DE102018109327A1 - Regenerierbarer Luftentfeuchter - Google Patents

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Abstract

Ein regenerierbares Luftentfeuchtungselement, bestehend aus einer wasserdampfdurchlässigen Hülle, enthaltend eine regenerierbare Trocknungsmittelkomposition, umfassend ein Trocknungsmittel, wobei das Trocknungsmittel durch Wärmezufuhr regenerierbar ist, bei dem das Trocknungsmittel Magnesiumchlorid ist und die Trocknungsmittelkomposition des Weiteren ein Regenerationshilfsmittel, ausgewählt aus mindestens einer Verbindung aus der Gruppe bestehend aus Alkali- und Erdalkalicarbonaten, umfasst, ist bei der Regeneration besonders anwenderfreundlich, da es auch Fehlanwendungen toleriert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein regenerierbares Luftentfeuchtungselement, bestehend aus einer wasserdampfdurchlässigen Hülle, enthaltend eine regenerierbare Trocknungsmittelkomposition, umfassend ein Trocknungsmittel, wobei das Trocknungsmittel durch Wärmezufuhr regenerierbar ist, sowie dessen Verwendung.
  • Solche Luftentfeuchtungselemente finden in einem breiten Spektrum Anwendung, nämlich immer, wenn der Luft Feuchtigkeit entzogen werden soll. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn feuchtigkeitsempfindliche Produkte zu schützen sind, aber auch wenn feuchte Luft andere Beeinträchtigungen mit sich bringt, zum Beispiel in einem Fahrzeug, in dem sich bei Kälte die Feuchtigkeit an den Scheiben niederschlägt und so die Sicht beeinträchtigt.
  • Zur Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Luft sind Trockenmittelbeutel bekannt, die der Luft Feuchtigkeit entziehen und diese aufnehmen. Herkömmliche Trockenmittelbeutel zur Raumentfeuchtung sind üblicherweise mit Silikagel als Trocknungsmittel gefüllt, welches aufgrund seiner Beschaffenheit Feuchtigkeit schon bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit aufnehmen kann. Zusätzlich ist das Silikagel in Backofen und Mikrowelle regenerierbar, was es jederzeit einsetzbar macht. Da der Preis von Silikagel in jüngerer Zeit stark angestiegen ist, ist es wünschenswert, eine Trocknungsmittel-Alternative mit vergleichbaren Eigenschaften zu finden, die kostengünstiger ist. Dies gilt umso mehr, als die Herstellung von Silikagel im Hinblick auf Umweltgesichtspunkte überaus problematisch ist. Die Herstellung erfolgt durch Tropfen von Wasserglas in ein Säurebad und ist energetisch aufwendig. Nur aufgrund der laschen Umweltauflagen in einigen Ländern war Silikagel bislang zu vergleichsweise günstigen Preisen erhältlich.
  • Nun sind zwar verschiedene Trocknungsmittel bekannt wie z.B. Alkali- und Erdalkalichloride, Aluminiumoxid, Calciumsulfat, Phosphorpentoxid, Kaliumcarbonat, Magnesiumsulfat oder Zeolithe. Allerdings sind nicht alle für die gewünschten Anwendungen geeignet, weil sie nicht unbedenklich verwendet werden können oder ihre Regenerierung Schwierigkeiten bereitet. Zudem ist gerade für die Verwendung zur Luftentfeuchtung wichtig, dass das Wasser aus der Luft von dem Trockenmittel auch bei geringer Luftfeuchtigkeit aufgenommen wird.
  • Als gute Trocknungsmittel-Alternative zu Silikagel haben sich Erdalkalichloride erwiesen. Unter diesen ist Calciumchlorid zwar besonders geeignet, aber kennzeichnungspflichtig und deshalb in der praktischen Anwendung als Haushaltsprodukt nachteilig. Magnesiumchlorid weist ebenfalls sehr gute hygroskopische Eigenschaften schon bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit und damit gute Luftentfeuchtungseigenschaften auf. Magnesiumchlorid ist auch in Backofen oder Mikrowelle regenerierbar, denn es gibt bei Erwärmen das aufgenommene Wasser wieder ab. Kommerziell erhältliche Luftentfeuchter weisen eine Gebrauchsanleitung auf, die Angaben zu den Regenerationsbedingungen macht. Zu diesen Regenerationsbedingungen gehört eine Maximaltemperatur, ca. 100°C, bis zu der der Luftentfeuchter problemlos erwärmt werden kann. Um die Zerstörung des Luftentfeuchters durch Überhitzung im Backofen und insbesondere in der Mikrowelle zu verhindern, wird dem Anwender ferner von einer Trocknung unter das Ursprungsgewicht abgeraten. Solange das Gewicht des Luftentfeuchters über dem Ursprungsgewicht liegt, befindet sich genügend Wasser im Luftentfeuchter, was eine schädliche Übertemperatur verhindert.
