DE102004063434A1

DE102004063434A1 - Aktivkohleformkörper, Verfahren zu dessen Herstellung, Tankentlüftungssystem und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004063434A1
Application number: DE102004063434A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Wolff
Original assignee: Helsa Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: MANN+HUMMEL INNENRAUMFILTER GMBH & CO. KG, 954, DE
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: US20060142154A1; DE102004063434B4; US7462224B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aktivkohleformkörperanordnung mit sich durch die Aktivkohleformkörperanordnung erstreckenden Kanälen (1), wobei die Aktivkohleformkörperanordnung wenigstens zwei monolithische Aktivkohleformkörper (2, 3) mit Kanälen (1) aufweist, wobei die Kanäle (1) der wenigstens zwei monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3) kommunikativ miteinander in Verbindung stehen und die jeweils durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in dem ersten und zweiten monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3) unterschiedlich ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft des weiteren ein Tankentlüftungssystem und ein Kraftfahrzeug, das die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung enthält. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktivkohleformkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Tankentlüftungssystem sowie ein Kraftfahrzeug.

Aktivkohleformkörper werden in der Kraftfahrzeugindustrie insbesondere in Tankentlüftungssystemen zur Reduzierung von Verdunstungsemissionen aus einem Kraftstoff-Versorgungssystem verwendet. Derartige Tankentlüftungssysteme nehmen insbesondere bei Standzeiten von Kraftfahrzeugen, die bspw. im Sommer direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, die von einem Kraftstoff-Vorratsbehälter infolge von Druckerhöhung abgegebenen Kohlenwasserstoffe auf, damit diese nicht in die Umwelt gelangen.

Die Tankentlüftungssysteme bzw. -entlüftungsfilter können aus Ein- oder Mehrkammersystemen mit Aktivkohleschüttungen bestehen. Aus der US 5,957,114 oder der US 6,503,301 sind Zweikammersysteme bekannt.

Die DE 199 52 092 C1 offenbart einen Aktivkohlefilter, der einen Filterabschnitt mit Aktivkohle und eine Filterschicht aus Hochleistungsadsorbermaterial aus einem Zeolith- und/oder Kieselgel- und/oder Aluminiumoxid- und/oder Divinylbenzolstyrolmaterial umfaßt.

Die WO 01/62367 offenbart ein Verfahren zur Adsorption von Kohlenwasserstoffdämpfen aus Kraftfahrstoffgasmischungen, wobei man die Gasmischung zunächst über ein erstes Adsorptionssystem und nachfolgend über ein zweites Adsorptionssystem leitet und wobei die Adsorptionsrate des zweiten Adsorptionssystems höher ist als die Adsorptionsrate des ersten Adsorptionssystems. Das erste und das zweite Adsorptionssystem können beide aus Aktivkohle bestehen, wobei sich diese Aktivkohle durch unterschiedliche Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen unterscheiden.

Die vorgenannten Filtersysteme verwenden sämtlichst Aktivkohleschüttungen, die nachteiligerweise einen sehr hohen Druckabfall erzeugen.

Um bei Aktivkohleschüttungen eine gute Regenerierbarkeit haben zu können, muß die Korngröße der verwendeten Aktivkohle möglichst klein sein. Die Verwendung von möglichst kleiner Aktivkohle führt nachteiligerweise zu einem noch größeren Druckabfall bei den vorgenannten Systemen.

Wenn bei guter Regenerierbarkeit ein Tankentlüftungssystem bzw. ein Tankentlüftungsfilter einen niedrigen Druckabfall aufweisen soll, müssen monolithische Strukturen, die ein Adsorptionsmittel enthalten, verwendet werden.

Die US 4,386,947 offenbart eine Vorrichtung zur Adsorption von Kraftstoffdämpfen, bei der erste, zweite und dritte Aktivkohle umfassende monolithische Strukturen so zusammen laminiert sind, daß die Durchlässe in den monolithischen Strukturen eine Zick-Zack-Konfiguration ausbilden, durch die das Gas bzw. der Dampf durchgeleitet wird. Diese Anordnung ist in fertigungstechnischer Hinsicht aufwendig und im Hinblick darauf, daß es sich bei den Tankentlüftungssystemen um Massenprodukte handelt, zu kostenintensiv.

Die US 6,540,815 B1 offenbart ein Verfahren zur Verminderung von Kraftstoffdämpfen in Automobilen, wobei die Dämpfe zunächst über eine Aktivkohleschüttung und nachfolgend durch einen Aktivkohle-haltigen keramischen Formkörper mit Wabenstruktur geleitet werden. Das aus der US 6,540,815 B1 bekannte Verfahren ist insofern nachteilig, daß zum einen eine Aktivkohleschüttung verwendet werden muß, die, wie bereits vorstehend erläutert, einen hohen Druckabfall aufweist, und zum anderen der Aktivkohle-haltige keramische Wabenfilter aufgrund des Keramikanteils maximal etwa 35 Gew.-% Aktivkohle enthält und mithin ein eingeschränktes Adsorptionsvermögen aufweist.

Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Aktivkohleschüttungen in einem Kraftfahrzeug ist, daß während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs die Aktivkohleschüttung gegenüber Erschütterungen ausgesetzt ist und die Aktivkohlepartikel aneinander reiben. Die Reibung der Aktivkohlepartikel aneinander erzeugt einen Abrieb und führt zu einer Pulverisierung der Aktivkohle, wodurch das Adsorptionsvermögen der Aktivkohleschüttung verschlechtert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Adsorptionsmittel, vorzugsweise zur Adsorption von Kohlenwasserstoffdämpfen, in einer Form bereitzustellen, die sowohl ein gutes Adsorptionsvermögen als auch einen niedrigen Druckabfall ermöglicht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch Bereitstellung einer Aktivkohleformkörperanordnung mit sich durch die Aktivkohleformkörperanordnung erstreckenden Kanälen gelöst, wobei die Aktivkohleformkörperanordnung wenigstens zwei monolithische Aktivkohleformkörper mit Kanälen aufweist, wobei die Kanäle der wenigstens zwei monolithischen Aktivkohleformkörper kommunikativ miteinander in Verbindung stehen und die jeweils durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in dem ersten und zweiten monolithischen Aktivkohleformkörper unterschiedlich ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Vermengen von Kohlenstoffpartikeln, Bindemittel, Flüssigphase und gegebenenfalls weiterer Hilfsmittel unter Bereitstellung einer extrudierbaren Masse,
(b) Extrudieren der in Schritt (a) erhaltenen Masse zu monolithischen Formkörpern mit Kanälen,
(c) Trocknen der in Schritt (b) erhaltenen Formkörper,
(d) Carbonisieren der getrockneten Formkörper unter Erhalt von Kohlenstoff-Formkörpern,
(e) Optional Aktivieren der carbonisierten Kohlenstoff-Formkörper,
(f) Anordnen von wenigstens zwei Aktivkohleformkörpern, bei denen die durch die Kanalquerschnitte jeweils gebildete freie Querschnittsfläche unterschiedlich ist, so, daß die Kanäle der wenigstens zwei Aktivkohleformkörper kommunikativ miteinander in Verbindung stehen.

Unter dem Begriff „Kohlenstoffpartikel" werden im Sinne der Erfindung Partikel aus Kohlenstoff und Kohlenstoff-haltige Partikel verstanden. D.h., die Partikel können neben Kohlenstoff auch weitere Bestandteile enthalten. Die weiteren Bestandteile werden vorzugsweise während des Carbonisierens pyrolysiert und/oder in Kohlenstoff umgewandelt.

