DE10047479A1 - Adsorptionsmittel - Google Patents

Adsorptionsmittel

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Abstract

Ein Adsorptionsmittel, das ein Trägermaterial und ein auf dem Trägermaterial aufgebrachtes Sorbens enthält, wobei das Trägermaterial an das Sorbens gebunden ist, verfügt über einen weiten Einsatzbereich sowohl hinsichtlich der Verwendung in der Industrie und im Haushalt als auch gegenüber den zu adsorbierenden Substanzen. Ferner weist das Adsorptionsmaterial die Möglichkeit auf, daß es an spezielle Anforderungen, sowohl hinsichtlich der äußeren Einsatzbedingungen als auch hinsichtlich der Adsorbate, angepaßt werden kann. So eignet es sich z. B. zur Adsorption von unangenehmen Gerüchen, von feinteiligen Schmutzpartikeln von Feuchtigkeit im Haushalt, als Saugmittel für Flüssigkeiten, z. B. als Schwamm zur Aufnahme wässriger oder organischer Flüssigkeiten, als Einlagen in Windeln oder als Streumaterial für Toiletten von Haustieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Adsorptionsmittel, enthaltend ein Trägermaterial und ein auf dem Trägermaterial aufgebrachtes Sorbens, ein Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittels sowie die Verwendung des Adsorptionsmittels zur Adsorption von Gerüchen, feinteiligen Schmutzpartikeln und Flüssigkeiten
Adsorptionsmittel sind in der Regel feste Materialien, die aufgrund ihrer großen Oberfläche dazu in der Lage sind, bestimmte Stoffe an ihrer Oberfläche zu binden. Die angelagerten Stoffe können durch schwache von der Waalssche Kräfte oder chemisch gebunden sein. Der Adsorptionsvorgang spielt sich dabei nicht nur an der sichtbaren Oberfläche der Adsorptionsmittel ab, sondern auch in dessen Poren, soweit diese für den zu adsorbierenden Stoff (Adsorbat) zugänglich sind. Die gebräuchlichsten Adsorptionsmittel sind Aktivkohlen, Aluminiumoxide, Kieselgele, Russe, Zeolithe. Sie werden insbesondere bei der Entfernung von Lösemitteldämpfen aus der Abluft, der Gastrocknung, der Reinigung von Abwässern und die Abtrennung von Normalparaffinen aus Erdölfraktionen eingesetzt.
Aber auch im Haushaltsbereich spielen Adsorptionsmittel eine wichtige Rolle. So werden sie beispielsweise als Luftentfeuchter, zum Entfernen von schlechten Gerüchen, als Adsorptionsmaterial von feinteiligen Schmutzpartikeln, als Streumaterialien für die Toiletten von Haustieren (Katzenstreu) und als Hygieneartikel eingesetzt.
Die eingesetzten Adsorptionsmittel sind entweder anorganische poröse Substanzen wie die bereits genannten Zeolithe und Aluminiumoxide, es kommen aber auch synthetische und natürliche Polymere zum Einsatz.
Wegen der Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten von Adsorptionsmitteln und der ebenso großen Vielfalt der zu adsorbierenden Substanzen besteht ein ständiger Bedarf an weiteren neuen Adsorptionsmitteln.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Adsorptionsmittel zur Verfügung zu stellen, das über einen weiten Bereich von Einsatzmöglichkeiten verfügt, sowohl hinsichtlich der Verwendung in der Industrie und im Haushalt als auch gegenüber den zu adsorbierenden Substanzen. Ferner sollte das Adsorptionsmaterial die Möglichkeit aufweisen, daß es an spezielle Anforderungen, sowohl hinsichtlich der äußeren Einsatzbedingungen als auch hinsichtlich der Adsorbate, angepaßt werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Adsorptionsmittel, enthaltend ein Trägermaterial und ein auf dem Trägermaterial aufgebrachtes Sorbens, wobei das das Sorbens an das Trägermaterial gebunden ist.
Das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel weist ein Trägermaterial und ein Sorbens auf. Die beiden Materialien können innerhalb gewisser Grenzen, in denen die Adsorptionsaktivität jeweils gegeben sein sollte, variiert und an den jeweiligen Anwendungszweck angepaßt werden. Die Bindung des Sorbens an das Trägermaterial erfolgt üblicherweise chemisch oder physikalisch.
