DE3919567A1

DE3919567A1 - Verfahren zur herstellung von kuenstlicher aktivkohle

Info

Publication number: DE3919567A1
Application number: DE19893919567
Authority: DE
Inventors: Bettina Affonso
Original assignee: Individual
Current assignee: AFFONSO, ALVARO, PROF. DR., 61348 BAD HOMBURG, DE
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1989-06-15
Publication date: 1990-12-20
Anticipated expiration: 2009-06-16
Also published as: DE4015555A1; DE3919567C2

Description

Unter Aktivkohle versteht man Kohlenstoffstrukturen aus klein sten Kristallen mit inneren Oberflächen zwischen 500 und 1000 m³/g. Die Wirkung von Aktivkohle beruht auf ihrem großen Adsorptionsvermögen für unerwünschte oder schädliche Geruchsstoffe aus Gasen, Dämpfen, Wasser und anderen Flüssigkeiten. Man unterscheidet zwischen pflanzlichen (Holz, Torf, Nußschalen, Kaffeebohnen) und tierischen (Blut, Knochen) Rohstoffen. Die Rohstoffe werden entweder mit Dehydrati sierungsmitteln (Zinkchlorid, Phosphorsäure) auf 500-900 Grad Celsius erhitzt und anschließend durch Auswaschen gereinigt oder man behandelt das verkohlte Material bei 700-1000 Grad Celsius mit Wasserdampf, Kohlendioxid oder Luft. Die von Aktivkohle adsorbierbare Stoffmenge hängt u.a. in starkem Maße von der Größe seiner Oberfläche ab. Dabei ist nicht nur die Außenfläche wirksam, sondern auch die sogenannte "innere Oberfläche", die bei porösen Körpern sehr groß sein kann.

Charakteristisch für Aktivkohle ist eine spezifische Porenstruktur und die dadurch bedingte große innere Oberfläche. Aktivkohlen, wie sie zur Zeit für die Wasserreinigung eingesetzt werden, besitzen eine innere Oberfläche in der Größenordnung von 600 bis 1600 m³/g.

Hinsichtlich des Porendurchmessers und der Porenverteilung unterscheidet man bei Aktivkohlen zwischen drei Größenordnungen, und zwar:

1. Makroporen mit einem Porendurchmesser im Bereich über 200 A°. Diese Poren dienen bei der Adsorption aus Flüssigkeiten als Hauptzugangswege bzw. Diffusionswege und spielen für den Adsorptionsvorgang selbst nur eine untergeordnete Rolle.
2. Übergangsporen und Mikroporen mit Durchmessern von weniger als 200 A°. Diese Poren sind adsorptionstechnisch von Wichtigkeit. In ihnen findet die eigentliche Adsorption statt. Den überwiegenden Teil der wirksamen inneren Ober fläche stellen jedoch die Mikroporen mit einem Durchmesser bis zu 20 A°.

Herstellung von Aktivkohlen

Als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Aktivkohlen dienen kohlenstoffreiche Rohstoffe. Die Aktivierung dieser Stoffe kann nach zwei verschiedenen Methoden erfolgen.

Sei der Gasaktivierung geht man von bereits verkohltem Material aus und setzt dieses dem oxidierenden Einfluß eines Gasstromes, wie z.B. Wasserdampf, Kohlendioxyd, Luft oder deren Gemische, aus. Die Reaktionstemperatur liegt bei etwa 800 bis 1000 Grad Celsius, so daß der Kohlenstoff nach der Wassergas-Gleichung

C + H₂O - CO + H₂

teilweise vergast und dabei ein poröses, hochaktives Kohlen stoffgerüst entsteht.

Bei der chemischen Aktivierung vermischt man unverkohltes koh lenstoffhaltiges Material mit dehydratisierend und oxidierend wirkenden Chemikalien. Anschließend wird die "Maische" auf 400 bis 800 Grad Celsius erhitzt. Die Aktivierungsmittel - es können dafür Zinkchlorid, Phosphorsäure, Schwefelsäure u.a. in Frage kommen - werden anschließend ausgewaschen und zurückgewonnen.

Die Aktivierung selbst wird in Drehrohr-, Etagen-, Schacht- oder Wirbelschichtöfen ausgeführt. Ruß ist eine Erscheinungsform des Kohlenstoffs, die sich bei unvollständiger Verbrennung bzw. thermischer Spaltung von dampfförmigen, kohlenstoffhaltigen Substanzen bildet, in unerwünschter Weise, z.B. bei der Verbrennung von Dieselkraftstoffe in schlecht eingestellten Motoren oder als Schornsteinruß an Feuerstellen.

