DE4424329A1 - Mit organischen Farbstoffen modifizierte Adsorbenzien auf Basis anorganischer Oxide - Google Patents
Mit organischen Farbstoffen modifizierte Adsorbenzien auf Basis anorganischer OxideInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft modifizierte Adsorben
zien auf Basis anorganischer Oxide, ein Verfahren zu deren Her
stellung sowie deren Verwendung in Verfahren zur adsorptiven
Trocknung neutraler Gase.
Es ist bekannt, zur Trocknung von Gasen partikelförmige
Adsorbenzien auf Basis anorganischer Oxide, z. B. aus Silicium
dioxid, Aluminiumoxid oder Alumosilikat einzusetzen. Neben
einem hohen Adsorptionsvermögen für Wasserdampf sollten die
Trockenmittel sich leicht wieder regenerieren lassen. Zur bes
seren Kontrolle des Trocknungsvorganges ist es dabei wünschens
wert, wenn durch eine reversible Verfärbung der Adsorbenzien
deren fortschreitende Wasseraufnahme angezeigt wird.
Es bestand daher die Aufgabe, neue den Grad ihrer Wasser
aufnahme anzeigende Adsorbenzien auf Basis anorganischer Oxide
sowie ein Verfahren zur adsorptiven Trocknung neutraler Gase
mittels dieser Adsorbenzien anzugeben.
Ein Gegenstand der Erfindung sind partikelförmige Adsor
benzien auf Basis anorganischer Oxide, welche mit einer einen
Indikator-Farbstoff aus der Gruppe Phenolphthalein, Kresolrot
und Thymolblau enthaltenden Lösung imprägniert sind.
Im Sinne der Erfindung werden unter Adsorbenzien auf Basis
anorganischer Oxide Adsorbenzien aus amorphen und/oder
kristallinem Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Alumosilikat, Mag
umoxid, Zinkoxid, Titandioxid, Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid
verstanden. Neben den eigentlichen oxidischen Komponenten kön
nen dabei noch weitere die anwendungstechnischen Eigenschaften
verändernde Zusätze, z. B. Füllstoffe wie Schichtsilikate, Zeo
lithe, Aerosil oder Porenbildner wie z. B. Holzmehl oder Stärke
enthalten sein. Neben den reinen Oxiden sollen unter dem Be
griff anorganische Oxide auch Mischoxide, insbesondere binäre
oder tertiäre Mischoxide, deren einer Bestandteil Siliciumoxid
ist, verstanden werden. Besonders bevorzugt sind erfindungs
gemäße Adsorbenzien auf der Basis von Siliciumdioxid und/oder
Aluminiumoxid oder Alumosilikat, insbesondere Siliciumdioxid.
Die erfindungsgemäßen Adsorbenzien können als beliebige
partikelförmige Formkörper, z. B. als Pulver, Granulat, Strang
preßlinge oder perlförmige Formkörper vorliegen. Zweckmäßiger
weise liegen sie als Partikel in einer Größe von mindestens
0,1 mm vor. Besonders bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Ad
sorbenzien perlförmige Formkörper mit einer durchschnittlichen
Korngröße im Bereich von 0,1 bis 6 mm, insbesondere
0,5 bis 5 mm.
