Anforderung runde, ovale oder rechteckige Filterscheiben produziert werden können.The carrier webs covered with adsorbents must then go to Fil terelements are processed. As in DE 40 20 427, this can be done A1 was stimulated to happen by winding around a core, each Round, oval or rectangular filter discs are produced on request can be.
Eine andere Möglichkeit ist, die die Adsorbenzien tragende Bahn in parallelen Lagen zu schichten. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß das Filtere lement parallel zur Trägerschicht und nicht durch durch die Trägerschicht hindurch durchströmt wird.Another possibility is that the path carrying the adsorbents in parallel Layering layers. All embodiments have in common that the filtering element parallel to the carrier layer and not through the carrier layer is flowed through.
Die folgenden Beispiele sollen zeigen, auf welche Weise das angestrebte Qualitätskriterium erreicht wurde. In allen Beispielen wurden feinporige Aktiv kohlen (Kornkohle sowie Kugelkohle) mit einer Butankapazität (76 ppm, 62 cm/s, 23°C) von 40-60 g/kg eingesetzt. Die Kornkohle war aus Kokusnuß schalen hergestellt und hatte eine innere Oberfläche von ca. 1.100 m²/g. Die Kugelkohlen hatten Oberflächen um 1.000 m²/g und Peche sowie Polymere als Ausgangsprodukt. Eine Beschreibung von Kugelkohlen findet sich bei spielsweise in der deutschen Patentschrift P 29 32 571 und der US Patent schrift 4957897.The following examples are intended to show in what way the desired Quality criterion has been reached. In all of the examples, fine-pored were active coal (grain coal and spherical coal) with a butane capacity (76 ppm, 62 cm / s, 23 ° C) of 40-60 g / kg. The grain coal was made of coconut made of shells and had an inner surface of approx. 1,100 m² / g. The Ball coals had surfaces of around 1,000 m² / g and pitches and polymers as a starting product. A description of spherical carbons can be found at for example in the German patent specification P 29 32 571 and the US patent font 4957897.
Es können auch andere Adsorbenzien, z. B. feuchteunempfindliche Molekular siebe, diverse imprägnierte Aktivkohlen usw. je nach Bedarf zur Anwendung kommen, so daß die Beispiele selbst nicht als Einschränkung betrachtet wer den dürfen.Other adsorbents, e.g. B. moisture-insensitive molecular sieves, various impregnated activated carbons etc. for use as required come, so that the examples themselves are not viewed as a limitation that may.
Ein ca. 110 g/m² schweres Polyestergewirk wurde mit einer 1,5 mm hohen Noppenprägung versehen. Die etwa halbkugelförmigen Noppen hatten einen Durchmesser von 3 mm. Die Walzentemperatur betrug 180°C. Die geprägte Warenbahn wurde daraufhin mit einem Gemisch aus 100 Teilen Impranil HS 62 und 6,2 Teilen Imprafix HSC abgequetscht. Abquetscheffekt ca. 100%. Die mit klebriger Haftmasse beaufschlagte und somit abgedichtete Trägerbahn wurde mit Kornkohle - mittlere Teilchengröße 1,1 mm - beidseitig bestreut und die Haftmasse auskondensiert. Die 40 cm breite Ware wurde in 5 cm breite und 20 cm lange Streifen geschnitten, die zu einem Stapel von 15 cm Höhe aufgeschichtet wurden. Der Stapel bestand aus 50 Lagen, wovon je de ca. 8,8 g Aktivkohle enthielt. Der Stapel wurde an den 5 cm langen Kanten verschweißt (Schmelzkleber) und in einen Rahmen gepreßt. Der Stapel wurde parallel zu den Schichten durchströmt. Der Druckverlust betrug bei 1 m/s 240 Pa. Die dynamische Butankapazität (76 ppm, 62 cm/s, 23°C und 35% r.F.) betrug 26,4 g.An approximately 110 g / m² heavy polyester knit was with a 1.5 mm high Provide embossing. The roughly hemispherical knobs had one Diameter of 3 mm. The roller temperature was 180 ° C. The embossed The web was then made with a mixture of 100 parts of Impranil HS 62 and 6.2 parts of Imprafix HSC squeezed. Squeezing effect approx. 100%. The tacky adhesive and thus sealed The carrier web was covered with grain coal - average particle size 1.1 mm - on both sides sprinkled and condensed the adhesive. The 40 cm wide product was in 5 cm wide and 20 cm long strips cut into a stack of 15 cm height were piled up. The stack consisted of 50 layers, each of which de contained about 8.8 g of activated carbon. The stack was on the 5 cm long edges welded (hot melt adhesive) and pressed into a frame. The stack was flows parallel to the layers. The pressure loss was 1 m / s 240 Pa. The dynamic butane capacity (76 ppm, 62 cm / s, 23 ° C and 35% RH) was 26.4 g.
