DE19708692A1 - Hochleistungsadsorptionsfilter - Google Patents

Hochleistungsadsorptionsfilter

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Description

Mit steigendem Umweltbewußtsein und Erkenntnissen über die Auswirkungen von Schadstoffen sowohl auf die Gesundheit wie auf die Herstellung hoch­ empfindlicher elektronischer Baustoffe, werden immer häufiger Luftströme über Adsorptionsfilter gereinigt. Für solche Filter sind als wichtige Kriterien zu nennen: ein geringer Druckverlust, eine verhältnismäßig lange Lebensdauer sowie sehr geringe Durchbrüche von Schadstoffen. Das heute am meisten verwendete Adsorbens ist Aktivkohle. Aufgrund der sehr unterschiedlichen Po­ ren finden sowohl Hochsieder wie flüchtige Verbindungen einen geeigneten Adsorptionsplatz, so daß Aktivkohle als "Mädchen für alles" bezeichnet wer­ den kann. Das Porensystem ist zudem abhängig vom Ausgangsmaterial und dem Herstellungsverfahren, so daß es speziellen Anwendungen angepaßt werden kann.
Um einen geringen Druckabfall zu haben, bedarf es einer hohen Porosität des Filtermaterials. Um eine hohe Kapazität (Lebensdauer) zu erreichen, bedarf es einer ausreichenden Menge Aktivkohle. Um den Durchbruch so gering wie möglich zu halten, bedarf es einer guten Adsorptionskinetik, die aber kleine Kohleteilchen verlangt, die ihrerseits zu einer geringeren Porosität und somit zu einem höheren Druckabfall führen.
Es werden heute Adsorptionsfilter angeboten, bei denen körnige Adsorbentien mit Teilchengrößen von ca. 0,2-1,00 mm mittels punktförmig aufgebrachten Klebern oder Schmelzkleberteilchen auf ein hoch luftdurchlässiges Substrat aufgebracht bzw. darin eingearbeitet sind. Sie stellen für viele Anwendungen einen tragbaren Kompromiß zwischen Kapazität und Durchbruchscharakteris­ tik dar. Je nach Ausführung können Kohlemengen bis zu 500 g/m2 unterge­ bracht werden. Solche Materialien lassen sich auch falten, so daß sich hiermit klassische Partikelfilter raumsparend ergänzen lassen.
Des weiteren gibt es plattenförmige Filter, die grundsätzlich aus körnigen Ad­ sorbentien und Schmelzkleberteilchen aufgebaut sind. Auch hier ist die Teil­ chengröße ein Kompromiß zwischen Druckabfall und Durchbruchscharakteri­ stik.
Einen sehr guten Kompromiß beschreibt die DE 38 13 563.9. Auf einem hoch luftdurchlässigen dreidimensionalen Trägergerüst werden mit einer Haftmasse körnige oder kugelförmige, im Mittel 0,4,-0,8 mm große Adsorbentien fixiert, deren Menge bis zu 300 g/l betragen kann. Der Druckverlust ist ca. 10 × gerin­ ger als bei einer gleichwertigen Schüttung.
Bei allen beschriebenen Filtermaterialien kommt es jedoch immer zu einem - wenn auch kleinen - Durchbruch. Es ist anscheinend nicht möglich, alle 3 Kri­ terien, nämlich Kapazität, Druckabfall und geringstmöglicher Durchbruch, gleichzeitig zu optimieren. Die durchbrechende Restmenge weiter zu reduzie­ ren war Ziel der vorliegenden Erfindung.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Filter in zwei Bereiche aufgeteilt wird: ein erster Bereich, der bis zu 99% der Schadstoffe aufnimmt und eine hohe Kapazität bei geringem Druckverlust aufweist, und ein zweiter Bereich geringer Kapazität aber mit hoher Adsorptionskinetik, um die letzten Reste herauszufiltern.
Für den ersten Bereich sind alle bereits erwähnten Filterkonstruktionen ge­ eignet. Um viel Masse bei geringem Druckabfall unterbringen zu können, sind körnige oder kugelförmige Adsorbentien mit Teilchengrößen 0,2 mm bis 3 mm, bevorzugterweise 0,3 mm-1 mm, bestens geeignet. Ist das Adsorbens Aktiv­ kohle, wird man eine solche mit einer inneren Oberfläche von 900-1500 m2/g, einem Porenvolumen von 0,5-1,0 cm3/g bei einer Makro-, Meso- u. Mikropo­ renverteilung von ca. 1 : 1 : 1 bis 1 : 1 : 2 und mit einem mittleren Mikroporen­ durchmesser von 8-10 Å bevorzugen. Hier ist bei einer guten Kinetik auch ei­ ne gute Adsorption von Hoch- und Normalsiedern gewährleistet.
Für den zweiten Bereich sind Adsorbentien mit hoher Affinität für flüchtige Substanzen einzusetzen. Besonders gut bewährt haben sich textile Flächen­ gebilde aus Aktivkohle. Diese besitzen eine enorme äußere Oberfläche (wo ja die Adsorption beginnt) und ein im wesentlichen aus engen Mikroporen beste­ hendes Porensystem, sind also ideal geeignet, um schwer zu adsorbierende Stoffe aufzunehmen. Das textile Aktivkohle-Flächengebilde - ein Vlies, Gewirk oder Gewebe - kann direkt mit dem Filter des ersten Bereichs kombiniert wer­ den bzw. als Abdeckung oder "Verpackung" des "Grobfilters" ausgebildet sein.
Messungen haben gezeigt, daß der Anfangsdurchbruch eines Filters (also die Leistung des neuen Filters) um mindestens eine Zehnerpotenz reduziert wer­ den kann, was die Erfindung für Reinstraumfilter besonders wertvoll macht.