Die erfindungsgemäßen Adsorbenzien sind mit einem Indika
tor-Farbstoff aus der Gruppe Phenolphthalein, Kresolrot und
Thymolblau imprägniert. Hierdurch erhalten die erfindungsgemä
ßen Adsorbenzien die Eigenschaft, bei Kontakt mit geringen
Mengen an Wasser oder Wasserdampf reversibel mit einem Farb
umschlag zu reagieren. Aufgrund dieser Eigenschaft eignen sich
die erfindungsgemäßen Adsorbenzien zur adsorptiven Trocknung
feuchter Gase. Mit Phenolphthalein imprägnierte erfindungsgemä
ße Adsorbenzien zeigen dabei einen Farbumschlag von orange nach
farblos bzw. orange nach violett, mit Kresolrot imprägnierte
erfindungsgemäße Adsorbenzien einen Farbumschlag von orange
nach farblos und mit Thymolblau imprägnierte erfindungsgemäße
Adsorbenzien einen Farbumschlag von orange nach blau. Je nach
Indikator-Farbstoff bzw. Farbstoffgehalt wird dabei der Farb
umschlag der Teilchen bei einer relativen Feuchtigkeit des zu
trocknenden Gases zwischen 10 und 50% deutlich sichtbar. Den
mit Wasser beladenen verfärbten Adsorbenzien kann durch Erhit
zen auf Temperaturen im Bereich von 80 bis 200°C das adsor
bierte Wasser wieder entzogen werden, wobei sie regeneriert
werden und wieder ihre ursprüngliche Farbe annehmen.
Weiterhin umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstel
lung von Adsorbenzien, bei dem man Formkörper auf der Basis an
organischer Oxide mit einer Lösung, enthaltend einen Indikator-
Farbstoff aus der Gruppe Phenolphthalein, Kresolrot und Thymol
blau, imprägniert und anschließend trocknet.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können kristalline oder
amorphe Formkörper auf der Basis von Siliciumdioxid, Aluminium
oxid, Alumosilikat, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Titandioxid, Zir
koniumoxid oder Hafniumoxid, vorzugsweise auf der Basis von
Alumosilikat, Siliciumdioxid und/oder Aluminiumoxid eingesetzt
werden. Die Herstellung derartiger Formkörper ist dem Fachmann
allgemein bekannt. Kristallines Alumosilikat beispielsweise
kann analog dem Verfahren der DE-AS 10 38 015 hergestellt wer
den. Dabei wird Natriumaluminat-Lösung und Natriumsilikat-Lö
sung unter Gel-Bildung miteinander vermischt und zur Kristalli
sation gebracht. Die Herstellung amorpher Alumosilikate kann
beispielsweise analog dem in der DE-OS 29 17 313 beschriebenen
Verfahren erfolgen. Dabei werden eine Aluminat- und eine Sili
kat-Lösung miteinander vereinigt. Wenn das Gemisch sofort in
ein Fällöl gegeben wird, bilden sich perlförmige Körper aus
amorphen Alumosilikat.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Formkörper auf
Basis anorganischer Oxide in beliebiger Form, z. B. als Granu
lat, Strangpreßlinge oder als Perlen eingesetzt werden. Zweck
mäßigerweise sollten die Partikel eine Größe von mindestens
0,1 mm aufweisen. Besonders bevorzugt werden im erfindungsgemä
ßen Verfahren perlförmige Formkörper eingesetzt, deren durch
schnittliche Korngröße im Bereich von 0,1 bis 6 mm, insbesonde
re 0,5 bis 5 mm liegt. Es können aber auch andersgeformte Form
körper eingesetzt werden.
Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren Formkörper
auf der Basis von Alumosilikat oder Siliciumdioxid und/oder
Aluminiumoxid eingesetzt. Besonders bevorzugt werden im erfin
dungsgemäßen Verfahren farblose Formkörper verwendet, was ins
besondere für die spätere Erkennung des Farbumschlages der
erfindungsgemäßen Adsorbenzien von Vorteil ist. Derartige farb
lose Formkörper können z. B. erhalten werden, in dem man den an
sich bekannten Herstellvorgang der Formkörper so steuert, daß
Verfärbungen und Trübungen der Formkörper, z. B. durch kohlen
stoffhaltige Reste aus zugesetzten Füllstoffen oder dem ver
wendeten Formöl, weitgehend vermieden werden. Alternativ können
die Formkörper gegebenenfalls nach ihrer Herstellung einer
Bleichbehandlung, z. B. einer Behandlung mit Ozon-Gas, unter
zogen werden. Eine Ozonbehandlung der Formkörper kann z. B. auf
an sich bekannte Weise durchgeführt werden, indem man die Form
körper in einen Vorlagebehälter füllt und anschließend Ozon-Gas
durch diesen Vorlagebehälter bis zur erkennbaren Ausbleichung
der Formkörper leitet. Auch sind derartig ozonisierte Formkör
per allgemein kommerziell erhältlich, z. B. unter dem Handels
namen "KC-Trockenperlen Typ N® ozonisiert".