Vorzugsweise bestehen die Kohlenstoffpartikel überwiegend aus Kohlenstoffmaterial, weiter bevorzugt bestehen die Kohlenstoffpartikel nahezu vollständig aus Kohlenstoffmaterial. Sehr bevorzugt bestehen die Kohlenstoffpartikel ausschließlich aus Kohlenstoffmaterial. Das Kohlenstoffmaterial kann Koks aus den verschiedensten Ausgangsmaterialien sein, bspw. aus Holz, Torf, Steinobstkernen, Nußschalen, Steinkohlekoks und/oder Braunkohlekoks.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Kohlenstoffmaterial Aktivkohle.

Eine Aktivierung gemäß Schritt(e) wird vorzugsweise nur dann durchgeführt, wenn die Kohlenstoffpartikel keine Aktivkohlepartikel sind. D.h., eine Aktivierung gemäß Schritt (e) ist nicht erforderlich, wenn als Kohlenstoffpartikel Aktivkohle verwendet wird.

Die monolithischen Aktivkohleformkörper werden vorzugsweise durch Extrusion erhalten und weisen mithin eine längliche Erstreckung auf. Bei Herstellung der monolithischen Aktivkohleformkörper durch Extrusionsverfahren kann der durch Extrusion erhaltene Strang durch Ablängung auf gewünschte Länge eingestellt werden.

Die in dem monolithischen Aktivkohleformkörper enthaltenen Kanäle erstrecken sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander. Weiterhin ist bevorzugt, daß sich die Kanäle im wesentlichen parallel zur Längsachse des monolithischen Aktivkohleformkörpers erstrecken. Die Kanäle erstrecken sich dabei vorzugsweise vollständig durch den Aktivkohleformkörper, d.h. bspw. von einer ersten Stirnseite entlang der Längsachse des Aktivkohleformkörpers bis zu einer zweiten Stirnseite. Der monolithische Aktivkohleformkörper kann dabei in Form eines Quaders oder eines Zylinders vorliegen. Die Geometrie des senkrecht zur Längsachse des monolithischen Aktivkohleformkörpers stehenden Querschnitts kann trigonal, tetragonal, vorzugsweise quadratisch, pentagonal, hexagonal, octogonal, decagonal, rund oder oval sein. Die äußere Geometrie der monolithischen Aktivkohleformkörper ist grundsätzlich variabel und kann den räumlichen Bedingungen bspw. in einem Kraftfahrzeug angepaßt werden.

Die Kanäle der wenigstens zwei monolithischen Aktivkohleformkörper stehen kommunikativ miteinander in Verbindung. Das heißt, Gase oder Dämpfe können aus den Kanälen eines ersten monolithischen Aktivkohleformkörpers in die Kanäle eines zweiten monolithischen Aktivkohleformkörpers gelangen. Falls die Aktivkohleformkörperanordnung aus mehr als zwei monolithischen Aktivkohleformkörpern, bspw. aus drei, vier, fünf oder mehr monolithischen Aktivkohleformkörpern besteht, stehen sämtliche Kanäle dieser monolithischen Aktivkohleformkörper kommunikativ miteinander in Verbindung, so daß die Gase bzw. Dämpfe nacheinander durch die Kanäle sämtlicher nacheinander angeordneter monolithischer Aktivkohleformkörper gelangen, wodurch eine Abreicherung von Schadstoffen, bspw. eine Abreicherung von Kohlenwasserstoffen, in der Luft erfolgt.

Die Kanäle der zwei, drei, vier, fünf oder mehr nacheinander angeordneten monolithischen Aktivkohleformkörper können dabei direkt aneinanderstoßend angeordnet sein. Bspw. ist es möglich, daß die Stirnflächen der verschiedenen monolithischen Aktivkohleformkörper unmittelbar aneinanderstoßend angeordnet sind.

Die monolithischen Aktivkohleformkörper können dabei über Haftmittel, bspw. über auf den Stirnseiten aufgetragene Haftmittel, miteinander verklebt bzw. verbunden sein. Es ist aber auch möglich, die Aktivkohleformkörper nacheinander in einer Umhüllung, bspw. in einem Schrumpfschlauch oder in einem Gehäuse anzuordnen, wobei die Stirnflächen der monolithischen Aktivkohlformkörper aneinander anstoßend angeordnet sein können. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die monolithischen Aktivkohleformkörper voneinander beabstandet angeordnet sind. Bspw. können die monolithischen Aktivkohleformkörper so in einem Schrumpfschlauch angeordnet sein, so daß sich der Schrumpfschlauch zwischen zwei benachbart angeordneten monolithischen Aktivkohleformkörper zusammenzieht und eine gas- bzw. dampfdichte Verbindung zwischen den benachbart angeordneten monolithischen Aktivkohleformkörpern ausbildet. Die zwei, drei, vier oder mehr monolithischen Aktivkohleformkörper können auch voneinander beabstandet in einem gas- oder dampfdichten Gehäuse angeordnet sein. Dabei können die monolithischen Aktivkohleformkörper in einem solchen Gehäuse parallel zueinander und somit in platzsparender Weise angeordnet sein.

Die freie Querschnittsfläche zwischen dem ersten und dem zweiten monolithischen Aktivkohleformkörper ist verschieden voneinander. Die freie Querschnittsfläche wird durch die Summe der Querschnittsflächen der Kanäle in einem senkrecht zur Längsachse des Aktivkohleformkörpers stehenden Querschnitt gebildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Aktivkohleanteil in den Aktivkohleformkörpern wenigstens 75 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivkohleformkörper. Weiterhin bevorzugt beträgt der Aktivkohleanteil wenigstens 80 Gew.-%, weiter bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, noch weiter bevorzugt wenigstens 95 Gew.-%, sehr bevorzugt wenigstens 98 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivkohleformkörper. Gemäß einer sehr bevorzugten Ausführungsform beträgt der Aktivkohleanteil in den Aktivkohleformkörpern 100 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aktivkohleformkörpers.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß Aktivkohleformkörper mit einem äußerst hohen Anteil an Aktivkohle, vorzugsweise mit 95 bis 100 Gew.-% Aktivkohle, mit guter mechanischer Stabilität hergestellt werden können. Aufgrund des hohen Aktivkohleanteils ist das Adsorptionsvermögen der Aktivkohleformkörper außerordentlich hoch.

Als Aktivkohle werden vorzugsweise offenporige Aktivkohlen mit einem großen Mesoporenanteil verwendet. Das Mesoporenvolumen solcher Aktivkohlen liegt dabei üblicherweise in einem Bereich von 0,2 bis 1,1 ml/g, wobei die Mesoporen eine durchschnittliche Porengröße von 20 – 300 Å im Durchmesser aufweisen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann bspw. die Aktivkohle BAX 1100 der Mead Westvaco Corporation USA, die CNR 115 der Fa. Norit Nederland B.V. oder die Aktivkohle 1155-2 der German Carbon Teterow GmbH Deutschland verwendet werden. Die Porenverteilung der monolithischen Aktivkohleformkörper basiert mithin auf der Porenverteilung der verwendeten Aktivkohletypen. Somit weisen die bei der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung verwendeten monolithischen Aktivkohleformkörper einen großen Anteil von Mesoporen auf.

