DE19505174B4

DE19505174B4 - Adsorptionsfilter

Info

Publication number: DE19505174B4
Application number: DE1995105174
Authority: DE
Inventors: Hasso von Blücher; Ernest De Dr. Ruiter; Jonas TÖRNBLOM
Original assignee: Individual
Current assignee: Bluecher GmbH
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2015-02-17
Also published as: DE19505174A1

Abstract

Adsorptionsfilter, bestehend aus übereinandergeschichteten Streifen eines mit Adsorbentien beladenen Trägermaterials, wobei die Streifen parallel zur Trägerschicht durchströmbar ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsfilter pro Liter mindestens 250 g Adsorbentien enthält und daß das Verhältnis von Druckverlust in Pascal, gemessen bei 1 m/s, zu dynamischer Butankapazität in g/kg Adsorbentien, gemessen bei einer Konzentration von 76 ppm, einer Strömungsgeschwindigkeit von 62 cm/s, einer Temperatur von 23°C und 35% relativer Feuchte, kleiner als 10 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Adsorptionsfilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine wichtige Anwendung von Adsorptionsfiltern ist das Reinigen von Luftströmen, 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 Mikroporen, in denen die Adsorption besonders ausgeprägt ist. Enge Mikroporen im A-Bereich sind beispielsweise zur Sorption von im Straßenverkehr in geringen Konzentrationen auftretendem Benzol von absoluter Notwendigkeit. Es ist üblich, die Mikroporen durch die dynamische Butankapazität, beispielsweise gemessen 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 (Siedepunkt – 0,5°C). Die dynamische Butankapazität ist somit ein Maß für die Fähigkeit, flüchtige Stoffe, insbesondere flüchtige Kohlenwasserstoffe, zu adsorbieren und ist somit ein Qualitätsmerkmal des Filters.
Ein weiteres Merkmal für die Qualität eines Filters ist der Druckabfall, üblicherweise gemessen bei 1 m/s. Eine hohe Butankapazität verlangt eine beträchtliche 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 Adsorbenzien an einer dreidimensionalen Trägerstruktur fixiert sind: Die Zwischenräume zwischen den Teilchen garantieren eine hohe Luftdurchlässigkeit, während die Brown'sche Molekularbewegung nichtdestotrotz zu einem hervorragenden Abscheidungsgrad führt. Das Verhältnis Druckverlust/Butankapazität ist deshalb ein wichtiges Kriterium für die Filterqualität.
Es war Ziel der vorliegenden Erfindung, neue Filterkonstruktionen zu finden, bei denen ein günstiges Verhältnis Luftdurchlässigkeit zu Butankapazität vorliegt, wobei folgender Richtwert angestrebt wurde:
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 40 20 427 A beschreibt ein Filter, dadurch 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 Trägerelementen durchströmt. Es wird somit deutlich, daß der Luftwiderstand in erster Linie von den als Abstandshalter dienenden Adsorbenzien, insbesondere deren Menge, Größe und Form abhängt und somit Schwankungen in deren Dimension zu nicht immer kontrollierbaren Schwankungen in der Luftdurchlässigkeit führen müssen. Andererseits führt die einseitige Beladung zu einem nicht optimalen Verhältnis Gewicht Adsorbenzien/Gesamtgewicht. Diese einfache und leicht herzustellende Filterkonstruktion sollte im Licht der neuen Erkenntnisse verbessert werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Adsorptionsfilter nach Anspruch 1. Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zunächst wurde versucht, das Trägermaterial beidseitig mit Adsorbenzien zu beladen. Das geschieht am besten durch Abquetschen (Zwickel) der Trägerbahn mit einem hochviskosen Kleber und beidseitigem Bestreuen mit Adsorbenzien. 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.
Damit die Luftdurchlässigkeit nicht ausschließlich von der Belegung mit Adsorbenzien abhängt, ist es vorteilhaft, die Trägerbahn zu prägen. Wenn die Haftmasse, 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 Noppenprägung kommen auch Zickzack-Prägungen infrage.
Wenn die Adsorbenzien selbst als Abstandshalter zwischen den Lagen fungieren sollen, dürfen sie eine gewisse Größe nicht unterschreiten. So sind beispielsweise Teilchengrößen von 0,3 bis einigen mm geeignet. Dabei gilt hier das Gleiche wie für die Schüttung: Je kleiner die Teilchen, desto besser die Kinetik, 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 existieren. Die Brown'schen Bewegungen sorgen dafür, daß es trotzdem zur Adsorption kommt.
Die mit Adsorbenzien belegten Trägerbahnen müssen anschließend zu Filterelementen 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.
Eine andere Möglichkeit ist, die die Adsorbenzien tragende Bahn in parallelen Lagen zu schichten. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß das Filterelement parallel zur Trägerschicht und nicht durch durch die Trägerschicht hindurch durchströmt wird.
Die folgenden Beispiele sollen zeigen, auf welche Weise das angestrebte Qualitätskriterium erreicht wurde. In allen Beispielen wurden feinporige Aktivkohlen (Kornkohle sowie Kugelkohle) mit einer Butankapazität (76 ppm, 62 cm/s, 23°C) von 40–60 g/kg eingesetzt. Die Kornkohle war aus Kokusnußschalen 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 beispielsweise in der deutschen Patentschrift P 29 32 571 und der US Patentschrift 4957897.
Es können auch andere Adsorbenzien, z.B. feuchteunempfindliche Molekularsiebe, diverse imprägnierte Aktivkohlen usw. je nach Bedarf zur Anwendung kommen, so daß die Beispiele selbst nicht als Einschränkung betrachtet werden dürfen.
Beispiel 1
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 NS 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 jede 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.
Beispiel 2
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 Kohleauflage 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 enthielt. Die Kohlemenge des Pakets betrug 375 g. Der Stapel wurde wie im Beispiel 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.
Beispiel 3
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 Butankapazität (76 ppm, 62 cm/s, 23°C und 35% r.F.) wurden jeweils 13 g gefunden.
Beispiel 4
Das gleiche Papier wie im Beispiel 3 wurde beidseitig vollflächig mit der gleichen 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 vermieden. 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 Kohlekügelchen. 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).
Beispiel 5
Eine Papierbahn wurde wie im Beispiel beidseitig mit Haftmasse beaufschlagt und mit Kugelkohle (Ø 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 Alufolie, die eine 1,4 mm hohe Zickzack-Prägung hatte, Streifen von 6 × 20 cm gestanzt. 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 elektrischen Stroms geschehen kann. Zu diesem Zweck wurden die an den schmalen Seiten des Blocks herausragenden Folienstreifen auf beiden Seiten elektrisch 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 Substanzen, was beispielsweise die Lebensdauer eines Filters für Kfz-Innenräume beträchtlich erhöhen würde. Die DE 42 25 272 A1 beschreibt ein Filter, bei welchem die metallische Trägerstruktur für die Adsorbenzien aufgeheizt werden kann. Dabei wird die Haftmasse manchmal über Gebühr beansprucht. Im vorliegenden Beispiel werden die Alu-Zwischenlagen erhitzt, die mit der Kohle, nicht aber mit der Haftmasse in Berührung kommen.

