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DE19525227A1 - Feuchtigkeitsaustauscherelement, Feuchtigkeitsaustauscher sowie Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Feuchtigkeitsaustauscherelement, Feuchtigkeitsaustauscher sowie Verfahren zur Herstellung desselben

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DE19525227A1
DE19525227A1 DE1995125227 DE19525227A DE19525227A1 DE 19525227 A1 DE19525227 A1 DE 19525227A1 DE 1995125227 DE1995125227 DE 1995125227 DE 19525227 A DE19525227 A DE 19525227A DE 19525227 A1 DE19525227 A1 DE 19525227A1
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DE
Germany
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titanium
moisture exchanger
airgel
silicate
acidic solution
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DE1995125227
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Paul A Dinnage
Gerard Tremblay
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Original Assignee
Munters Corp
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Priority to US08/249,058 priority patent/US5435958A/en
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feuchtigkeitsaus­ tauscherelement gemäß Patentanspruch 1, einen Feuchtig­ keitsaustauscher gemäß Patentanspruch 8 sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß Patentanspruch 15.
Der erfindungsgemäße Feuchtigkeitsaustauscher ist in der Lage, kontinuierlich ein entfeuchtetes Gas, wie z. B. troc­ kene Luft, zur Verfügung zu stellen, indem das Gas durch ein Feuchtigkeitsaustauscherelement geführt wird, welches ein festes Adsorbtionsmittel aufweist, das in der Lage ist, reversibel Feuchtigkeit zu absorbieren. Der Feuchtigkeits­ austauscher wird hergestellt, indem ein bestimmtes Metall in ein Silicat-Aerogel aufgenommen wird, das auf einer Wabenmatrix aus anorganischem Faserpapier gebildet wird.
In den US-Patenten 4,871,607, 4,886,769 und 4,911,775 wer­ den Feuchtigkeitsaustauscher aus Aerogelen vom Siliciumdi­ oxid- oder Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Typ gebildet, wel­ che auf einem Laminat aus gewelltem Papier und flachem Decklagenpapier in der Form einer gedrehten oder blockför­ migen Wabenmatrix imprägniert werden. Wie in der US-PS- 4,911,775 beschrieben, können keramische Faserpapiere in einer Wasserglaslösung getränkt werden, geeignet getrocknet werden, zusammengeheftet werden und dann geeignet gewellt werden, um ein laminiertes gewelltes Blatt zu bilden. Das laminierte Blatt wird gewickelt oder gestapelt, um eine Wa­ benmatrix zu bilden, welche dann aufeinanderfolgend mit einer Wasserglaslösung und einem Aluminiumsalz behandelt wird, um ein Aluminiumsilicat-Hydrogel zu bilden. Die Wabe wird dann gewaschen und getrocknet, um ein Aerogel aus dem Hydrogel zu bilden.
Kristalline Titansilicat-Molekularsieb-Zeolithe mit großen und kleinen Porengrößen sind in den US-Patenten 4,853,202, 4,938,939 und 5,011,591 offenbart worden. Solche kristalli­ nen Materialien sind teuer, schwierig herzustellen, schwie­ rig gleichmäßig in Entfeuchtungselemente einzubringen und sie können nach einer Verwendung nicht leicht regeneriert werden.
Um demgemäß die Effizienz von Feuchtigkeitsaustauschern weiter zu verbessern ist es wünschenswert, die Feuchtig­ keits-Absorptionsgeschwindigkeit des Aerogels zu erhöhen, während die Energie vermindert wird, welche benötigt wird um die Gelmatrix nach der Verwendung zur Entfeuchtung zu regenerieren.
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Feuchtigkeitsaustauscher zur Verfügung zu stellen, welcher eine verstärkte Absorptionseffizienz aufweist und welcher nach der Verwendung leichter regeneriert wird.
