DE102011106020A1

DE102011106020A1 - Filter zur Entfernung von Geruchskomponenten aus Atemluft

Info

Publication number: DE102011106020A1
Application number: DE201110106020
Authority: DE
Inventors: Gunter Risse; Dr. Haufe Helfried; Kerstin Muschter
Original assignee: Gmbu E V; Gmbu Ev Fachsektion Dresden
Current assignee: Gmbu E V; Gmbu Ev Fachsektion Dresden
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-03

Abstract

Bisherige Filter zur Beseitigung von Gerüchen aus einem Luftstrom (Geruchsfilter) sind durch physikalische Adsorption der Geruchskomponenten an Materialien mit einer großer spezifischen Oberfläche wirksam oder sie enthalten Reagenzien auf Trägermaterialien, welche eine chemische Reaktion mit den Geruchskomponenten eingehen können. Die genannten Filter sind nur über eine relativ kurze Einsatzzeit wirksam, da sie nur eine relativ geringe Menge von Geruchskomponenten adsorbieren bzw. chemisch binden können. Mit dem erfindungsgemäßen Geruchsfilter wird eine wesentliche Verlängerung der Einsatzzeit erreicht, da das Filter aus einem Material, wie Polyurethan, besteht, welches sowohl als Konstruktionsmaterial als auch als chemisch reaktive Substanz dient. Polyurethanschaum kann auf Basis seiner immanenten chemischen Reaktivität eine große Menge von übelriechenden basischen bzw. sauren Verbindungen, wie Fäulnisbasen oder Ammoniak bzw. Fettsäuren, durch Aminolyse oder Acidolyse chemisch binden. Der erfindungsgemäße Geruchsfilter ist zum Beispiel in Atemmasken oder in Filter zur Beseitigung von Geruchskomponenten, die von Schweinemastanlagen oder Bioenergieanlagen ausgehen, einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter, welches die Entfernung von Geruchskomponenten aus Atemluft ermöglicht. Bei den Geruchskomponenten kann es sich um Substanzen handeln, die wesentliche Bestandteile von Fäulnisgasen sind.
Die bei der Fleischfäulnis durch bakterielle Zersetzung von Lysin und Ornithin entstehenden biogenen Amine Cadaverin (1,5-Diaminopentan und Putrescin (1,4-Diaminobutan) sowie Ammoniak tragen wesentlich zum Verwesungsgeruch bei.
Bisher genutzte Wirkprinzipien von Geruchsfiltern sind die physikalische Adsorption von Geruchskomponenten an Materialien mit besonders großer spezifischer Oberfläche, die chemische Umsetzung von Geruchskomponenten mittels reaktiver Verbindungen und der Abbau von Geruchskomponenten mittels photokatalytischer Oxidation.
Bei allen genannten Varianten sind die zur technischen Realisierung des Geruchsfilters eingesetzten Konstruktionsmaterialien von entscheidender Bedeutung. Die Konstruktionsmaterialien haben zwei wichtige Funktionen:
1. Trägerfunktion
Auf der Oberfläche der Trägermaterialien sind die aktiven Substanzen fixiert, welche mit den Geruchskomponenten eine Wechselwirkung eingehen, diese physikalisch oder chemisch binden und somit aus einem Gasstrom entfernen.
2. Gasverteilungsfunktion
Die Konstruktionsmaterialien werden in einer Form eingesetzt, welche es ermöglicht, den Gasstrom gleichmäßig im Filtervolumen zu verteilen. Damit wird eine maximale Kontaktfläche zwischen den aktiven Substanzen und dem durch das Filter strömenden Gas realisiert.
Eine Einsatzform des Konstruktionsmaterials, welche zur Verteilung des Gasstromes über das Filtervolumen geeignet ist, kann zum Beispiel die Schaumform sein. Ein Konstruktionsmaterial, welches in Schaumform eingesetzt wird, ist zum Beispiel Polyurethan. US-Patent 4604110 beansprucht ein Geruchsfilter für die Reinigung von Luft in Räumen, wobei Polyurethanschaum als Konstruktionsmaterial zu Umhüllung des eigentlichen Filtermaterials eingesetzt wird.