Ein 90 g schweres Polyestervlies wurde mit der gleichen Noppenprägung wie im Beispiel 1 und mit der gleichen Haftmasse abgequetscht. Abquetscheffekt ca. 100%. Die klebrige Vliesbahn wurde anschließend mit einer Kugelkohle mit mittlerem Durchmesser um 0,55 mm auf beiden Seite bestreut. Die Kohle auflage betrug 510 g/m². Es wurden Streifen von 5 × 20 cm hergestellt, die zu einem 15 cm hohen Stapel aufgeschichtet wurden, der dann 73 Lagen ent hielt. Die Kohlemenge des Pakets betrug 375 g. Der Stapel wurde wie im Bei spiel 1 parallel zu den Sichten durchströmt. Die dynamische Butankapazität (76 ppm, 62 cm/s, 23°C und 35% r.F.) betrug 23 g, der Druckverlust (1 m/s) 170 Pa.A 90 g polyester fleece was made with the same knob embossing as in Example 1 and squeezed with the same adhesive. Squeeze effect about 100%. The sticky nonwoven web was then covered with a spherical carbon sprinkled with an average diameter of 0.55 mm on both sides. The coal print run was 510 g / m². Strips of 5 × 20 cm were produced, which too a 15 cm high stack were stacked, which then ent 73 layers held. The amount of coal in the package was 375 g. The stack was like in the case game 1 flows parallel to the views. The dynamic butane capacity (76 ppm, 62 cm / s, 23 ° C and 35% RH) was 23 g, the pressure drop (1 m / s) 170 Pa.
Eine Papierbahn wurde mit einer 6 mesh Schablone mit der Haftmasse des Beispiels 1 punktförmig bedruckt (Auflage 50 g/m²). Die halbkugelförmigen Kleberhäufchen wurden mit der gleichen Kornkohle wie im Beispiel 1 bestreut und das Material wurde auskondensiert. Es wurde eine Kohleauflage von 220 g/m² erzielt. Sodann wurde ein Teil der Bahn umgedreht und auf einer weichen Unterlage auf der Rückseite ebenfalls mit Kleber bedruckt und mit Kohle bestreut. Die Kohleauflage betrug insgesamt 430 g/m². Die einseitig bedruckte Bahn hatte eine Dicke von 1,6 mm, die beidseitig bedruckte eine solche von 3 mm. Wie im Beispiel 1 wurde ein Stapel von 92 bzw. 49 Streifen hergestellt. Das Filter enthielt im ersten Fall 215 g Aktivkohle, im zweiten 211 g. Der Druckverlust bei 1 m/s betrug 180 Pa bzw. 130 Pa. Für die Butan kapazität (76 ppm, 62 cm/s, 23°C und 35% r.F.) wurden jeweils 13 g gefun den.A paper web was covered with a 6 mesh stencil with the adhesive of the Example 1 printed in dots (50 g / m²). The hemispherical Pile of glue was sprinkled with the same grain coal as in Example 1 and the material was condensed out. There was a coal edition of 220 g / m² achieved. Then part of the web was turned over and on one soft pad on the back also printed with glue and with Coal sprinkled. The coal coating totaled 430 g / m². The one-sided printed web had a thickness of 1.6 mm, the one printed on both sides those of 3 mm. As in Example 1, a stack of 92 and 49 strips, respectively manufactured. The filter contained 215 g activated carbon in the first case and in the second 211 g. The pressure loss at 1 m / s was 180 Pa or 130 Pa. For the butane capacity (76 ppm, 62 cm / s, 23 ° C and 35% r.h.) 13 g were found the.
