DE102006061292A1 - Superparamagnetische keramische Gastrenn-Membran - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Gastrennung, eine Gastrennschicht, ein Verfahren zur Herstellung dieser Trennschicht und ein Verfahren zur Gastrennung unter Verwendung der Gastrennschicht.

Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Gastrennung, eine Gastrennschicht, ein Verfahren zur Herstellung dieser Trennschicht und ein Verfahren zur Gastrennung unter Verwendung der Gastrennschicht.
  • Die Gastrennung gemäß dem Stand der Technik, insbesondere die Luftzerlegung, basiert üblicherweise auf einer mehrstufigen, periodischen Verdichtung der Prozessluft in Kreislaufverdichtern, Abkühlung der verdichteten Prozessmedien durch Wärmeaustausch und Trennung durch wechselweise betriebene Adsorption in Molekularsieb-Säulen. Die Prozessluft wird dabei in eine sauerstoffreiche Flüssigkeit und in Stickstoff zerlegt, der zu hochreinem Stickstoff (H-LIN) destilliert werden kann. Sauerstoff wird auf diese Weise mit einer Reinheit von mindestens 99,7 Vol.% gewonnen. Obwohl dieses Verfahren zur Luftzerlegung technisch häufig genutzt wird, ist es relativ aufwändig und deshalb nur in großen Industrieanlagen wirtschaftlich sinnvoll möglich.
  • Die Herstellung so genannter superparamagnetischer Partikel (SPM-Partikel) wurde bereits mehrfach beschrieben (z. B. Magnetic Silica Dispersion: Preparation and Stability of Surface-Modified Silica Particles with a Magnetic Core; Albert P. Philipse, Michel P. B. van Bruggen and Chellapah Pathmamanoharan; Langmuir 1994, 10, 92–99 oder Magnetite-Containing Spherical Silica Nanoparticles for Biocatalysis and Bioseparations; Huang-Hao Yang, Shu-Qiong Zhang, Xiao-Lan Chef, Zhi-Xia Zhuang, Jin-Gou Xu and Xiao-Ru Wang, Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 5, 2004, 1316–1321). In beiden genannten Dokumenten wird die Herstellung von nanoskaligen Partikeln beschrieben, die einen Kern aus Magnetit aufweisen. Der Magnetit-Kern ohne Siliziumdioxid-Hülle weist eine mittlere Partikelgröße von ca. 10 nm auf. Mit Hülle weisen die Partikel eine mittlere Partikelgröße von 50 bis 100 nm auf. In der letztgenannten Literaturstelle wird die Möglichkeit des Einsatzes dieser Nanopartikel in der Biokatalyse und Bioseparation beschreiben, wobei an die Partikel Proteine, Enzyme oder Antikörper angebunden werden können. Durch ihr magnetisches Verhalten können die Partikel einfach abgetrennt oder abgegeben werden und eignen sich deshalb z. B. für Drug-Release- oder Biosensor-Anwendungen.
  • In neurer Zeit wurden Versuche unternommen, ferrimagnetische Membrane zur Trennung von para- und diamagnetischen Teilchen einzusetzen. In Ferrimagnetic Membranes for Separation of Paramagnetic ans Diamagnetic Species, Jihye Gwak, Andre Ayral, Vincent Rouessac, Louis Cot, Jean-Claude Grenier, Eue-Sonn Jang und Jin-Ho Choy; Mat. Res. Soc. Symp. Proc, Vol. 752, Materials Research Society (2003) 219–224 und Synthesis and characterization of porous ferrimagnetic membranes; Jihye Gwak, Andre Ayral, Vincent Rouessac, Louis Cot, Jean-Claude Grenier und Jin-Ho Choy; Microporous and Mesoporous Materials 63 (2003) 177–184 wird die Herstellung von Membranen mit bestimmten magnetischen Eigenschaften beschreiben, wobei zunächst nanoskalige Partikel von γ-Fe2O3 oder Fe2CoO4 gemäß der Sol-Gel-Methode hergestellt werden, die im Falle vom γ-Fe2O3 mit einer Siliziumdioxid-Schicht ausgerüstet werden. Mit diesen Solen werden poröse Aluminiumoxid-Membrane imprägniert, die anschließend getrocknet und bei einer Temperatur von 500 bzw. 350°C calziniert werden. Es wurden Versuche zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff durchgeführt, wobei die Selektivität in Bezug auf die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff in allen Fällen nahe 1 lag. Auch durch Anlegen eines magnetischen Feldes konnte keine Verbesserung der Selektivität erzielt werden. Die Autoren kommen zum Schluss, dass es sehr schwierig sein wird, eine für technische Anwendungen befriedigende Selektivität zu erreichen.