  • Hält sich der Benutzer an diese Angaben, ist die Regeneration unproblematisch und unbedenklich. Wird diese Temperatur allerdings, z.B. durch Unachtsamkeit des Benutzers, überschritten und/oder das Ursprungsgewicht unterschritten, kann das Magnesiumchlorid zerstört werden, und es bildet sich Salzsäure, die als Gefahrstoff nicht toleriert werden kann. Damit kann Magnesiumchlorid nicht gefahrlos als Trocknungsmittel für einen regenerierbaren Luftentfeuchter eingesetzt werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, einen geeigneten Ersatz für ein regenerierbares Trocknungsmittel zu finden, das als Luftentfeuchter verwendet werden kann. Dabei war es insbesondere wünschenswert, Magnesiumchlorid als Trocknungsmittel einsetzen zu können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem regenerierbaren Luftentfeuchtungselement der eingangs genannten Art das Trocknungsmittel Magnesiumchlorid ist und die Trocknungsmittelkomposition des Weiteren ein Regenerationshilfsmittel, ausgewählt aus mindestens einer Verbindung aus der Gruppe bestehend aus Alkali- und Erdalkalicarbonaten, umfasst. Überraschenderweise wurde gefunden, dass durch das Hinzugeben von Alkali- oder Erdalkalicarbonaten auch bei nicht bestimmungsgemäßer Erwärmung/Regenerierung die Freisetzung unerwünschter Gefahrstoffe, insbesondere Salzsäure, vermieden werden kann, was das Luftentfeuchtungsmittel unanfällig gegenüber Fehlbenutzungen macht.
  • Besonders geeignet als Regenerationshilfsmittel ist dabei Calciumcarbonat. Das Calciumcarbonat kann als natürliches Calciumcarbonat oder als gefälltes Calciumcarbonat zum Einsatz kommen, wobei gefälltes Calciumcarbonat besonders bevorzugt ist. Mit dieser Substanz ist eine besonders effektive Beseitigung der entstehenden Salzsäure gegeben.
  • Unter „natürlichem“ Calciumcarbonat wird im Sinne der vorliegenden Erfindung Calciumcarbonat verstanden, das abgebaut und mechanisch zerkleinert wird. Unter „gefälltem“ Calciumcarbonat wird Calciumcarbonat verstanden, das chemisch hergestellt wird. Hierbei wird natürliches Calciumcarbonat gebrannt. Es entsteht Calciumoxid, das mit Wasser abgelöscht und anschließend als Calciumcarbonat gefällt wird. Hierbei lassen sich die Partikeleigenschaften, wie z.B. die spezifische Oberfläche, sehr genau einstellen. Eine spezifische Oberfläche von mindestens 5 m2/g Material, vorzugsweise mindestens 8 m2/g Material, ist dabei besonders geeignet.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Trocknungsmittelkomposition des Weiteren eine poröse Komponente, ausgewählt aus mindestens einer Verbindung der Gruppe Ton, Kieselgur, Bentonit und Moler. Diese poröse Komponente speichert die aufgenommene Feuchtigkeit, indem sie die Flüssigkeit auffängt, die sich bildet, wenn das Magnesiumchlorid mit dem Wasser reagiert. Damit nimmt die Trocknungsmittelkomposition die Feuchtigkeit aus der Luft schnell auf und speichert diese, wie man dies von Silikagel kennt.
  • Vorzugsweise ist die Trocknungsmittelkomposition zeolithfrei, d.h. weder als Trocknungsmittel noch als poröse Komponente werden Zeolithe eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt kommt als poröse Komponente kalzinierte Tonerde zum Einsatz, vorzugsweise kalzinierte Tonerde, gebrannt bei Temperaturen zwischen 700 und 900°C.
  • Das verwendete Magnesiumchlorid kann zunächst als Anhydrat vorliegen. Reines Magnesiumchlorid ist sehr stark hygroskopisch, so dass sich bei Vorliegen an der Luft schnell ein Hydrat bildet. Vorzugsweise liegt das Magnesiumchlorid als Hydrat MgCl2 × H20 mit 0 < x < 12, insbesondere 2 ≤ x ≤ 6, und ganz besonders bevorzugt x = 6, vor. Durch einfaches Erwärmen an der Luft lässt sich Magnesiumchlorid nicht bis zum Anhydrat entwässern, so dass das regenerierte Magnesiumchlorid üblicherweise als Hydrat vorliegen wird. Da jedes Magnesiumchlorid-Molekül bis zu zwölf Wassermoleküle binden kann, ist dies jedoch unproblematisch.