Beispiel 1
Ein Filterblock, bestehend aus einem retikulierten PU-Schaum mit 18 PPI und beladen mit einer Kugelkohle von ca. 0,6 mm Durchmesser in einer Menge von 220 g/l Schaum und einer Dicke von 42 mm, wurde bei 20 °C von Luft, welche 100 ppm Tolnol und 76 ppm Butan enthielt, mit einer Geschwindigkeit von 0,6 m pro Sekunde durchströmt. Dabei wurde ein Anfangsdurchbruch von 0,04 ppm Tolnol und 0,6 ppm Butan registriert. Der Filterblock wurde anschlie­ ßend mit einem Aktivkohle-Vlies (40 g/m2) auf seiner Rückseite abgedeckt und die Messung wiederholt. Jetzt war Tolnol auf der Reingas-Seite nicht mehr nachweisbar und der Butandurchbruch auf 0,05 ppm abgefallen.
Beispiel 2
Auf ein PP-Vlies, welches zur Herstellung von Partikelfiltern für Kranfahrzeug­ kabinen verwendet wird, wurde eine Schicht, bestehend aus 90% Kornkohle mit einer Teilchengröße von 0,3-0,8 mm und 10% Schmelzkleberpartikel (ca. 0,05-0,1 mm groß) mit einer Rakelvorrichtung aufgetragen. Um einer Entmi­ schung vorzubeugen, wurde die Mischung angefeuchtet. Anschließend wurde eine leichte Abdeckung (PE-Gewirk, 50 g/m2) aufgebracht und alles auf einer Kaschierpresse zu einem Laminat verfestigt. Die Kohleauflage betrug 270 g/m2. Dieser "Kombifilter", der 400 g Aktivkohle/m2 enthielt, wurde wie in Bei­ spiel 1 vermessen. Der Anfangsdurchbruch lag bei 1,8 ppm Tolnol und 5 ppm Butan. Anschließend wurde auf die Rückseite das gleiche Aktivkohle-Vlies wie in Beispiel 1 mit Hilfe eines Schmelzkleberwebs (13 g/m2) aufkaschiert und der Filter nochmals vermessen. Der Anfangsdurchbruch sank auf 0,1 ppm Tol­ nol und 0,2 ppm Butan.
Beispiel 3
Über der Vliesbahn des Beispiels 2 wurde quer zur Warenbahn eine leicht ge­ rillte Walze (∅ 10 cm) mit eigenem Antrieb so installiert, daß zwischen Walze und Vlies ein Spalt von 2 mm vorhanden war. Die Umfanggeschwindigkeit be­ trug 8 mm/min, die der Vliesbahn 10 m/min. Vor der Walze wurde eine Mi­ schung aus Kornkohle mit einer Teilchengröße von 0,3-0,8 mm und gehäch­ selten Schmelzfasern (PE) bzw. Bikomponentenfasern (PE/PP) jeweils in Län­ gen von 0,2-1 mm, mit Schwerpunkt um 0,6 mm, in einer Menge von 25% bezogen auf Kohle aufgeschüttet. Durch die Drehbewegung der Walze wurde eine Entmischung vermieden. Hinter der Walze war das Vlies mit einer gleich­ mäßigen Schicht aus Aktivkohle und Schmelzfasern bedeckt. Die Schicht hat­ te eine Höhe von ca. 1,5 mm und wurde mit einem IR-Strahler leicht verfestigt. Die Kohleauflage betrug 380 g/m2. Danach wurde wie in Beispiel 2 ein Aktiv­ kohle-Vlies (40 g/m2) aufkaschiert. Die wie in den vorhergehenden Beispielen durchgeführte Messung ergab einen Anfangsdurchbruch von < 0,05 ppm Tol­ nol und ca. 0,1 ppm Butan.
Beispiel 4
Ein nach der DE 33 04 349 C2 hergestellter Flächenfilter - punktförmiges Be­ drucken eines Partikelfilters mit einem Kleber, an welchem körnige Adsorben­ tien zum Haften gebracht sind - wurde mit einem Aktivkohlevlies, welches mit Hilfe eines leichten Schmelzkleberwebs auf die Adsorbentien aufkaschiert wurde, aufgewertet. Mit diesem Material wurde ein Kombi-Faltenfilter mit aus­ gezeichneten adsorptiven Eigenschaften hergestellt.
Beispiel 5
Das gleiche Aktivkohlevlies der vorhergehenden Beispiele wurde punktförmig mit einem eingedickten Styrol-Butadien-Latex bedruckt (Naßauflage ca. 60 g/m2), mit einer kugelförmigen Aktivkohle bestreut (mittlerer ∅ 0,5 mm)1 der Überschuß entfernt und das Material bei 150°C auskondensiert. Anschlie­ ßend wurde die Kugelkohle mit einem Partikelfiltervlies und das Kohlevlies mit einem leichten Polyestervlies abgedeckt (Kaschierhilfe: 13 g/m2 Schmelzkle­ berweb). Auch dieses Material war zur Herstellung eines Kombifilters bestens geeignet.
Beispiel 6
Ein Partikelfilter wurde wie im Beispiel 4 mit Hilfe eines punktförmig aufge­ druckten Klebers mit ca. 250 g/m2 Kugelkohle flächendeckend überzogen. In ähnlicher Weise wurde ein Aktivkohlevlies von 40 g/m2 mit einer 200 g schwe­ ren Schicht Kugelkohle versehen. Sodann wurden die beiden Schichten Ku­ gelkohle mit Hilfe eines 13 g/m2 schweren Schmelzkleberwebs zusammenka­ schiert und im gleichen Arbeitsgang das Aktivkohlevlies wie im Beispiel 2 ab­ gedeckt. Die Menge Kugelkohle betrug ca. 500 g/m2.
Diese Beispiele sind nicht als Einschränkung zu betrachten. Der Fachmann kann sich sicherlich noch weitere Kombinationen, insbesondere kombinierte Partikel- und Adsorptionsfilter, vorstellen. Grundsätzlich muß dabei zuerst die Schicht körniger Adsorbentien und anschließend das Aktivkohlevlies (bzw. Ak­ tivkohlegewebe oder -gewirk) durchströmt werden.