Die Kanäle in den Aktivkohleformkörpern können unabhängig voneinander einen trigonalen, tetragonalen, vorzugsweise quadratischen, pentagonalen, hexagonalen, octogonalen, runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise weisen die Kanäle einen runden oder hexagonalen Querschnitt auf. Äußerst bevorzugt weist der Kanalquerschnitt eine hexagonale Geometrie auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Aktivkohleformkörperanordnung wenigstens drei monolithische Aktivkohleformkörper, deren Kanäle kommunikativ miteinander in Verbindung stehen, auf.

Weiterhin ist bevorzugt, daß die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in aufeinanderfolgenden monolithischen Aktivkohleformkörpern jeweils zunimmt. D.h. die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche erhöht sich von dem ersten zum zweiten und zum dritten monolithischen Aktivkohleformkörper bzw. zu jedem weiteren in der Aktivkohleformkörperanordnung angeordneten Aktivkohleformkörper.

Vorzugsweise nimmt die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in aufeinanderfolgenden monolithischen Aktivkohleformkörper jeweils um 5 bis 60 %, vorzugsweise um 10 bis 50 %, zu. Die Prozentangabe bezieht sich dabei jeweils auf die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche des vorangehenden Aktivkohleformkörpers.

Vorzugsweise beträgt die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in einem ersten monolithischen Aktivkohleformkörper 10 bis weniger als 35 %, vorzugsweise 20 bis 30 %, wobei sich die Prozentangabe auf den Anteil der durch die Kanalquerschnitte gebildeten Fläche, bezogen auf die Gesamtquerschnittsfläche des Aktivkohleformkörpers bezieht.

Weiterhin ist bevorzugt, daß die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in einem zweiten monolithischen Formkörper 35 bis maximal 60 %, vorzugsweise 40 bis 55 %, beträgt, wobei sich die Prozentangabe auf den Anteil der durch die Kanalquerschnitte gebildeten Fläche, bezogen auf die Gesamtquerschnittsfläche des Aktivkohleformkörpers bezieht.

Weiterhin ist bevorzugt, daß die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in einem dritten monolithischen Aktivkohleformkörper mehr als 60 bis weniger als 80 %, vorzugsweise 65 bis 75 %, beträgt, wobei sich die Prozentangabe auf den Anteil der durch die Kanalquerschnitte gebildeten Fläche, bezogen auf die Gesamtquerschnittsfläche des Aktivkohleformkörpers bezieht.

Bei der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung werden mithin monolithische Aktivkohleformkörper mit unterschiedlicher freier Querschnittsfläche miteinander kombiniert. Bei Verwendung dieser Aktivkohleformkörperanordnung, bspw. in einer Tankentlüftung, wird der Aktivkohleformkörper mit der geringsten freien Querschnittsfläche auf der Seite der Schadstoffquelle, bspw. einem Kraftfahrzeugtank, angeordnet, so daß auf der der Schadstoffquelle abgewandten Seite, bspw. der Atmosphärenseite eines Kraftfahrzeuges, der Aktivkohleformkörper mit der größten freien Querschnittsfläche angeordnet ist. D.h., von der Seite einer gas- oder dampfabgebenden Schadstoffquelle, bspw. der Tankseite eines Kraftfahrzeuges, zu der der Schadstoffquelle abgewandten Seite, bspw. der Atmosphärenseite eines Kraftfahrzeuges, nimmt bei den in der Aktivkohleformkörperanordnung angeordneten monolithischen Aktivkohleformkörpern die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche von bspw. einem ersten über einen zweiten zu einem dritten oder weiteren monolithischen Aktivkohleformkörper zu.

Es hat sich überraschend herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung einen äußerst geringen Druckabfall im Vergleich zu einer Aktivkohleschüttung aufweist. In Abhängigkeit von der gewählten Anströmfläche und der Länge der Aktivkohleformkörperanordnung kann der Druckabfall 90 % niedriger sein als der Druckabfall einer Aktivkohleschüttung mit vergleichbarem Adsorptionsvermögen. Der Druckabfall ist bei der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung mithin deutlich geringer als bei einer Aktivkohleschüttung mit vergleichbarem Adsorptionsvermögen. Vorzugsweise ist der Druckabfall bei der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung wenigstens 20 % niedriger, weiter bevorzugt wenigstens 50 % niedriger, noch weiter bevorzugt wenigstens 70 % niedriger als bei einer herkömmlichen Aktivkohleschüttung mit vergleichbarem Adsorptionsvermögen.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß eine effektive und zuverlässige Adsorption von gasförmigen oder dampfförmigen Schadstoffen, bspw. Kohlenwasserstoffdämpfen, durch die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung erreicht werden kann. Der Querschnittsdurchmesser der Kanäle in den Aktivkohleformkörpern liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 7 mm, bevorzugt 0,5 bis 4,5 mm, noch weiter bevorzugt 0,8 bis 2,2 mm.

Die die Kanäle trennenden Kanalwände weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,8 – 5 mm, noch weiter bevorzugt von 1 mm bis 3 mm, auf.

Der erfindungsgemäße Aktivkohleformkörper weist einerseits mithin eine gute Stabilität, d.h. mechanische Beständigkeit, und anderseits einen geringen Druckabfall sowie ein hervorragendes Adsorptionsvermögen auf.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Aktivkohleformkörperanordnung ein Verhältnis von Länge zu Querschnittsdurchmesser von wenigstens 3 : 1, vorzugsweise von wenigstens 4 : 1, weiter bevorzugt von wenigstens 6 : 1, noch weiter bevorzugt von wenigstens 8 : 1, auf. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß das Adsorptionsvermögen und das Bleedingverhalten weiter optimiert werden kann, wenn die Aktivkohleformkörperanordnung eine kleine Anströmfläche und eine große Länge aufweist.

Im Unterschied zu der üblicherweise verwendeten Aktivkohleschüttung läßt sich bei der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung ein optimales Länge zu Querschnittsdurchmesser-Verhältnis einstellen, ohne daß sich dabei – im Unterschied zu einer Aktivkohleschüttung – ein zu hoher Druckabfall einstellen würde.

Vorzugsweise weist die Aktivkohleformkörperanordnung eine inkrementale Adsorptionskapazität zwischen 5 % (Vol./Vol.) bis 50 % (Vol./Vol) n-Butan in Luft von mehr als 35 g/l auf. Die inkrementale Adsorptionskapazität erhält man aus der Adsorptionstherme, die mit Mischungsverhältnissen von n-Butan in Luft aufgenommen wurde, indem der Adsorptionswert bei 5 Vol.-% n-Butan von dem Wert bei 50 Vol.-% n-Butan abgezogen wird. Der Wert wird auf das Volumen von 1 Liter nominiert. Besonders bevorzugt weist jeder einzelne Aktivkohleformkörper der gesamten Anordnung diese adsorptive Eigenschaft auf, d.h. es ergibt sich ein System von mindestens zwei hintereinander geschalteten adsorptiven Filtern (oder auch adsorptiven Volumina), die jeweils eine inkrementale Adsorptionskapazität zwischen 5 % und 50 % n-Butan in Luft von mehr als 35 g/L aufweisen.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörper werden zunächst – Kohlenstoffpartikel, Bindemittel, Flüssigphase sowie gegebenenfalls weitere Hilfsmittel unter Bereitstellung einer extrudierbaren Masse vermengt. Als Flüssigphase wird vorzugsweise Wasser oder eine wässrige Lösung verwendet. Neben Bindemitteln auf Wasserbasis ist auch die Verwendung von nichtwasserhaltigen oder im wesentlichen wasserfreien Bindemitteln, bspw. auf Basis von Pech, Steinkohlenteer, Holzkohlenteer und/oder Bitumen, möglich. Als weitere Hilfsmittel können bspw. Plastifiziermittel und/oder Gleitmittel zugesetzt werden. Ein Plastifiziermittel kann die Verarbeitbarkeit bzw. Extrusionsfähigkeit der zu extrudierenden Masse verbessern. Ein Gleitmittel unterstützt eine homogene Verteilung der einzelnen Bestandteile während der Extrusion der Masse im Mundstück des Extruders. Des weiteren können äußerst vorteilhaft durch Erhöhung der inneren Gleitfähigkeit lokale Staueffekte in einzelnen Kanälen des Mundstückes beim Extrudieren vermieden werden.