Als Sorbentien können beliebige Substanzen eingesetzt werden, die dazu in der Lage sind, die zu adsorbierende Substanzen aufzunehmen beziehungsweise komplex zu binden und diese Komponenten gegebenenfalls in einem Regenerationsprozeß auch wieder abzugeben. Um physikalische oder chemische Bindungen mit dem Trägermaterial eingehen zu können weist das Sorbens vorzugsweise polare Gruppen oder funktionelle Gruppen auf. Beispiele für solche Gruppen sind OH-, COOH-, NH2- oder andere saure oder basische Gruppen. Vorzugsweise ist das Sorbens über eine kovalente Bindung an das Trägermaterial gebunden.
Als Sorbentien, die chemisch an das Trägermaterial gebunden sein können, werden vorzugsweise Cyclodextrine und/oder Cyclodextrinderivate eingesetzt. Cyclodextrine sind cyclische Verbindungen, die aus 1,4-verknüpften Glucoseeinheiten aufgebaut sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Cyclodextrine beziehungsweise Cyclodextrinderivate aus 5 bis 12 Glucoseeinheiten aufgebaut. Insbesondere kann auch ein Gemisch an Cyclodextrinen beziehungsweise Cyclodextrinderivaten eingesetzt werden, das aus α-, β- und/oder γ-Cyclodextrinen beziehungsweise den entsprechenden Derivaten besteht. Hierdurch wird ein breites Spektrum an unterschiedlichen Hohlraumdurchmessern der einzelnen Cyclodextrine angeboten, so daß auch unterschiedlich große Substanzen in diese Hohlräume eingelagert werden können.
Als Trägermaterialien, die quasi als Grundgerüst für das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel dienen, sind alle natürlichen und synthetischen sowie anorganischen und organischen Festkörpern mit großer Oberfläche geeignet, sofern sie über eine entsprechende Oberfläche verfügen, an die das Sorbens chemisch oder physikalisch gebunden werden kann. Vorzugsweise weist die Oberfläche des Trägermaterials funktionelle Gruppen auf, über die das Sorbens über chemische Bindungen, gegebenenfalls über sogenannte Spacer gebunden werden kann. Beispiele für geeignete funktionelle Gruppen sind OH-, NH-, NH2-, COOH-, CHO-, SO3H-, Epoxid- oder andere saure und/oder basische Gruppen, sowie Triazin. Diese freien funktionellen Gruppen reagieren in der Regel durch Additions- oder Kondensations­ reaktionen mit den freien funktionellen Gruppen des Sorbens.
Als anorganische Substanzen mit großer Oberfläche, die funktionelle Gruppen, insbesondere OH-Gruppen, an ihrer Oberfläche aufweisen, sind insbesondere Fällungskieselsäuren, Silikate und Aktivkohle zu nennen.
Beispiele für natürliche und synthetische Polymere sind polymere Polyhydroxyverbindungen, polymere Polyamine, polymere Polycarbonsäuren. Beispiele für natürliche Polymere sind Cellulose und Cellulosederivate sowie Stärke und Stärkederivate. Bei der Cellulose und der Stärke handelt es sich um langkettige 1,4-Glykoside (im Unterschied zu den als Sorbentien einsetzbaren Cyclodextrinen). Die Derivate werden üblicherweise durch chemische Reaktionen an den freien OH-Gruppen gebildet. Beispiele für Cellulose-Derivate sind Celluloseester, Celluloseether, Cellulosehydrate, Aldehyd-, Keto- und Carboxycellulosen, alkylierte Cellulosen, wie Methylcellulose, Cellulose-Carbamate etc.. Auch der Einsatz von textilen Materialien, wie Baumwolle, als Trägermaterial für das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel ist möglich.