Es ist ebenfalls die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren zur Herstellung eines Feuchtigkeitsaus­ tauschers zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt vorrichtungstechnisch durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8. Verfahrens­ technisch wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 15 gelöst.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Feuchtigkeitsaus­ tauscherelement zur Verfügung, mit:
  • (a) einem gewellten Blatt;
  • (b) einem flachen Blatt, welches an Kontaktpunkten einer gefurchten Oberfläche des gewellten Blattes gebunden ist, wobei sowohl das gewellte Blatt als auch das flache Blatt aus einem Papier aus anorganischen Fasern gebildet ist; und
  • (c) einem Adsorbtionsmittel, welches ein Aerogel umfaßt, das an die Oberflächen jedes Blattes gebunden ist und auf den anorganischen Fasern imprägniert ist, wobei das Aerogel ein Titansilicat oder ein Titan-Aluminiumsilicat enthält.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls einen Feuchtig­ keitsaustauscher zur Verfügung, welcher aus einer verbunde­ nen Wabenmatrix aus gewickelten oder gestapelten Blättern des Feuchtigkeitsaustauscherelementes gebildet wird.
Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff "teilweise getrocknet" auf ein Laminat mit einem Feststoffgehalt an Wasserglas zwischen ca. 45-55%, bezogen auf das Gesamtge­ wicht des imprägnierten Wasserglases.
Der Feuchtigkeitsaustauscher gemäß der vorliegenden Erfin­ dung wird hergestellt durch:
  • (a) Bilden eines Laminates aus (i) einem gewellten Blatt und (ii) einem flachen Blatt, welches an Kontaktpunkten einer gefurchten Oberfläche des gewellten Blattes gebunden ist, wobei das Laminat mit Natriumsilicat-Wasserglas imprä­ gniert und dann teilweise getrocknet wurde, wobei sowohl das gewellte Blatt als auch das flache Blatt aus einem Pa­ pier aus anorganischen Fasern gebildet war;
  • (b) Bilden einer Wabenmatrix aus wenigstens einem Laminat;
  • (c) Tränken der Wabenmatrix in einer sauren Lösung, welche wenigstens ein anorganisches Titansalz enthält, um das Natriumsilicat-Wasserglas in ein Titan-haltiges Silicat- Hydrogel umzuwandeln; und
  • (d) Waschen und Trocknen der Wabenmatrix, um das Titan-hal­ tige Silicat-Hydrogel in ein Titan-haltiges Silicat-Aerogel umzuwandeln.
Unter einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wabenmatrix zuerst in einer sauren Lösung getränkt, um das Natriumsilicat-Wasserglas in ein Silicat-Hydrogel umzu­ wandeln, und danach in einem Titansalzbad getränkt, um das Titan-haltige Silicat-Hydrogel zu bilden.
Bei noch einer anderen Ausführungsform wird die Matrix in einer sauren Lösung eines anorganischen Titansalzes und eines anorganischen Aluminiumsalzes getränkt, um nach Wa­ schen und Trocknen ein Titan- und Aluminium-haltiges Aero­ gel zu bilden.
Der fertige Feuchtigkeitsaustauscher zeigt eine verbesserte Feuchtigkeitsabsorption, verbesserte mechanische Stärke und benötigt eine verminderte Energie, um die feuchte Absorpti­ onsmittelmatrix zu regenerieren.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund der Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen sowie anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, welche die Blätter eines Elementes für einen Feuchtigkeitsaustauscher zeigt;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Elementes für einen Feuchtigkeitsaustauscher, welcher durch spi­ ralförmiges Aufwickeln des Elementes, das aus einem gewellten Blatt und einem flachen Blatt gebildet ist, zu einer Wabenmatrix geformt wird;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Wabenfeuchtig­ keitsaustauschers eines gedrehten Typs, welcher das spiralförmig gewundene Element aus Fig. 2 verwen­ det; und
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines blockförmigen Waben-Feuchtigkeitsaustauschers eines Gleichstrom­ typs.
In den Zeichnungen sind in allen dargestellten Ansichten gleiche Teile durch gleiche Referenzziffern bezeichnet.
Wie in Fig. 1 dargestellt, schließt ein Element 10 für einen Feuchtigkeitsaustauscher ein flaches Blatt 11 und ge­ welltes Blatt 12 ein. Das gewellte Blatt hat im allgemeinen eine Riffel- (oder Wellen-) Höhe von ca. 1 bis 2,6 mm, eine Riffel- (oder Abstands-) Länge von ca. 2,5 bis 4,2 mm und ein Verhältnis von Riffelhöhe/Riffelabstand (oder ein Hö­ hen- zu Breitenverhältnis) von ca. 0,2 bis 2,0.
