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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstofffilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Reinigungskartusche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 und eine Verwendung eines Organotons.
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Stand der Technik
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Ein Filtersystem mit Wasserabscheidungsvorrichtung ist aus der
DE 10 2016 002 264.7 bekannt. In diesem Filtersystem wird Aktivkohle als ad- und/oder absorbierendes Medium für Kraftstoffbestandteile aus dem abgetrennten Wasser eingesetzt. Dieses hat sich als günstig für verschiedene Anwendungen erwiesen.
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Typischer Dieselkraftstoff ist nur mit ca. 5 mg/l in Wasser löslich, wird dieser Wert überschritten, ist das Wasser gesättigt, es geht kein Diesel mehr in Lösung und es findet eine Emulsionsbildung statt. Solche Diesel-Wasser-Emulsionen sind nicht bzw. nur in einem geringen Maß durch Aktivkohle aufreinigbar, es besteht daher das dringende Bedürfnis, eine Aufreinigung durch ein alternatives Aktivmaterial vorzunehmen, mit dem auch Dieselkraftstoff, der als Emulsion vorliegt, entfernt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftstofffilter bereitzustellen, welcher eine verbesserte Adorptionsleistung für Kohlenwasserstoffe, insbesondere Dieselkraftstoff, der insbesondere in Emulsionsform vorliegt, aus Wasser aufweist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe sowohl durch einen Kraftstofffilter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 als auch durch eine Reinigungskartusche mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch eine erfindungsgemäße Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Ein erfindungsgemäßer Kraftstofffilter ist geeignet sein zum Filtern eines ein erstes und ein zweites Medium umfassenden Medienstroms. Dabei kann es sich bei dem ersten Medium bevorzugt um Wasser und bei dem zweiten Medium um einen Dieselkraftstoff handeln.
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Als Kraftstoff wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen verstanden, insbesondere Dieselkraftstoffe und Biodieselkraftstoffe zur Nutzung in Brennkraftmaschinen. Ein typischer Dieselkraftstoff enthält üblicherweise Kerosin, verschiedene Mitteldestillatfraktionen und zurzeit mehrere Volumenprozent Biodiesel sowie verschiedene Additive (im ppm-Bereich).
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Demgegenüber fallen Öle und Fette nicht unter die Definition eines Dieselkraftstoffs.
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Der erfindungsgemäße Kraftstofffilter weist eine Abscheidevorrichtung zur Abtrennung eines ersten Mediums aus einem Medienstrom auf, der ein erstes und ein zweites Medium umfasst.
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Zudem weist der Kraftstofffilter eine Reinigungsvorrichtung zur Aufnahme eines Anteils des zweiten Mediums in dem abgeschiedenen ersten Medium auf, die stromaufwärts einer Ablassöffnung für das zweite Medium aus dem Kraftstofffilter angeordnet ist und die ein ab- und/oder adsorbierendes Reinigungsmaterial aufweist
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Das Reinigungsmaterial weist einen Organoton als Aktivbestandteil auf oder besteht aus dem Organoton.
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Ein Aktivbestandteil im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Bestandteil, welcher an der Ad- oder Absorption z. B. von Dieselkraftstoff beteiligt ist. Somit kann ein Organoton als ab- und/oder adsorptionsfähiges Material in einem Reinigungsmaterial zur Aufnahme wenigstens eines Anteils des zweiten Mediums in dem ersten Medium angeordnet sein. Dieses Reinigungsmaterial mit dem Organoton als Aktivbestandteil oder aus Organoton kann beispielsweise innerhalb eines Filtersystemgehäuses oder besonders etwa auch in einem Filterelement angeordnet sein.
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Das Filtersystem eignet sich besonders für die Abscheidung von Dieselkraftstoffresten in abgeschiedenem Wasser, insbesondere sofern eine Diesel-in-Wasser Emulsion vorliegt; es ist jedoch auch gelöster Dieselkraftstoff abtrennbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Organoton kann so innerhalb des Kraftstofffilters angeordnet sein, dass eine Austauschbarkeit des Organotons und eine Erneuerung des Adsorptionsvermögens des Kraftstofffilters möglich ist. Der gesättigte Organoton kann nach dem Austausch regeneriert werden, dies kann z. B. durch Aufheizen des Tons und ggf. durch ein abermaliges Behandeln mit einer organischen Kationen-Lösung erfolgen.
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Der Organoton (engl.: Organoclay) kann vorteilhaft eine aufgeweitete Schichtstruktur aufweisen. Eine aufgeweitete Schichtstruktur eines Tons (engl.: pillared clay) kann durch Austausch von Ionen in der Zwischenschicht einer Schichtstruktur eines Tons erreicht werden. Dabei werden die Ionen, insbesondere anorganische Kationen, welche im natürlichen Ton vorkommen, durch Fremdionen, z. B. durch zugeführte Salze, insbesondere durch zugeführte organische Salzlösungen, ausgetauscht. Mittels Röntgendiffraktometrie können die Schichtabstände verschiedener Tonproben bestimmt werden.