  • Das Magnesiumchlorid liegt vorzugsweise in Form von sogenannten „Flakes“ (Flocken) oder als sogenannten „Prills“ (kleine Kügelchen) vor. Auch Magnesiumchlorid in Pulverform ist für die vorliegende Erfindung sehr gut geeignet.
  • Die gewichtsmäßige Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Trocknungsmittelkomposition liegt vorzugsweise in folgenden Bereichen:
    Magnesiumchlorid: 10 bis 35 Gew.-%
    Calciumcarbonat: 5 bis 20 Gew.-%
    Tonerde: 50 bis 85 Gew.-%
  • Besonders bevorzugt sind folgende Zusammensetzungen:
    Magnesiumchlorid: 20 bis 30 Gew.-%
    Calciumcarbonat: 10 bis 20 Gew.-%
    Tonerde: 50 bis 70 Gew.-%
  • Dabei ergänzen sich die Mengen jeweils zu 100 Gew.-%. Es ist jedoch auch möglich, dass noch weitere Bestandteile, insbesondere Stärke oder modifizierte Stärke, enthalten sind, und zwar in einer Menge von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 8 Gew.-%. Stärke ist ein hocheffektives Bindemittel für Wasser und kann daher vorteilhafter Weise zusätzlich zur Tonerde zum Einsatz kommen.
  • Für die Herstellung der Trocknungsmittelkomposition werden die Komponenten in einem Mischer miteinander vermischt, bis ein homogenes Gemisch entstanden ist.
  • Als Hüllenmaterial kommt in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wasserdampfdurchlässiges Polyestermaterial zum Einsatz, wobei ein Polyestermaterial mit einem Schmelzpunkt von mindestens 200°C besonders bevorzugt ist. Damit ist gewährleistet, dass auch bei Regenerationstemperaturen über 100°C, die für die erfindungsgemäße Trocknungsmittelkomposition unkritisch sind, die Hülle unversehrt bleibt.
  • Unter „wasserdampfdurchlässig“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei insbesondere ein Wert von mindestens 1.500 g/m2/24hr nach Testmethode TAPPI T523 (Moisture Vapor Transmission Rate, Testbedingungen: 23°C/85% relative Luftfeuchtigkeit) zu verstehen.
  • Anders als Silikagel wird die erfindungsgemäße Trocknungsmittelkomposition fühlbar feucht. Daher ist es besonders bevorzugt, wenn die wasserdampfdurchlässige Hülle hydrophobiert ist, d.h. die Hülle zwar Wasserdampf, aber kein Wasser durchlässt. So kann keine Feuchtigkeit aus dem Luftentfeuchtungselement austreten, und es wird z.B. im Falle eines Luftentfeuchters für ein Kraftfahrzeug verhindert, dass Schäden an Polster oder Unterlage, auf denen das Entfeuchtungselement liegt, angerichtet werden. Vorzugsweise kommt ein hydrophobiertes Vliesmaterial zum Einsatz. Dieses kann als Beutel ausgebildet sein, in dem sich die Trocknungsmittelkomposition befindet. Zur Hydrophobierung kommt vorzugsweise ein Fluorcarbon zum Einsatz, insbesondere ein Fluorcarbon mit integriertem Vernetzersystem, welches eine Perfluorinat-Kettenlänge nicht größer als sechs Kohlenstoffatome enthält. Zur Hydrophobierung wird dabei das Hüllenmaterial nach seiner Fertigung durch ein Bad des Fluorcarbons gezogen und getrocknet.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kommt als Hüllenmaterial PTFE, Polytetraflouroethylen, zum Einsatz.
  • Die Wasserundurchlässigkeit darf durch die Herstellung der Beutelnähte nicht beeinträchtigt werden. Bei einer einfachen Naht aus Nähgarn besteht die Gefahr, dass durch kleinste Öffnungen Feuchtigkeit austritt. Vorzugsweise sind die Nähte der wasserdampfdurchlässigen Hülle daher geschweißt, insbesondere ultraschallgeschweißt. Eine thermische Schweißung gewährleistet aufgrund des speziellen Schweißverfahrens, dass der Beutel an der Naht ausreichend von innen und außen verschlossen ist. Um belastbare Nähte zu schweißen, muss die Wärme schwerpunktmäßig an den Kontaktstellen der Naht wirken. Dies wird durch Ultraschallschweißung erreicht, die die Wärme im Inneren der Fügestelle aufbaut. Impulsschweißungen mit Schweißdrähten oder dauerbeheizte Schweißbacken haben den Nachteil, dass sie immer von außen auf die Naht wirken und somit die direkt zu verbindende Kontaktstelle als letztes erwärmen. Die Hitze zieht von außen durch das Material. Die Ultraschallschweißung hat neben der höheren Nahtfestigkeit den Vorteil, dass die Hydrophobierung nicht zerstört wird. Daher ist eine Ultraschallschweißung ganz besonders bevorzugt.