Als Gleitmittel können Tenside oder Seife, bspw. Fettsäuren bzw. Fettsäuresalze bspw. Stearat, zugesetzt werden, um ein Gleiten der Masse im Extruder bzw. am Werkzeug zu verbessern. Als Plastifiziermittel kann bspw. Cellulosether verwendet werden.

Als Celluloseether können bspw. Methylcellulose, Ethylhydroxyethylcellulose, Hydroxybutylcellulose, Hydroxybutylmethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxymethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Methylhydroxypropylcellulose, Hydroxyethylmethylcellulose, Natriumcarboxymethylcellulose oder Mischungen davon verwendet werden.

Als Bindemittel haben sich wasserhaltige Bindemittel als sehr geeignet erwiesen. Als Bindemittel können bspw. Kohlenhydrate, Stärke, Zuckerstoffe und/oder Gemische davon verwendet werden. Als Zuckerstoff haben sich Zuckerstoffgemische, vorzugsweise Melasse, als sehr geeignet erwiesen. Neben Bindemitteln auf Wasserbasis ist auch die Verwendung von nichtwasserhaltigen Bindemitteln, bspw. auf Basis von Pech, Steinkohlenteer, Holzkohlenteer oder Bitumen, möglich.

Als Kohlenstoffpartikel wird vorzugsweise Koks auf der Basis von Holz, Torf, Steinobstkernen, Nußschalen, Stein- oder Braunkohle eingesetzt. Vorzugsweise werden fein vermahlene Holzkohle oder Aktivkohlepulver auf Holz- oder Kokosnußschalenbasis als Kohlenstoffpartikel eingesetzt.

Der nach Extrusion erhaltene monolithische Formkörper mit Kanälen wird vorzugsweise auf die gewünschten Länge zugeschnitten und nachfolgend getrocknet. Die Trocknung erfolgt bevorzugt in einem Umluftofen bei etwa 50 °C bis etwa 100 °C. Es können aber auch andere Trocknungsverfahren wie bspw. Mikrowellentechnik verwendet werden. Nach der Trocknung enthält der monolithische Formkörper vorzugsweise einen Wassergehalt von 2,5 Gew.-% oder weniger.

Die Carbonisierung des getrockneten Formkörpers erfolgt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 500 °C bis 850 °C, vorzugsweise bei etwa 600 bis 700 °C. Die jeweilige Endtemperatur wird dabei solange gehalten, bis im wesentlichen keine Pyrolyseprodukte bzw. Zersetzungsprodukte mehr abgegeben werden. Während der Carbonisierung werden die zugesetzten Hilfsmittel, wie bspw. Wachs, Tensid, Seife, Celluloseether oder Stärke zersetzt und das verwendete Bindemittel wie z.B. Melasse oder Teer carbonisiert. Der nach der Carbonisierung erhaltene Kohlenstoff-Formkörper besteht vorzugsweise zu mehr als 75 Gew.-%, vorzugsweise zu mehr als 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zu mehr als 90 Gew.-% aus Kohlenstoff, vorzugsweise aus Aktivkohle. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Aktivkohleformkörper nach der Carbonisierung zu wenigstens 95 Gew.-%, vorzugsweise zu wenigstens 98 Gew.-%, weiter vorzugsweise zu 100 Gew.-%, aus Kohlenstoff. Die Gewichtsprozentangaben beziehen sich dabei jeweils auf das Gesamtgewicht des Kohlenstoff-Formkörpers, vorzugsweise Aktivkohleformkörpers.