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Der Organoton, insbesondere zumindest eine organische Komponente des Organotons, kann vorteilhaft Alkylgruppen, vorzugsweise Methylgruppen, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich zu den Methylgruppen können vorzugsweise auch Ethylgruppen oder andere Alkylgruppen vorgesehen sein. Die Alkylgruppen können in Form von organischen Kationen, z. B. quartären Alkylammoniumionen, in den Zwischenschichten des Organotons eingelagert vorliegen.
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Der Organoton kann bevorzugt ein Schichtsilikat aufweisen. Insbesondere bildet das Schichtsilikat zumindest 50 Gew.% des Organotons. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Organoton auch aus einem Schichtsilikat bestehen.
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Das Schichtsilikat kann ausgebildet sein als ein Schichtsilikat der Smektit- und/oder Montmorillonit-Gruppe, welches derart organisch-modifiziert wurde, dass zumindest eine Zwischenschicht des vorgenannten Schichtsilikats ein organisches Kation, vorzugsweise mehrere gleichartige organische Kationen, insbesondere quartäre Alkylammonium-Kationen, aufweist. Eine entsprechende Klassifizierung einzelner Tone der Smektit- und/oder Montmorillonit-Gruppe findet sich in der 8. Auflage der Fachliteratur „Mineralsystematik nach Strunz“.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Reihe von bevorzugten oberflächenaktiven Verbindungen, welche zur Organofunktionalisierung von Ton, z. B. Smektiten, einsetzbar sind.
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Weitere Informationen und Vorteile der einzelnen Verbindungen finden sich unter
DELBEN, M. F.; VALERA, T. S.; VALENZUELA-DIAZ, F. R.; DEMARQUETTE, N. R. Modification of brazilian smectite clay with different quaternary ammonium salts. Quimica Nova, vol. 33, No. 2, 309-315, 2010.
Salls | Formula | Designation | Structure |
Salz | Formel | Bezeichnung | Struktur |
ditallowalkyldimethylammonium chloride | [(CH3)2,R2 N+] Cl-; | DTADMA (1) | |
R = ∼ 65%C18; ∼ 30% C16; |
∼ 5% C14 |
dialkyldimelhylammonium chloride | [(CH3)2R2 N+] Cl- ; | DADMA (2) |
R = ∼70 % C12 e ∼30% C14 |
alkyldimethylhenzylammonium chloride | [(CH3)2(CH2C6H5)R N+] Cl- | ADMBA (1) | |
R = ∼2% C10; ∼ 50% C12; |
∼24% C14; 13% C18e ∼ 11% C16 |
hexadccyltrimethylammonium chloride | [(CH3)3(C16H33)N+] Cl- | HDTMA (1) | |
Fettalkyldimethylhydroxyethylammonium chloride | [(CH3)2(C18H37)(C2H4OH)N+] Cl- | FADMHEA (1) | |
(1) Clariant. (2) Akzo Nobel |
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Der Organoton kann in dem Kraftstofffilter, vorzugsweise in der Reinigungsvorrichtung, als Formkörper, Beschichtung und/oder Granulat angeordnet sein. Dadurch wird eine große überströmte Fläche zur Abscheidung des zweiten Mediums, insbesondere des Dieselkraftstoffes, zur Verfügung gestellt. Besonders bevorzugt können die Formkörper eine offenporige Struktur aufweisen, um somit einen geringeren Durchflusswiderstand gegenüber dem Medienstrom hervorzurufen.
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Der Organoton kann als Granulat ausgebildet sein, wobei der mittlere Partikeldurchmesser von zumindest 50 Gew.-% der Organoton-Granulate größer ist als 50 µm. Dadurch kommt es nicht zu einer Verblockung des Medienstroms.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann der mittlere Partikeldurchmesser von zumindest 50 Gew.-% der Organoton-Granulate weniger als 400 µm betragen. Diese mittleren Partikelgrößen weisen gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsvariante statistisch mehr als die Hälfte der Organoton-Granulate auf.
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Besonders bevorzugt kann der mittlere Partikeldurchmesser für eine massenbezogene d50-Partikelgrößenverteilung der Granulate zwischen 50 bis 400 µm, insbesondere zwischen 100 bis 300 µm betragen.
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Der mittlere Partikeldurchmesser kann durch Laserdiffraktometrie bestimmt werden und bezieht sich auf einen auf den Mittelwert aller Durchmesser eines ungleichmäßig geformten Partikels.
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Das Reinigungsmaterial kann neben dem Organoton als Aktivmaterial zumindest ein weiteres Material aufweisen, insbesondere ein inertes Material, insbesondere ein Glas, eine Keramik, Sand, und/oder ein weiteres Aktivmaterial, insbesondere ein Zeolith und/oder Aktivkohle, das bevorzugt gleichmäßig in den Organoton eingebettet ist und/oder mit diesem verbunden ist. Dadurch kann u. a. eine druckverlustarme Durchströmung des Reinigungsmaterials ermöglicht werden. Durch die Nutzung eines weiteren Aktivmaterials, insbesondere eines der vorgenannten Aktivmaterialien, kann die Adsorption und/oder Absorption anderer im Mediumsstrom enthaltener Stoffe, also weiterer Medien, z. B. eines dritten Mediums, durch das Reinigungsmaterial optimiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante eines verwendeten Organotons weisen die FT-IR-Spektren (Fouriertransformations-Infrarot-Spektren) des Organotons charakteristische Kohlenwasserstoffbanden im Bereich 1300 cm-1 bis 1600 cm-1 und/oder 2700 cm-1 bis 3100 cm-1 auf. Diese charakteristischen Kohlenwasserstoffbanden entstehen durch die organische Modifikation eines natürlichen Tons, d. h. ein natürlicher Ton weist diese als Peaks im IR-Spektrogramm sichtbaren Banden nicht auf.