  • Um das erfindungsgemäße Luftentfeuchtungselement besonders nutzerfreundlich zu gestalten, ist es in der Mikrowelle, dem Backofen oder auf der Heizung trockenbar. Dies sichert dem Nutzer die Wiederverwendbarkeit des Produkts. Das bedeutet, dass sowohl die Beutelhülle als auch die Trocknungsmittelkomposition mikrowellenfest sind und somit eine Regeneration in kürzester Zeit gegeben ist. Anschließend ist das Luftentfeuchtungselement wieder voll einsetzbar.
  • Das vorliegende Luftentfeuchtungselement ist für alle Anwendungen, in denen Luft zu entfeuchten ist, geeignet. Besonders gut eignet sich das erfindungsgemäße Luftentfeuchtungselement zur Entfeuchtung der Luft in Kraftfahrzeugen, in denen die Luftfeuchtigkeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, bewirkt, dass die Scheiben beschlagen. Dies kann durch Verwendung des erfindungsmäßen Luftentfeuchtungselement verhindert werden. Dabei kann ein erfindungsgemäßes Luftentfeuchtungselement bis zu 40 % seines Gewichts an Wasser aufnehmen. Ein 1.000 g-Beutel kann also bis zu 400 g Wasser aufnehmen (bei 23°C, 80% rel. Luftfeuchtigkeit).
  • Ausführungsbeispiel:
  • In einem Beispiel wurden 200 g Magnesiumchlorid (MgCl2 · 6 H2O (Flakes) der Firma Magnesia GmbH) mit 150 g Calciumcarbonat (gefälltes CaCO3 der Firma Magnesia GmbH) und 650 g kalzinierter Tonerde gemischt. Die Komposition wurde in einen Polyesterbeutel aus einem mit einem C-6 Fluorocarbon hydrophobierten Polyestermaterial der Firma Lantor GmbH gefüllt (Beutel A).
  • Als Vergleichsbeispiel wurden 200 g Magnesiumchlorid (MgCl2 · 6 H2O der Firma Magnesia GmbH) mit 800 g kalzinierter Tonerde gemischt. Auch diese Komposition wurde in einen Polyesterbeutel aus einem mit einem C-6 Fluorocarbon hydrophobierten Polyestermaterial der Firma Lantor GmbH gefüllt (Beutel B).
  • Zum Testen wurden die beiden Beutel einem Stresstest unterzogen, der eine Fehlanwendung durch den Benutzer simuliert. Im bestimmungsgemäßen Gebrauch wird der Benutzer angehalten, die Trockenmittelbeutel, deren Ausgangsgewicht 1.000 g beträgt, nur so weit zu trocknen, dass das Ausgangsgewicht nicht unterschritten wird.
  • Nach Gebrauchsanweisung soll die Erwärmung in der Mikrowelle dabei in zwei Schritten erfolgen: Eine erste Erwärmung bei maximal 800 Watt für zwölf Minuten, gefolgt von einer Kühlphase von 15 Minuten bei Raumtemperatur, gefolgt von einer weiteren Erwärmung bei maximal 800 Watt für weitere zwölf Minuten, sofern das Ausgangsgewicht nicht bereits erreicht ist bzw. keine Veränderung am Beutelinhalt bemerkt wird.
  • Ein Fehlgebrauch liegt somit vor, wenn eine weitere Erwärmung in Backofen oder Mikrowelle erfolgt, auch wenn das Ausgangsgewicht bereits unterschritten ist.
  • Zum Testen wurden daher die Beutel in ihrem Ausgangszustand ohne Wasseraufnahme, in der Mikrowelle bei 800 W erhitzt, und zwar zunächst für zwölf Minuten. Mittels eines Indikatorpapiers, das sich im sauren Milieu rot färbt und an die Mikrowelle gehalten wurde, wurde geprüft, ob Salzsäure entsteht.
