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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Wiederbelebung von aktiver Ifolle.
Die Erzeugung einer vollkommen und gleichmässig aktivierten Kohle, auch Adsorptions-oder Entfärbungskohle genannt, mittels Anwendung von Hitze und wirksamen Gasen ist bekanntlich im Grossbetrieb mit grossen Schwierigkeiten verknüpft und bisher praktisch nicht gelungen.
Die nach den bisherigen Gasaktivierungsverfahren erzeugte aktive Kohle besteht aus einer un-
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Diese Tatsache muss, wie Versuche ergaben, auf den Umstand zurückgeführt werden, dass bei den bisherigen Erzeugungsverfahren die zur Anwendung kommenden Gase das zu aktivierende Material niemals ganz durchdringen, bzw. dass die zur Aktivierung erforderliche Temperatur infolge der geringen Wärmeübertragung nicht gleichmässig bis zum Kern des zu aktivierenden Materials durchdringt, so dass die erzeugte Kohle hauptsächlich nur auf der Oberfläche stark aktiviert ist. Diese Erscheinung bleibt dieselbe, gleichviel ob man das Herstellungsverfahren mit einem vordestillierten oder mit einem der Trockendestillation noch nicht unterworfenen kohlenstoffhaltigen Material beginnt.
So ist beispielsweise in einer vertikalen Retorte, wobei zum Durchgang der aktiven und Reaktion-
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Kohle erreichbar. Die Stücke sind nicht nur nicht untereinander in gleicher Weise aktiviert, sondern die Aktivierung der einzelnen Stücke an und für sich ist nicht gleich ; vielmehr sind sie verschieden angegriffen, je nach der Stelle, welche sie während der Aktivierung in dem Ofen oder Retorte einnehmen.
Sucht man bei letzterem Verfahren diesen Übelstand dadurch zu beseitigen, dass man den Aktivierungsprozess weiter fortsetzt, d. h. die Dauer der Einwirkung verlängert oder die Temperatur oder die Menge des aktivierenden Gases erhöht, so tritt eine zu weitgehende Oxydation an der Oberfläche des behandelten Materials bis zur vollständigen Zersetzung oder ein Rückgang in der Qualität der aktiven Kohle durch Graphitierung od. dgl. ein, wodurch gerade der am stärksten aktivierte Teil der Kohle verloren geht und die Ausbeute an aktiver Kohle sinkt.
Das Endergebnis bleibt dabei immer, dass das Endprodukt sich, auch nach Vermahlung, als eine heterogene Masse von mehr oder weniger aktiver Kohle darstellt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches es ermöglicht, durch Gasaktivierung ein gleichmässig und vollkommen aktiviertes Produkt von sehr grossem Adsorptionsvermögen zu erzeugen.
Es wurde gefunden, dass ein praktisch gleichmässig und bis zum Kern aktiviertes Produkt bei möglichst hoher Ausbeute dadurch erreicht werden kann, dass man das Ausgangsmaterial in mehr oder weniger fein verteiltem Zustande in der Atmosphäre des aktivierenden Gases oder Gasgemisches, welches die erforderliche hohe Temperatur besitzt, in freier Suspension oder im Schwebezustand hält.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird demgemäss das zu aktivierende, gegebenenfalls vorverkohlte und vorerhitzte Ausgangsmaterial in mehr oder weniger fein verteiltem oder feinkörnigem Zustand derart der Einwirkung von Hitze und wirksamem Gas oder Dampf ausgesetzt, dass es während der Aktivierung in einer Atmosphäre heisser aktiver Gase im Schwebezustand erhalten wird. Dieser Schwebezustand des zu aktivierenden Materials kann in verschiedener Weise hervorgerufen werden n. zw. vorzugsweise unter Zuhilfenahme der Bewegungskraft der zugeleiteten Gase oder auch durch Anwendung einer mechanisch betätigten Vorrichtung, oder durch Verbindung beider Mittel.
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man inerte Gase zur Bewegung und zum Inderschwebehalten des Materials dem Aktivationsraum zuführen kann, empfiehlt es sich im allgemeinen, die Suspension des Materials durch eingeleitetes wirksames Gas, z. B. Wasserdampf oder heisse Verbrennungsgase oder beides, zu bewirken.
