DE10157558B4 - Farbindikator für Kohlendioxid - Google Patents

Abstract

Farbindikatormasse für gasförmiges Kohlendioxid, enthaltend ein Metallhydroxid und einen pH-Indikatorfarbstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbindikatormasse aus festem Bariumhydroxid, angefärbt mit Bromthymolblau, besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Farbindikatormasse für gasförmiges Kohlendioxid, ein Gasreinigungssystem für Kohlendioxid, ein Indikatorsystem für die Anzeige von Kohlendioxid in einem Gas, ein Verfahren zur Reinigung eines Gases und die Verwendung von Bariumhydroxid in einem Farbindikatorsystem für Kohlendioxid in einem Gas.
• Im Laborbereich werden heute Gasnachreinigungspatronen verwendet, mit denen Flaschengase von Verunreinigungskomponenten befreit werden, die für die spätere Anwendung hinderlich sind. Besonders verbreitet sind diese Systeme in Analysenlabors, in denen besonders reine Gase als Betriebsgase für Laborgeräte oder als Kalibriergase verwendet werden.
• Übliche Funktion solcher Patronensysteme ist die Entfernung von Feuchte, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen oder Kombinationen dieser Komponenten. Besonders leistungsfähige Systeme reinigen Gasströme bis zu Restverunreinigungen von 1 ppb.
• Die Reinigungsmassen haben eine begrenzte Kapazität, die jeweiligen Komponenten aus dem Gasstrom zurückzuhalten. Wenn diese Kapazität erschöpft ist, bricht die zu entfernende Komponente durch und passiert das Reinigungssystem.
• Bei vielen Anwendungen ist die einwandfreie und zuverlässige Funktion der Reinigungspatronen entscheidend für den Anwender. Deshalb ist eine rechtzeitige und zuverlässige Erkennung des Durchbruchpunktes wichtig für den Einsatz der Reinigungspatronen.
• Reinigungspatronen mit Indikatorfunktion sind für Sauerstoff bekannt. Z.B. ist eine Reinigungs- oder Adsorbermasse mit inhärenter Indikatorfunktion für Sauerstoff in der DE-AS 16 67 129 beschrieben. Hier zeigt die Reinigungsmasse mit zunehmender Sättigung mit Sauerstoff einen farblichen Umschlag. Ist das Gehäuse der Reinigungspatrone z.B. aus Glas, so kann der Anwender die verbleibende Reinigungskapazität der Patronen an der Position der Farbumschlags-Front erkennen und die noch verbleibende Betriebszeit abschätzen.
• Eine Gasreinigungspatrone mit einem selbstanzeigenden Feuchte-Adsorbens ist in der EP 0 641 592 B1 (interne Bezeichnung MG 1887) beschrieben. Aus US 3,068,073 ist ein Indikator bekannt, der auf einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid und aktiviertem Aluminiumoxid besteht. Weitere Indikatoren sind aus US 4,994,117 , US 4,728,499 , US 2,890,177 , DE 30 34 656 A1 und CN 108 13 98 A bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasreinigungssystem mit Farbindikatorfunktion für Kohlendioxid bereitzustellen.
• Gelöst wurde die Aufgabe durch eine Farbindikatormasse mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen.
• Die Farbindikatormasse für Kohlendioxid (in der Regel gasförmiges Kohlendioxid in einem Gas) enthält einen Stoff, der mit Kohlendioxid reagiert, wobei sich die Basizität oder Acidität des Stoffes ändert, beispielsweise ein festes Metallhydroxid wie Alkalihydroxid oder Erdalkalihydroxid, insbesondere Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid oder Bariumhydroxid. Dieser Stoff wird in der Regel als Feststoff (z.B. feines Pulver) mit einem pH-Indikatorfarbstoff angefärbt. Geeignete pH-Indikatorfarbstoffe sind z.B. Bromthymolblau, Bromxylenolblau, Brasilin, Nitrazingelb, Hämatoxylin, Phenolrot, 3-Nitrophenol, Neutralrot, Kresolrot, m-Kresolpurpur, Brillantgelb, Orange I, alpha-Naphtholphthalein, Thymolblau, p-Xylenolblau, o-Kresolphthalein, Phenolphthalein, alpha-Naphtholbenzein oder Thymolphthalein. Vorteilhaft sind pH-Indikatorfarbstoffe mit einem Umschlagsbereich im Bereich von pH 6 bis pH 9, bevorzugt im Bereich von pH 6 bis pH 8, besonders bevorzugt im Bereich von pH 6 bis pH 7, insbesondere mit einem Umschlagsbereich um pH 7. Vorzugsweise wird Bariumhydroxid (wasserfrei oder kristallwasserhaltig) mit einem pH-Indikatorfarbstoff als Farbindikatormasse eingesetzt. Vorteilhaft ist die Bildung von schwerlöslichem Bariumcarbonat bei der Reaktion mit Kohlendioxid.
• Die erfindungsgemäße Farbindikatormasse für gasförmiges Kohlendioxid besteht aus Bariumhydroxid, angefärbt mit Bromthymolblau. Diese Farbindikatormasse ist vor der Reaktion mit Kohlendioxid blau. Bei der Reaktion mit Kohlendioxid tritt ein Farbum schlag nach gelb auf. Der eingetretene Farbumschlag ist dauerhaft. Die Farbindikatormasse aus Bariumhydroxid mit Bromthymolblau wird vorzugsweise in einer Indikatorpatrone eingesetzt.