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In einer weiteren Ausführungsvariante des Kraftstofffilters weist dieser stromabwärts der Abscheidevorrichtung einen Sammelraum für das abgetrennte erste Medium auf, der bevorzugt an einer geodätisch unter der Abscheidevorrichtung liegenden Position angeordnet ist, wobei der Sammelraum einen Auslass hat, der fluidisch mit der Reinigungsvorrichtung verbunden ist. Die Bezeichnung der Position des Sammelraums kann vorzugsweise auch mit in Lotrichtung unterhalb der Abscheidevorrichtung definiert werden. Der Sammelraum kann beispielsweise als ein sogenannter Bowl (engl. für Schale) ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Sammelraum eine innere Teilung aufweist, sodass beispielsweise ein geodätisch oberer Teil für das ungereinigte erste Medium vorgesehen ist und in einem geodätisch unteren Teil das von dem zweiten Medium gereinigte erste Medium gesammelt wird, wobei zwischen dem geodätisch unteren und oberen Teil des Sammelraums die Reinigungsvorrichtung vorliegt.
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Die Reinigungsvorrichtung kann vorzugsweise innerhalb eines dem Kraftstofffilter zugeordneten Filtersystemgehäuses angeordnet sein. Die Ablassöffnung für das zweite Medium kann vorteilhaft unterhalb des Sammelraums, besonders vorzugsweise am oder im Filtersystemgehäuse vorliegen.
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Die Reinigungsvorrichtung kann jedoch in einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Kraftstofffilters außerhalb des Filtersystemgehäuses in einem dem Kraftstofffilter zugeordneten Reinigungsmodul angeordnet sein, das ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass aufweist, wobei bevorzugt in dem Gehäuse des Reinigungsmoduls eine ebenfalls dem Kraftstofffilter zugeordnete austauschbare Reinigungskartusche angeordnet ist. In dieser auswechselbaren Reinigungskartusche ist in dieser speziellen Variante der Erfindung das Reinigungsmaterial mit dem Organoton angeordnet.
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Die Strömungsrichtung des Medienstroms durch die Reinigungskartusche kann bevorzugt entgegen der Schwererichtung verlaufen, um eine gleichmäßige Durchströmung und Entlüftung der Kartusche zu ermöglichen und dadurch eine besonders gute Ab- und/oder Adsoprtion zu erhalten. Allerdings ist eine Realisierung der Strömungsrichtung des Medienstroms in Schwererichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich.
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Generell und unabhängig von der vorgenannten Ausführungsvariante und deren konstruktiven Ausgestaltung ist es von besonderem Vorteil für z. B. die Aufarbeitung und die Handhabung des Kraftstofffilters, wenn die Reinigungsvorrichtung eine auswechselbare Reinungskartusche aufweist, in der der Organoton angeordnet ist.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist eine Reinigungskartusche welche geeignet ist für einen erfindungsgemäßen Kraftstofffilter, wobei in der Reinigungskartusche ein Reinigungsmaterial mit einem Organoton als Aktivbestandteil, insbesondere ein Organoton wie er im erfindungsgemäßen Kraftstofffilter verwendet wird, angeordnet ist. Die Reinigungskartusche kann zur Abtrennung von Dieselkraftstoff aus Wasser verwendet werden. Die Reinigungskartusche ist dabei, z. B. im Fall der Sättigung des Organotons, auswechselbar.
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Es ist zudem auch möglich mehrere Reinigungskartuschen einzusetzen, welche in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. So kann z. B. durch eine Reinigungskartusche eine Voradsorption erfolgen und durch eine nachgeordnete zweite Reinigungskartusche eine Nachadsorption und/oder Adsorption eines weiteren, z. B dritten, Mediums. Die Reinigungskartuschen können beispielsweise in unterschiedlichen Wechselzyklen ausgetauscht werden oder die Reinigungskartusche der Nachadsorption kann bei Austausch als Reinigungskartusche für die Voradsorption eingesetzt werden. Dadurch wird das Reinigungsmaterial in der Reinigungskartusche optimal genutzt.
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Ebenso ist es möglich, mehrere Reinigungskartuschen mit unterschiedlicher Zusammensetzung des Reinigungsmaterials einzusetzen. So kann eine stufenweise Abscheidung mehrerer Medien erfolgen.
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Zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten der Nutzung einer einzelnen oder mehrerer Reinigungskartuschen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierbar.