Unter Gas soll erfindungsgemäss auch Dampf, Gas-oder Dampfgemische oder Mischungen von Dämpfen und Gasen gemeint sein.
Gemäss vorliegender Erfindung wird das Verfahren in der Weise geleitet, dass die aktivierten Teilchen durch den im Aktivierungsraum hindurchgeleiteten Gasstrom mitgerissen werden.
Bei geeigneter Wahl der Arbeitsbedingungen ist es möglich, eine mechanische und sogar eine kontinuierliche Trennung des nicht oder nur teilweise aktivierten Materials und des gänzlich oder grösstenteils aktivierten Materials zu erzielen. Obgleich das spezifische Gewicht aktiver Kohle erheblich grösser ist als dasjenige von z. B. Holzkohle, wurde gefunden, dass die aktivierten Teilchen durch den Gasstrom mitgerissen werden, während die nicht aktivierten schwebend bleiben.
Die für die Aktivierung nötige Wärme kann durch Innenheizung oder Verbrennung erhalten werden, d. h. durch Zufuhr von heissen Gasen, z. B. Schornsteingasen oder brennenden Gasen oder brennbaren Gasen oder Flüssigkeiten im Gemisch mit Luft im Aktivierungsraum oder mit diesem verbundenen Verbrennungsraum. Man kann aber auch Aussenheizung oder elektrische unmittelbare oder mittelbare Heizung anwenden. In manchen Fällen wird sich eine Verbindung von Innen- und Aussenheizung empfehlen. Ebenso kann ein Teil des Materials exothermisch im Arbeitsraum verbrannt werden.
Es war bereits bekannt feinverteilte kohlenstoffhaltige Materialien dadurch zu aktivieren, dass man dieselben in einem Drehofen an den Wänden entlang in mehr oder weniger dicker Schicht rieseln und fortbewegen liess, während die aktivierenden Gase im Gegenstrom darüber geleitet wurden. Im Gegensatz dazu bewirkt man im vorliegenden Verfahren eine allseitige Berührung jedes Matenalpartikelchen mit der aktivierenden Atmosphäre, während das Material im Gasstrom schwebend gehalten und das fertig aktivierte Erzeugnis vom abziehenden Gasstrome mitgerissen wird.
Die Erfindung umfasst weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine geeignete Ausführungsform derselben besteht aus einer stehenden Retorte oder Ofen, die einen verjüngten Boden aufweist und mit einem Sammel- oder Abscheideraum für das erhaltene Erzeugnis in Verbindung steht.
Parallel mit oder im Aktivierungsraume und vorzugsweise derart, dass eine Vorerhitzung stattfinden kann, ist ein Zufuhrrohr für das Ausgangsmaterial angeordnet, an dessen Oberende das zu behandelnde Ma- terial eingebracht wird. Am Unterende ist das Zufuhrrohr mit einer Einrichtung zur Regelung der Materialzuführung versehen, z. B. einem Schieber, der eine Öffnung freilässt, durch welche das Material mit Hilfe eines Dampfstrahles in den Ofenraum eingeführt wird.
Durch die Einführung von Gas von unten in den Ofenraum wird das Material kontinuierlich aufgehoben und im aktivierenden Gasstrome in schwebender Bewegung gehalten, während die Temperatur durch Innen-und bzw. oder Aussenheizung auf die geeignete Höhe eingestellt wird. Die Gasdurchströmung wird dabei in der Weise geregelt, dass nur die verhältnismässig leichten, also die aktivierten Teilchen, mitgerissen werden, ebenso wie die Temperatur, damit kein unnützlicher Kohlenstoffverbrauch stattfindet.
Bei Einleitung brennbarer Gase können diese in einem Verbrennungsraum vorverbrannt werden.
Auch kann man die warmen Gase von verschiedenen Stellen gleichzeitig einleiten und schliesslich auch ganz oder teilweise Oberflächenverbrennung anwenden.