• Die Farbindikatormasse für gasförmiges Kohlendioxid wird auch als Zusatz zu bekannten Gasreinigungsmassen zur Entfernung von Kohlendioxid aus Gasen eingesetzt, z.B. zu Molsieb, Natronkalk oder ein Metallhydroxid wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, wobei die Farbindikatormasse und die Gasreinigungsmasse vermischt werden. Bevorzugt wird ein von der Gasreinigungsmasse getrenntes Indikatorsystem, z.B. als zusätzliche Schicht in einer mit der Gasreinigungsmasse gefüllten Gasreinigungspatrone oder in einem nachgeschalteten Indikatorsystem, das z.B. aus einer mit der Farbindikatormasse gefüllten Patrone (Indikatorpatrone, Indikatoreinheit) besteht, die einer Gasreinigungspatrone nachgeschaltet ist.
• Ein Gasreinigungssystem besteht z.B. aus mindestens einer Gasfiltereinheit für Kohlendioxid, das ist z.B. eine Gasfilterpatrone, und mindestens einer nachgeschalteten Indikatoreinheit, die die Indikatorfunktion für Kohlendioxid oder mehrerer zusätzlicher Komponenten eines mit der Indikatoreinheit in Kontakt gebrachten Gases erfüllt. Die zusätzliche Indikatorfunktion kann z.B. durch zusätzliche Schichten mit einer anderen Indikatormasse, z.B. Feuchteindikator und/oder Sauerstoffindikator, in der Indikatoreinheit realisiert werden. Eine solche Indikatoreinheit enthält neben der Farbindikatormasse für gasförmiges Kohlendioxid z.B. Silicagel mit einem Indikator ("Blaugel") oder "Hydrosorb" (von Messer Griesheim) für Feuchtigkeit oder Oxysorb^® (von Messer Griesheim) für Sauerstoff. Die Farbindikatormasse für Kohlendioxid wird demgemäß vorteilhaft mit einer oder mehreren Indikatormassen für unterschiedliche Gaskomponenten, z.B. durch Vermischung oder schichtweise, kombiniert. Besonders vorteilhaft werden die Indikatormassen in jeweils unterschiedlichen Abschnitten einer Indikatorpatrone (z. B. aufeinanderfolgende Schichten von Indikatormassen) untergebracht. Damit hat man nicht nur den Durchbruch der vorgeschalteten Gasreinigungspatrone sichtbar gemacht, sondern kann auch die Komponente identifizieren, die den Durchbruch ausgelöst hat.
• Neben der Kombination verschiedener Indikatormassen in einer Indikatorpatrone ist auch die Kombination (Hintereinanderschaltung) von zwei oder mehreren Indikatorpatronen für verschiedene Gaskomponenten von Vorteil. Beispielsweise wird eine Indikatorpatrone mit der Farbindikatormasse für Kohlendioxid mit einer Indikatorpatrone zur Anzeige von Sauerstoff (z. B. mit Oxysorb^®) oder einer Indikatorpatrone zur Anzeige von Feuchtigkeit (z. B. mit Hydrosorb) durch Hintereinanderschalten kombiniert.
• Im allgemeinen sind Gasfiltereinheit und Indikatoreinheit für durchströmende Gase konstruiert, z. B. als mit einer Gasreinigungsmasse oder Indikatormasse gepackte Patronen.
• Das Gehäuse der Gasfiltereinheit besteht beispielsweise aus Metall (z.B. Stahl oder Aluminium) oder Kunststoff. Das Gehäusematerial der Gasfiltereinheit ist transparent oder undurchsichtig. Die Indikatoreinheit (Indikatorpatrone) weist mindestens ein transparentes Fenster oder eine transparente Wandung (z. B. ringförmiger transparenter Abschnitt oder Teil des Indikatorgehäuses) auf. Das transparente Teil besteht in der Regel aus Glas oder transparentem Kunststoff. Die Indikatoreinheit ist beispielsweise eine Indikatorpatrone mit transparenter Wandung.
• Bei dem Verfahren zur Erkennung der Kapazitätserschöpfung einer Kohlendioxid-Gasreinigungs- oder Absorbermasse in einer Reinigungspatrone bei der Gasreinigung wird seriell (vor- oder nachgeschaltet) oder parallel zu der Reinigungspatrone eine Indikatoreinheit mit der Farbindikatormasse in einem separaten, teilweise oder vollständigen transparenten Gehäuse angeordnet. Vorzugsweise wird der Indikatoreinheit ein Schutzfilter mit Kohlendioxid-Gasreinigungsmasse nachgeschaltet. Diese Anordnung verhindert, daß der "Durchbruch" von Kohlendioxid bei der Reinigerpatrone (Gasfiltereinheit, Gasreinigungseinheit) erst dann erkannt wird, wenn Kohlendioxid bereits das Reinigungssystem passiert hat.
• Eine Indikatoreinheit mit integriertem oder nachgeordnetem Schutzfilter bietet den Vorteil, daß nur sehr wenig Indikatormasse benötigt wird, um den Durchbruch der Reinigerpatrone anzuzeigen. Gleichzeitig wird nur eine geringe Menge Reinigermasse benötigt, um die Schutzfunktion für einen begrenzten Zeitraum aufrecht zu erhalten. Damit kann die Indikatorpatrone oder kombinierte Indikatorpatrone sehr klein konstruiert werden und unbedenklich aus transparentem Material (z.B. Glas) gefertigt werden. Sie kann je nach Bedarf an bestehende Reinigungssysteme angeschlossen werden. Eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Reinigern mit und ohne Indikatorfunktion entfällt für den Anwender.