  • In US 4,704,139 wird ein Verfahren zur Gastrennung beschrieben, bei dem Polymer-Membranen in Anwesenheit eines Magnetfeldes eingesetzt werden. Die Membran wird durch ein Stahl-Gewebe oder -Vlies gestützt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand deshalb in der Bereitstellung eines einfachen Verfahrens zur Auftrennung von para- und diamagnetischen Gasen enthaltenden Gasgemischen, wobei auf die Verwendung von Verdichtern und Wärmetauschern möglichst verzichtet werden sollte und trotzdem möglichst hohe Selektivität erreicht werden sollte.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich mit Hilfe von Gastrennschichten, die fixierte superparamagnetische Partikel aufweisen, dia- und paramagnetische Gase aufweisende Gasgemische einfach in einen an diamagnetischen Gasen und einen an paramagnetischen Gasen angereicherten Gasstrom auftrennen lassen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine poröse keramische Gastrennschicht, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Trennschicht mit einer Mindestdicke von 1 mm aus fixierten mit Siliziumdioxid umhüllten, nanoskaligen Magnetitpartikeln gebildet wird, und ein Verfahren zur Herstellung dieser Trennschicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mit Siliziumdioxid umhüllte, nanoskalige Magnetitpartikel miteinander und gegebenenfalls mit einem Trägermaterial verklebt werden.
  • Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Gastrennung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie
    • a) eine poröse Gastrennschicht, die fixierte superparamagnetischen Partikeln aufweist,
    • b) eine Vorrichtung zur Zuführung des zu trennenden Gasgemisches auf eine Seite der Gastrennschicht,
    • c) eine Vorrichtung zum (insbesondere Wechselweisen) Abführen der auf der gegenüberliegenden Seite der Gastrennschicht aus der Gastrennschicht austretenden Gase,
    • d) eine Apparatur die zwei magnetische Pole aufweist, wobei zumindest einer der Pole umgepolt werden kann, wobei die Apparatur so angeordnet ist, dass zwischen zwei unterschiedlich gepolten Polen ein Magnetfeld erzeugt werden kann, das in der Gastrennschicht parallel zur Durchtrittsrichtung des durch die Gastrennschicht hindurch tretenden Gases ausgerichtet ist und
    • e) eine Möglichkeit zur Umpolung zumindest eines der Pole aufweist, sowie ein Verfahren zur Gastrennung unter Einsatz dieser Vorrichtung.
  • Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung von diamagnetischen und paramagnetischen Gasen aus Gasgemischen, insbesondere zur Abtrennung von Sauerstoff oder Stickstoff aus Sauerstoff und Stickstoff aufweisenden Gemischen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass Luft ohne die Verwendung von Hochleistungsverdichtern und Wärmetauschern in seine diamagnetischen und paramagnetischen Anteile zerlegt werden kann bzw. das Ströme erhalten werden können, in denen die paramagnetischen Gase oder die diamagnetischen Gase angereichert vorhanden sind.
  • Die Vorrichtung ist relativ wenig anfällig für technische Probleme, da kaum bewegliche Komponenten vorhanden sind. Durch den an und für sich einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es problemlos möglich, auch kleinere Mengen von Luft zu zerlegen bzw. aus Gasströmen mit diamagnetischen oder paramagnetischen Gasen angereicherte Gasströme zu erhalten.
  • Die Erfindung basiert vermutlich auf der so genannten Kelvin-Kraft, welche die Wirkung eines Magnetfeldes auf Substanzen bestimmt. Sie hängt von der dia- und der ferro- bzw. paramagnetischen Suszeptibilität der Substanz, der Magnetfeldstärke und dem räumlich-zeitlichen Gradienten des Magnetfeldes ab. Gase, Flüssigkeiten und Festkörper haben unterschiedliche elektronische Strukturen und Spin-Konfigurationen; daher ist ihre Suszeptibilität materialspezifisch. Die erfindungsgemäß verwendeten Nanopartikel aus mit Silika umhüllten Magnetitkörperchen besitzen ein remanentes Magnetfeld. Die Stärke ihrer remanenten Momente ist aber zu gering, um spontan ein kollektives Magnetfeld zu bilden. Makroskopische Mengen aus Magnetitkörperchen mit Silika-Schalen verhalten sich deshalb paramagnetisch; die Partikel werden deshalb „superparamagnetisch" (ab hier: SPM-Partikel) genannt.
  • Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Gegenstand beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung, deren Schutzbereich sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung ergibt, darauf beschränkt sein soll. Auch die Ansprüche selbst gehören zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung. Sind im nachfolgenden Text Bereiche bzw. Vorzugsbereiche angegeben, so sollen auch alle in diesen Bereichen liegenden, theoretisch möglichen Teilbereiche zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung gehören, ohne dass diese aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit explizit genannt worden sind. Die erfindungsgemäße poröse Gastrennschicht zeichnet sich dadurch aus, dass die Trennschicht fixierte superparamagnetische Partikel (SPM-Partikel) aufweist oder aus diesen besteht. Die Gastrennschicht weist die Eigenschaft auf, in einem Magnetfeld ab einer Stärke von 0,1 mT, bevorzugt von 0,5 bis 1000 mT für in die Trennschicht eintretende paramagnetische Gasteilchen weniger gut durchlässig zu sein als für diamagnetische Teilchen, wobei die paramagnetischen Teilchen in den Poren der Trennschicht festgehalten (gespeichert) werden. Bevorzugte SPM-Partikel sind mit Siliziumdioxid umhüllte, nanoskalige Magnetitpartikel.
