DE102012209260A1 - Katalysatorsystem und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Katalysatorsystem, umfassend einen Katalysator und einen gasdurchlässigen Träger, der zumindest zum Teil eine hydrophobe Beschichtung aufweist, wobei sich der Katalysator in und/oder auf der Beschichtung befindet. Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Katalysatorsystems, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägers, (b) Bereitstellen einer Lösung einer hydrophoben Beschichtung in einem geeigneten Lösungsmittel, (c) Beschichten des Trägers mit der Lösung der hydrophoben Beschichtung, (d) Aufbringen eines Katalysators auf die beschichtete Oberfläche des Trägers. Ein alternatives Verfahren zum Herstellen des Katalysatorsystems umfasst die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägers, (b) Bereitstellen einer Suspension eines Katalysators in einer Lösung in einer hydrophoben Beschichtung, die in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst ist, (c) Beschichten des Trägers mit der Suspension, (d) Entfernen des Lösungsmittels. Weiter umfasst die vorliegende Erfindung eine Heizvorrichtung, umfassend das Katalysatorsystem, sowie die Verwendung des Katalysatorsystems.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Katalysatorsystem zur Luftreinigung, umfassend einen Katalysator und einen luftdurchlässigen Träger, insbesondere Papier, sowie auf Verfahren zur Herstellung dieses Katalysatorsystems. Das Katalysatorsystem ist geeignet zur Reinigung von Luft, da Schadstoffe, wie z.B. Ozon oder Mikroorganismen, die sich in der Luft befinden, vom Katalysator effektiv zersetzt werden.
- Stand der Technik:
- Im Stand der Technik sind luftdurchlässige Filtermaterialen zum Filtern von Luft bekannt, die Fremdpartikel physikalisch aus der Luft filtern. Weiter zeigt z.B. die
US 2004/0083572 - Die herkömmlichen Filter/Katalysatoren sind aber bezüglich ihrer chemischen Zersetzungswirkung, insbesondere gegenüber Ozon oder Mikroorganismen, verbesserungsfähig. Weiter werden als herkömmliche Trägermaterialien oft cellulosebasierte Materialien wie z.B. Papier verwendet. Diese sind aber hygroskopisch, d.h. zeigen die Tendenz Wasser aufzunehmen. Somit kann mit den herkömmlichen Filtern Luft mit hoher Luftfeuchtigkeit, wie sie z.B. in Backöfen oder Dunstabzugshauben anfällt, nicht gefiltert werden, da die Filter aufgrund der Wasseraufnahme mit der Zeit unbrauchbar werden.
- Aufgabe:
- Somit ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Bereitstellen eines Katalysatorsystems zur Luftreinigung, das eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der Zersetzung von Schadstoffen, wie z.B. Ozon oder Mikroorganismen, die sich in der Luft befinden, aufweist, wobei das Katalysatorsystem auch bei hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden kann.
- Beschreibung:
- Diese Aufgabe wird mit dem Katalysatorsystem nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Katalysatorsystems sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben, die auch als Kombination untereinander erfindungsgemäß umfasst sind.
- Das Katalysatorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung zur Luftreinigung umfasst einen Katalysator und einen luftdurchlässigen Träger, wobei der Träger zumindest zum Teil eine hydrophobe Beschichtung aufweist. Der Katalysator befindet sich in und/oder auf der Beschichtung. Durch die Verwendung eines luftdurchlässigen Trägers wird gewährleistet, dass die zu reinigende Luft den Träger durchströmt bzw. gut in den Träger eindringt. Somit erfolgt ein intensiver Kontakt der sich in der Luft befindlichen Schadstoffe mit dem Katalysator auf/im Träger, was eine hohe katalytische Aktivität bedingt.
- Weiter weist der gasdurchlässige Träger zumindest zum Teil eine hydrophobe Beschichtung auf. Dies hat den Vorteil, dass der gasdurchlässige Träger nicht oder nur zu einem geringen Teil mit Wasser, das sich der zu reinigenden Luft befinden kann, in Kontakt kommt. Aus diesem Grund können auch bei Luft mit hoher Luftfeuchtigkeit hygroskopische Träger, wie z. B. Papier, verwendet werden. Durch die hydrophobe Beschichtung erfolgt kein oder nur ein zu vernachlässigendes Eindringen von Wasser in den Träger. Dadurch wird insbesondere auch bei hygroskopischen Trägern wie z.B. Papier gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des Katalysatorsystems nicht verschlechtert werden, was bei einer Aufnahme von Wasser der Fall wäre. Somit kann das erfindungsgemäße Katalysatorsystem auch bei hoher Luftfeuchte eingesetzt werden, ohne dass sich die die katalytische Aktivität und/oder die mechanischen Eigenschaften verschlechtern würden.