  • Bei dem Beutel B (Vergleichsbeispiel, Ausgangsgewicht trockener Beutel: 1.018 g) wurde bereits nach 2,5 Minuten eine Rotfärbung des Indikatorpapiers und damit die Entstehung von Salzsäure beobachtet. Nach fünf Minuten war bereits ein deutlich stechender Geruch wahrnehmbar, der auf eine relevante Salzsäureentwicklung hindeutete, so dass die Erhitzung abgebrochen wurde. Der Beutel wurde gewogen; das Gewicht betrug 978 g.
  • Auch der erfindungsgemäße Beutel A (Ausgangsgewicht trockener Beutel: 1.016 g) wurde bei 800 W für zwölf Minuten in der Mikrowelle erhitzt. An die Mikrowelle gehaltenes Indikatorpapier zeigte keine Reaktion. Nach zwölf Minuten wurde das Gewicht zu 973 g ermittelt. Haptische Prüfung des Beutels ergab, dass der Inhalt hart und verklumpt war. Obwohl das Ausgangsgewicht damit deutlich unterschritten war und die Beobachtungen in Bezug auf die Konsistenz der Trocknungsmittelkomposition darauf hinwiesen, dass keine weitere Trocknung durchgeführt werden sollte, wurde nach einer fünfzehnminütigen Abkühlphase eine weitere Erhitzung für zwölf Minuten vorgenommen. Nach sieben Minuten war eine sehr leichte Rosafärbung auf dem Indikatorpapier zu beobachten. Diese intensivierte sich im weiteren Verlauf bis zu einer durchgehenden Rotfärbung am Ende der zwölf Minuten. Das Endgewicht des Beutels wurde zu 914 g bestimmt.
  • Es zeigte sich, dass der erfindungsgemäße Beutel einer Fehlanwendung beim Regenerieren deutlich besser standhält. So kann ein Regenerationszyklus, der sich nach Herstellerangaben verbietet, durchgeführt werden, ohne dass es zu Problemen kommt. Selbst bei einem weiteren Zyklus, der sich nicht nur nach Herstellerangaben, sondern auch aufgrund der Beschaffenheit des Produktes (verklumpter, harter Inhalt) verbietet, ist nur ein geringer Salzsäureaustritt zu bemerken.
  • Das Ausführungsbeispiel zeigt das Verhalten des Luftentfeuchtungselements bei Regeneration in der Mikrowelle. In gleicher Weise können mit dem erfindungsgemäßen Luftentfeuchtungselement Probleme begrenzt werden, die bei einer Fehlanwendung bei Regeneration im Backofen, insbesondere durch Verwendung einer zu hohen Backofentemperatur, entstehen.

Claims (9)

  1. Regenerierbares Luftentfeuchtungselement, bestehend aus einer wasserdampfdurchlässigen Hülle, enthaltend eine regenerierbare Trocknungsmittelkomposition, umfassend ein Trocknungsmittel, wobei das Trocknungsmittel durch Wärmezufuhr regenerierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsmittel Magnesiumchlorid ist und die Trocknungsmittelkomposition des Weiteren ein Regenerationshilfsmittel, ausgewählt aus mindestens einer Verbindung aus der Gruppe bestehend aus Alkali- und Erdalkalicarbonaten, umfasst.
  2. Regenerierbares Luftentfeuchtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerationshilfsmittel Calciumcarbonat, insbesondere gefälltes Calciumcarbonat, ist.
  3. Regenerierbares Luftentfeuchtungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsmittelkomposition des Weiteren eine poröse Komponente umfasst, ausgewählt aus mindestens einer Verbindung der Gruppe Ton, Kieselgur, Bentonit und Moler.
  4. Regenerierbares Luftentfeuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsmittelkomposition folgende Zusammensetzung aufweist: Magnesiumchlorid: 10 bis 35 Gew.-% Calciumcarbonat: 5 bis 20 Gew.-% Tonerde: 50 bis 85 Gew.-%.
  5. Regenerierbares Luftentfeuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserdampfdurchlässige Hülle aus einem wasserdampfdurchlässigen Polyestermaterial, insbesondere einem Polyestermaterial mit einem Schmelzpunkt von mindestens 200°C, besteht.
  6. Regenerierbares Luftentfeuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserdampfdurchlässige Hülle hydrophobiert ist.
  7. Regenerierbares Luftentfeuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nähte der wasserdampfdurchlässigen Hülle geschweißt, insbesondere ultraschallgeschweißt, sind.
  8. Regenerierbares Luftentfeuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das regenerierbare Luftentfeuchtungselement in der Mikrowelle regenerierbar ist.
  9. Verwendung des regenerierbaren Luftentfeuchtungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Entfeuchten eines Kraftfahrzeuginnenraums.
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