  • Die fixierten SPM-Partikel weisen vorzugsweise eine mittlere Partikelgröße von 50 bis 100 μm, bevorzugt von 60 bis 80 μm auf. Handelt es sich bei den SPM-Partikeln um mit Siliziumdioxid umhüllte Magnetitpartikel, so weist der als Kern vorhandene Magnetitpartikel vorzugsweise eine mittlere Partikelgröße von 3 bis 50 nm, bevorzugt von 5 bis 25 nm auf.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Gastrennschicht neben den SPM-Partikeln weitere Partikel, Bindermaterialien oder Trägermaterialien aufweist. Insbesondere das Vorhandensein weiterer Partikel, die keine SPM-Partikel sind, kann vorteilhaft sein, da über solche Partikel die Porengröße der Gastrennschicht angepasst werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Gastrennschicht kann durch Verkleben oder mechanisch fixiert werden. Eine mechanische Fixierung der Partikel kann z. B. dadurch erreicht werden, dass oberhalb und unterhalb der Gastrennschicht unmagnetische Lochbleche oder unmagnetische Siebe mit einer Loch- bzw. Maschenweite kleiner als die mittlere Partikelgröße der SPM-Partikel vorhanden sind und diese so stramm gegeneinander verspannt sind, dass die SPM-Partikel keine Bewegung gegeneinander durchführen können also fixiert sind. Die mechanische Fixierung der SPM-Partikel hat den Vorteil, dass außer dem Material, aus dem die mechanischen Fixiermittel bestehen, keine weiteren Komponenten in der Gastrennschicht vorhanden sind, welche das zu trennende Gas bzw. aufgetrennten Gasströme verunreinigen könnten. Ein weiterer Vorteil der mechanischen Fixierung besteht darin, dass die mittlere Porengröße der Gastrennschicht ausschließlich durch die mittlere Partikelgröße der verwendeten Partikel (SPM-Partikel und gegebenenfalls vorhandene inerte Partikel) bestimmt wird und somit bei der Verwendung von Partikeln mit einer sehr engen Korngrößenverteilung die mittlere Porengröße recht exakt eingestellt werden kann. Die Abhängigkeit der mittleren Porengröße von der mittleren Partikelgröße kann einfach durch Vorversuche ermittelt werden.
  • Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Gastrennschicht eine mittlere Porengröße von 1 bis 500 nm, bevorzugt von 50 bis 100 nm auf. Unter Normalbedingungen der „Standardatmosphäre", (Temperatur 293 K, Druck 1013 hPa) beträgt die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen oder Partikel zwischen 100 und 300 nm, abhängig von der Gas- oder Partikelsorte. Auf Grund der gewählten Porenweite der Gastrennschicht herrscht in den Poren Knudsenströmung vor, so dass Teilchen-Teilchen-Stöße aufgrund der bei Temperaturen gleich oder größer Standardatmosphärentemperatur größeren freien Weglänge vermieden werden oder in vernachlässigbar geringem Maße vorkommen. Die Bewegung der Teilchen innerhalb der Porenkanäle wird auf Grund der gewählten mittleren Porengröße von den Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Porenwand dominiert.
  • Die Fixierung der Partikel in der Gastrennschicht durch Verkleben kann durch anorganische oder organische Klebstoffe erreicht werden. Anorganische Klebstoffe die in der Gastrennschicht vorhanden sein können, können z. B. Glaslote oder verfestigte oxidische Sole, wie z. B. Zirkonia-, Siliziumdioxid- oder Titandioxid-Sole, sein. Die Partikel können durch das Verkleben zu einer Schicht fixiert werden. Neben den SPM-Partikeln können in der Schicht auch noch andere inerte Partikel vorhanden sein. Wie bereits beschrieben, kann die Schicht neben den SPM-Partikeln und gegebenenfalls vorhandenen inerten Partikeln ein poröses Trägermaterial aufweisen.
  • Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn die Gastrennschicht eine Membran ist, bei der SPM-Partikel und gegebenenfalls inerte Partikel zu einer Schicht verklebt sind, und die Schicht auf und/oder in einem porösen Trägermaterial vorhanden ist. Vorzugsweise ist die Schicht ebenfalls mit dem porösen Trägermaterial verklebt. Geeignete poröse Trägermaterialen sind beispielsweise poröse Keramiken oder Glas- oder Polymerfasern aufweisende Supporte.
  • Auch die Gastrennschichten, in den die SPM-Partikel untereinander und gegebenenfalls mit inerten Partikeln und/oder Trägermaterialien verklebt sind, in denen die Gastrennschicht also ein Formkörper oder eine Membran ist, weisen vorzugsweise die oben angegebene mittlere Porengröße auf.
  • Die erfindungsgemäße Gastrennmembran ist z. B. durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich, bei dem die superparamagnetischen Partikel mechanisch oder durch Verkleben fixiert werden. Die Fixierung der superparamagnetischen Partikel kann durch die die Gastrennschicht in zwei Richtungen begrenzenden gasdurchlässigen unmagnetischen Materialen mechanisch erfolgen. Geeignete Materialien sind beispielsweise Löcher aufweisende Bleche, Gewebe, Vliese oder ähnliches. Die eingesetzten Materialien müssen gasdurchlässig und für die eingesetzten SPM-Partikel nicht durchlässig sein. Durch Verspannen oder ähnliche Methoden werden die beiderseits vorhandenen Materialien so fest aufeinander zu bewegt und dann arretiert, dass die innerhalb der begrenzenden Materialien vorhandenen Partikel sich nicht gegeneinander bewegen oder rotieren können.
  • Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gastrennschicht durch Verkleben kann es vorteilhaft sein, die SPM-Partikel und gegebenenfalls weitere Partikel oder Trägermaterialien in eine Form, die unten vorzugsweise nicht dicht ausgeführt ist, zu geben, die der gewünschten Form der Gastrennschicht entspricht. Über dass so in Form gebrachte wird dann ein zum Kleben geeignetes Material gegeben. Handelt es sich bei dem Klebematerial um eine Flüssigkeit bzw. eine Dispersion, so kann überschüssiges Material aus der unten nicht abgedichteten Form ablaufen. Bei dem Aufbringen des Klebers ist darauf zu achten, dass vorzugsweise alle Oberflächen der in der Form vorhandenen Partikel und Trägermaterialien von dem Klebermaterial benetzt werden.
  • Als Kleber zum Verkleben der SPM-Partikel können anorganische oder organische Kleber eingesetzt werden. Als organische Kleber eignen sich insbesondere solche, die zum Verkleben von hydrophilen oder steinartigen Materialien geeignet sind. Z. B. ist das Verkleben mit Isocyanat-Klebern möglich. Als anorganische Klebstoffe können zum Verkleben der SPM-Partikel untereinander und gegebenenfalls mit einem Trägermaterial z. B. Glaslote oder Sole eingesetzt werden. Das Glaslot kann in Form von Dispersionen auf die Partikel der Trennschicht aufgegeben werden. Durch ein anschließendes Trocknen und darauf folgendes Calzinieren werden die SPM-Partikel verklebt. Besonders bevorzugt erfolgt das Verkleben mit einem Sol, vorzugsweise einem Sol von Titandioxid, Zirkondioxid oder Siliziumdioxid. Solche Sole können käuflich erworben werden oder durch Hydrolyse von hydrolysierbaren Verbindungen, insbesondere Nitraten oder Alkoxyden, hergestellt werden. Durch Trocknen und anschließendes Calzinieren, gleichbedeutend mit thermischem Behandeln, wird das Sol verfestigt, und die SPM-Partikel werden verklebt.
  • Besonders bevorzugt erfolgt die Herstellung der erfindungsgemäßen Gastrennschicht dadurch, dass eine Suspension von SPM-Partikeln, suspendiert in einem Sol auf und/oder in einen porösen Träger, oder auf eine unporöse temporäre Unterlage gebracht werden und dort durch eine thermische Behandlung untereinander und mit dem gegebenenfalls vorhandenen Träger verklebt werden. Je nach gewünschter Zusammensetzung kann es vorteilhaft sein, wenn der Suspension neben SPM-Partikeln weitere Partikel, insbesondere unmagnetische Partikel aus einem beliebigen dem Fachmann bekannten Material hinzugefügt werden. Bevorzugt erfolgt die thermische Behandlung für 10 bis 180 Minuten bei einer Temperatur von 120 bis 300°C. Auch bei dieser Verfahrensvariante wird als Sol bevorzugt ein Titan-, Silizium- oder Zirkonsol eingesetzt.
  • Wird ein Trägermaterial verwendet, so kann dies bevorzugt Glasfiber sein. Die Verwendung einer temporären. Unterlage hat den Vorteil, dass außer dem Klebstoff und den Partikeln in der erhaltenen Gastrennschicht keine weiteren Materialien vorhanden sind. Damit die erhaltene Gastrennschicht einfach von der temporären Unterlage zu trennen ist, ist diese vorzugsweise ein Band aus gepresstem Sand. Es versteht sich von selbst, dass die verwendeten Suspensionen Viskositäten aufweisen müssen, die geeignet sind sicherzustellen, dass die Suspension in die Poren eines porösen Trägers eindringen kann oder aber nur eine Schicht auf den Poren bildet. Auch bei der Verwendung einer temporären Unterlage ist es vorteilhaft, wenn die Suspension eine höhere Viskosität aufweist, so dass die Suspension als Paste, vorzugsweise mit der Möglichkeit zur Formgebung, auf der temporären Unterlage aufgebracht werden kann. Die Viskosität der Suspension kann z. B. durch Zugabe von anorganischen oder organischen Viskositätsvermittlern eingestellt werden. Organische Viskositätsvermittler können z. B. höhere Alkohole oder Polyole sein. Bevorzugt verwendete organische Substanzen zur Einstellung der Viskosität sind solche, die bei den Calzinier-Temperaturen rückstandsfrei entfernt werden. Anorganische Viskositätsvermittler sind z. B. pyrogene Kieselsäuren. Die Zugabe solcher Viskositätsvermittler ist nur vorteilhaft, wenn sowieso unmagnetische Partikel der Suspension zugegeben werden sollen.