Claims

Adsorptionsfilter, bestehend aus übereinandergeschichteten Streifen eines mit Adsorbentien beladenen Trägermaterials, wobei die Streifen parallel zur Trägerschicht durchströmbar ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsfilter pro Liter mindestens 250 g Adsorbentien enthält und daß das Verhältnis von Druckverlust in Pascal, gemessen bei 1 m/s, zu dynamischer Butankapazität in g/kg Adsorbentien, gemessen bei einer Konzentration von 76 ppm, einer Strömungsgeschwindigkeit von 62 cm/s, einer Temperatur von 23°C und 35% relativer Feuchte, kleiner als 10 ist.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial luftdicht ausgebildet ist.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsfilter pro Liter mindestens 300 g Adsorbentien enthält.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht eine Noppenstruktur aufweist, die Höhe der Noppen mindestens zwei und höchstens fünf mittlere Durchmesser der Adsorberteilchen beträgt und die Basis der Noppen (Durchmesser) ein- bis viermal größer als die Höhe ist.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorbentien aus kleinen und großen Teilchen bestehen, wobei die großen Teilchen weniger als die Hälfte der Gesamtmenge ausmachen und mindestens den doppelten Durchmesser der kleinen Teilchen haben.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die großen Teilchen weniger als ein Drittel der Gesamtmenge ausmachen.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die großen Teilchen mindestens den dreifachen Durchmesser der kleinen Teilchen haben.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorbentien in Nestern angeordnet sind.
Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorbentien Aktivkohle in Form von Kornkohle oder Kugelkohle, agglomerierte feuchteunempfindliche Molekularsiebe oder poröse Polymere sind.
Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorbentien eine Teilchengröße von 0,2 bis 10 mm haben.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorbentien eine Teilchengröße von 0,3 bis 2 mm haben.
Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Adsorbentien tragende Schichten glatte Folien eingelagert sind, die als Abstandshalter dienen.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien geprägt sind.
Adsorptionsfilter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerte Folien aus Metall sind und elektrisch aufheizbar sind.