Die den Indikator-Farbstoff enthaltende Lösung, mit der im
erfindungsgemäßen Verfahren die Formkörper imprägniert werden,
kann eine wäßrige Lösung oder eine Lösung sein, welche den
Indikator-Farbstoff in einem polaren organischen Lösungsmittel
wie z. B. Aceton oder einem niederen Alkohol wie Methanol oder
Ethanol gelöst enthält. Die Konzentration des Indikator-Farb
stoffes in der Lösung kann dabei im Bereich von 0,01 bis 10
Gew.-%, vorzugsweise 0,01 bis 2 Gew.-%, liegen. Bevorzugt ver
wendet man eine wäßrige Lösung. Hierbei ist es besonders vor
teilhaft, wenn man eine den Indikator-Farbstoff enthaltende
wäßrige Lösung einsetzt, welche durch den Zusatz von Alkalicar
bonat oder Alkali- oder Erdalkalihydroxid alkalisch gemacht
wurde. Vorzugsweise setzt man hierfür der zur Imprägnierung
eingesetzten Farbstofflösung Alkalicarbonat, insbesondere Na
triumcarbonat zu. Besonders vorteilhaft ist es, den Farbstoff
Phenolphthalein in einer mit Natriumcarbonat alkalisch gemach
ten wäßrigen Lösung im erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Adsor
benzien wird am zweckmäßigsten durchgeführt, indem man die den
Farbstoff enthaltende Lösung und die Formkörper in etwa der
gleichen Volumenmenge in einen Vorlagebehälter zusammengibt und
bei Raumtemperatur für eine Verweilzeit von 0,5 bis 24 Stunden
stehenläßt. Anschließend werden die Formkörper über einen Fil
ter oder Sieb von der Imprägnierlösung abfiltriert, gegebenen
falls mehrfach z. B. mit Wasser gespült und anschließend bei
einer Temperatur von 80 bis 200 °C im Trockenschrank getrock
net. Üblicherweise ist zur Trocknung der erfindungsgemäßen
Adsorbenzien eine Trockenzeit von 8 bis ca. 16 Stunden im
Trockenschrank ausreichend.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren
zur adsorptiven Trocknung neutraler Gase, bei dem man die Gase
mit den erfindungsgemäßen Adsorbenzien in Kontakt bringt. In
den Anwendungsbereichen, in denen aus neutralen Gasen Feuchtig
keit durch adsorptive Trocknung entfernt werden muß, z. B. bei
Synthesegasen, Schutzgasen , Werksdruckluft aller Art, Förder
luft, Atmungsluft von Transformatoren oder Druckluft für das
Trockenhalten von Versand- oder Lagerbehältern, kann das erfin
dungsgemäße Verfahren zur Trocknung neutraler Gase eingesetzt
werden. Neben Luft allgemein lassen sich als neutrale Gase so
z. B. Erdgas, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid
sowie gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Acetylen, Propan oder
Butan und Kältemittelgase auf der Basis halogenierter Kohlen
wasserstoffe mit den erfindungsgemäßen Adsorbenzien adsorptiv
trocknen. Üblicherweise erfolgt die Trocknung der Gase dabei in
der Weise, daß man die erfindungsgemäßen Adsorbenzien in an
sich bekannte Adsorptionssysteme, wie sie in Laboratorien oder
großtechnischen Anlagen üblich sind, z. B. Prüfröhrchen, Exsik
katoren, Trockentürmen, U-Röhren, Trocknungseinsätzen in Meß
instrumenten, Transformatoren, Luftentfeuchtern oder großtech
nischen Adsorber-Trocknungs-Anlagen einfüllt und anschließend
die zu trocknenden Gase über bzw. durch die erfindungsgemäßen
Adsorbenzien leitet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann
die Qualität der Trocknung sehr gut kontrolliert werden, da
durch den Farbumschlag der Zeitpunkt angezeigt wird, der eine
Regeneration der Adsorbenzien erforderlich macht. Durch Erhit
zen auf Temperaturen von 80 bis 200°C werden die erfindungs
gemäßen Adsorbenzien dann regeneriert, wobei sie wieder ihre
ursprüngliche Färbung annehmen. Nach der Regeneration können im
erfindungsgemäßen Verfahren die Adsorbenzien erneut für eine
weitere adsorptive Trocknung neutraler Gase verwendet werden.