Bei der physikalischen Bindung von Geruchskomponenten (Physisorption) bildet die adsorbierte Substanz (Adsorbat) mit der adsorbierenden Oberfläche (Adsorbent) keine chemische Bindung, sondern haftet durch schwächere Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte). Bei Geruchsfiltern, die durch die chemischen Umsetzung von Geruchskomponenten wirken, sind die reaktiven Substanzen an Trägermaterialien fixiert, bei denen es sich um Materialien mit großer spezifischer Oberfläche, wie Aktivkohle, Zeolithe und Polymerschäume, handelt, die auch zur Physisorption als Adsorbat genutzt werden.
US-Patent 4239516 beschreibt die Verwendung von Polyurethan als Konstruktionsmaterial für Filter zur mechanischen Entfernung von Flüssigkeitstropfen und kleinen Partikeln aus einem Gasstrom, wobei in den Filtern Aktivkohle oder Zeolithe als aktive Substanz vorhanden ist.
Eine weitere Einsatzform von Konstruktionsmaterialien ist die Faserform. US-Patent 5830414 beansprucht ein Luftfilter, welches ein Netz aus aktivierten Kohlenstofffasern als Trägermaterial aufweist, wobei das Trägermaterial mit verschiedenen reaktiven Substanzen, wie Hydroxiden, Säuren oder oxidierenden Verbindungen imprägniert sein kann.
Polyurethan wurde bisher im Wesentlichen als Konstruktionsmaterial mit Trägerfunktion oder Gasverteilungsfunktion eingesetzt.
Die US Patent Applikation 08/092282 beschreibt darüber hinaus die Anwendung von Polyurethanschaum für ein Filter zur Beseitigung von gasförmigen Schwefelverbindungen (z. B. Mercaptane) und des damit verbundenen Geruches aus Erdgas mittels physikalischer Adsorption an einer Kombination von verschiedenen Filtermaterialien, einschließlich Polyurethanschaum.
Beispiele für Materialien, die zur Herstellung von Geruchssfiltern eingesetzt werden, welche mittels physikalischer Adsorption wirksam sind, sind Aktivkohle, natürliche und synthetische Zeolithe (Molekularsieb) und Polymerschäume.
Die Auslegeschrift 1544109 (DPMA) beschreibt die Verwendung von Aktivkohle als Adsorptionsmittel für Geruchsstoffe.
US Patent Applikation Nr. 06/018472 beschreibt eine Filtermatte zur Behandlung von Gasen die aktivierten Kohlenstoff und Zeolith-Molsieb als Absorbent für Gase oder Dämpfe enthalten kann.
US-Patent 4382913 beansprucht einen Prozess zur spezifischen Beseitigung von Schwefelverbindungen, wie Mercaptanen, aus Faulgasen, wobei ein hochporöses Material zum Einsatz kommt, bei dem es sich um pyrogenes SiO2, Kohlenstoff oder Zeolithe handeln kann, und wobei die Oberfläche des hochporösen Materials mit bis zu 5% Aluminium, Zink, Chrom oder Eisen belegt ist.
US-Patent 5344626 beschreibt ein Filtermaterial zu Beseitigung von gasförmigen Schadstoffen, wie HCl, HCN, SO₂ und Cl₂, aus einem Luftstrom. Dabei wird Aktivkohle eingesetzt, welche eine Imprägnierung aufweist, welche aus Salzen von Metallen der Gruppen 6 bis 12 und einem Gruppe 1 Metall-Carbonat besteht.
In einer Reihe von Schriften werden Geruchsfilter vorgeschlagen, in denen „Odor-Mitigating Reagents” (OMRs) zur Beseitigung von Gerüchen eingesetzt werden. Bei diesen Materialien kann es sich um Lewis Säuren, Lewis Basen oder Oxidationsmittel handeln, welche sich auf Trägermaterialien mit großer Oberfläche, wie Aktivkohle oder Molsieb befinden. (US Patent Application 2005/0008608; US Patent Application 10/614417; US-Patent 5830414 ) Die bisher bekannten Filter zur Beseitigung von Gerüchen aus einem Luftstrom (Geruchsfilter) sind nur über eine relativ kurze Einsatzzeit wirksam, da sie nur eine relativ geringe Menge von Geruchskomponenten adsorbieren bzw. chemisch binden können. Außerdem erfordern die bereits bekannten Filter einen relativ hohen Aufwand zu ihrer Fertigung und zur Bereitstellung der zu ihrer Herstellung benötigten Materialien.