In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Sorbens entweder direkt über frei zugängliche funktionelle Gruppen des Trägermaterials oder über geeignete Spacer, vorzugsweise bifunktionelle Verbindungen oder polymere Verbindungen, an die frei zugänglichen funktionellen Gruppen des Trägermaterials chemisch gebunden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Sorbens über eine polymere Verbindung als Spacer an das Trägermaterial gebunden. Als polymere Verbindungen haben sich hierbei insbesondere Triazin und/oder halogenierte Triazinderivate, wie Monochlortriazin, bewährt, sowie Dimethylol-harnstoff (DMU), Dimethoxymethyl-harnstoff (DMUMe2), Methoxymethyl­ melamine, insbesondere Trimethoxymethyl-melamin bis Hexamethoxymethylmelamin, Dime­ thylol-alkandiol-diurethane, Dimethylolethylenharnstoff (DMDHEU), Dimethylol-propylenharnstoff (DMPU), Dimethylol-4-methoxy-5,5-dimethyl-propylenharnstoff, Dimethylol-5- hydroxypropylenharnstoff, Dimethylol-hexahydrotriazione, Dimethoxymethyluron, Tetra­ methylolacetylendiharnstoff, Dimethylolcarbamate und/oder Methylolacrylamide. Diese Verbindungen verfügen über entsprechende reaktionsfähige Gruppen, die mit den funktionellen Gruppen des Sorbens und des Trägermaterials reagieren und gleichzeitig untereinander zwei- oder dreidimensional, unter Ausbildung der polymeren Verbindung, vernetzen können.
Weitere Beispiele für geeignete Spacergruppen sind langkettige Alkylreste, Arylreste und/oder Alkyl-Aryl-Reste oder lineare Oligomere von Ethylenglycolterephthalat.
Die Menge an Sorbens, die das Trägermaterial enthält, richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Adsorptionsmittels. Üblicherweise weist das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel zwischen 0,5 und 25 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 2 und 10 Gew.-%, bezogen auf das Adsorptionsmittel, an Sorbens auf, wobei das Sorbens vorzugsweise statistisch über das Trägermaterial verteilt ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Sorbens auch lokal auf dem Trägermaterial konzentriert sein, zum Beispiel im Zentrum oder in den äußeren Bereichen.
Das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel läßt sich in einfacher Weise durch Imprägnieren des Trägermaterials mit dem Sorbens oder durch thermische Behandlung von Trägermaterial und Sorbens erhalten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittels, enthaltend ein Trägermaterial und ein auf dem Trägermaterial aufgebrachtes Sorbens, wobei das Sorbens gegebenenfalls gemeinsam mit anderen Substanzen auf das Trägermaterial aufgebracht wird und, wenn eine chemische Bindung zwischen Trägermaterial und Sorbens erhalten werden soll, anschließend einer thermischen Behandlung unterworfen wird.
Die thermische Behandlung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn funktionelle Gruppen des Trägermaterials und des Sorbens miteinander zur Reaktion gebracht werden sollen, entweder in einer Additions- oder einer Kondensationsreaktion.
Das Aufbringen des Sorbens kann gegebenenfalls zusammen mit kondensierbaren Monomeren erfolgen, so daß bei der thermischen Behandlung eine polymere Verbindung mit 2- beziehungsweise 3-dimensionaler Vernetzung gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform findet eine chemische Einbindung in das vernetzte Monomere sowie eine chemische Anbindung an das Trägermaterial statt. Die thermische Behandlung zur Anbindung des Sorbens an das Trägermaterial findet vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 130°C und 190°C über einen für die Reaktion ausreichenden Zeitraum statt, üblicherweise über einen Zeitraum zwischen einer Minute und 8 Minuten. Werden die Sorbentien über Spacer an das Trägermaterial fixiert, dann werden sie vorzugsweise in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst beziehungsweise dispergiert, und das Trägermaterial wird anschließend bei einer Temperatur vorzugsweise zwischen 60°C und 140°C, insbesondere zwischen 80°C und 130°C, mit der hergestellten Lösung beziehungsweise Dispersion behandelt.
Das erfindungsgemäße Adsorptionsmaterial hat vorzugsweise eine Schüttdichte von 400 g/l bis 1500 g/l.