Die Blätter sind jeweils aus porösem Papier gebildet, das aus ca. 70 - 100%, vorzugsweise ca. 90%, wärmebeständigen anorganischen Fasern gefertigt ist, welche einen Faser­ durchmesser von ca. 3 bis 15 Mikrometern aufweisen. Typi­ sche wärmebeständige Fasern schließen Keramikfasern, Schlackenfasern, Carbonfasern und insbesondere Glasfasern ein. Zusätzlich kann das Papier bis zu ca. 20% natürliche oder synthetische Bindemittel, wie z. B. organischen Zell­ stoff, enthalten. Vorzugsweise werden weniger als ca. 11% Zellstoff, wie z. B. Holzzellstoff, Pflanzenzellstoff, syn­ thetischer Zellstoff oder Mischungen aus diesen verwendet.
Die Blätter haben im allgemeinen jeweils eine Dicke von ca. 0,1 bis 0,4 mm, vorzugsweise von ca. 0,17 bis 0,18 mm. Jedes Blatt hat typischerweise eine Rohdichte von gewöhn­ lich nicht mehr als ca. 100 g/m², vorzugsweise nicht mehr als ca. 35 g/m².
Die gewellten und flachen Blätter werden abwechselnd mit einem Klebstoff, vorzugsweise teilweise getrocknetem Was­ serglas, verbunden, so daß die Furchen des gewellten Pa­ piers 12 an dem flachen Decklagenpapier 11 haften, um ein einseitig gewelltes Papier 10 zu erhalten, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, welches ca. 50 bis 600 mm breit ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird das einseitig gewellte Papier 10 um einen Schaft oder dergleichen herum­ gewunden, um eine zylindrische Wabenmatrix 14 zu bilden, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Wahlweise können die gewellten Papierelemente 10 gestapelt werden, um eine blockförmige Wabenmatrix zu bilden, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist.
Es ist bevorzugt, das Papier mit einem Natriumsilicat-Was­ serglas als dem Klebstoff zu imprägnieren und ein Papier einzusetzen, welches einen Gehalt an organischen Stoffen von weniger als ca. 11% aufweist. Das Wasserglas wird in ein Titansilicat- oder Titan-Aluminiumsilicat-Aerogel, als dem aktiven Absorptionsmaterial für den Feuchtigkeitsaus­ tauscher, umgewandelt. Es ist nicht notwendig, die Wabenma­ trix vor der Verwendung auf erhöhte Temperaturen (in der Größenordnung von ca. 400-600°C) zu erwärmen, um die organischen Materialien (d. h. Klebstoff und/oder Zellstoff) zu entfernen. Indem weniger als ca. 10% organische Stoffe in den Papierfasern und keine organischen Klebstoffe einge­ setzt werden, ist es möglich, die Wabenstruktur als einen Feuchtigkeitsaustauscher zu verwenden, ohne die zurückblei­ benden organischen Stoffe abzubrennen. Der Feuchtigkeits­ austauscher der vorliegenden Erfindung kann bei relativ niedrigen Temperaturen, gewöhnlich von ca. 60°C bis 175°C regeneriert werden, wobei weniger Energie verwendet wird, als bei typischen Feuchtigkeitsaustauschermaterialien. Auf­ grund des niedrigen Endgehaltes an organischen Stoffen des gegenwärtigen Feuchtigkeitsaustauschermaterial s und der niedrigen Regenerationstemperaturen besteht kein wirkliches Risiko einer selbstversorgenden Verbrennung oder einer überschüssigen Raucherzeugung, wie sie bei herkömmlichen Feuchtigkeitsaustauschermaterialien vorkommt.
Das imprägnierte Papier wird dann teilweise getrocknet, um die Haftung der Blätter zu verstärken, das Ausmaß der Schrumpfung der Riffel während der nachfolgenden Gelbildung zu vermindern und schließlich die Struktur mit größerer Gleichförmigkeit als ein Feuchtigkeitsaustauscherelement zur Verfügung zu stellen.
Die Wabenmatrix der Blätter, welche teilweise getrocknetes Wasserglas enthalten, kann durch Tränken der Wabe in einer sauren Lösung eines löslichen Titansalzes, um ein Titansi­ licat-Hydrogel zu bilden, welches dann gewaschen und getrocknet wird, um ein Titansilicat-Aerogel zu bilden, in ein hochwirksames Absorptionsmittel umgewandelt werden.