Neben der adsorptiven Trocknung neutraler Gase können die
erfindungsgemäßen Adsorbenzien aufgrund ihrer Indikator-Eigen
schaften auch zum Nachweis von alkalischen bzw. sauren Kompo
nenten, z. B. zum Nachweis von Ammoniak, in neutralen Gasen
verwendet werden. Weiterhin eignen sie sich auch zur Entfernung
von Restwasser aus vorgetrockneten organischen Lösungsmitteln.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter
erläutern, ohne sie jedoch in ihrem Umfang zu beschränken.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Adsorbenzien
wurden die in der nachfolgenden Tabelle 1 unter ihren Handels
namen kommerziell erhältlichen Formkörper auf der Basis von Si
liciumdioxid und Aluminiumoxid eingesetzt.
Zur Imprägnierung mit dem Farbstoff wurde eine bestimmte Volu
menmenge an Formkörpern bei Raumtemperatur in eine in einem
Becherglas vorgelegte Imprägnierlösung gleicher Volumenmenge
gegeben und für ca. 1 Stunde stehengelassen. Anschließend wur
den die Teilchen über ein Sieb aus der Lösung abfiltriert und
mit destilliertem Wasser gewaschen, bis das Filtrat farblos
war. Dann wurden die so erfindungsgemäß hergestellten Adsorben
zien für ca. 16 Stunden bei ca. 150°C im Trockenschrank ge
trocknet. In der nachfolgenden Tabelle 1 werden die Zusammen
setzungen der den Indikator-Farbstoff enthaltenen Imprägnierlö
sungen sowie die Färbung der erfindungsgemäß hergestellten
Adsorbenzien im trockenen und feuchten Zustand angegeben.
Zur Bestimmung des Farbumschlagpunktes und des Standzeitverhal
tens der erfindungsgemäßen Adsorbenzien wurde deren Gleichge
wichtsbeladung für Wasserdampf mit Luft unterschiedlichen
Feuchtigkeitsgehaltes isotherm bei Raumtemperatur (25°C) ge
messen. Die Messungen hierfür wurden auf an sich bekannte Weise
gemäß der Vorschrift DIN 55473 durchgeführt, indem ein defi
nierter Luftstrom (ca. 4 dm³/min) zur Einstellung der relativen
Luftfeuchte durch 6 Sättigungsflaschen, welche mit verdünnter
Schwefelsäurelösung bestimmter Dichte in einer Menge von je 1
dm³ gefüllt waren, geleitet wurde. Dieser Luftstrom wurde dann
durch ein Adsorptionsgefäß geleitet, welches erfindungsgemäße
Adsorbenzien in einer bestimmten Menge enthielt. Dem Adsorp
tionsgefäß wurde periodisch eine Probe der erfindungsgemäßen
Adsorbenzien entnommen und aus deren Massenzunahme die Adsorp
tionsfähigkeit für Wasserdampf ermittelt. Beispielhaft sind in
der nachfolgenden Tabelle 2 die isothermen Werte für die erfin
dungsgemäßen Adsorbenzien der Beispiele Nr. 2 und Nr. 9 darge
stellt, wobei deren isotherme Adsorptionsfähigkeit für Wasser
dampf als relative Massenzunahme, bezogen auf die eingewogene
Menge der trockenen Adsorbenzien, angegeben wird.