  • Weitere Details zum Verkleben von Partikeln untereinander und gegebenenfalls mit einem porösen Trägermaterial mit einem Sol kann z. B. WO 99/15262 entnommen werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Gastrennschicht ist es erst möglich, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das Verfahren zur Trennung von diamagnetischen und paramagnetischen Gasen zeichnet sich dadurch aus, dass eine erfindungsgemäße Gastrennmembran eingesetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise zumindest zwei Arbeitsschritte auf, wobei in dem ersten Arbeitsschritt ein Gasgemisch, welches zumindest ein diamagnetisches Gas und zumindest ein paramagnetisches Gas aufweist, durch die Gastrennschicht geleitet wird, wobei gleichzeitig in der Gastrennschicht ein gleichgerichtetes Magnetfeld erzeugt wird und ein Teil der im durch die Gastrennmembran hindurch tretenden Gasgemisch enthaltenen paramagnetischen Gasteilchen in der Gastrennschicht zurückgehalten werden, so dass ein an paramagnetischem Gas abgereicherter Gasstrom durch die Gastrennschicht hindurch tritt und auf der anderen Seite einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann. In dem zweiten Arbeitsschritt wird einer der Pole der Vorrichtung umgepolt. Durch das Umpolen bricht das im Inneren der Gastrennschicht vorhandene paramagnetische verdichtete Magnetfeld zusammen und die im ersten Arbeitsschritt zurückgehaltenen paramagnetischen Gasteilchen treten aus der Gastrennschicht aus. Es kann vorteilhaft sein, wenn gleichzeitig mit der Umpolung zumindest eines der Pole das Abführen des aus der Gastrennschicht austretenden Gases in einen anderen Behälter, Behälter können auch Vorlagen, Rohrleitungen oder ähnliches sein, erfolgt, als während des ersten Arbeitsschrittes. Eine solche Umstellung kann z. B. durch ein automatisches Ventil erfolgen. Durch diese Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, den zu trennenden Gasstrom kontinuierlich durch die Gastrennmembran zu führen.
  • In einer anderen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des zweiten Arbeitsschrittes ein vom zu trennen Gasstrom verschiedener Strom durch die Gastrennschicht geführt. Dies kann z. B. ein Gas sein, welches sich leicht vom paramagnetischen Gas, z. B. durch Ausfrieren, trennen lässt. Auf diese Weise kann relativ einfach das paramagnetische Gas in hohen Konzentrationen erhalten werden.
  • Ebenso kann es vorteilhaft sein, im zweiten Arbeitsschritt einen Gastrom durch die Gastrennschicht zu leiten, der bereits mit dem paramagnetischen Gas (den paramagnetischen Gasen) angereichert ist. Ein solcher Gasstrom kann z. B. als Gasstrom bei der ersten Durchführung des zweiten Arbeitsschrittes unter Verwendung des zu trennenden Gases erhalten werden, wobei dieser Gasstrom aus der gleichen Apparatur erhalten worden sein kann oder aus einer vorgelagerten Apparatur stammen kann.
  • Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass auf den beiden Seiten der Gastrennschicht eine Druckdifferenz 100 bis 5000 hPa eingestellt wird. Die maximale Druckdifferenz, die eingestellt werden kann, ist abhängig von den Materialeigenschaften der verwendeten Gastrennschicht. Bei einer mechanisch fixierten Gastrennschicht ist die einstellbare Druckdifferenz noch oben nahezu unbegrenzt und allein von der Stabilität der Partikel, der Behälter in dem die Partikel sich befinden sowie den Fixiermaterialien abhängig. Werden Gastrennschichten eingesetzt, die auf und/oder in einem Trägermaterial fixierte SPM-Partikel aufweisen, so sind die Druckdifferenzen vorzugsweise kleiner zu wählen und von der Stabilität des verwendeten Klebers in Verbindung mit der Stabilität des verwendeten Trägermaterials abhängig. Wird als Gastrennschicht eine Schicht eingesetzt, die allein aus verklebten SPM-Partikeln und gegebenenfalls vorhandenen inerten Partikeln besteht (selbsttragende Schicht), so wird die Stabilität der Gastrennschicht allein durch die Stabilität des Klebers bestimmt. Bei der Verwendung solcher Membranen sollte die geringste Druckdifferenz eingesetzt werden. Vorzugsweise wird bei dieser Variante eine Druckdifferenz im Bereich 100 bis 500 hPa verwendet.
  • Im ersten Arbeitsschritt wird zwischen den beiden Polen, die auf beiden Seiten der Gastrennschicht angeordnet sind, ein gleichgerichtetes Magnetfeld 0,5 bis 1000 mT, vorzugsweise von 500 bis 950 mT erzeugt. Im zweiten Arbeitsschritt wird der eine oder der andere der beiden Pole umgepolt, so dass beide Pole das gleiche Vorzeichen aufweisen. Auf diese Weise wird das im ersten Verfahrensschritt aufgebaute Magnetfeld innerhalb der Gastrennschicht aufgelöst. Durch das Wechseln von Stärke und Richtung des außen angelegten Magnetfelds durch Umpolen eines der beiden Pole, wird die Orientierung der remanenten Momente der fixierten SPM-Partikel gedreht, ohne dass sie mechanisch dieser Bewegung folgen können. Die Energie des äußeren Magnetfelds, das sich periodisch ändert, wird wegen der Fixierung der SPM-Partikel überwiegend in die Orientierung der remanenten Momente umgesetzt. Da es zu keiner Bewegung der SPM-Partikel kommt, kommt es weder zu einem Wärmeeintrag in die keramische Matrix noch zu einer Entmischung der SPM-Partikel aus einer gegebenenfalls vorhandenen Matrix, die aus inerten Partikeln und/oder Kleber bestehen kann, sondern zu einer Verstärkung des außen angelegten Magnetfeldes und zu einer lokalen Erhöhung des Feldgradienten im Innern des Formkörpers, insbesondere an den Innenwänden der Poren des keramischen Formkörpers.