Alternativ wird die Wabe in einem Säurebad getränkt, um ein Silicahydrogel zu bilden. Die Gelmatrix wird dann in einem Bad von Titansalzen getränkt, um zu bewirken, daß das Titan in das Hydrogel hineinwandert. Das Hydrogel wird dann gewa­ schen und getrocknet, um ein Aerogel zu bilden.
Aluminiumsalze können entweder in der sauren Lösung der Titansalze oder in dem Bad von Titansalzen vorhanden sein, um Aluminium in das Aerogel einzubringen.
Das getrocknete Titansilicat-Aerogel enthält vorzugsweise von ca. 1 bis 3% Titan, als Titandioxid, und ca. 95 bis 97% Siliciumoxid. In einer anderen Ausführungsform wird das Aerogel vorzugsweise aus ca. 1 bis 3% Titan, als Titandi­ oxid, ca. 2 bis 5% Aluminium, als Aluminiumoxid, und ca. 92 bis 96% Siliciumdioxid gebildet.
Die getrocknete Wabenmatrix wird maschinell in den ge­ wünschten Größen hergestellt. Eine widerstandsfähige Beschichtung aus Melamin, Latex, Nylon, Teflon®, kolloida­ lem Siliciumdioxid, phenolischen Harzen oder dergleichen, kann auf die Außenseiten der Wabenmatrix angewendet und gehärtet werden, um den Abriebwiderstand wirksam zu vergrö­ ßern und um der Struktur Stärke zu verleihen.
Es wurde gefunden, daß die Gegenwart von Titan in der Sili­ cat- oder Aluminiumsilicat-Gelmatrix die Feuchtigkeitsab­ sorption verbessert und die Energie vermindert, welche benötigt wird, um die Matrix nach der Verwendung zu regene­ rieren. Im allgemeinen kann die Feuchtigkeitsabsorption der Gelmatrix in der Größenordnung von bis zu ca. 20% erhöht werden, indem Titan in dem Gel verwendet wird. Die benö­ tigte Energie, um die Matrix zu regenerieren, kann eben­ falls in der Größenordnung von ca. 5 bis 10% vermindert werden, indem Titan in der Matrix verwendet wird.
Zusätzlich dient der Einschluß von Titan in die Matrix dazu, die mechanische Stärke des Feuchtigkeitsaustauschers zu erhöhen. Tests haben gezeigt, daß die mechanische Stär­ ke, wie sie sich in der Druckfestigkeit zeigt, in der Grö­ ßenordnung von ca. 38% erhöht werden kann.
In einer Ausführungsform kann ein Feuchtigkeitsaustauscher­ element durch kontinuierliches Imprägnieren von Papier aus in erster Linie anorganischen Fasern, vorzugsweise mehr als ca. 89% anorganischen Fasern und insbesondere Fiberglasfa­ sern, mit Natriumsilicat-Wasserglas (37,6% Feststoffe, 3,22 SiO₂/Na₂O) hergestellt werden. Das Papier kann durch ein Wasserglasbad geführt werden, um die Blätter zu imprägnie­ ren. Der Wasserglasklebstoff hat eine hohe chemische Affi­ nität für das Fiberglaspapier und befeuchtet die Oberfläche der zusammengesetzten Blätter und ebenfalls die Öffnungen zwischen den Fasern. Wenn gewünscht wird das Wasserglas über eine Druckwalze auf das Papier übertragen.
Vorzugsweise wird das Papier mit Wasserglas bis zu einem Feststoffgehalt in der Größenordnung von ca. 180 g/m² Trockengewicht (ca. 480 g/m² Feuchtgewicht) imprägniert. Danach werden zwei beschichtete Blätter in einem Paar von Trockenkanälen bis zu dem gewünschten Feststoffgehalt teil­ weise getrocknet. Ein Blatt wird durch ein Paar von gewell­ ten Walzen mit Zähnen geführt, um die Riffel zu erzeugen, welche eine Höhe von ca. 2 mm, einen Abstand von ca. 3,3 mm und ein Verhältnis von Höhe/Abstand von ca. 0,61 aufweisen. Das geriffelte Blatt wird an dem flachen Blatt befestigt, um aus den Blättern einen Verbundstoff zu bilden.
Eine Reihe von geriffelten Verbundstoffen wird gestapelt, um wie in Fig. 4 gezeigt, einen Block 15 zu bilden. Alter­ nativ wird ein geriffelter Verbundstoff wie in Fig. 3 gezeigt um einen Schaft herum in die Form eines Rades 14 gewunden.