- Der Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung befindet sich in und/oder auf der Beschichtung, d.h. nur auf der Oberfläche des luftdurchlässigen Trägers und nicht im Inneren des Trägers. Dies bedingt eine höhere katalytische Aktivität im Vergleich zu Katalysatorsystemen, in denen der Katalysator homogen im Träger verteilt ist, da die relative Anzahl der katalytisch aktiven Zentren (d.h. den Zentren, die sich an der Oberfläche des Katalysatorsystems befinden) so wesentlich erhöht ist.
- Bevorzugt ist der Träger ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Papier, Pappe, Karton, offenporiger Schaumstoff, Faservlies aus organischen oder anorganischen Fasern wie Glaswolle oder Steinwolle, Webstoff, oder Kombinationen davon. Insbesondere bevorzugt ist der Träger ein Träger auf Cellulosebasis wie Papier, Pappe oder Karton. Hier ist eine hohe Luftdurchlässigkeit und mechanische Stabilität gegeben, und der Träger ist mit geringen Kosten herstellbar. Hygroskopische Träger sind erfindungsgemäß verwendbar, da aufgrund der hydrophoben Beschichtung kein Wasser eindringen kann, und so eine hohe Lebensdauer auch bei hoher Luftfeuchtigkeit gegeben ist.
- Die hydrophobe Beschichtung ist bevorzugt eine Beschichtung aus Polyolefin, insbesondere Polyethylen oder Polypropylen. Diese Materialien weisen eine hohe Hydrophobizität auf und sind kostengünstig, sowie leicht auf den Träger applizierbar.
- Der Katalysator ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Metalloxide wie MnO2, Metalle wie Ag, Ni, Cu, Sn, Pt, Pd, sowie Aktivkohle, oder Kombinationen davon. Insbesondere bevorzugt ist eine Kombination aus MnO2/Ag/Aktivkohle.
- Diese Katalysatoren sind besonders geeignet zur Verwendung als Katalysatoren/Substanzen zur Zersetzung von Ozon, d.h. weisen eine hervorragende katalytische Aktivität bezüglich der Zersetzung von Ozon auf.
- Ozon ist ein bei Raumtemperatur/Normaldruck gasförmiges Molekül, das aus drei Sauerstoffatomen besteht und als starkes Oxidationsmittel wirkt. Aufgrund seiner oxidierenden Wirkung reizt es bei Menschen und Tieren die Atemwege. Bei Ozonaufnahme treten beim Betroffenen häufig Kopfschmerzen auf. In hohen Konzentrationen riecht das Gas aufgrund der oxidierenden Wirkung auf die Nasenschleimhaut charakteristisch stechend-scharf bis chlorähnlich, während es in geringen Konzentrationen geruchlos ist.
- Ozon dient zur Reinigung von technischen Geräten sowie zur Wasseraufbereitung, da es durch sein hohes Oxidationspotential in der Lage ist, eine Vielzahl von Mikroorganismen abzutöten. Weiter wird Ozon in Haushaltsgeräten wie Backöfen oder Dunstabzugshauben zur Sterilisation sowie zur Eliminierung von schlechten Gerüchen eingesetzt. Ozon kann auch als Nebenprodukt z.B. bei der pyrolytischen Reinigung von Haushaltsgeräten, wie Backöfen, entstehen, die bei Temperaturen von 300 bis 500 °C durchgeführt wird.
- Die oben genannten Katalysatoren sind in der Lage, das entstandene Ozon effektiv zu entfernen, um eine Geruchsbelastung bzw. gesundheitliche Gefährdung der Personen in der Umgebung zu minimieren.
- Zusätzlich zur ozonzersetzenden Wirkung können diese Katalysatoren weitere organische Verbindungen, die Gerüche erzeugen, abzubauen. Somit ist eine effektive Geruchsminimierung möglich. Weiter besitzen diese Katalysatoren die Fähigkeit, Mikroorganismen wie z.B. Bakterien zu zersetzen, d.h. eine Desinfektion des durchströmenden Gases zu erzielen. Aufgrund dieser Tatsache ist auch eine Reinigung des geträgerten Katalysators in vielen Fällen nicht bzw. nur in großen Zeitabständen nötig. Die antibakterielle Wirkung wird durch die hydrophobe Oberfläche des Trägers verstärkt, da sich aufgrund der Hydrophobizität weniger Bakterien im Träger anlagern können.