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Ein Verfahren zur Verringerung wenigstens eines Anteils des zweiten Mediums in dem ersten Medium kann die folgenden Schritte umfassen:
- a) ein Bereitstellen eines Organotons mit aufgeweiteter Schichtstruktur umfassend zumindest die folgenden Schritte:
- i. ein Bereitstellen einer Suspension eines natürlich-vorkommenden Tons, vorzugsweise eines Schichtsilikats, in einem Lösungsmittel;
- ii. eine Zugabe einer organischen Salzverbindung, insbesondere einer quaternären Alkylammonium-Salzes, unter Ausbildung des Organotons mit aufgeweiteter Schichtstruktur;
- b) ein Anordnen des Organotons in einem Kraftstofffilter; und
- c) ein Zuführen eines mit einem zweiten Medium verunreinigten ersten Mediums in den Kraftstofffilter unter Abscheidung des zweiten Mediums in an- und/oder in dem Organoton mit aufgeweiteter Schichtstruktur.
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Die Zeiträume zwischen den jeweiligen Schritten a) - c) können beliebig lang gewählt werden. Typischerweise kann das Bereitstellen gemäß Schritt a) und das Anordnen gemäß Schritt b) werksseitig erfolgen und das Zuführen kann im Bereich einer beliebigen Verbrennungskraftmaschine erfolgen.
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Zwischen Schritt i. und Schritt ii. kann vorteilhaft die Zugabe einer anorganischen Salzverbindung erfolgen. Dadurch werden die Kationen des natürlichen Tonminerals durch die Kationen der Salzverbindung ausgetauscht. Sodann ist der Austausch dieser Kationen durch die organischen Kationen einfacher möglich.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Organotons zur Abtrennung einer mit Kraftstoff verunreinigten Wasserfraktion, welche zumindest teilweise als Kraftstoff-Wasser-Emulsion vorliegt, in einem Kraftstofffilter, vorzugsweise in einem Kraftstofffilter gemäß der vorliegenden Erfindung, jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Kraftstofffilter kann vorteilhaft in einem beliebigen Fahrzeug, z. B. in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Straßenfahrzeug, einer mobilen Arbeitsmaschine, einem Wasserfahrzeug, insbesondere in einem Schiff, einem Luftfahrzeug eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß ist zudem die Verwendung eines Organotons, vorzugsweise als Reinigungsmaterial oder als Bestandteil eines Reinigungsmaterials, in einer Verbrennungskraftmaschine. Das bedeutet, dass von der Erfindung auch Reinigungsaufgaben erfasst werden, die nicht kraftstofffilterbezogen sind, jedoch innerhalb der Systemgrenzen der Brennkraftmaschine anfallen.
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Besonders bevorzugt kann die Verwendung derart erfolgen, dass eine Verminderung des Kraftstoffgehalts in dem mit Kraftstoff verunreinigten Wasser um zumindest 95%, bezogen auf Gewichts-%, erfolgt. Die Ausgangskonzentration des Kraftstoffs, insbesondere des Dieselkraftstoffs in Wasser beträgt dabei zwischen 200 bis 2500 ppm. Die Konzentration des Dieselkraftstoffes in Wasser nach der Anwendung des Organotons kann dabei besonders bevorzugt unter 10 ppm, typischerweise zwischen 2 bis 8 ppm betragen.
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In Wasser gelöste Restdieselbestandteile können zudem durch einen der Reiningungsvorrichtung nachgeschalteten Aktivkohlefilter vorteilhaft entfernt werden. Bei verfahrensmäßiger Beschreibung kann ein entsprechender Verfahrensschritt d) des Durchleitens des ersten Mediums in Anschluss an Schritt c) durch einen Aktivkohlefilter erfolgen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher erläutert. Darin sind weitere Vorteile der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die kombinatorischen Merkmale der Ausführungsbeispiele kann der Fachmann zweckmäßig auch einzeln betrachten oder zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen oder abwandeln.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstofffilters in Seitenansicht mit einem Reinigungsmodul nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 der Kraftstofffilter mit dem Reinigungsmodul aus 2 in Draufsicht;
- 3 der Kraftstofffilter mit Reinigungsmodul aus 1 mit einer entnommenen Reinigungskartusche;
- 4 eine infrarot-spektroskopische Aufnahme eines als Organoton ausgebildeten Bentonits und eines natürlichen Bentonits;
- 5 ein thermogravimetrisches Diagramm;
- Fig. 6 Löslichkeitsdiagramm von Dieselkraftstoff in Wasser;
- 7 Vergleichsmessungen der Adsorptionsfähigkeiten zwischen Aktivkohle und Organoton;
- 8a REM-Aufnahme eines natürlichen Tons (Bentonit); und
- 8b REM-Aufnahme eines Organotons.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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Nachfolgend werden die Begriffe Diesel und Dieselkraftstoff synonym verwandt ebenso wie die Begriffe Organoton und Organoclay.