Ruß besteht aus annähernd kugelförmigen Primärteilchen von 5-500 micrometer Durchmesser, die meist zu sich in verzweigten kettenförmigen Agregaten miteinander verwachsen sind, über eine empirisch abgeleitete Größenverteilungsfunktion. Das Ausmaß der Agregation bezeichnet man als Ruß-"Struktur". Diese Agregate wiederum lagern sich zu losen Aglomeraten (Rußflocken) zusammen. Die Oberfläche von Ruß kann von ca. 10-1000 m³/g variiert werden.Ruße mit spezifischen Oberflächen über 150 m³/g weisen im allgemeinen Poren mit Durchmessern von 1 micron auf. Das spezi fische Gewicht von Ruß liegt bei 1.8-2.1 g/cm. Je nach Herstel lungsweise und Rohstoff enthält Ruß neben Kohlenstoff 0.3-1.3% H, 0.1-0.7% N, 0.1-0.7% S.

Es gibt viele Sorten von Ruß mit verschiedenen Oberflächen. Furnaceruß, Gasruß, Thermalruß usw. Es ist daher möglich, eine entsprechende Oberfläche zu wählen, welche vergleichbar zur Aktivkohle ist. Das Problem ist, wie man Ruß als Adsorp tionsmittel verwendet. Wie oben beschrieben, besitzt Aktivkohle Mikroporen und Makroporen. Die Partikel der Aktivkohle sind grob und eignen sich besonders zum Abfiltrieren. Dagegen sind Ruß partikel so klein, daß sie eine stabile, kollodiale Suspension bilden und kaum filtrierbar sind. In der vorliegenden Erfindung wurden Kügelchen oder Stäbchen von grobporösem innerten Material wie z.B. Ton, Gips, poröse Silica oder sogar Steinkohle- oder Braunkohlepartikelchen mit einer Suspension von Ruß in ein Lösungsmittel wie Toluol gebracht. Dadurch wird der Ruß von adsorbierten organischen Verbindungen befreit und gelangt in die groben Poren des innerten Materials. Nach der Befreiung von Toluol wird das Material kurz aktiviert und zwar durch Erhitzen auf 700 Grad Celsius im Dampf- und Luftstrom. Ein erheblicher Vorteil des Materials - gemäß vorliegender Erfindung - liegt in der Möglichkeit, die Kügelchen aus Ton zu verbrennen bis sie frei von Ruß sind und wiederverwendbar als Träger von neuen Rußpartikeln.

Nachfolgend zwei Beispiele eines Laboransatzes:

1. Tonkügelchen (1-2 mm Durchmesser) werden nach bekannten Verfahren zu fertigen, porösen Körpern verbrannt. 50 g solcher Kügelchen werden in 50 ml Toluol + 3 g Ruß getränkt. Nach der Befreiung von Toluol werden die Kügelchen im Dampf bei 750 Grad Celsius aktiviert.
2. Durchfeuchteter Ton (50 g) wurde mit 3 g Ruß vermischt. Aus dieser Masse wurden Kügelchen mit 1-2 mm Durchmesser geformt. Nach der Verbrennung bei 700 Grad Celsius erhält man das gewünschte aktive Material.

Das Verfahren ist so einfach, daß man nicht zu erläutern braucht, wie man eine sehr große Menge solcher Aktivkohlekügel chen herstellt. Das Verfahren ist sehr preisgünstig und spart Naturstoffe, da Ruß ein technisches Erzeugnis auf der Basis Kohle/Petroleum ist. Der Preis von Aktivkohle ist nicht niedrig und weil Aktivkohle das einzige wirksame Mittel in der Wasser aufbereitung ist, ist ein Ersatzmittel nicht nur wünschenswert, sondern auch dringend notwendig, damit die natürlichen Quellen wie Holz, Schalen usw. erhalten bleiben.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von künstlicher Aktivkohle, dadurch gekennzeichnet, daß eine feinporige Erscheinungsform des Kohlenstoffes innerhalb der groben Poren einer innerten Matrix aufgebracht ist.

2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feinporige Erscheinungsform des Kohlenstoffes jede Sorte von Ruß ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die grobporige, innerte Matrix aus Ton, Gips, porösem Silica oder grobporiger Holzkohle, Steinkohle, porösen Kunststoffen jeder Art oder Braunkohle besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die so hergestellten Aktivkohlekörper - falls erforderlich - nochmals aktiviert werden können und zwar nach bekannten Verfahren, wie z.B. in einer Wasserdampfatmosphäre bei Temperaturen von 500 bis 1000 Grad Celcius.