Der nach der Carbonisierung erhaltene Formkörper muß bei Verwendung einer Aktivkohle als Kohlenstoffpartikel nicht weiter aktiviert werden. Wird ein nichtaktivierter Koks als Kohlenstoffmaterial verwendet, so muß eine nachgeschaltete Aktivierung erfolgen. Diese Aktivierung kann auf herkömmliche Weise erfolgen. Bspw. kann die Aktivierung des Formkörpers bei einer Temperatur von 500 °C bis 1000 °C, vorzugsweise von 700 bis 950 °C, in einer Aktivierungsatmosphäre, die bspw. 25 bis 35 Vol.-% Wasserdampf enthält, durchgeführt werden. Bei einer Aktivierung des carbonisierten Formkörpers über eine Gasphase können neben Wasserdampf auch Kohlendioxid, Sauerstoff und/oder Mischungen davon verwendet werden.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung werden dann wenigstens zwei Aktivkohleformkörper, bei denen die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche unterschiedlich ist, so angeordnet, daß die Kanäle der wenigstens zwei Aktivkohleformkörper kommunikaktiv miteinander in Verbindung stehen. Wie bereits oben ausgeführt, können die wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei, Aktivkohleformkörper aneinander anstoßend angeordnet oder aber auch voneinander beabstandet angeordnet sein. Wesentlich ist, daß die durch die Kanäle des ersten Aktivkohleformkörpers gelangenden Dämpfe bzw. Gase nachfolgend in die Kanäle des zweiten bzw. dritten und etwaiger weiterer Aktivkohleformkörper gelangen, so daß vorzugsweise sämtliche in den Gasen bzw. Dämpfen enthaltene Schadstoffe zuverlässig von der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung adsorbiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen erläutert, die jedoch nicht als den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung begrenzend anzusehen sind.
1a)-c) zeigen verschiedene Ausführungsformen der bei der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung verwendeten Aktivkohleformkörper 2 mit Kanälen 1. In 1a) weisen die Kanäle 1 einen hexagonalen Querschnitt, in 1b) einen runden Querschnitt und in 1c) einen quadratischen Querschnitt auf.
2 zeigt die n-Butan Arbeitskapazitäten für die in Tabelle 1 angegebenen Aktivkohleformköper.
3 zeigt den Druckabfall in Abhängigkeit vom Volumenstrom von einer Aktivkohleschüttung in einem Schüttbettfilter im Vergleich zu monolithischen Aktivkohleformkörpern mit unterschiedlicher Anströmfläche.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung.
5 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung.
6 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung in Kombination mit einer Aktivkohleschüttung bzw. einem Schüttbettfilter.
7 zeigt den Druckabfall in Abhängigkeit vom Volumenstrom für eine Aktivkohleschüttung bzw. einen Schüttbettfilter in Verbindung mit einem monolithischen Zusatzfilter im Vergleich und erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnungen.
8 zeigt die Arbeitskapazität eines 200 cpsi (cells per square inch) monolithischen Formkörpers mit einer freien Querschnittsfläche von 65 und Wandstärken von 220 μm.
9 zeigt die Arbeitskapazität eines monolithischen Formkörpers mit hexagonalen Kanälen und einer freien Querschnittsfläche von 27 % und Wandstärken gemäß 10.
10 ist eine schematische Darstellung, die die zwischen den hexagonalen Kanälen liegenden Wandstärken zeigt.
Beispiele
Das Adsorptionsvermögen bzw. die Arbeitskapazität sowie der Druckabfall verschiedener Aktivkohlefilter wurden miteinander verglichen.
In Tabelle 1 sind verschiedene Aktivkohlefilter unter Angabe des Herstellungsverfahrens, des Aktivkohleanteils sowie der n-Butan-Arbeitskapazität aufgeführt. Tabelle 1
Filter 1 ist eine Aktivkohleschüttung aus der Aktivkohle CNR 115 der Fa. Norit Nederland B.V., Niederlande. Die Aktivkohle CNR 115 weist eine durchschnittliche Partikelgröße von 2 mm auf. Das zylindrische Schüttbett hatte eine Länge von 100 mm und einen Durchmesser von 30 mm und bestand zu 100 Gew.-% aus Aktivkohle. Die Anströmfläche betrug 7 cm².
Filter 2 wurde gemäß dem in der DE 102 13 016 angegebenen Herstellungsverfahren hergestellt und wies neben 48 Gew.-% Aktivkohle noch folgende Bestandteile auf: 42 Gew.-% Glaskohlenstoff (carbonisiertes Phenolharz), 7,5 Gew.-% Schamotte und 2,5 Gew.-% Silikat.
Der zylindrische Filter wies einen Durchmesser von 52 mm bei einer Länge von 100 mm auf. Die sich entlang der Längsachse durch den Filter durchgehend erstreckenden Kanäle hatten einen Kanaldurchmesser von 1,4 mm und wiesen einen hexagonalen Querschnitt auf. Die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche betrug 27 %. Die Anströmfläche betrug 21 cm².
Filter 3 wurde gemäß dem in der DE 101 04 882 angegebenen Herstellungsverfahren hergestellt und wies neben 70 Gew.-% Aktivkohle noch folgende Bestandteile auf: 14 Gew.-% Glaskohlenstoff (carbonisiertes Phenolharz), 16 Gew.-% Ton. Die Abmaße dieses Filters sind exakt die gleichen wie bei Filter 2.
Filter 4 stellt einen Wabenkörper dar, der ebenfalls die gleichen Abmaße aufweist wie Filter 2. Anstelle der Rezeptur gemäß der DE 10213016 wird jedoch die Rezeptur, wie sie in der WO 00/78138 A2 zur Extrusion von 1 mm-Formaktivkohlen beschrieben wird, verwendet. Der extrudierte Grünkörper wird nach der Trocknung bei 550 °C carbonisiert und direkt im Anschluß bei 850 °C mit Wasserdampf aktiviert.
Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, weist Filter 4 eine vergleichbare n-Butan-Arbeitskapazität zu Filter 1 auf.
In der nachfolgenden Tabelle 2 ist der Druckabfall, der für verschiedene Filtertypen bestimmt wurde, angegeben. Tabelle 2
Der Druckabfall wurde dabei gemäß DIN 71460-1 in einem Strömungskanal mit 80 mm Durchmesser bei einem Volumenstrom von 70 l/Min. gemessen.
Wie Tabelle 2 entnommen werden kann, beträgt der Druckabfall bei einem monolithischen Formkörper bei gleicher Anströmfläche und Tiefe und einer durch die Kanalquerschnitte gebildeten freien Querschnittsfläche von 27 % nur etwa 10 % (63 Pa) des Druckabfalls einer Aktivkohleschüttung (Aktivkohle-Schüttbett) mit gleichen äußeren Abmessungen (689 Pa). Bei Verdopplung der Tiefe auf 20 cm und bei gleicher Anströmfläche von 21 cm² beträgt der Druckabfall eines monolithischen Formkörpers mit 27 % freier Querschnittsfläche nur etwa 16 % des Druckabfalls einer Aktivkohleschüttung mit gleicher Anströmfläche und einer Tiefe von 10 cm. Auch bei Halbierung der Anströmfläche eines monolithischen Aktivkohleformkörpers mit einer freien Querschnittsfläche von 27 % auf 10, 5 cm² und einer Tiefe von 20 cm ist der Druckabfall noch signifikant geringer als bei einer Aktivkohleschüttung mit einer Anströmfläche von 21 cm² und einer Tiefe von 10 cm. Der Druckabfall des vorgenannten monolithischen Aktivkohleformkörpers beträgt nur etwa 30 % des Druckabfalls der angegebenen Aktivkohleschüttung.
Auch bei einer weiteren Verringerung der Anströmfläche auf 7 cm² und einer Vergrößerung der Tiefe auf 30 cm ist der Druckabfall immer noch geringer als bei einer Aktivkohleschüttung mit einer Anströmfläche von 21 cm² und einer Tiefe von 10 cm.
Aus einem Vergleich der in Tabelle 1 und Tabelle 2 angegebenen Daten geht hervor, daß ein monolithischer Formkörper mit einem Aktivkohleanteil von 100 Gew.-% im Vergleich zu einer Aktivkohleschüttung mit einem Aktivkohleanteil von 100 Gew.-% eine vergleichbare n-Butan-Arbeitskapazität aufweist, wobei jedoch der Druckabfall in einem monolithischen Aktivkohleformkörper signifikant geringer ist als bei einem Aktivkohleschüttbett.
Die in Tabelle 1 angegebenen Daten an n-Butan-Arbeitskapazität sind in 2 in Form eines Balkendiagramms grafisch dargestellt.
In 3 sind die Messkurven des Druckabfalls für jeden der in Tabelle 2 angegebenen Aktivkohlefilters in Abhängigkeit von dem Volumenstrom aufgetragen. Das Volumen sämtlicher Aktivkohlefilter betrug mit Ausnahme des monolithischen Formkörpers, der eine Anströmfläche von 21 cm² und eine Tiefe von 20 cm und mithin ein Volumen von 420 cm³ aufwies, jeweils 210 cm³.
3 zeigt deutlich, daß der Druckabfall bei monolithischen Aktivkohleformkörpern – verglichen mit einer Aktivkohleschüttung (Kurve: Schüttung CNR 115