  • Da bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Gastrennverfahrens in einer einzigen Stufe bevorzugt keine vollständige Trennung des Gasgemisches in dia- und paramagnetische Gase erfolgt, sondern nur eine Anreicherung der diamagnetischen bzw. paramagnetischen Gase in den jeweiligen Gasströmen stattfindet, kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehrere der erfindungsgemäßen Verfahren als Stufen in Serie oder parallel, vorzugsweise in Serie anzuordnen, und zwar in der Weise, dass, je nachdem ob die paramagnetischen Gas oder die diamagnetischen Gase möglichst frei von der jeweils anderen Sorte erhalten werden sollen, die auf die erste erfindungsgemäße Verfahrensstufe folgende Stufe mit ihrer Zuführung des zu trennenden Gasgemisches an die Abführung des entsprechenden Gases der vorangegangenen Verfahrensstufe angeschlossen ist. Sollen beide Gasströme weiter angereichert werden, kann es vorteilhaft sein, an jeden der beiden Abführungen eine erfindungsgemäße Verfahrensstufe vorzusehen. Sind solche zwei Verfahrensstufen vorhanden so kann es vorteilhaft sein, den erhaltenen an gewünschten para- oder diamagnetischen Gasen abgereicherten Gasstrom in die Zuführung der jeweiligen anderen parallelen Verfahrensstufe zurückzuführen. Um in der ersten und den weiteren folgenden Stufen mit ungefähr gleichen Volumenströmen zu arbeiten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in der ersten Stufe eine gleiche Anzahl an parallel geschalteter Verfahrensstufen vorhanden ist wie in den nachgeschalteten Stufen. Auch hier können wiederum entsprechende Rückführungen vorgesehen werden. Auch bei der Verwendung mehrerer Verfahrensstufen kann es vorteilhaft sein, wenn in der zweiten Verfahrensstufe ein Gasstrom durch die Gastrennmembran geschickt wird, der in einer der vorausgegangenen oder nachfolgenden Verfahrensstufen bereits an paramagnetischen Gasen angereichert worden. Dem Fachmann ergeben sich leicht weitere Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung von diamagnetischen und paramagnetischen Gasen in einer wie nachfolgend beschrieben Apparatur durchgeführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gastrennung, insbesondere zur Trennung von paramagnetischen und diamagnetischen Gasen aufweisenden Strömen zeichnet sich dadurch aus, dass sie
    • – eine poröse Gastrennschicht, die fixierte superparamagnetischen Partikeln aufweist,
    • – eine Vorrichtung zur Zuführung des zu trennenden Gasgemisches auf eine Seite der Gastrennschicht,
    • – eine Vorrichtung zum Abführen, vorzugsweise zum wechselweisen Abführen der auf der gegenüberliegenden Seite der Gastrennschicht aus der Gastrennschicht austretenden Gase,
    • – eine Apparatur, die zwei magnetische Pole aufweist, wobei zumindest einer der Pole umgepolt werden kann, wobei die Apparatur so angeordnet ist, dass zwischen zwei unterschiedlich gepolten Polen ein Magnetfeld erzeugt werden kann, dessen Feldlinien in der Gastrennschicht parallel zur Durchtrittsrichtung des durch die Gastrennschicht hindurch tretenden Gases ausgerichtet sind und
    • – eine Möglichkeit zur Umpolung zumindest eines der Pole aufweist.
  • Vorzugsweise wird eine wie oben beschriebene erfindungsgemäße Gastrennschicht eingesetzt. Wird eine Gastrennschicht eingesetzt, bei der die SPM-Partikel durch Verkleben fixiert sind, so kann es vorteilhaft sein, dass die Mittel, mit der die Gastrennschicht innerhalb der Apparatur fixiert ist, so gewählt werden, dass sie eine stützende Funktion aufweisen. Solche Mittel können z. B. unmagnetische Lochbleche mit einer sehr großen Porenweite sein. Eine solche Anordnung hat gegenüber einer Gastrennschicht, bei der die SPM-Partikel mechanisch über Fixiermaterialien fixiert sind, den Vorteil, dass die Mittel eine deutlich größere Porenweite als die Fixiermaterialien, deren Porenweite durch die Größe der zu fixierenden SPM-Partikel limitiert ist, aufweisen können und somit dem zu trennenden Gas einen deutlich geringeren Widerstand entgegenstellen.