- Der Katalysator liegt insbesondere in der Form von Partikeln vor, die einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,01 bis 1000 mm, bevorzugt 0,1 bis 100 mm, besonders bevorzugt 1 bis 10 µm besitzen. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine gute Balance zwischen hoher katalytischer Aktivität, guter Verarbeitbarkeit und guter Anbindung an die Oberfläche des Trägers. Der mittlere Partikeldurchmesser gemäß der vorliegenden Erfindung kann visuell über TEM (Transmissionselektronenmikroskop) bestimmt werden.
- Das Katalysatorsystem umfasst insbesondere poröse Träger, die insbesondere eine mittlere Porengröße von 0,01 bis 1000 µm, bevorzugt 0,1 bis 100 µm, besonders bevorzugt von 1 bis 10 µm besitzen. Somit wird eine gute Luftdurchlässigkeit des Trägers gewährleistet. Der mittlere Partikeldurchmesser kann visuell über TEM bestimmt werden.
- Weiter ist bevorzugt, dass der Katalysator in 0,1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysatorsystems, im Katalysatorsystem vorliegt. Eine solche Zusammensetzung vereint eine gute katalytische Wirksamkeit mit einer kostengünstigen Herstellung, da so gewährleistet wird, dass sich eine ausreichende Menge an Katalysatorpartikeln auf der Oberfläche des Trägers befindet, um eine hohe katalytische Aktivität zu erzielen.
- Der Träger kann weiter Additive umfassen, wie Verstärkungsmittel, Flammschutzmittel, Antioxidationsmittel oder Färbemittel. Geeignete Verstärkungsmittel sind z.B. Glasfasern, Talk- oder Kohlenstoffpartikel. Über die Verwendung dieser Additive können die Eigenschaften des Katalysatorsystems im Hinblick auf spezifische Anwendungen maßgeschneidert werden.
- Weiter betrifft die vorliegende Erfindung zwei alternative Verfahren zum Herstellen eines Katalysatorsystems. Diese Verfahren sind in den Ansprüchen 8 und 11 beschrieben. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 9 bis 10, sowie 12 bis 13 definiert, die auch in Kombination untereinander umfasst sind.
- Ein Verfahren zum Herstellen des Katalysatorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte, (a) Bereitstellen eines Trägers, (b) Bereitstellen einer Lösung einer hydrophoben Beschichtung in einem geeigneten Lösungsmittel, (c) Beschichten des Trägers mit der Lösung der hydrophoben Beschichtung, (d) Aufbringen eines Katalysators auf die beschichtete Oberfläche des Trägers. Dieses Verfahren gewährleist ein zeit-/kostengünstiges Herstellen des Katalysatorsystems.
- Bevorzugt wird dabei das Lösungsmittel vor und/oder nach dem Schritt des Aufbringens des Katalysators auf die beschichtete Oberfläche des Trägers entfernt. Dies kann z.B. durch Anlegen eines Vakuums erfolgen. Somit ist eine Beschleunigung des Verfahrens und somit eine kostengünstige Ausgestaltung des Verfahrens möglich.
- Das Beschichten des Trägers mit der Lösung der hydrophoben Beschichtung kann durch herkömmliche Beschichtungsverfahren erfolgen. Bevorzugt ist eine Beschichtung durch Tauchen, Sprühen, Rakeln oder Schleudern.
- Alternativ wird das Katalysatorsystem der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren hergestellt, umfassend die Schritte, (a) Bereitstellen eines Trägers, (b) Bereitstellen einer Suspension eines Katalysators in einer Lösung einer hydrophoben Beschichtung, die in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst ist, (c) Beschichten des Trägers mit der Suspension, und (d) Entfernen des Lösungsmittels.
- Bei diesen Verfahren ist der Träger bevorzugt Papier, wobei der Schritt des Beschichtens des Papiers während der Papierherstellung erfolgt. Verfahren zur Papierherstellung sind allgemein bekannt und werden hier nicht weiter erläutert. Bei der Papierherstellung stellt die oben erwähnte Lösung bzw. Suspension die Schöpflösung dar.
- Bevorzugt ist das Lösungsmittel für die erfindungsgemäßen Verfahren ausgewählt aus der Gruppe, umfassend aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, lineare, verzweigte oder zyklische Kohlenwasserstoffe, oder Heteroatom-substituierte Kohlenwasserstoffe oder Kombinationen davon. Insbesondere bevorzugt ist das Lösungsmittel Xylol oder Toluol.
- Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Backofen, Herd oder Dunstabzug, wobei die vorrichtung das Katalysator-system gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 umfasst. Das Katalysatorsystem ist dabei bevorzugt in der Ab- und/oder Zulaufleitung angeordnet.
- Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung eines geträgerten Katalysators wie oben beschrieben, zur Zersetzung von Substanzen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ozon, organische Verbindungen, Mikroorganismen oder Kombinationen davon. Das Katalysatorsystem hat eine hohe Wirksamkeit bei der Zersetzung dieser Substanzen und bedingt somit die Verringerung von Mikroorganismen, Gerüchen oder Ozon.
- 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
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- US 2004/0083572 [0002]
Claims (15)
- Katalysatorsystem zur Luftreinigung, umfassend einen Katalysator und einen gasdurchlässigen Träger, der zumindest zum Teil eine hydrophobe Beschichtung aufweist, wobei sich der Katalysator in und/oder auf der Beschichtung befindet.
- Katalysatorsystem gemäß Anspruch 1, wobei der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Paper, Pappe, Karton, offenporiger Schaumstoff, Faservlies aus organischen oder anorganischen Fasern wie Glaswolle oder Steinwolle, Webstoff, oder Kombinationen davon.
- Katalysatorsystem gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die hydrophobe Beschichtung eine Beschichtung aus Polyolefin, bevorzugt Polyethylen oder Polypropylen, ist.
- Katalysatorsystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, wobei der Katalysator ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Metalloxide wie MnO2, Metalle wie Ag, Ni, Cu, Sn, Pt, Pd, sowie Aktivkohle, oder Kombinationen davon.
- Katalysatorsystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, wobei der Katalysator in der Form von Partikeln vorliegt, die einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,01 bis 1000 µm, bevorzugt 0,1 bis 100 µm, besonders bevorzugt von 1 bis 10 µm, besitzen.
- Katalysatorsystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der der Träger eine mittlere Porengröße von 0,01 bis 1000 µm, bevorzugt 0,1 bis 100 µm, besonders bevorzugt von 1 bis 10 µm, besitzen.
- Katalysatorsystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, wobei der Träger weiter Additive umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, umfassend Verstärkungsmittel wie Glasfasern, Talk, oder Kohlenstoffpartikel, Flammschutzmittel, Antioxididationsmittel oder Färbemittel, oder Kombinationen davon.
- Verfahren zum Herstellen eines Katalysatorsystems gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, umfassend die Schritte, (a) Bereitstellen eines Trägers, (b) Bereitstellen einer Lösung einer hydrophoben Beschichtung in einem geeigneten Lösungsmittel, (c) Beschichten des Trägers mit der Lösung der hydrophoben Beschichtung, (d) Aufbringen eines Katalysators auf die beschichtete Oberfläche des Trägers.
- Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Lösungsmittel vor und/oder nach dem Schritt des Aufbringens des Katalysators auf die beschichtete Oberfläche des Trägers entfernt wird.
- Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 oder 9, wobei der Schritt des Aufbringens des Katalysators auf die beschichtete Oberfläche des Trägers ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Eintauchen, Besprühen, Rakeln, Schleudern, oder Kombinationen davon.
- Verfahren zum Herstellen eines Katalysatorsystems gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, umfassend die Schritte, (a) Bereitstellen eines Trägers, (b) Bereitstellen einer Suspension eines Katalysators in einer Lösung einer hydrophoben Beschichtung, die in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst ist, (c) Beschichten des Trägers mit der Suspension, und (d) Entfernen des Lösungsmittels.
- Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 11, wobei der Träger Papier ist, und der Schritt des Beschichtens des Papiers während der Papierherstellung erfolgt, so dass die Lösung oder die Suspension die Schöpflösung darstellt.
- Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 12, wobei das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, lineare, verzweigte oder cyclische Kohlenwasserstoffe, oder heteroatom-substituierte Kohlenwasserstoffe, oder Kombinationen davon, insbesondere Xylol oder Toluol.
- Vorrichtung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Backofen Herd oder Dunstabzug, umfassend das Katalysatorsystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, bevorzugt in der Ab- und/oder Zulaufleitung.
- Verwendung eines Katalysatorsystems gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, zur Zersetzung von Substanzen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ozon, organische Verbindungen, Mikroorganismen wie Bakterien, oder Kombinationen davon, insbesondere in einer Heizvorrichtung.
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