• Die erwähnten Reinigungspatronen (Gasfiltereinheiten) sind außer im Laborbereich auch bei technischen Gasversorgungen im Einsatz, allerdings in wesentlich größerer Dimensionierung. Auch für diese Anwendung kann das beschriebene Prinzip der Indikatorpatrone mit integriertem Schutzfilter vorteilhaft eingesetzt werden.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
• 1 zeigt ein Schema eines Gasreinigungssystems aus einer Anordnung von Gasreinigungspatrone und Indikatorpatrone mit Schutzfilter.
• 2 zeigt schematisch eine Anordnung von Gasreinigungspatrone und Multikomponenten-Indikatorpatrone mit Schutzfilter als Gasreinigungssystem.
• 3 zeigt ein Gasreinigungssystem mit "Indikatorschaltung"
• Das in 1 gezeigte Gasreinigungssystem besteht aus einer Gasreinigungseinheit 3 (Gasreinigungspatrone), einer Indikatoreinheit 5 für Kohlendioxid, vorteihaft mit nachgeordnetem Schutzfilter 6. Gasreinigungseinheit 3 und Indikatoreinheit 5 sind über eine lösbare Verbindungseinheit 4 verbunden. Das zu reinigende Gas tritt am Gaseingang 1 in die Reinigungseinheit 3 ein. Am Gasausgang 2 verläßt das Gas das Gasreinigungssystem. In diesem Beispiel enthält die Gasreinigungseinheit 3 eine Gasreinigungsmasse für Kohlendioxid wie Natronkalk. Die Gasreinigungseinheit 3 ist z.B. eine Kleinpatrone oder Großpatrone aus Aluminium oder Glas. Die Indikatoreinheit 5, die ein Gehäuse oder Fenster aus einem transparenten Material wie Glas oder Kunststoff aufweist, enthält die Farbindikatormasse für Kohlendioxid. Der Indikatoreinheit 5 ist ein Schutzfilter 6 nachgeschaltet, das in der Regel die gleiche Gasreini gungsmasse wie die Gasreinigungseinheit 3 enthält. Schutzfilter 6 hat in der Regel eine wesentlich geringere Gasreinigungskapazität als die Gasreinigungseinheit 3. Indikatoreinheit 5 und Schutzfilter 6 können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.
• Das Gasreinigungssystem von 2 zeigt die Besonderheit des kombinierten Einsatzes von z. B. drei Indikatoreinheiten 5, 5', 5''. Es werden vorteilhaft zwei, drei oder mehrere Indikatoreinheiten kombiniert, z.B. eine Indikatoreinheit zur Anzeige von Feuchtigkeit, eine Indikatoreinheit zur Anzeige einer Gasverunreinigung wie Sauerstoff und eine Indikatoreinheit zur Anzeige von Kohlendioxid.
• Das in 3 gezeigte Gasreinigungssystem mit "Indikatorschaltung" wird zum Beispiel für Aluminium-Großpatronen oder für Edelstahl-Großbehälter (z.B. Typ R20, Fa. Messer) eingesetzt, wo ein undurchsichtiges Patronengehäuse einen Indikatorumschlag nicht erkennen läßt. In diesem Fall ist eine zusätzliche Kohlendioxid-Indikatorpatrone 10 vorteilhaft, durch die ein Teilgasstrom des den Kohlendioxid-Adsorber 3 oder 3' (wechselweise schaltbar) verlassenden, gereinigten Gasstromes geleitet werden kann, um eine Erschöpfung der Adsorptionskapazität der Reinigungspatrone 3 oder 3' erkennbar zu machen. Kohlendioxid-Indikatorpatrone 10 ist z.B. eine Glaspatrone, gefüllt mit einer Schüttung der Kohlendioxid-Indikatormasse.
• Die Kohlendioxid-Indikatorpatrone 10 für wird vorzugsweise zwischen zwei kleine oder große Kohlendioxid-Adsorber 3, 3' (z.B. Großpatronen) plaziert in der Weise, daß über ein T-Stück 26 ein Druckregler 24, daran ein Drosselventil 25 und daran die Indikations-Patrone 10 angeschlossen wird. Läßt man einen kleinen Gasfluß über diese Indikations-Patrone 10 laufen, dann kann erkannt werden, ob der zuerst vom Betriebsgasstrom durchflossene Adsorber 3 voll belegt ist und getauscht werden muß. Das Prozeßgas bleibt weiterhin rein, weil es durch den zweiten Adsorber 3' strömt. Bei Einsatz der in 3 gezeigten "Indikator-Schaltung" kann der belegte vordere Adsorber 3 ohne Unterbrechung des Arbeitsprozesses durch einen Adsorber 3' ausgetauscht werden. Die Absperrventile 12 bis 23 werden manuell oder automatisch so geschaltet, daß der Gasstrom den gewünschten Weg einnimmt.
• Beispiel
• Herstellung der Farbindikatormasse Bariumhydroxid/Bromthymolblau
• Zur Herstellung einer Farbindikatormasse für gasförmiges Kohlendioxid wurden 15 g Ba(OH)₂·8 H₂O, Korngröße 0,75–1,2 mm, in einem senkrecht angeordneten Glaszylinder mit Fritteneinsatz gegeben und von unten mit ca. 50 l/h N₂ begast. Das Ba(OH)₂ wurde nun mit 30 ml Indikatorlösung (0,05g Bromthymolblau gelöst in 100 g Ethanol) übergossen. Nach der sofort einsetzenden Blaufärbung des Ba(OH)₂ wurde die Indikatorlösung über den am unteren Ende des Zylinders befindlichen Hahn abgelassen. Die Trocknung der Masse erfolgte im Stickstoffstrom, 2h ca. 50 l/h.