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Die Erfindung ist in den 1 bis 3 beispielhaft in einer Ausführungsform dargestellt, gemäß der die Reinigungsvorrichtung als externe Reinigungsvorrichtung ausgebildet ist, nämlich als Reinigungsmodul 10 zur Reinigung eines mit einem zweiten Medium verunreinigten Medienstroms eines ersten Mediums für einen Kraftstofffilter, wobei das erste Medium Wasser und das zweite Medium Dieselkraftstoff ist, wobei das Wasser im Kraftstofffilter 100 von dem Dieselkraftstoff abgetrennt wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstofffilters 100 in Seitenansicht mit einem Reinigungsmodul 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftstofffilter 100 zum Filtern des das erste und das zweite Medium umfassenden Medienstroms, weist eine in einem Filtersystemgehäuse 102 des Kraftstofffilters angeordnete, nicht dargestellte, Abscheidevorrichtung für das erste Medium auf. Das Filtergehäuse 102 weist einen, bevorzugt lösbaren, mediendichten Deckel 104 auf, um ein im Inneren des Filtersystemgehäuses 102, ebenfalls nicht dargestelltes, Filterelement zu warten oder auszutauschen. Weiter weist der Kraftstofffilter 100 das Reinigungsmodul 10 zur ab- und/oder adsorbierenden Aufnahme eines Anteils des zweiten Mediums in dem abgeschiedenen ersten Medium auf, welches über ein Verbindungsteil 106 mit dem Filtersystemgehäuse 102 verbunden ist. Das Reinigungsmodul 10 weist ein Gehäuse 12 mit einem Einlass 18 und einem Auslass bzw. einer Ablassöffnung 20 an dem zweiten Gehäuseteil 16 auf. Das erste und das zweite Gehäuseteil 14, 16 sind zu einer, insbesondere lösbaren, mediendichten Verbindung miteinander ausgebildet. Die beiden Gehäuseteile 14, 16 können dazu beispielsweise verschraubt oder mit einem Schnellverschluss verbunden sein. Ferner ist ein Auslass 21 dargestellt, der an dem ersten Gehäuseteil 14 angeordnet ist. Auch eine solche Lösung ist günstig, da dann das zweite Gehäuseteil 16, beispielsweise zur Entnahme der Reinigungskartusche 30, abgenommen werden kann, ohne eine Verbindung von dem Auslass 21 zu weiterführenden Komponenten zu lösen.
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In dem Gehäuse 12 ist die austauschbare Reinigungskartusche 30 lösbar angeordnet. Die Reinigungskartusche 30 weist ein Reinigungsmaterial mit einem Organoton als ab- und/oder adsorptionsfähiges Material zur Aufnahme wenigstens eines Anteils des zweiten Mediums in dem ersten Medium auf.
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Das Reinigungsmaterial 34 kann zudem inerte Materialien wie zumindest ein Glas eine Keramik, einen Sand, und/oder ein Aktivmaterial, insbesondere ein Zeolith und/oder Aktivkohle aufweisen. Dieses kann bevorzugt und vorteilhaft gleichmäßig in den Organoton eingebettet sein und/oder mit diesem verbunden sein.
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Die Hauptkomponente des Reinigungsmaterials 34, also mehr als 50 Gew.-%, kann jedoch besonders bevorzugt der Organoton sein. Das Reinigungsmaterial 34 kann auch vollständig aus Organoton bestehen.
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Der Organoton als Aktivbestandteil des Reinigungsmaterials 34 kann als lose Schüttung vorgesehen sein und/oder gesintert und/oder chemisch vernetzt vorgesehen sein und/oder geschäumt vorgesehen sein.
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Dabei kann das Reinigungsmaterial 34 und insbesondere der Organoton als Formkörper, z. B. als hohlzylindrischer Formkörper, insbesondere mit einer offenporigen Struktur, als Beschichtung oder als Granulat im Kraftstofffilter 100 angeordnet sein.
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Der mittlere Partikeldurchmesser von zumindest der Hälfte der Organoton-Granulatkörner kann größer sein als 50 µm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante beträgt der mittlere Partikeldurchmesser von zumindest der Hälfte der Organoton-Granulatkörner weniger als 400 µm.
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Besonders bevorzugt kann der mittlere Partikeldurchmesser für eine massenbezogene d50-Partikelgrößenverteilung der Granulate zwischen 50 bis 400 µm, insbesondere zwischen 100 bis 300 µm, betragen.
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Die Strömungsrichtung 32 des Medienstroms erfolgt von dem Filtersystemgehäuse 102 durch das Verbindungsteil 106 durch den Einlass 18 in das Gehäuse 12 des Reinigungsmoduls 10, wo der Medienstrom durch die Reinigungskartusche 30 im bestimmungsgemäßen eingebauten Zustand entgegen der Schwerkraft gerichtet ist und das Reinigungsmodul 10 über den Auslass 20 oder in der alternativen Ausführungsform über den Auslass 21 oben verlässt.
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Zusätzlich kann an dem Reinigungsmodul 10 ein Indikator zur Anzeige der Beladung mit dem zweiten Medium angeordnet sein, um so eine bedarfsorientierte Wartung zu ermöglichen.
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In 2 ist der Kraftstofffilter 100 mit dem Reinigungsmodul 10 aus 1 in Draufsicht dargestellt. Das Filtersystemgehäuse 102 ist mit einem Deckel 104 von oben zu sehen. Das Reinigungsmodul 10 ist auf dem mit dem Filtersystemgehäuse 102 verbundenen Verbindungsteil 106 angeordnet. Von oben ist das zweite Gehäuse 16 auf dem Verbindungsteil 106 zu erkennen. Der Auslass 20 ist in der Darstellung weggelassen.