– signifikant geringer ist. Auch bei Verdopplung der Tiefe eines monolithischen Aktivkohleformkörpers, d.h. bei Verdopplung des Volumens (Kurve: doppeltes Volumen
) steigt der Druckabfall – verglichen mit dem Druckabfall einer Aktivkohleschüttung – nur unwesentlich an. Durch Erhöhung der Tiefe eines monolithischen Aktivkohleformkörpers wird mithin auch die Diffusionslänge für gas- oder dampfförmige Schadstoffe, beispielsweise von aus einem Kraftfahrzeugtank austretenden Kohlenwasserstoffen, erhöht. Bei einer Verdopplung der Tiefe eines monolithischen Aktivkohleformkörpers wird auch die Diffusionslänge für die gas- oder dampfförmigen Schadstoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, verdoppelt. Durch die Vergrößerung der Tiefe des monolithischen Aktivkohleformkörpers bzw. durch die Vergrößerung der Diffusionslänge lassen sich vorteilhafterweise die Verdunstungsemissionen beispielsweise von Kohlenwasserstoffen aus einem teilweise beladenen Filter reduzieren. Durch Verringerung der Anströmfläche und Vergrößerung des Strömungsweges, beispielsweise durch Drittelung der Anströmfläche und Verdreifachung der Tiefe des monolithischen Aktivkohleformkörpers, d.h. durch Verdreifachung des Strömungsweges, lassen sich die Verdunstungsemissionen von Schadstoffen, beispielsweise Kohlenwasserstoffen, noch weiter verringern. Wie 3 (Kurve: ein Drittel Anströmfläche *) entnommen werden kann, liegt bei einer derartigen Optimierung des monolithischen Aktivkohleformkörpers der Druckabfall noch immer um etwa 20 % niedriger als bei der zum Vergleich herangezogenen Aktivkohleschüttung.
Überraschenderweise wurde nunmehr festgestellt, daß sich die Reduzierung der Verdunstungsemissionen sowie die Regenerierbarkeit durch die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung weiter optimieren lässt.
In 4 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung wiedergegeben. Die monolithischen Aktivkohleformkörper 2', 3' und 4' sind aufeinanderfolgend, beispielsweise in einem Gehäuse 7' angeordnet. Das Gehäuse 7' kann beispielweise ein Gehäuse aus Kunststoff, Edelstahl, eine Folie oder ein Schrumpfschlauch sein. Die Aktivkohleformkörperanordnung ist dabei über den Anschluss 1' mit der Schadstoffquelle, beispielsweise einen mit Kraftstoff gefüllten Tank, verbunden. Die Öffnungen 5' und 6' sind die Auslässe zur Atmosphäre bzw. zur Umwelt. Die Schadstoffe, beispielsweise aus einem Tank oder Kraftfahrzeug abgegebenen Kohlenwasserstoffe, treten mithin über den Anschluss 1' in die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung ein. Die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche nimmt dabei vorzugsweise von dem monolithischen Aktivkohleformkörper 2' über den monolithischen Aktivkohleformkörper 3' zu dem monolithischen Aktivkohleformkörper 4' zu. Beispielsweise kann in 4 die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche des monolithischen Aktivkohleformkörpers 2' knapp unter 35 % liegen. Die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche des monolithischen Aktivkohleformkörpers 3' kann beispielsweise zwischen 35 % und maximal 60 % betragen. Die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche des monolithischen Aktivkohleformkörpers 4' beträgt vorzugsweise mehr als 60 % beispielsweise bei 70 %.
5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung. Bei dieser Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung sind zwei monolithische Aktivkohleformkörper 2''' parallel zueinander angeordnet. Die monolithischen Aktivkohleformkörper 3''' und 4''' sind hintereinander angeordnet, wobei die aus den monolithischen Aktivkohleformkörpern 3''' und 4''' bestehende Anordnung parallel zu den monolithischen Aktivkohleformkörpern 2''' angeordnet sind. Die gasförmigen- bzw. dampfförmigen Stoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, gelangen über den Anschluss 1''' in den ersten monolithischen Aktivkohleformkörper 2'''. Am Ende des ersten monolithischen Aktivkohleformkörpers 2''' gelangen die nicht adsorbierten Schadstoffe dann in den zweiten monolithischen Aktivkohleformkörper 2''' und nachfolgend in die nachgeordneten monolithischen Aktivkohleformkörper 3''' und 4'''' bevor die von Schadstoffen abgereicherten Gasen bzw. Dämpfe über die Auslässe 5''' und 6''' an die Umwelt bzw. Atmosphäre abgegeben werden. Die zweifache Anordnung des ersten monolithischen Aktivkohleformkörpers 2''' führt zu einer deutlichen Verbesserung der Verringerung an Restemissionen von Schadstoffen an die Umwelt. Wie 3 entnommen werden kann, bewirkt die Verdopplung der Länge des monolithischen Aktivkohleformkörpers 2''' bzw. die Verdopplung der Diffusionswege nur eine unwesentliche Erhöhung des Druckabfalls.
Bezüglich der Zunahme der durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche von den Aktivkohleformkörpern 2''' über 3'''' zu 4''' wird auf die Ausführungen zu 4 entsprechend verwiesen.
In 6 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung kann auch mit einer herkömmlichen Aktivkohleschüttung kombiniert werden. Bei dieser Anordnung wird die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung der Aktivkohleschüttung nachgeordnet. Die gas- bzw. dampfförmigen Schadstoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, gelangen über den Anschluss 1'''' in die Aktivkohleschüttung 8''''. Die aus der Aktivkohleschüttung 8'''' austretenden restlichen Schadstoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, treten dann in die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung ein. Die Aktivkohleschüttung 8'''' kann dann zur Optimierung der räumlichen Verhältnisse in paralleler Anordnung zu dem monolithischen Aktivkohleformkörper 3'''' angeordnet sein. Die aus dem monolithischen Aktivkohleformkörper 3'''' austretenden verbleibenden Schadstoffe treten dann in den monolithischen Aktivkohleformkörper 4'''' ein. Die um die Schadstoffe, vorzugsweise Kohlenwasserstoffe, abgereicherten Gase bzw. Dämpfe werden dann über die Auslässe 5'''' bzw. 6'''' an die Umwelt bzw. Atmosphäre abgegeben. Die monolithischen Aktivkohleformkörper 3'''' und 4'''' sind vorzugsweise ebenfalls parallel zueinander angeordnet. Bezüglich der Zunahme der durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche wird auf die Ausführungen zu 4 entsprechend verwiesen.
Die parallele Anordnung von monolithischen Aktivkohleformkörpern, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Aktivkohleschüttung, erlaubt äußerst vorteilhaft eine kompakte Bauweise in einem Gehäuse 7''''. Die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Aktivkohleschüttung, kann in jedem geeigneten Gehäuse angeordnet werden. Vorzugweise sind diese Gehäuse aus schadstoffresistentem Kunststoff gefertigt.
In 7 ist der Druckabfall für verschiedene Aktivkohlefilteranordnungen bei unterschiedlichen Volumenströmen wiedergegeben. In Tabelle 3 sind die Längenabmessungen und die freie Querschnittsfläche der jeweils verwendeten Aktivkohlefilteranordnungen aufgeführt. Tabelle 3
In 7 ist für die in Tabelle 3 weiter aufgeführte Aktivkohleschüttung mit einer Anströmfläche von 21 cm² und einer Tiefe von 10 cm keine Druckabfallkurve wiedergegeben. In Tabelle 3 ist zum Vergleich der Druckabfall lediglich bei einem Volumenstrom von 70 l/min angegeben. Aus 7 ist ersichtlich, daß bei einer Aktivkohleschüttung und einem nachgeordneten monolithischen Aktivkohleformkörper (Kurve A) mit einer freien Querschnittsfläche von 60 % bei 31 Kanälen pro cm² ein signifikant erhöhter Druckabfall resultiert, verglichen mit den beiden erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnungen aus zwei (Kurve B) bzw. drei Aktivkohleformkörpern (Kurve C) aufweist. Die Kurve B wurde mit einer erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung aus einem ersten Aktivkohleformkörper mit einer Anströmfläche von 21 cm², einer Tiefe von 20 cm und einer freien Querschnittsfläche von 27 % (25 Kanäle/cm²) in Kombination mit einem zweiten Aktivkohleformkörper, der eine Anströmfläche von 7 cm², eine Tiefe von 10 cm sowie eine freie Querschnittsfläche von 60 % bei 31 Kanälen pro cm² aufweist, bestimmt. Die Kurve C wurde mit einer erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung bestimmt, die einen ersten Aktivkohleformkörper mit einer Anströmfläche von 10,5 cm², einer Tiefe von 20 cm und einer freien Querschnittsfläche mit 27 % (25 Kanäle/cm²) in Kombination mit einem zweiten Aktivkohleformkörper mit einer Anströmfläche von 10,5 cm², einer Tiefe von 5 cm und einer freien Querschnittsfläche von 60 % (31 Kanäle/cm²) in Kombination mit einem dritten Aktivkohleformkörper mit einer Anströmfläche von 10,5 cm², einer Tiefe von 5 cm und einer freien Querschnittsfläche von 70 % (62 Kanäle/cm²) aufweist.