  • Die Vorrichtung zum Zu- und Abführen des Gases kann im einfachsten Fall ein Rohr sein, in dem die Gastrennschicht so fixiert ist, dass das zugeführte Gas vor dem Verlassen der Apparatur die Gastrennschicht durchtreten muss. Die Gastrennschicht hat in diesem Fall bevorzugt die Form einer Scheibe. Bei der Verwendung einer zylindrischen Gastrennschicht ist diese vorzugsweise in einem ebenfalls zylindrischen Rohr vorhanden. Als Vorrichtung zum Zuführen oder Abführen dient entweder das äußere Rohr oder eine an die zylindrische Gastrennschicht angebrachte Zuleitung. Die Vorrichtung zum Abführen des getrennten Gases weist vorzugsweise eine Möglichkeit zur Wechselweisen Abführung der austretenden Gase aus. Im einfachsten Fall kann eine solche Möglichkeit ein Ventil oder Hahn sein, der vorzugsweise gleichzeitig mit der Umpolung der magnetischen Pole umschaltet, so dass das aus der Gastrennschicht austretende Gas in unterschiedliche Leitungen geführt oder in unterschiedlichen Behältern gesammelt werden kann. Die Vorrichtung kann mit weiteren Behältern, Pumpen etc. ausgerüstet sein.
  • Die zwei magnetische Pole aufweisende Apparatur ist vorzugsweise ein Elektromagnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Magnetpole eine ungleiche Geometrie. Bevorzugt ist ein Pol als Klinge ausgeführt, während der Gegenpol flächenhaft ausgebildet ist. Durch diese Geometrie wird erreicht, dass sich die remanenten Momente der SPM-Partikel ausrichten und dadurch die lokalen Magnetfelder an den Innenwänden der Poren der Gastrennschicht verstärkt werden. Zugleich werden dort auf der Nanometer-Größenskala starke Magnetfeld-Gradienten aufgebaut. Diese üben eine Fesselwirkung auf die paramagnetischen Gasteilchen oder Partikel aus. Diamagnetische Gasteilchen oder Partikel werden aus der Zone des starken Magnetfeld-Gradienten herausgedrückt und daher aus den Porenkanälen gedrängt. Bei der Umpolung zumindest eines der Pole wird zwischen den gleichnamigen Magnetpolen ein Magnetfeld aufgespannt, welches dazu führt, dass die Gastrennschicht die zurückgehaltenen paramagnetischen Gasteilchen wieder abgibt. In dieser Feldgeometrie (zwei gleiche Pole) verlieren die remanenten Momente der SPM-Partikel ihre Orientierung derart, dass sich die lokalen Feldgradienten abschwächen, vorzugsweise verschwinden. Die Fesselwirkung auf paramagnetische Gasteilchen oder Partikel erlischt, so dass diese den porösen Formkörper verlassen.
  • Da bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Gastrennverfahrens in einer einzigen Stufe üblicherweise keine vollständige Trennung des Gasgemisches in dia- und paramagnetische Gase erfolgt, sondern normalerweise nur eine Anreicherung der diamagnetischen bzw. paramagnetischen Gase in den jeweiligen Fraktionen erreicht werden kann, kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in Serie oder parallel, vorzugsweise in Serie anzuordnen, und zwar in der Weise, dass, je nachdem ob die paramagnetischen Gas oder die diamagnetischen Gase möglichst frei von der jeweils anderen Sorte erhalten werden sollen, die auf die erste erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Vorrichtung mit ihrer Zuführung des zu trennenden Gasgemisches an die Abführung des entsprechenden Gases der vorangegangenen Vorrichtung angeschlossen ist. Sollen beide Gasströme weiter angereichert werden kann es vorteilhaft sein, an jeden der beiden Abführungen eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorzusehen. Sind solche zwei Vorrichtungen vorhanden, so kann es vorteilhaft sein, den erhaltenen an gewünschten para- oder diamagnetischen Gasen abgereicherten Gasstrom in die Zuführung der jeweiligen anderen parallelen Vorrichtung zurückzuführen. Eine solche Verschaltungsart kann z. B. 1 entnommen werden. Um in der ersten und den weiteren folgenden Stufen mit ungefähr gleichen Volumenströmen zu arbeiten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in der ersten Stufe eine gleiche Anzahl an parallel geschalteter Vorrichtungen vorhanden ist, wie in den nachgeschalteten Stufen. Auch hier können wiederum entsprechende Rückführungen vorgesehen werden. Eine solche Ausführungsvariante wird in 2 wiedergegeben.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die Figuren 1 und 2 näher erläutert, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt sein soll. In 1 ist eine mögliche Verschaltung von 3 erfindungsgemäßen Vorrichtungen abgebildet. In die Vorrichtung V1 wird ein Gasgemisch GG geleitet. In der Vorrichtung wird das Gasgemisch in einen an diamagnetischen Gasen angereicherten Strom DG1 und einen an paramagnetischen Gasen angereicherten Strom PG1 aufgetrennt. Diese Gasstrome werden in den Vorrichtungen V2a und V2b wiederum aufgetrennt in an paramagnetischen Gasen angereicherten Strömen PG2 und pG2 sowie an diamagnetischen Gasen angereicherten Strömen DG2 und dG2. Die Ströme dG2 und pG2 werden jeweils in den Zustrom der jeweils anderen Vorrichtung zurückgespeist.