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3 zeigt den Kraftstofffilter 100 mit dem Reinigungsmodul 10 aus 1 mit entnommener Reinigungskartusche 30 des Reinigungsmoduls 10. Die Reinigungskartusche 30 mit dem organotonhaltigen Reinigungsmaterial 34 ist in diesem Ausführungsbeispiel an dem zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet. Die Reinigungskartusche 30 kann mit dem zweiten Gehäuseteil 16 dabei unlösbar verbunden sein und so als eine Einheit angesehen werden. Jedoch ist auch denkbar, dass die Reinigungskartusche 30 an dem zweiten Gehäuseteil 16 lösbar angeordnet ist und davon abgenommen und separat ausgetauscht werden kann. Damit kann die Reinigungskartusche 30 mit dem zweiten Gehäuseteil 16 in Form einer Kartusche nach oben aus dem ersten Gehäuseteil 14 entnommen werden, um beispielsweise ausgetauscht und aufbereitet zu werden. Eine neue Reinigungskartusche 30 mit einem zweiten Gehäuseteil 16 kann wieder eingesetzt und mit dem ersten Gehäuseteil 14 mediendicht verbunden, beispielsweise verschraubt oder verklipst werden, um das Reinigungsmodul 10 wieder in einem betriebsbereiten Zustand zu versetzen. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform besteht darin, dass bei Entnahme der Reinigungskartusche 30 mit dem zweiten Gehäuseteil 16 das restliche erste Medium in dem ersten Gehäuseteil 14 verbleibt und die Umgebung so nicht verschmutzt wird.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann auch das gesamte Reinigungsmodul abnehmbar und damit austauschbar ausgeführt sein.
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4 zeigt ein Infrarot-Spektrogramm eines erfindungsgemäß als Aktivmaterial eingesetzen Organotons (Kurve I) und eines unmodifizierten Tons (Kurve II).
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Hierbei ist die Extinktion über der Wellenzahl aufgetragen. Bei einer Wellenzahl zwischen 2800 bis 3000 cm-1 erkennt man charakteristische Banden 202 für Kohlenwasserstoffverbindungen.
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Im Fingerprintbereich erkennt man Banden 203 bei einer Wellenzahl zwischen 1300 bis 1500 cm-1 für Kohlenwasserstoffverbindungen. Diese sind bei einem natürlichen Ton (Kurve II) nicht vorhanden.
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Die Banden 201 im Bereich bei einer Wellenzahl von 3500 cm-1 charakterisieren eingelagertes Wasser und sind sowohl bei dem Organoton als auch dem natürlich vorkommenden Ton zu finden.
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Nachfolgend wird die Bereitstellung des Organotons näher erläutert:
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In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt die Bereitstellung eines Tons. Dabei kann es sich bevorzugt um einen natürlich vorkommenden Ton handeln. Besonders bevorzugte Tone sind Tone, welche im Wesentlichen, also zumindest zu 50 Gew.-% aus zumindest einem Smektit und/oder aus zumindest einem Montmorillonit bestehen. Ein solcher Ton ist beispielsweise Bentonit, welches nachfolgend für das konkrete Ausführungsbeispiel genutzt wird.
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Das Bentonit wird in Wasser, vorzugsweise in entionisiertem Wasser dispergiert. Dabei werden 4 Gew.-% Ton in entionisiertem Wasser für zumindest 10 Stunden durch Rühren bei Raumtemperatur dispergiert.
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In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt der Austausch oder die Homogenisierung von Metallionen welche im bereitgestellten Ton enthalten sind. Dabei kann ein Austausch von Metallionen des Tons durch Natriumionen erfolgen. Bevorzugt kann beispielsweise Na2CO3 oder NaCl in einer Konzentration von 100 meq (Milliäquivalente) je 100 g Ton verwendet werden. Nach der Zugabe z. B. von Natriumcarbonat erfolgte ein Rühren der Emulsion für zumindest 10 h bei Raumtemperatur.
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In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt die langsame Zugabe eines quartären Ammoniumsalzes in einer wässrigen Lösung. Die Konzentration beträgt 0,2 g der grenzflächenaktiven Substanz zu 1 g Ton unter Rühren für zumindest 10 h bei Raumtemperatur.
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Die Suspension wird sodann filtriert und mit entionisiertem Wasser gewaschen um einen Überschuss an Ionen auszuwaschen. Sodann wird der Organoton getrocknet in einem Vakuumofen bei 60°C für 24 Stunden.
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Die vorbeschriebene Verfahrensabfolge wird auch als Schichtaufweitung bzw. Pillarization bezeichnet. Metallionen befinden sich vorwiegend in den Zwischenschichten eines Tons mit Schichtstruktur. Diese werden zunächst durch Natriumionen und später durch organische Kationen, vorzugsweise durch quartäre Alkylammoniumionen ausgetauscht.