Ziel der Erfindung ist deshalb die Verlängerung der Einsatzzeit von Geruchsfiltern und die Verringerung des Aufwandes zur Herstellung der Filter.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Filter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere spezielle oder bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Unterschied zu bereits bekannten Geruchsfiltern mit OMRs ist bei dem erfindungsgemäßen Geruchsfilter nicht nur eine dünne Schicht einer reaktiven Substanz auf der Oberfläche eines Trägermaterials fixiert, sondern das gesamte Konstruktionsmaterial, welches das Filter bildet, kann mit Geruchskomponenten reagieren.
Mit dem erfindungsgemäßen Geruchsfilter wird eine wesentliche Verlängerung der Einsatzzeit erreicht, da das Filter aus einem Material besteht, welches sowohl als Konstruktionsmaterial als auch als chemisch reaktive Substanz dient. Vorteilhaft handelt es sich bei diesem Material um Polyurethan.
In eigenen Arbeiten wurde überraschend gefunden, dass Polyurethan auf der Grundlage seiner immanenten chemischen Reaktivität zur Bindung von Geruchskomponenten mittels chemischer Reaktionen genutzt werden kann. Das betrifft zum Beispiel chemische Reaktionen zwischen Polyurethan und Stickstoffverbindungen, wie Aminen, die Produkte von Fäulnisprozessen sind. In diesem Fall ist Polyurethan sowohl Konstruktionsmaterial, z. B. in Form von Polyurethanschaum, als auch aktive Substanz (Odor Mitigating Reagent – OMR) zur chemischen Bindung von Geruchskomponenten.
Vorteilhaft wird Polyurethan in Schaumform eingesetzt. Möglich ist zum Beispiel auch die Anwendung in Form eines feinkörnigen Granulats oder in Form von Fasern. Die erfindungsgemäße Nutzung eines Filter-Konstruktionsmaterials als OMR hat den Vorteil, dass eine besonders große Menge einer oder mehrerer Geruchskomponenten gebunden werden kann, da eine besonders große Menge chemisch reaktiven Materials im Geruchsfilter zur Verfügung steht, welches zur chemischen Bindung von Geruchskomponenten geeignet ist.
Chemische Umsetzungen, die Polyurethan eingehen kann und die im Zusammenhang mit der Beseitigung von üblen Gerüchen von Bedeutung sind, sind zum Beispiel die Aminolyse (Spaltung der Urethangruppe durch Amine) oder die Acidolyse (Spaltung der Urethangruppe durch (organische) Säuren oder Anhydride).
Für die Umsetzung von Polyurethan mit Amin wird in DE 10 2006 036 007 A1 die Anwendung eines relativ hohen Temperaturbereiches zwischen 80°C und 120°C als notwendig angegeben. In eigenen Untersuchungen wurde überraschend gefunden, dass die Umsetzung von Polyurethan mit Ammen bereits bei normaler Umgebungstemperatur ausreichend schnell erfolgt, so dass eine derartige Reaktion in einem Filter zur Entfernung von Aminen aus einem Luftstrom genutzt werden kann. Das wird im Ausführungsbeispiel für Cadaverin gezeigt. Es zeigte sich ebenfalls, dass Polyurethan zur Entfernung von übelriechenden sauren Geruchskomponenten, wie Fettsäuren, geeignet ist.
Trotz der seit mehr als 25 Jahre erfolgenden Anwendung von Polyurethan für Geruchsfilter (als Konstruktionsmaterial oder zur Entfernung von Geruchskomponenten mittels physikalischer Adsorption aus Gasströmen) wurde von der Fachwelt bisher nicht erkannt, dass Polyurethan auf Basis seiner immanenten chemischen Reaktivität vorteilhaft zur Bindung von übelriechenden basischen Verbindungen, wie Fäulnisbasen oder Ammoniak, und übelriechenden sauren Verbindungen, wie kurzkettigen Fettsäuren, genutzt werden kann.