  • In 2 ist eine Variante der in 1 angegeben Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Variante werden statt einer Vorrichtung V1 zwei Vorrichtungen Via und V1b jeweils mit dem Gasgemisch beschickt. Die erhaltenen Gasströme DG1 und PG1 werden wie in 1 in die Vorrichtungen V2a bzw. V2b geführt. Die aus den Vorrichtungen Via und V1b ebenfalls erhaltenen Gasströme dG1 und pG1 werden in den Zustrom der jeweils anderen Vorrichtung eingespeist. Auf diese Weise wird bereits der Zustrom zu den jeweiligen Vorrichtungen mit einer an gewünschtem Produkt angereicherten Gasstrom beschickt.

Claims (20)

  1. Poröse Gastrennschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht fixierte superparamagnetische Partikel, eine Mindest-Dicke von 1 mm und eine Porenweite von 50 bis 100 nm aufweist.
  2. Gastrennschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht als fixierte SPM-Partikel mit Siliziumdioxid umhüllte, nanoskalige Magnetitpartikel aufweist.
  3. Gastrennschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fixierten Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser von 50 nm bis 100 μm aufweisen und die Magnetitpartikel selbst eine mittlere Partikelgröße von 3 bis 50 nm aufweisen.
  4. Gastrennschicht nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die SPM-Partikel mechanisch zu einer Schicht fixiert sind.
  5. Gastrennschicht nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die SPM-Partikel durch Verkleben zu einer Schicht fixiert sind.
  6. Gastrennschicht gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrennschicht eine Membran ist, bei der SPM-Partikel zu einer Schicht verklebt sind, und die Schicht auf und/oder in einem porösen Trägermaterial vorhanden ist.
  7. Gastrennschicht gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Trägermaterial eine Keramik oder ein Glasfasern oder Polymerfasern aufweisender Support ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer porösen Gastrennschicht aus fixierten Partikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die superparamagnetischen Partikel mechanisch oder durch Verkleben zu einer Schicht fixiert werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die superparamagnetischen Partikel durch ein die Gastrennschicht in zwei Richtungen begrenzendes gasdurchlässiges Material mechanisch fixiert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension von superparamagnetischen Partikeln in einem Sol auf und in einen Träger oder eine temporäre Unterlage gebracht wird und die Partikel dort durch eine thermische Behandlung untereinander und mit dem gegebenenfalls vorhandenen Träger verklebt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung für 10 bis 180 Minuten bei einer Temperatur von 120 bis 300°C erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Sol ein Titan-, Silizium- oder Zirkonsol eingesetzt wird.
  13. Vorrichtung zur Gastrennung, dadurch gekennzeichnet, dass sie a) eine poröse Gastrennschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die fixierte superparamagnetischen Partikeln aufweist, b) eine Vorrichtung zur Zuführung des zu trennenden Gasgemisches auf eine Seite der Gastrennschicht, c) eine Vorrichtung zum Abführen der auf der gegenüberliegenden Seite der Gastrennschicht aus der Gastrennschicht austretenden Gase, d) eine Apparatur, die zwei magnetische Pole aufweist, wobei zumindest einer der Pole umgepolt werden kann, wobei die Apparatur so angeordnet ist, dass zwischen zwei unterschiedlich gepolten Polen ein Magnetfeld erzeugt werden kann, das in der Gastrennschicht parallel zur Durchtrittsrichtung des durch die Gastrennschicht hindurch tretenden Gases ausgerichtet ist, und e) eine Möglichkeit zur Umpolung zumindest eines der Pole aufweist.
  14. Verfahren zur Auftrennung von paramagnetischem und diamagnetischem Gas aufweisenden Gasgemischen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zwei Arbeitsschritte aufweist, wobei in dem ersten Arbeitsschritt das Gasgemisch, welches zumindest ein diamagnetisches Gas und zumindest ein paramagnetisches Gas aufweist, durch eine Gastrennschicht gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 geleitet wird, wobei gleichzeitig in der Gastrennschicht ein gleichgerichtetes Magnetfeld erzeugt wird und ein Teil der im durch die Gastrennmembran hindurch tretenden Gasgemisch enthaltenen paramagnetischen Gasteilchen in der Gastrennschicht zurückgehalten werden und in dem zweiten Arbeitsschritt einer der Pole der Vorrichtung umgepolt wird und die zurückgehaltenen paramagnetischen Gasteilchen aus der Gastrennschicht austreten.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Apparatur gemäß Anspruch 13 eingesetzt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Umpolung zumindest eines der Pole auf der Gasaustrittsseite der Gastrennschicht das Abführen des austretenden Gases in einen anderen Behälter erfolgt als während des ersten Arbeitsschrittes.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden Seiten der Gastrennschicht eine Druckdifferenz von 100 bis 5000 hPa eingestellt wird.
  18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Arbeitsschritt in der Gastrennschicht ein gleichgerichtetes Magnetfeld von 0,5 bis 1000 mT erzeugt wird.
  19. Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18 oder Gastrennschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Trennung von diamagnetischen und paramagnetischen Gasen aus Gasgemischen.
  20. Verwendung nach Anspruch 19, zur Abtrennung von Sauerstoff oder Stickstoff aus Sauerstoff und Stickstoff aufweisenden Gemischen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107281941B (zh) * 2017-06-23 2020-09-08 江南大学 一种磁性石墨烯混合基质膜及其制备方法

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