Benutzt man ausschliesslich Innenheizung, so ist eine zweckmässige Isolierung des Aktivierungsraumes geboten. Im allgemeinen aber kann man in geeigneter Weise Aussenheizung mit der Innenheizung kombinieren, dadurch dass, man die brennbaren oder zum Teile brennbaren Gase von der Aktivierungszone in ausserhalb des Reaktionsraumes liegende Verbrennungsräume leitet und darin verbrennt, wobei gleichzeitig die erzeugte Wärme zur Vorerhitzung des zu aktivierenden Materials benutzt werden kann.
An einer höheren Stelle des Aktivierungsraumes können eine oder mehrere Abfuhröffnungen angeordnet werden, um das aktivierte Erzeugnis gleichzeitig mit den Gasen in einen luftdichten Sammelraum abzuleiten. Auf diese Weise können die Gase in beliebiger Art von der aktivierten Kohle abgetrennt werden. Die Abscheidung durch Schwerkraft kann z. B. ganz oder teilweise durch Abschleuderung oder elektrische Abscheidung ersetzt werden.
Als Ausgangsmaterial kann jedes geeignete kohlenstoffhaltende Material benutzt werden, wie Holz, Torf oder sonstiges pflanzliche Material, entweder oder nicht vorbehandelt, vordestilliert oder vorverkohlt, darunter auch die chemische Verkohlung mittels Zink-oder anderer Chloriden, Schwefelsäure, kaustischer oder kohlensaurer Laugen usw. eingeschlossen.
Die verkohlte Masse kann nötigenfalls eine weitere Zerkleinerung erfahren, bevor sie gemäss der vorliegenden Erfindung aktiviert wird.
Nicht nur die Stoffe, welche bisher zur Erzeugung von Entfärbungskohle benutzt wurden, können zur Durchführung des neuen Verfahrens verwendet werden, sondern auch alle bekannten Mittel, welche eine günstige Einwirkung auf die Art und Eigenschaften der zu erzielenden aktiven Erzeugnisse auszuüben imstande sind. Sogar Steinkohlen u. dgl., Sägemehl usw., für welch letzteren Stoff bisher kein praktisches Verfahren zur Verkohlung oder Aktivierung gefunden wurde, können gemäss der Erfindung zum höchsten
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Aktivierungsgrad gebracht werden.
Als aktivierende Gase kommen in Betracht : Dampf und andere bekanntlich bei der Herstellung von Entfärbungskohlen verwendeten Gase, wie Kohlensäure, Luft,
Generatorgas, Wassergas, Mondgas, Chlor, schweflige Säure und andere Schwefelverbindungen, Ammoniak,
Chlorwasserstoffsäure, flüchtige Chloride u. dgl.
Die Temperatur und der Oxydationsgrad sind im Zusammenhang mit den verwendeten Gasen derart zu regeln, dass ein genügender Teil des Rohmaterials oder der Kohlenstoffverbindungen entfernt wird, um ein aktiviertes Erzeugnis vom verlangten Adsorptionsvermögen zu erhalten. Die Korngrösse der Materialteilchen, welche zweckmässig möglichst gleichförmig gewählt werden, hängt teilweise von den Abmessungen der Vorrichtung, dem Druck und der Menge des Gases und anderen Arbeitsbedingungen ab. In einer mehrere Meter hohen Vorrichtung haben sich einigermassen unregelmässig geformte, platte
Teilchen von ungefähr Reis-bis Maisgrösse als ausgezeichnet erwiesen. Das Material kann aber auch bis zu Pulver zerkleinert werden.
Das Verfahren eignet sich ebenfalls, um sehr dichtes kohlenstoffhaltendes Material zu aktivieren, wobei insbesondere die Erzeugung von Gasadsorptionskohle beabsichtigt ist.
Das Verfahren kann derart durchgeführt werden, dass das Material im Heizraum zirkuliert und wiederholt der Aktivierung durch das eingeleitete Gas ausgesetzt wird. Das nichtaktivierte Material bleibt in Zirkulation und das aktivierte wird abgeführt, während nötigenfalls die grösseren Stücke an der
Unterseite des Aktivierungsraumes entleert werden können.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man das Rohmaterial langsam die geheizte Fläche entlang streichen oder bewegen lässt, wobei erhitzte
Gase benutzt werden, um das zu aktivierende Material in Bewegung zu halten. Dabei wird das Material in einem mit aktivierenden Gasen oder Gasgemischen gefüllten Raum bewegt, ohne dass die Verwendung von mechanischen oder mechanisch angetriebenen Mitteln dazu notwendig ist, so dass die Bewegungkraft des zur Heizung oder Aktivierung benutzten Gases dazu genügt. In ähnlicher Weise wird auch dabei die aktivierte Kohle durch den Gasstrom mitgerissen.