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Im Anschluss wurde das Ad- und/oder Absorptionsvermögen des als Organotons modifizierten Bentonits, eines natürlichen Bentonits und eines Bentonits, welches mit Aktivkohle angereichert wurde, verglichen.
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Für diesen Test wurden 100 ml einer Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser mit 1000 ppm Dieselkraftstoff in Kontakt gebracht mit jeweils 2 Gramm des jeweiligen Bentonits. Das Ton-Wasser-Dieselkraftstoff-Gemisch wurde über eine Stunde gerührt. Dies erfolgte mit einem Magnetrührer. Sodann wurde die Emulsion filtriert.
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Die Unterschiede der verbliebenen Wasserlösung konnten optisch wahrgenommen werden. Die Permeatphase welche zuvor das als Organoton modifizierten Bentonit zugeführt wurde war deutlich klarer als die beiden anderen Permeatphasen.
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In einem zweiten Test wurde die Reaktionsfähigkeit des zu Organoton umgewandelten Bentonits getestet. Hierzu wurden 50 ml einer Diesel-Wasser-Emulsion mit 1000 ppm Diesel in Kontakt gebracht mit 0,5 Gramm des Organotons, für 10 Minuten gerührt und im Anschluss gefiltert. Als Referenz wurde die gleiche Emulsion lediglich gefiltert.
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Während das Permeat der reinen Diesel-Wasser Emulsion eine deutliche Trübung nach der Filtration aufwies war das Permeat der mit Organoton versetzten Emulsion im Wesentlichen klar und ohne erkennbare Trübung.
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Die Zusammensetzung von Kraftstoffen, insbesondere Dieselkraftstoffen, kann von Region zu Region schwanken. Beispielsweise kann der Biodieselanteil variieren oder der Anteil sowie die Zusammensetzung der Additive. Besonders Biodiesel und Additive beeinflussen die Ausbildung und Art der Diesel-in-Wasser Emulsion, welche sich dann nur schwer wieder trennen lässt. hochadditivierte Dieselkraftstoffe, welche zu sehr stabilen Emulsionen führen, finden sich im Besonderen in der EU und den USA, da hier der Schwefelgehalt im Diesel aufgrund legislativer Vorgaben gering und dadurch die natürliche Schmierfähigkeit des Diesels verringert ist. Um die Schmierfähigkeit des Kraftstoffes wieder herzustellen werden dem Diesel daher in diesen Ländern Additivpakete zugesetzt. Besonders für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Reinigungskartusche mit Organoton bzw. Organoclay und eines erfindungsgemäßen Kraftstofffilters mit Wasseraustrag ist bei hochadditivierten Dieselkraftstoffen vorteilhaft um das Wasser von Kohlenwasserstoffen zu befreien.
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In Wasser gelöste Dieselkraftstoffe und Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsionen haben sehr unterschiedliche Konzentrationen an Dieselkraftstoff.
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Typischerweise gehen nur ca. 5 ppm (mg/l) Dieselkraftstoff in Wasser über. Demgegenüber weisen Emulsionen einen ermittelten Anteil von bis zu 2500 ppm an Dieselkraftstoff, insbesondere C10-C40-Kohlenwasserstoffverbindungen, auf.
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Die Ermittlung des Anteils von Dieselkraftstoff in Wasser kann in beiden Fällen durch Messung gem. DIN EN ISO 9377-2 H53 erfolgen.
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In der Praxis treten meist hochadditivierten Dieselkraftstoffe auf. Diese weisen nahezu immer Dieselkraftstoff-in-Wasser Emulsionen auf, da die Additive die feinen Dieseltropfen (diese können bis d50 (massenbezogen) 5 µm fein sein) stabilisieren und daher keine Trennung der Wasser- und Dieselphase aufgrund des Dichteunterschiedes auftritt. Hochadditivierte Diesel werden in allen Ländern verwendet, in denen ein low-sulfur Diesel Vorschrift ist, also z. B. in der EU (EN 590 Kraftstoff) oder auch den USA. Das bedeutet, dass für diese Märkte ein Reinigungssystem mit Aktivkohle keine zufriedenstellende Filtrationsleistung erbringt, während mit dem Organoton auch die Emulsion gereinigt und somit die Umwelt geschützt werden kann.
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5 zeigt thermogravimetrische Messungen eines natürlichen Tons mit der Messkurve 301 und eines Organoton mit der Messkurve 302 zur Gegenüberstellung beider Materialien in einem Diagramm.
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Die Temperaturzunahme bei der gravimetrischen Messung ist anhand der schrägverlaufenden Geraden 303 dargestellt.
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Dabei sind drei Phasen beim Erhitzen des modifizierten Tons charakteristisch.