Als besonders vorteilhaft für den Einsatz als erfindungsgemäßes Filtermaterial hat sich Polyurethanschaum mit aromatischen Polyurethangruppierungen erwiesen. Ein derartiges Material ist reaktiver als Polyurethanschaum mit aliphatischen Polyurethangruppierungen. Für das erfindungsgemäße Filter sind aber auch andere Materialien einsetzbar, welche eine große spezifische Oberfläche und eine ausreichende chemische Reaktivität mit Geruchskomponenten aufweisen. Dabei kann es sich zum Beispiel um Polyester handeln.
Ausführungsbeispiel
Eine kreisförmige Scheibe aus Polyurethanschaumstoff des Types „S-Hydro F” der Firma Cellofoam GmbH & Co. KG (Biberach), mit einer Dicke von 18 mm und einem Durchmesser von 95 mm wird in eine Filterbox eingebaut und es wird ein Luftstrom, welcher bei 22°C mit Cadaverindampf gesättigt wurde, mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 102 l/h durch den Polyurethanschaumstoff geleitet. Mittels Gaschromatographie wird die Cadaverinkonzentration in dem Luftstrom nach dem Durchströmen des Polyurethanschaumstoffes bestimmt.
In einem Vergleichstest wird ein bei 22°C mit Cadaverindampf gesättigter Luftstrom ohne eingebaute Polyurethanschaumstoffscheibe mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 102 l/h durch die Filterbox geleitet. Mittels Gaschromatographie wird die Cadaverinkonzentration in diesem Luftstrom bestimmt.
Zeichnung 1 zeigt in einem Diagramm die auf diese Weise ermittelte Änderung des Cadaveringehaltes eines Luftstromes durch die Wirkung des Geruchsfilters. Die Cadaverinkonzentration wird durch die Wirkung des Polyurethanschaumstoffes um ca. 99,9% verringert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4604110 [0007]
US 4239516 [0009]
US 5830414 [0010, 0018]
US 4382913 [0016]
US 5344626 [0017]
DE 102006036007 A1 [0026]

Claims

Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom, dadurch gekennzeichnet, dass das Konstruktionsmaterial, aus dem das Filter besteht, aufgrund seiner immanenten chemischen Reaktivität Geruchskomponenten mittels chemischer Reaktionen aus einem Luftstrom entfernt, welcher das Filter durchströmt.
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geruchskomponenten durch eine chemische Reaktion oder durch mehrere chemische Reaktionen mit einem schaumförmigen Material gebunden werden.
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Geruchskomponenten um Basen handelt, bei denen es sich um basische Stickstoffverbindungen handeln kann.
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das es sich bei den Geruchskomponenten um Säuren handelt, bei denen es sich um Fettsäuren handeln kann.
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den chemischen Reaktionen um Aminolyse oder Acidolyse handelt.
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das es sich bei den Geruchskomponenten um Amine und/oder um Ammoniak handelt
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Material, aus dem das Filter besteht, um Polyester handelt.
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Konstruktionsmaterial, aus dem das Filter besteht, um Polyurethan handelt.
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Konstruktionsmaterial um Polyurethanschaum oder Polyurethangranulat handelt.
Filter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen aus einem Luftstrom nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Konstruktionsmaterial um Polyurethan mit aromatischen Polyurethangruppierungen handelt.