Um das Aerogel-Absorptionsmittel aus dem Wasserglas zu bil­ den, wird die zusammengesetzte geriffelte Blattstruktur 14 oder 15 bei einer erhöhten Temperatur in ein Säurebad getaucht, welches Titansalze enthält. Im allgemeinen werden konzentrierte Schwefelsäure und Titansulfatsalze verwendet, um das Säurebad zu bilden. Das Wasserglas und die angesäu­ erten Titansalze reagieren, um auf den Blättern ein Titan­ silicat-Hydrogel zu bilden. Natriumsulfat, ein Nebenpro­ dukt, überschüssiges Titansulfat und Titansilicat-Hydrogel, welches nicht von dem Papier aufgenommen wurde, werden dann durch Waschen entfernt. Durch Erwärmen und Trocknen der Wabenmatrix, wird deren Hauptbestandteil, ein Titansilicat- Aerogel, erhalten.
Es wurde gefunden, daß um eine zufriedenstellende Gelmatrix aus der mit Wasserglas imprägnierten Matrix zu bilden, die Temperatur des Säurebades und der pH des Bades wichtige zusammenhängende Faktoren sind, welche zusammen betrachtet werden sollten. Für den obigen und andere Zwecke wird die Temperatur des Bades im allgemeinen auf ca. 20 bis 60°C, vorzugsweise ca. 35 bis 45°C, eingestellt. Im allgemeinen beträgt die Reaktionsdauer ca. 20 bis 90 Minuten. Der pH wird im allgemeinen während der Reaktion auf ca. 0,5 bis 3 eingestellt, vorzugsweise auf ca. 1,5 bis 2,5.
Während der Gelbildungsreaktion neigt der pH des Säurebades dazu sich zu erhöhen, da die Säure durch das Wasserglas mit einem hohem pH-Wert neutralisiert wird. Um einen konstanten pH beizubehalten, kann zusätzlich konzentrierte Säure zuge­ geben werden.
Die bestimmte Temperatur des Bades und der pH des Bades werden abhängig von dem Wassergehalt der Blätter, der ge­ wünschten Gelporengröße, der Gelporenvolumenverteilung und der gewünschten Gelmatrixstärke ausgewählt. Die Gegenwart der konzentrierten Säure bewirkt, daß sich die Poren in der Gelmatrix bilden und sie verursacht ihre Verteilung.
Wenn Aluminiumsalze verwendet werden führt ihre Gegenwart dazu, daß die Wände der Poren stabilisiert werden und daß die Langzeitstabilität des Gels vergrößert wird. Obwohl die Literatur berichtet, daß die Gegenwart von Aluminium die Effizienz oder Leistungsfähigkeit des Gels erhöhen kann, wurde dies nicht zweifelsfrei gezeigt.
Die Konzentration von Titansalzen in dem Bad kann von vor­ zugsweisegrößer als ca. 1 Gew% bis zu der Löslichkeits­ grenze variiert werden.
Es wurde gefunden, daß es nützlich ist die Säurelösung für wenigstens ca. 15 Minuten durch die Gelmatrix zu zirkulie­ ren, indem die Wabenmatrix gleichmäßig aus dem Bad angeho­ ben und wieder hineingesenkt wird. Wenn gewünscht kann die Säurelösung durch die Wabenmatrix gepumpt werden anstatt die Matrix anzuheben und zu senken.
Anstatt ein Säurebad zu verwenden, kann eine Säurelösung durch die Wabe zirkuliert werden. Wahlweise kann die Wabe unter einem Säurewasserfall durchgeführt werden, um das Hydrogel zu bilden.
Wenn gewünscht kann das Hydrogel gebildet werden, indem die Wabe zuerst in konzentrierte Schwefelsäure getaucht wird. Danach kann die Wabe in eine Titansulfatlösung getaucht werden, um Titan in das Hydrogel einzubringen.
Im allgemeinen wird als die Säure konzentrierte Schwefel­ säure bevorzugt. Jedoch können ebenfalls Salpetersäure, Phosphorsäure oder Salzsäure verwendet werden. Abhängig von der ausgewählten Säure werden Titan- und Aluminiumsulfate, Nitrate, Phosphate oder Chloride verwendet, um Titan oder Titan und Aluminium in das Gel einzubringen.