Insbesondere für den Einsatz im Haushalt und in kleineren Gebinden ist es von Vorteil, wenn das erfindungsgemäße Adsorptionsmaterial sich leicht handhaben läßt, insbesondere wenn es in Form von schüttfähigem Material vorliegt. Schüttfähiges Material läßt sich in der Regel gut verarbeiten und konfektionieren. Um die Gefahr von Staubexplosionen und Stauballergien zu minimieren, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Teilchengröße des erfindungsgemäßen Adsorptionsmittels zwischen 0,1 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 5 mm liegt, wobei besonders bevorzugt mindestens 90% der Teilchen eine Teilchengröße in dem genannten Bereich aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Adsorptionsmittel mit einem weiteren Stoff beladen, der während des Adsorptionsvorgangs freigesetzt wird. In dieser Ausführungsform finden gleichzeitig die Freisetzung und die Adsorption von Stoffen statt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Adsorptionsmittel mit einem Duftstoff und/oder anderen Wirkstoff beladen, wie Desinfektionsmittel etc., der bei Anwendung als Adsorptionsmittel langsam an die Umgebung abgegeben wird. In dieser Ausgestaltung ist es möglich, unangenehme Gerüche etc. nicht nur zu adsorbieren, sondern auch durch einen angenehmen Geruch zu ersetzen bzw. diesen durch einen geeigneten Wirkstoff langfristig zu vermeiden. Die beladenen Duftstoffe und/oder Wirkstoffe werden insbesondere bei Kontakt mit Feuchtigkeit, die in geringen Mengen immer in der Umgebungsluft vorhanden ist, abgegeben, wobei die Feuchtigkeit nicht notwendigerweise als Sorbat vom Trägermaterial aufgenommen werden muß.
Als Duftstoffe können einzelne Riechstoffverbindungen, z. B. die synthetischen Produkte vom Typ der Ester, Ether, Aldehyde, Ketone, Alkohole und Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Riechstoffverbindungen vom Typ der Ester sind z. B. Benzylacetat, Phenoxyethylisobutyrat, p- tert.-Butylcyclohexylacetat, Linalylacetat, Dimethylbenzylcarbinylacetat, Phenylethylacetat, Linalylbenzoat, Benzylformiat, Ethylmethylphenylglycinat, Allylcyclohexylpropionat, Styrallylpropionat und Benzylsalicylat. Zu den Ethern zählen beispielsweise Benzylethylether, zu den Aldehyden z. B. die linearen Alkanale mit 8-18 C-Atomen, Citral, Citronellal, Citronellyloxyacetaldehyd, Cyclamenaldehyd, Hydroxycitronellal, Lilial und Bourgeonal, zu den Ketonen z. B. die Jonone, α-Isomethylionon und Methylcedrylketon, zu den Alkoholen Anethol, Citronellol, Eugenol, Geraniol, Linalool, Phenylethylalkohol und Terpineol, zu den Kohlenwasserstoffen gehören hauptsächlich die Terpene wie Limonen und Pinen. Bevorzugt werden jedoch Mischungen verschiedener Riechstoffe verwendet, die gemeinsam eine ansprechende Duftnote erzeugen. Solche Parfümöle können auch natürliche Riechstoffgemische enthalten, wie sie aus pflanzlichen Quellen zugänglich sind, z. B. Pine-, Citrus-, Jasmin-, Patchouly-, Rosen- oder Ylang-Ylang-Öl sowie Zedernöl und Lavendel. Ebenfalls geeignet sind Muskateller, Salbeiöl, Kamillenöl, Nelkenöl, Melissenöl, Minzöl, Zimtblätteröl, Lindenblütenöl, Wacholderbeeröl, Vetiveröl, Olibanumöl, Galbanumöl und Labdanumöl sowie Orangenblütenöl, Neroliol, Orangenschalenöl und Sandelholzöl. Die genannten Duftstoffe, wie Zedernöl oder Lavendel, können auch als Mittel zur Abstoßung von Insekten eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Adsorptionsmaterial kann aufgrund seiner vielfältigen Möglichkeiten hinsichtlich der Auswahl von Trägermaterial und Sorbens in einem weiten Bereich eingesetzt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß die Verwendung des oben beschriebenen Adsorptionsmaterials zur Adsorption von unangenehmen Gerüchen, von feinteiligen Schmutzpartikeln und/oder von Feuchtigkeit im Haushalt. Beispielhaft ist hier insbesondere die Anwendung im Bad und in der Küche zu nennen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das eines Geruchsadsorbers für unangenehme Gerüche auf Bekleidungen z. B. im Kleiderschrank.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß die Verwendung des oben beschriebenen Adsorptionsmaterials als Saugmittel für Flüssigkeiten. Dieses Saugmittel kann z. B. ein Schwamm zur Aufnahme wässeriger Flüssigkeiten oder organischer Flüssigkeiten wie Öle und Lösemittel von Oberflächen sein, Einlagen in Windeln oder/und Streumaterial für Toiletten von Haustieren.