1

Gaseingang

2

Gasausgang

3, 3'

Feuchte-Adsorber

4

Verbindungsteil

5, 5', 5''

Indikatormasse

6

Schutzfilter

7

optischer Sensor

8

Absperrventil

9

Steuerung

10

Feuchte-Indikatorpatrone

11

Abblasventil

12–23

Absperrventile

24

Druckregler

25

Drosselventil

26

T-Stück (Abzweigung)

Claims (9)

1. Farbindikatormasse für gasförmiges Kohlendioxid, enthaltend ein Metallhydroxid und einen pH-Indikatorfarbstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbindikatormasse aus festem Bariumhydroxid, angefärbt mit Bromthymolblau, besteht.
2. Gasreinigungssystem für Kohlendioxid, enthaltend eine Farbindikatormasse nach Anspruch 1.
3. Gasreinigungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Gasreinigungssystem Molsieb, Natronkalk oder ein Metallhydroxid wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid als Gasreinigungsmasse enthalten ist.
4. Gasreinigungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Gasreinigungssystem Gasreinigungsmasse und Farbindikatormasse vermischt oder räumlich getrennt sind.
5. Gasreinigungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasreinigungssystem eine oder mehrere Kohlendioxid-Gasfiltereinheiten (3, 3') und eine oder mehrere von den Kohlendioxid-Gasfiltereinheiten (3, 3') räumlich getrennte Indikatoreinheiten (5) enthält.
6. Gasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasreinigungssystem die Gasfiltereinheit (3, 3') ein undurchsichtiges Gehäuse und die Indikatoreinheit (5) ein Gehäuse mit einem transparenten Bereich aufweisen.
7. Indikatorsystem für die Anzeige von Kohlendioxid in einem Gas, umfassend eine oder mehrere Indikatorpatronen (5) mit einer Farbindikatormasse nach Anspruch 1.
8. Verfahren zur Reinigung eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Gas durch ein Gasreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6 geleitet wird.
9. Verfahren zur Erkennung der Kapazitätserschöpfung einer Kohlendioxid-Gasreinigungs- oder Absorbermasse in einer Reinigungspatrone (3, 3') bei der Gasreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß seriell oder parallel zu der Reinigungspatrone (3, 3') eine Indikatoreinheit (5) mit einer Farbindikatormasse nach Anspruch 1 in einem separaten, teilweise oder vollständigen transparenten Gehäuse angeordnet wird.