Aluminium kann in die Gelstruktur eingebracht werden, indem ein Aluminiumsalz zu dem angesäuerten Titansalzbad zugege­ ben wird oder indem das Hydrogel in eine Lösung aus Titan- und Aluminiumsalzen getaucht wird.
Die Porengröße in der Gelmatrix wird abhängig von den be­ stimmten Bedingungen ausgewählt, welche durch den Feuchtig­ keitsaustauscher erfüllt werden sollen. Wenn eine gleichmä­ ßige Porengröße gewünscht wird, dann wird der pH des Säure­ bades bei einem konstanten Wert gehalten. Wenn eine Varia­ tion der Porengröße gewünscht wird, dann wird der pH dem­ entsprechend eingestellt. Beispielsweise kann die Größe der Poren auf einer Gaseintrittsseite des Feuchtigkeitsaus­ tauschers so eingestellt werden, daß sie unter kalten feuchten Bedingungen Wasser aufnehmen. Poren mit größerer Größe sind für diesen Zweck wirksam. An der Austrittsseite des Feuchtigkeitsaustauschers kann die Größe der Poren so eingestellt werden, daß sie wirksam aus einer warmen und trockenen Umgebung Wasser entfernen, indem Poren mit klei­ nerer Größe gebildet werden.
Wie oben angeführt wird die Porengröße teilweise durch den pH des Säurebades, wie auch durch die Temperatur des Bades reguliert. Demgemäß kann durch Ändern des pH-Wertes des Bades die Porengröße wie benötigt größer oder kleiner gemacht werden. Die Porengrößenverteilung des Aerogels kann reguliert werden, indem der pH der sauren Lösung auf einer Seite der Matrix bei ca. 0,5 bis 1,5 gehalten wird, um kleinere Poren zu erhalten, und der pH auf der anderen Seite der Matrix bei ca. 1,5 bis 3,0 gehalten wird, um grö­ ßere Poren zu erhalten.
Die maximale Konzentration des Natriumsalzes, welches aus dem Wasserglas als ein Nebenprodukt in dem Säurebad gebil­ det wird, wird vorzugsweise so eingestellt, daß sie wenig­ stens erlaubt, daß mehrere Wabenmatrizes in einem einzigen Säurebad bearbeitet werden.
Nachdem die Wabenmatrix zu einem Hydrogel umgewandelt wurde, wird sie gewaschen, um Nebenprodukte und überschüs­ sige Reaktanden zu entfernen. Danach wird die Wabe bei geeigneten Flußgeschwindigkeiten und Lufttemperaturen mit Luft getrocknet, um ein Aerogel zu bilden. Die Temperatur und Flußgeschwindigkeiten, welche für diesen Zweck angewen­ det werden, sind nicht kritisch. Im allgemeinen sind eine Lufttemperatur von ca. 175°C und eine Flußgeschwindigkeit von 61 Meter (200 Fuß) pro Minute zufriedenstellend.
Es wurde festgestellt, daß sich die Riffelhöhen während der Gelbildung in der Größenordnung von bis zu ca. 15%, von ca. 2 mm auf ca. 1,7 mm, vermindern können. Der Schritt des teilweisen Trocknens der beschichteten Blätter nach der Im­ prägnierung mit Wasserglas und vor der Gelbildung, vermin­ dert das Nettoausmaß einer solchen Schrumpfung der Riffel und stellt eine gleichmäßigere Struktur für das Feuchtig­ keitsaustauscherelement zur Verfügung.
Das folgende Beispiel stellt eine bevorzugte Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung dar, begrenzt aber nicht ihren Umfang.
BEISPIEL 1
Um die verbesserte Feuchtigkeitsabsorption und mechanische Stärke eines Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung darzustellen, wurden Absorptionsmittelproben aus Fiberglas­ papier mit einer Rohdichte von ca. 35 g/m² und einem Gehalt an organischen Stoffen von < 11% gebildet. Die Proben wur­ den mit Wasserglas (37,6% Feststoffe, 3,22 SiO₂/Na₂O) bis zu einem Trockengewicht von ca. 180 g/m² imprägniert, teil­ weise getrocknet (bis zu ca. 55 Gew% an Feststoffen) und mit einer Lösung von Titansulfat, Schwefelsäure und Alumi­ niumsulfat bei einem pH-Wert von 1,5 und einer Badtempera­ tur von 43°C 30 Minuten lang umgesetzt. Die Proben wurden gewaschen und getrocknet, um eine Titansilicat-Aerogel (im folgenden TiGel genannt) zu bilden.