Die Aktivkohleschüttung sowie die verwendeten monolithischen Aktivkohleformkörper bestanden jeweils aus 100 Gew.-% Aktivkohle. Die Aktivkohle der Aktivkohleschüttung hatte eine Partikelgröße von 2 mm. Bei den vermessenen Filteranordnungen waren Hauptfilter (Schüttbett bzw. monolithischer Aktivkohleformkörper mit jeweils freier Querschnittsfläche von 27 %) und die weiteren Zusatzfilter nacheinander in Reihe angeordnet. Der Volumenstrom durchfloss die Filteranordnungen in Richtung von Hauptfilter zu erstem bzw. zweitem Zusatzfilter.
Es hat sich gezeigt, daß eine Kombination von einer Aktivkohleschüttung (Schüttbett) mit einem monolithischen Aktivkohleformkörper mit einer freien Querschnittsfläche von 70 % einen größeren Druckabfall ergibt als eine Kombination aus einer Aktivkohleschüttung und einem monolithischen Aktivkohleformkörper mit einer freien Querschnittsfläche von 60 %. Der Grund für den erhöhten Druckabfall bei Verwendung eines monolithischen Aktivkohleformkörpers mit einer freien Querschnittsfläche von 70 in Kombination mit einer Aktivkohleschüttung ist auf die größere Luftreibung, bedingt durch die größere Anzahl von Kanälen pro Querschnittsfläche, zurückzuführen. Der Gesamtdruckabfall einer Aktivkohleschüttung in Verbindung mit einem monolithischen Aktivkohleformkörper mit einer freien Querschnittsfläche von 70 % ist mithin zu groß. Wie aus 7 ersichtlich ist, ist der Druckabfall einer erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung aus drei monolithischen Aktivkohleformkörpern mit freien Querschnittsflächen von 27 %, 60 % und 70 % signifikant geringer als der Druckabfall einer Aktivkohleschüttung in Verbindung mit einem Aktivkohleformkörper mit einer freien Querschnittsfläche von 60 %.
In 8 und 9 ist die Regenerierbarkeit von monolithischen Formkörpern in Abhängigkeit von der Zelligkeit (cpsi = cell per square inch) gezeigt. Die Angabe in cpsi ist ein Maß für die Anzahl von Kanälen pro Querschnittsfläche. In 8 ist die Arbeitskapazität eines monolithischen Formkörpers mit 200 cpsi und einer durch die Kanalquerschnitte gebildeten freien Querschnittsfläche von 65 % zeigt. Die Wandstärken zwischen den Kanälen mit quadratischem Kanalquerschnitt betrug 220 μm. Die Kanäle wiesen eine Querschnittsfläche von 1,3 mm × 1,3 mm auf.
9 ist die Regenerierbarkeit eines monolithischen Formkörpers mit einer durch Kanalquerschnitte gebildeten freien Querschnittsfläche von 27 % gezeigt. Der hexagonale Kanalquerschnitt wies einen Kanaldurchmesser von 1,4 mm auf. Die Wandstärken zwischen den Kanälen mit hexagonalem Querschnitt lag zwischen 1 und 2 mm, wie aus 10 ersichtlich ist.
Auf den Ordinatenachsen ist in 8 und 9 jeweils die relative Filterbeladung, bezogen auf die erste Beladung, angegeben. Die absolute Arbeitskapazität ist bei dem zur Ermittlung des in 9 wiedergegebenen Adsorptions- und Desorptionsverhaltens verwendeten Filter natürlich größer als bei dem Filter, der zum Erhalt der in 8 dargestellten Meßergebnisse verwendet wurde. Aus dem Vergleich des in 8 und 9 dargestellten Adsorptions- und Desorptionsverhaltens ist ersichtlich, daß der in 9 verwendete monolithische Filter mit Wandstärken zwischen 1 mm und 2 mm ein vergleichbares Adsorptions- und Desorptionsverhalten aufweist wie ein monolithischer Filter mit einer Wandstärke von 220 μm.
Die Arbeitskapazität bzw. der Adsorptionskapazitätstest und das Vermögen, die adsorbierenden Kohlenwasserstoffe durch Regeneration mit Luft wieder abzugeben, wurde mit einem Test in Anlehnung an die ASTM D 5228-92 ermittelt. Der entsprechende Formkörper wurde mit n-Butan beladen, wobei die Beladung mit einer Konzentration von 50 % n-Butan in Stickstoff mit einem Volumendurchsatz von 0,1 l/min bis zu einem Durchbruch von 5000 ppm erfolgte. Anschließend wurde mit 22 l/min trockener Luft für 15 Minuten eine Desorption durchgeführt. Es wurden mehrere Adsorptions-/Desorptionszyklen untersucht.
Der Fachmann hätte erwartet, daß ein monolithischer Filter mit deutlich dickeren Wandstärken, d.h. Wandstärken von mehreren Millimetern, ein wesentlich schlechteres Desorptionsverhalten aufweist. Wie aus 8 und 9 ersichtlich ist, liegt das Adsorptions- und Desorptionsverhalten sowohl bei dem monolithischen Filter mit einer freien Querschnittsfläche von 65 % als auch bei einem monolithischen Filter mit einer freien Querschnittsfläche von 27 % jeweils zwischen 70 und 80 %, jeweils bezogen auf die erste Beladung.
Der progressive Aufbau mit Wabenkörpern mit geringer offener Fläche auf der Tankseite zu Wabenkörper mit hoher offener Fläche zur Atmosphärenseite bewirkt einen progressiven Aufbau in der Kapazität für Kohlenwasserstoffe. Auf der Tankseite hat man eine hohe Kapazität und auf der Atmosphärenseite eine geringe Kapazität. Dieser Aufbau stellt sicher, daß auch bei sehr geringen Spülraten, z.B. nach einer sehr kurzen Fahrt nach einem Volltanken des Fahrzeuges, des Filtersystems die auf der Atmosphärenseite liegenden Filter stets freigespült sind und so immer freie Adsorptionskapazität für Bleedingemissionen aufweisen.
Die Erfinder haben mithin überraschenderweise festgestellt, daß ein monolithischer Aktivkohlefilter mit großem absoluten Adsorptionsvermögen, d.h. mit einer geringen durch die Kanalquerschnitte gebildeten freien Querschnittsfläche von bspw. nur 27 und entsprechend dicken Wandstärken, die bspw. zwischen 1 mm und 2 mm liegen können, eine zu einem Schüttbett vergleichbare Regenerierbarkeit aufweist. Im Unterschied zu einem Schüttbett ist jedoch der Druckabfall wesentlich geringer.
Die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung stellt mithin eine effiziente Filtereinheit bereit, die zum einen sowohl über ein hohes Adsorptionsvermögen als auch über einen geringen Druckabfall über die gesamte Aktivkohleformkörperanordnung aufweist. Da die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung auf der Abluftseite, d.h. der der Atmosphäre zugewandten bzw. der der Schadstoffquelle abgewandten Seite vorzugsweise einen monolithischen Aktivkohleformkörper mit der größten freien Querschnittsfläche aufweist, können die adsorbierten Schadstoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, durch Spülen mit Luft in der umgekehrten Richtung leicht wieder desorbiert werden.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Aktivkohleformkörperanordnung als Tankentlüftungssystem in einem Kraftfahrzeug, wird bei Betrieb des Kraftfahrzeuges die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung in umgekehrter Richtung mit Luft durchgespült. Das heißt, die Luft wird aus der Umgebung durch die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung angesaugt, so daß die adsorbierten Schadstoffe, vorzugsweise Kohlenwasserstoffe, zurück in den Motor des Kraftfahrzeuges gespült und dort verbrannt werden. Bei Betrieb des Kraftfahrzeuges erfolgt mithin die Regeneration der während der Standzeiten des Kraftfahrzeugs beladenen Aktivkohleformkörperanordnung.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mithin auch durch Bereitstellung eines Tankentlüftungssystems, das die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung enthält, gelöst. Die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung eignet sich mithin zur Verwendung in einem Tankentlüftungssystem.
Die Aufgabe der Erfindung wird des weiteren durch ein Kraftfahrzeug gelöst, das eine erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung oder ein erfindungsgemäßes Tankentlüftungssystem enthält. Die erfindungsgemäße Aktivkohleformkörperanordnung bzw. das erfindungsgemäße Tankentlüftungssystem eignen sich mithin insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.