Während die Aktivierung in den bekannten, vollständig mit kohlenstoffhaltendem Material gefüllten, vertikalen Retorten ungefähr einen Tag und bei den bekannten teilweise gefüllten, liegenden Retorten oder anderen Retortensystemen mehrere Stunden dauert, kann die Aktivierung nach der Erfindung in wenigen Minuten oder sogar Sekunden ausgeführt werden. Die Leistung einer Retorte wird also erheblich gesteigert. Die Kosten des Verfahrens sind sehr gering infolge des viel geringeren Wärmeund Gasverbrauches.
Die Ausbeute an aktiver Kohle ist viel grösser als bei den bisher bekannten Erzeugungsverfahren aktiver Kohle aus kohlenstoffhaltendem Material mit Hilfe von Wärme und aktiven Gasen. Die Ausbeute kann z. B. ausgehend von Tannenholzkohle mit 85% Kohlenstoff auf die Trockensubstanz berechnet 40-75% und sogar mehr betragen, entsprechend der Qualität, während die Ausbeute bei den bekannten Verfahren erheblich geringer ist.
Das Mass der Aktivierung kann praktisch nach Belieben geregelt werden. Eine aktive Kohle, welche ein fünf- oder mehrfaches Adsorptionsvermögen besitzt, wobei also ein Fünftel des Gewichtes dieselbe Menge von Farbstoffen adsorbiert, als die bekannten Entfärbungskohlen Norit, Eponit, Carboraffin usw., kann ohne besondere Schwierigkeiten erzeugt werden.
Beim Verfahren gemäss der Erfindung kann bei starker Aktivierung eine Kohle erzeugt werden, welche sich praktisch für alle Adsorptionszwecke eignet und viel besser als alle bisher bekannten Kohlenarten alle in Betracht kommenden Flüssigkeiten entfärbt, wie z. B. Rüben-oder Rohrzuckerlösungen und Säfte, Öle und Fette, unter welchen Soja, Kokosnuss, Lein-und Baumwollöl, Wein, Methylenblau usw. während man mit dieser Kohle Entfärbungen und sonstige Reinigungserfolge erzielen kann, die bisher mit anderen Kohlen nicht erreichbar waren. Auch Gase werden viel stärker von der erhaltenen Kohle adsorbiert.
Während mit den bisher bekannten Verfahren z. B. aus Tannenholz oder Torf hergestellte aktive Kohlen ein wirkliches spezifisches Gewicht von 1'6-1'3 (bei 200 C in Äther von einem spezifischen Gewicht von 0'721) und ein scheinbares spezifisches Gewicht (lose eingefüllt) von 0'3-0'2 und eine Adsorptionswärme (d. h. die Anzahl Kalorien von 1 g Kohle bei Raumtemperatur entwickelt, wenn mit einer Flüssigkeit zusammengebracht) in bezug auf Benzol von 20-30 Kalorien per 1 g Kohlen haben, wird gemäss der Erfindung aus den gleichen Rohstoffen eine aktive Kohle erzeugt mit einem wirklichen spezifischen Gewicht von 0'07-0'04 und einer Adsorptionswärme in bezug auf Benzol von 40-70 Kalorien per 1 g Kohle.
Auch andere Erscheinungen treten hier auf ; während die meisten Entfärbungskohlen, durch Kochen mit konzentrierter Schwefelsäure und Kaliumsulfat oder durch Zusammensehmelzung mit Kaliumhydroxyd usw. leicht zersetzt werden, wobei die resultierende Kohle ihr Adsorptionsvermögen fast vollständig verliert, erweist die nach dem vorliegenden Verfahren erhältliche Kohle sich als besonders beständig gegen die Einwirkung von Chemikalien ; auch wird ihr Adsorptionsvermögen durch die oben
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