Für Vergleichszwecke wurden Proben aus einem Aluminiumoxid- Silicat-Aerogel (3-5% Al₂O₃, 95-97% SiO₂) hergestellt, welche aus einem identischen mit Wasserglas imprägnierten Fiberglas hergestellt wurden, welches bei 45°C bei einem pH-Wert von 1,5 eine Stunde lang mit einer Lösung von Alu­ miniumsulfat und Schwefelsäure umgesetzt wurde. Die Proben wurden dann gewaschen und getrocknet (im folgenden als Si- Gel bezeichnet). Alle Proben wurden dann zu Entfeuchtungs­ rädern verarbeitet.
Probenräder des erfindungsgemäßen Absorptionsmittels (TiGel) und des Aluminiumoxid-Silicat-Absorptionsmittels (SiGel) als Vergleich wurden zuerst bei 104°C (220°F), 11,4 g/kg (80 gr/lb) bis zum Gleichgewicht regeneriert und bei Standardtemperatur (20°C) und Feuchtigkeitsbedingungen (50% relative Luftfeuchtigkeit (50% RH)) für die gleichen Zeit­ perioden einem Luftstrom ausgesetzt.
Die Nettogewichtszunahme der Proben wurde gemessen. Die Feuchtigkeitsaufnahme wurde in 3, 4, 5, 6, 10 und 15 Minu­ ten-Intervallen gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten aufgeführt:
Tabelle 1
Die erfindungsgemäßen Entfeuchtungsräder aus Titansilicat- Aerogel zeigten eine größere Feuchtigkeitsaufnahme als her­ kömmliche Räder aus Aluminiumoxid-Silicat-Aerogel. Proben von jedem Absorptionsmittel wurden auf ihre mechanische Stärke hin getestet. Die durch einen Kolben angewendete Kraft, welche benötigt wurde um ein geriffeltes Blatt flachzudrücken, wurde an fünf Stellen auf jeder Probe ge­ messen. Die TiGel-Proben zeigten eine Druckfestigkeit von 2,48·10⁶ ± 2,76·10⁵ Pa (36±4 psi), während die SiGel-Pro­ ben eine Druckfestigkeit von nur 1,79·10⁶ ± 2.07·10⁵ Pa (26 ± 3 psi) zeigten. Der Grund für diese verbesserte Stärke der Titansilicat-Elemente ist bis jetzt nicht bekannt.

Claims (28)

1. Feuchtigkeitsaustauscherelement (10) mit:
  • (a) einem gewellten Blatt (12);
  • (b) einem flachen Blatt (11), welches an Kontaktpunkten einer gefurchten Oberfläche des gewellten Blattes (12) gebunden ist, wobei sowohl das gewellte Blatt (12) als auch das flache Blatt (11) aus einem Papier aus anorga­ nischen Fasern gebildet ist; und
  • (c) einem Adsorbtionsmittel, welches ein Aerogel umfaßt, das an die Oberflächen jedes Blattes gebunden ist und auf den anorganischen Fasern imprägniert ist, wobei das Aerogel ein Titansilicat oder ein Titan-Aluminiumsili­ cat enthält.
2. Feuchtigkeitsaustauscherelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aerogel ein Titansili­ cat-Aerogel ist.
3. Feuchtigkeitsaustauscherelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aerogel ein Titan-Alu­ miniumsilicat-Aerogel ist.
4. Feuchtigkeitsaustauscherelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aerogel ca. 1 bis 3 Gew% Titan enthält.
5. Feuchtigkeitsaustauscherelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Papier ein Fiberglaspapier ist.
6. Feuchtigkeitsaustauscherelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das gewellte Blatt (12) als auch das flache Blatt (11) von ca. 0,1 bis 0,4 mm dick ist.
7. Feuchtigkeitsaustauscherelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Blatt (12) eine Wellenhöhe zwischen ca. 1 und 2,6 mm, einen Wellenabstand zwischen ca. 2,5 und 4,2 mm und ein Verhältnis von Wellenhöhe zu Wellenabstand von ca. 0,2 bis 2,0 aufweist.
8. Feuchtigkeitsaustauscher, welcher eine Wabenmatrix aus einem gewickelten Element (10) oder aus einer Mehrzahl von gestapelten Elementen (10) enthält, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Element (10) gemäß Anspruch 1 aus­ gebildet ist.
9. Feuchtigkeitsaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aerogel ein Titansilicat-Aero­ gel ist.
10. Feuchtigkeitsaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aerogel ein Titan-Aluminiumsi­ licat-Aerogel ist.
11. Feuchtigkeitsaustauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Aerogel ca. 1 bis 3 Gew% Titan enthält.
12. Feuchtigkeitsaustauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Papier ein Fiber­ glaspapier ist.
13. Feuchtigkeitsaustauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das gewellte Blatt (12) als auch das flache Blatt (11) von ca. 0,1 bis 0,4 mm dick ist.
14. Feuchtigkeitsaustauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Blatt (12) eine Wellenhöhe zwischen ca. 1 und 2,6 mm, einen Wel­ lenabstand zwischen ca. 2,5 und 4,2 mm und ein Verhält­ nis von Wellenhöhe zu Wellenabstand von ca. 0,2 bis 2,0 aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Feuchtigkeitsaus­ tauschers gemäß Anspruch 8, welches die folgenden Schritte umfaßt:
  • (a) Bilden eines Laminates aus (i) einem gewellten Blatt (12) und (ii) einem flachen Blatt (11), welches an Kon­ taktpunkte einer gefurchten Oberfläche des gewellten Blattes (12) gebunden ist, wobei das Laminat mit Natri­ umsilicat-Wasserglas imprägniert und dann teilweise getrocknet wurde, wobei sowohl das gewellte Blatt (12) als auch das flache Blatt (11) aus einem Papier aus anorganischen Fasern gebildet war;
  • (b) Bilden einer Wabenmatrix aus wenigstens einem Laminat;
  • (c) Tränken der Wabenmatrix in einer sauren Lösung, welche wenigstens ein anorganisches Titansalz enthält, um das Natriumsilicat-Wasserglas in ein Titan-haltiges Sili­ cat-Hydrogel umzuwandeln; und
  • (d) Waschen und Trocknen der Wabenmatrix, um das Titan-hal­ tige Silicat-Hydrogel in ein Titan-haltiges Silicat- Aerogel umzuwandeln.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenmatrix zuerst in einer sauren Lösung getränkt wird, um das Natriumsilicat-Wasserglas in ein Silicat- Hydrogel umzuwandeln, und danach in einem Titansalzbad getränkt wird, um das Titan-haltige Silicat-Hydrogel zu bilden.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenmatrix in einer sauren Lösung eines anorgani­ schen Titansalzes und eines anorganischen Aluminiumsal­ zes getränkt wird, um nach dem Wasch- und Trocknungs­ schritt ein Titan- und Aluminium-haltiges Silicat-Aero­ gel zu bilden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die saure Lösung bei einer Tempera­ tur von ca. 20°C bis 60°C gehalten wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die saure Lösung bei einer Temperatur von ca. 35°C bis 45°C gehalten wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die saure Lösung bei einem pH von ca. 0,5 bis 3 gehalten wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die saure Lösung bei einem pH von ca. 1,5 bis 2,5 gehalten wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der pH bei einem konstanten Wert gehalten wird, um einen Feuchtigkeitsaustauscher mit gleichmäßigen Porengrößen zu bilden.
23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Porengrößenverteilung des Aerogels variiert wird, indem der pH der sauren Lösung auf einer ersten Seite der Wabenmatrix bei einem Wert von ca. 0,5 bis 1,5 und auf einer zweiten Seite der Wabenmatrix bei einem Wert von ca. 1,5 bis 3,0 gehalten wird, um einen Feuchtig­ keitsaustauscher mit unterschiedlichen Porengrößen auf gegenüberliegenden Seiten zur Verfügung zu stellen.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix in der sauren Lösung getränkt wird, um das Wasserglas in ca. 20 bis 90 Minu­ ten in das Titan-haltige Silicat-Hydrogel umzuwandeln.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die saure Lösung für wenigstens ca. 15 Minuten durch die Matrix zirkuliert wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die saure Lösung durch Anheben und Senken der Wabenma­ trix in ein Bad, welches die saure Lösung enthält, zir­ kuliert wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die saure Lösung durch Pumpen der sauren Lösung durch die Wabenmatrix zirkuliert wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Papier durch ein Wasserglasbad geführt wird, um das Papier mit dem Wasserglas zu imprägnieren.
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