Phase a: | Zunächst verdampft Oberflächenwasser (<100°C), dies sieht man sowohl beim natürlichen als auch beim modifizierten Ton anhand eines Plateaus. |
Phase b: | Sodann geht die Messkurve 302 des modifizierten Tons, also des Organotons, in einen Bereich mit negativer Steigung über (ca. 40 min, 300 °C): Es erfolgt ein Degradieren/Verbrennen oder allgemeiner ein „in die Gasphase gehen“ der organischen Bestandteile; dieser Kurvenverlauf zeigt nur der modifizierte Ton. |
Phase c: | Ab ca. 600 °C überlagert sich dies mit einer Herauslösung von chemisorbiertem Wasser. Dies ist gut zu sehen auch im Bereich mit negativer Steigung beim natürlichen Ton (301) in diesem Bereich. |
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Ferner erkennt man an diesem Diagramm, dass der Anteil an organischen Bestandteilen im Organoclay ca. 25 Gew.-% beträgt (y-Achse beginnt bei 65 Gew.-%).
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6 zeigt Konzentration gelöster Kohlenwasserstoffe in mg/l gem. DIN EN ISO 9377-2 H53 unter Betriebsbedingungen: Das Diagramm zeigt, dass im Mittel die Konzentration an gelösten Kohlenwasserstoffen unter Verwendung von DIN EN 590 Tankstellendieselkraftstoff und deionisiertem Wasser unter sanfter Durchmischung (keine Emulsionsbildung) unter 3 mg/l liegt.
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Das Diagramm veranschaulicht die Unterscheidung zwischen Dieselkraftstoff, welcher in Wasser gelöst ist, und einer Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsion. Wird der Wert von ca. 5 mg/l überschritten ist das Wasser gesättigt, es geht kein Diesel mehr in Lösung und es findet Emulsionsbildung statt. Diese Art der Emulsion ist nicht bzw. nur in einem geringen Maß durch Aktivkohle abscheidbar. Dagegen ist der Organoclay, also der Organoton, auf Grund seiner Oberflächeneigenschaften in der Lage, auch eine Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsion zu reinigen.
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7 stellt einen Vergleich zwischen einer Reinigung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Mischung mit Aktivkohle und Organoton dar, insbesondere die Reinigungswirkung von verschiedenen Adsorbentien, namentlich von Organoton und Aktivkohle unter feldnahen Bedingungen (Messwerte aufgenommen gemäß DIN EN ISO 9377-2 H53).
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Während durch Aktivkohle nur gelösten Diesel oder andere Kohlenwasserstoffe aus Wasser abtrennbar sind, ist der Organoton bzw. Organoclay in der Lage, auch eine Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsion zu reinigen.
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Aus der 7 ist erkennbar, dass die Konzentration der Kohlenwasserstoffe im Wasser schwanken kann.
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Unter „Vorlage“ ist eine Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsion dargestellt, welche als Initialkonzentration an Kohlenwasserstoffen der Mischung vor dem Kontakt mit einem Ad- und/oder Absorptionsmedium genutzt wird. Unter „Blindwert“ ist der Messwert der Versuchsapparatur dargestellt, wenn reines Wasser durch diese gefördert wird.
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Weiteren Balken zeigen jeweils einen Dieselkraftstoff in Wasser Mischung nach deren Behandlung mit dem jeweils dargestellten Ad- und/oder Absorptionsmedium unter analogen Bedingungen. Bei Vergleich der Endkonzentration anhand der logarithmischen Skaleneinteilung erkennt man, dass Aktivkohle kaum in der Lage ist, die Emulsion aufzutrennen. Der Organoclay kann die Emulsion um Faktor 20 bis 80 besser reinigen als die Aktivkohle. Dies kann u. a. aufgrund von Oberflächen- und inneren Eigenschaften begründet werden. Der ermittelte Blindwert liegt um Faktor 10 unterhalb der ermittelten Messgrößen und zeigt so die Zuverlässigkeit des Versuchsaufbaus.
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Die Emulsion aus Wasser und Diesel ist auf Grund bestimmter Additive sehr stabil, sodass eine Dichtetrennung quasi nicht erfolgt und die Dieseltropfen quasi nicht koaleszieren. Die Tröpfchengrößen in der Emulsion sind sehr klein, typischerweise kleiner als 10µm. Das Nicht-Koaleszieren liegt an den Additiven, während die kleinen Tröpfchendurchmesser durch den Weg des Diesel-Wasser-Gemischs durch den Kraftstofffilter bestimmt werden. Die Entwicklung tendiert zum Einsatz von noch schwefelärmeren, höher additivierteren Kraftstoffen, sodass sich dieses Problem noch verschärfen wird, auf Grund Umweltgesetzgebung auch weltweit.
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In 8a und 8b sind die Korngrößen des natürlichen Tons (8a) und des Organotons (8b) unter analogen Messbedingungen bzw. im gleichen Darstellungsmaßstab gegenübergestellt. Symptomatisch für natürlichen Ton sind sehr kleine Korngrößen, die zu einem sehr hohen Durchströmungswiderstand bis hin zu einem Verblocken des Reinigungsmaterials führen können. Demgegenüber zeigt der Organoton in 8b eine kompaktere Form bei erhöhter Korngröße auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DELBEN, M. F.; VALERA, T. S.; VALENZUELA-DIAZ, F. R.; DEMARQUETTE, N. R. Modification of brazilian smectite clay with different quaternary ammonium salts. Quimica Nova, vol. 33, No. 2, 309-315, 2010 [0021]
- DIN EN ISO 9377-2 H53 [0082, 0088, 0090]
- DIN EN 590 [0088]