Das gleiche Papier wie im Beispiel 3 wurde beidseitig vollflächig mit der glei chen Haftmasse wie im Beispiel 1 beaufschlagt und mit Kugelkohle bestreut. Die Kugeln hatten zu 90% einen Durchmesser von ca. 0,55 mm und zu 10% einen Durchmesser von ca. 1,2 mm. Eine Entmischung wurde sorgfältig ver mieden. Nach Auskondensieren der Haftmasse wurde die Bahn in 5 × 20 cm große Streifen geschnitten, von denen jeder 4,9 g Kohle enthielt. 88 Streifen wurden zu einem Stapel aufgeschichtet. Der Stapel enthielt 430 g Kohlekügel chen. Die Butankapazität (76 ppm, 62 cm/s, 23°C und 35% r.F.) belief sich auf 25 g bei einem Druckverlust von 210 Pa (1 m/s).The same paper as in Example 3 was covered on both sides with the same Chen adhesive mass applied as in Example 1 and sprinkled with spherical carbon. 90% of the balls had a diameter of approx. 0.55 mm and 10% a diameter of approx. 1.2 mm. Separation has been carefully avoided avoided. After the adhesive was condensed out, the web became 5 × 20 cm cut large strips, each containing 4.9 g of coal. 88 strips were piled up in a pile. The stack contained 430 g of carbon balls chen. The butane capacity (76 ppm, 62 cm / s, 23 ° C and 35% RH) was to 25 g at a pressure drop of 210 Pa (1 m / s).
Eine Papierbahn wurde wie im Beispiel beidseitig mit Haftmasse beaufschlagt und mit Kugelkohle (⌀ 0,3-0,8 mm) bestreut. Die Kohlemenge betrug 490 g/m². Das mit Kohle beladene Material wurde wieder in Streifen von 5 × 20 cm geschnitten. Andererseits wurden aus einer 0,1 mm starken Alufo lie, die eine 1,4 mm hohe Zickzack-Prägung hatte, Streifen von 6 × 20 cm ge stanzt. Es wurde wie in den anderen Beispielen ein Stapel gebildet, wobei die Alufolie als Abstandshalter zwischen den mit Kohle beladenen Streifen diente. Durch Druck ließen sich die Lagen etwas ineinanderverzahnen, so daß ein 15 cm hoher Stapel, der 76 Lagen mit Aktivkohle enthielt, erhalten wurde, der 372 g Aktivkohlekugeln enthielt. Es konnten 22 g Butan adsorbiert werden, während der Druckabfall bei 1 m/s 190 Pa betrug. Die gute thermische und elektrische Leitfähigkeit der Alu-Zwischenlagen ermöglicht ein gleichmäßiges Aufheizen, das sowohl mit warmer Luft wie auch durch Durchgang elektri schen Stroms geschehen kann. Zu diesem Zweck wurden die an den schma len Seiten des Blocks herausragenden Folienstreifen auf beiden Seiten elek trisch verbunden und an einen Regeltrafo angeschlossen. Bei einer Aufnahme von 150 Watt konnten innerhalb von 10 Minuten Temperaturen über 100°C erreicht werden. Das gestattet die Desorption vieler mittelflüchtiger Substan zen, was beispielsweise die Lebensdauer eines Filters für Kfz-Innenräume be trächtlich erhöhen würde. Die DE 42 25 272 A1 beschreibt ein Filter, bei wel chem die metallische Trägerstruktur für die Adsorbenzien aufgeheizt werden kann. Dabei wird die Haftmasse manchmal über Gebühr beansprucht. Im vor liegenden Beispiel werden die Alu-Zwischenlagen erhitzt, die mit der Kohle, nicht aber mit der Haftmasse in Berührung kommen.Adhesive was applied to both sides of a paper web as in the example and sprinkled with spherical carbon (⌀ 0.3-0.8 mm). The amount of coal was 490 g / m². The coal-laden material was again cut into strips of 5 × 20 cm cut. On the other hand, a 0.1 mm thick Alufo lie, which had a 1.4 mm high zigzag embossing, strips of 6 × 20 cm punches. A stack was formed as in the other examples, the Aluminum foil served as a spacer between the strips loaded with coal. The layers could be interlocked somewhat by pressure, so that a 15 cm high stack containing 76 layers of activated carbon was obtained Contained 372 g of activated carbon balls. 22 g of butane could be adsorbed, while the pressure drop was 190 Pa at 1 m / s. The good thermal and electrical conductivity of the aluminum intermediate layers enables a uniform Heating, which is both with warm air as well as through passage current can happen. For this purpose, the schma on both sides of the block, protruding film strips on both sides trisch connected and connected to a control transformer. When recording of 150 watts could reach temperatures above 100 ° C within 10 minutes can be achieved. This allows the desorption of many medium-volatile substances zen what, for example, the life of a filter for automotive interiors would increase pregnant. DE 42 25 272 A1 describes a filter in which chem the metallic support structure for the adsorbents are heated can. The adhesive is sometimes overused. In the front example, the aluminum intermediate layers are heated, which with the coal, but do not come into contact with the adhesive.
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