Claims

Aktivkohleformkörperanordnung mit sich durch die Aktivkohleformkörperanordnung erstreckenden Kanälen (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohleformkörperanordnung wenigstens zwei monolithische Aktivkohleformkörper (2, 3) mit Kanälen (1) aufweist, wobei die Kanäle (1) der wenigstens zwei monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3) kommunikativ miteinander in Verbindung stehen und die jeweils durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in dem ersten und zweiten monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3) unterschiedlich ist.
Aktivkohleformkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivkohleanteil in den Aktivkohleformkörpern (2, 3) wenigstens 75 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivkohleformkörper (2, 3), beträgt.
Aktivkohleformkörperanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivkohleanteil in den Aktivkohleformkörpern (2, 3) wenigstens 80 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 90 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivkohleformkörper (2, 3), beträgt.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivkohleanteil in den Aktivkohleformkörpern (2, 3) wenigstens 95 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 98 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivkohleformkörper (2, 3), beträgt.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kanäle (1) in den Aktivkohleformkörpern (2, 3) im wesentlichen parallel zueinander und vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Längsachse der Aktivkohleformkörper (2, 3) erstrecken.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) unabhängig voneinander einen trigonalen, tetragonalen, vorzugsweise quadratischen, pentagonalen, hexagonalen, oktogonalen, runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohleformkörperanordnung wenigstens drei monolithische Aktivkohleformkörper (2, 3, 4), deren Kanäle (1) kommunikativ miteinander in Verbindung stehen, aufweist.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in aufeinanderfolgenden monolithischen Aktivkohleformkörpern (2, 3, 4) jeweils zunimmt.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in aufeinanderfolgenden monolithischen Aktivkohleformkörpern (2, 3, 4) jeweils um 5 bis 60 %, vorzugsweise um 10 bis 50 %, zunimmt.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in einem ersten monolithischen Aktivkohleformkörper (2) 10 bis weniger als 35 %, vorzugsweise 20 bis 30 %, beträgt.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in einem zweiten monolithischen Aktivkohleformkörper (3) 35 % bis maximal 60 %, vorzugsweise 40 bis 55 %, beträgt.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kanalquerschnitte gebildete freie Querschnittsfläche in einem dritten monolithischen Aktivkohleformkörper (4), mehr als 60 bis weniger als 80 %, vorzugsweise 65 bis 75 %, beträgt.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsdurchmesser der Kanäle (1) in einem Bereich von 0,1 mm bis 7 mm, vorzugsweise von 0,5 mm bis 4,5 mm, liegen.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kanäle (1) trennenden Kanalwände eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, vorzugsweise von 0,8 mm bis 5 mm, aufweisen.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohleformkörperanordnung ein Verhältnis von Länge zu Querschnittsdurchmesser von wenigstens 3 : 1, vorzugsweise von wenigstens 4 : 1, weiter bevorzugt von wenigstens 6 : 1, noch weiter bevorzugt von wenigstens 8 : 1, aufweist.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aktivkohleformkörperanordnung jeder Aktivkohleformkörper (2, 3, 4) jeweils eine inkrementale Adsorptionskapazität zwischen 5 % (Vol./Vol.) bis 50 (Vol./Vol.) n-Butan in Luft von mehr als 35 g/l aufweist.
Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohleformkörper (2, 3, 4) in der Aktivkohleformkörperanordnung aneinander anstoßend oder voneinander beabstandet angeordnet sind.
Tankentlüftungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Tankentlüftungssystem eine Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche enthält.
Tankentlüftungssystem nach Anspruch 18 , dadurch gekennzeichnet, daß es in Kombination mit der Aktivkohleformkörperanordnung eine Aktivkohleschüttung enthält.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 oder ein Tankentlüftungssystem nach einem der Ansprüche 18 bis 19 enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Aktivkohleformkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (a) Vermengen von Kohlenstoffpartikeln, Bindemittel, Flüssigphase und gegebenenfalls weiterer Hilfsmittel unter Bereitstellung einer extrudierbaren Masse, (b) Extrudieren der in Schritt (a) erhaltenen Masse zu monolithischen Formkörpern mit Kanälen (1), (c) Trocknen der in Schritt (b) erhaltenen Formkörper, (d) Carbonisieren der getrockneten Formkörper unter Erhalt von Kohlenstoff-Formkörper, (e) Optional Aktivieren der carbonisierten Kohlenstoff-Formkörper, (f) Anordnen von wenigstens zwei Aktivkohleformkörpern (2, 3), bei denen die durch die Kanalquerschnitte jeweils gebildete freie Querschnittsfläche unterschiedlich ist, so, daß die Kanäle (1) der wenigstens zwei Aktivkohleformkörper (2, 3) kommunikativ miteinander in Verbindung stehen.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigphase Wasser oder eine wässrige Lösung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß als weiteres Hilfsmittel ein Plastifiziermittel und/oder Gleitmittel in Schritt (a) zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel wasserhaltig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Kohlenhydrate, vorzugsweise Stärke, Zuckerstoffe und/oder Gemische davon sind.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das als Zuckerstoff ein Zuckerstoffgemisch, vorzugsweise Melasse, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel im wesentlichen wasserfrei ist und vorzugsweise Pech, Steinkohlenteer, Holzkohlenteer und/oder Bitumen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffpartikel Koks aus Holz, Torf, Steinobstkernen und/oder Nußschalen und/oder Steinkohlenkoks und/oder Braunkohlenkoks verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffpartikel Aktivkohle verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei monolithische Aktivkohleformkörper (2, 3, 4), bei denen die durch die Kanalquerschnitte gebildete frei Querschnittsfläche unterschiedlich ist, so angeordnet werden, daß die Kanäle der wenigstens drei monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3, 4) kommunikativ miteinander in Verbindung stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3) lösbar oder unlösbar miteinander verbunden werden, wobei die Kanäle (1) der wenigstens zwei monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3, 4) kommunikativ miteinander in Verbindung stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Kanäle (1) der wenigstens zwei monolithischen Aktivkohleformkörper (2, 3, 4) kommunikativ miteinander in Verbindung stehen.