Ein Farbumschlag der erfindungsgemäßen Adsorbenzien wurde ab
einer eingestellten relativen Feuchtigkeit des Luftstroms von
ca. 10% bei Beispiel Nr. 2 und von ca. 50% bei Beispiel Nr. 9
erreicht. Nach Trocknung im Trockenschrank bei 150°C für eine
Zeitdauer von ca. 16 Stunden nahmen die erfindungsgemäßen Ad
sorbenzien wieder die für den trockenen Zustand angegebene
Färbung ein.
Zur Ermittlung der Standzeit wurden die erfindungsgemäßen
Adsorbenzien wie beschrieben von Luft mit einer relativen
Feuchtigkeit von < 10% für 6 bis 8 Stunden durchströmt. Die
Regeneration der Teilchen erfolgte im Trockenschrank bei 150°C
für 16 Stunden. Dieser Zyklus wurde mehrfach hintereinander
wiederholt. Hierbei ergab sich, daß der Umschlagpunkt und die
Beladungskapazität der erfindungsgemäßen Adsorbenzien für alle
durchgeführten adsorptiven Trockenvorgänge unverändert blieb.
Diese Ergebnisse zeigen, daß die Verfärbung der erfin
dungsgemäßen Adsorbenzien vom feuchten in den trockenen Zustand
reversibel erfolgt, was sie in hervorragender Weise für die
kontrollierte adsorptive Trocknung neutraler Gase geeignet
macht. Durch Trocknung im Trockenschrank können die erfindungs
gemäßen Adsorbenzien dabei wieder in ihre trockene Form über
führt werden, wobei sie gleichzeitig wieder ihre ursprüngliche
Farbe annehmen.
Claims (10)
1. Partikelförmige Adsorbenzien, dadurch gekennzeichnet,
daß sie mit einem Indikator-Farbstoff aus der Gruppe Phenol
phthalein, Kresolrot und Thymolblau imprägnierte Formkörper auf
Basis anorganischer Oxide sind.
2. Partikelförmige Adsorbenzien nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie Formkörper auf Basis anorganischer
Oxide aus der Gruppe Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Alumosili
kat, Magnesiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid
oder derer Gemische sind.
3. Partikelförmige Adsorbenzien nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie bei Kontakt mit Wasser oder Wasserdampf
einen reversiblen Farbumschlag zeigen.
4. Verfahren zur Herstellung partikelförmiger Adsorben
zien, dadurch gekennzeichnet, daß man Formkörper auf Basis
anorganischer Oxide mit einer einen Indikator-Farbstoff aus der
Gruppe Phenolphthalein, Kresolrot, Thymolblau enthaltenden
Lösung imprägniert und anschließend trocknet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
man farblose Formkörper einsetzt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
man eine den Indikator-Farbstoff in einer Menge von 0,01 bis
10 Gew.-%, vorzugsweise 0,01 bis 2 Gew.-% enthaltende Lösung
einsetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
man eine durch Zusatz von Alkalicarbonat oder Alkali- oder
Erdalkalihydroxid alkalisch gemachte Lösung einsetzt.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
man Formkörper auf Basis von Siliciumdioxid, und/oder Alumi
niumoxid oder Alumosilikat einsetzt.
9. Verfahren zur adsorptiven Trocknung neutraler Gase, da
durch gekennzeichnet, daß man die Gase mit partikelförmigen Ad
sorbenzien gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 kontaktiert.
10. Verwendung partikelförmiger Adsorbenzien gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 3 zur adsorptiven Trocknung neutraler Gase.
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