Claims (20)

1. Adsorptionsmittel, enthaltend ein Trägermaterial und ein auf dem Trägermaterial aufgebrachtes Sorbens, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorbens an das Trägermaterial gebunden ist.
2. Adsorptionsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorbens über eine kovalente Bindung an das Trägermaterial gebunden ist.
3. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorbens ein Cyclodextrin und/oder ein Cyclodextrinderivat ist.
4. Adsorptionsmittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Cyclodextrin und/oder Cyclodextrinderivat aus 5 bis 12 Glukoseeinheiten aufgebaut ist.
5. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Cyclodextrin und/oder Cyclodextrinderivat ein α-, β- und/oder γ-Cyclodextrin und/oder Cyclodextrinderivat bzw. ein Gemisch aus diesen ist.
6. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial ausgewählt ist aus synthetischen und natürlichen Polymeren mit funktionellen Gruppen sowie anorganischen Festkörpern mit großer Oberfläche und funktionellen Gruppen an der Oberfläche.
7. Adsorptionsmittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial ausgewählt ist aus Fällungskieselsäuren, Silikaten, Aktivkohle, Polyhydroxyverbindungen, polymeren Polyaminen, polymeren Polycarbonsäuren, Cellulose und Cellulosederivaten, Stärke und Stärkederivaten sowie textilen Materialien, wie Baumwolle.
8. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionellen Gruppen ausgewählt sind aus OH-, NH-, NH2-, COOH-, CHO-, SO3H-, Epoxid- oder anderen sauren und/oder basischen Gruppen, sowie Triazin.
9. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorbens direkt an die frei zugänglichen funktionellen Gruppen des Trägermaterials gebunden ist.
10. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorbens über Spacer an frei zugänglichen funktionellen Gruppen des Trägermaterials gebunden ist.
11. Adsorptionsmittel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spacer ausgewählt sind aus linearen und/oder verzweigten Alkylgruppen, Arylgruppen, linearen und/oder verzweigten Alkyl-Arylgruppen und/oder oligomeren Ethylenglykol­ terephthalatgruppen sowie polymeren Gruppen.
12. Adsorptionsmittel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die polymeren Gruppen aufgebaut sind aus Monomeren ausgewählt aus Triazin und/oder halogenierten Triazinderivaten, wie Monochlortriazin, sowie Dimethylol-harnstoff (DMU), Dimethoxymethyl-harnstoff (DMUMe2), Methoxymethyl-melaminen, insbesondere Trimethoxymethyl-melamin bis Hexamethoxymethylmelamin, Dimethy­ lol-alkandiol-diurethanen, Dimethylolethylenharnstoff (DMDHEU), Dimethylol-pro­ pylenharnstoff (DMPU), Dimethylol-4-methoxy-5,5-dimethyl-propylenharnstoff, Dime­ thylol-5-hydroxypropylenharnstoff, Dimethylol-hexahydrotriazione, Dimethoxy­ methyluron, Tetramethylolacetylendiharnstoff, Dimethylolcarbamaten und/oder Methylolacrylamiden.
13. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorbens in einer Konzentration zwischen 0,5 und 25 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 2 und 10 Gew.-%, bezogen auf das Trägermaterial, enthalten ist.
14. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material schüttfähig ist.
15. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 5 mm, aufweist.
16. Adsorptionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem weiteren Stoff beladen ist, welcher bei der Adsorption eines Stoffes abgegeben wird.
17. Adsorptionsmittel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Stoff ein Duftstoff ist.
18. Verfahren zur Herstellung der Adsorptionsmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorbens gegebenenfalls gemeinsam mit anderen Substanzen auf das Trägermaterial aufgebracht wird und, wenn eine chemische Bindung zwischen Trägermaterial und Sorbens erhalten werden soll, anschließend einer thermischen Behandlung unterworfen wird.
19. Verwendung des Adsorptionsmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Adsorption von unangenehmen Gerüchen, von feinteiligen Schmutzpartikeln und/oder von Feuchtigkeit im Haushalt.
20. Verwendung des Adsorptionsmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 17 als Saugmittel für Flüssigkeiten, insbesondere als Schwamm zur Aufnahme wässeriger Flüssigkeiten oder organischer Flüssigkeiten wie Öle und Lösemittel von Oberflächen, als Einlagen in Windeln und/oder als Streumaterial für Toiletten von Haustieren.
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