Claims (13)

1. Adsorptionsfilter, bestehend aus einer Schicht körniger oder kugelförmi­ ger Adsorbentien und dahinter einem textilen Aktivkohle-Flächengebilde.
2. Adsorptionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens Aktivkohle ist.
3. Adsorptionsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das körnige oder kugelförmige Adsorbens mit Hilfe einer Haftmasse auf ei­ nen hoch luftdurchlässigen Träger aufgebracht sind.
4. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die körnigen oder kugelförmigen Adsorbentien als Mischung mit Schmelzkleberteilchen, die kleiner als die Adsorberkörner sind, aufgebracht und thermisch mit dem Träger, aber auch untereinander, verbunden werden.
5. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die körnigen oder kugelförmigen Adsorbentien als Mischung mit gehächselten Schmelzfasern bzw. Bi­ komponentenfasern aufgebracht wird und mit dem Träger, aber auch un­ tereinander thermisch verbunden werden.
6. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für die körnigen oder kugelförmigen Adsorbentien ein Partikelfilter ist.
7. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die körnigen oder kugelförmigen Adsorbentien eine Teilchengröße bzw. Durchmesser von 0,2-3,00 mm, insbesondere 0,3-1,0 mm, haben.
8. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht körniger oder kugel­ förmiger Adsorbentien mit einem leichten Gewirk oder Vlies abgedeckt und darauf ein Aktivkohle-Flächengebilde aufkaschiert ist.
9. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht körniger oder kugel­ förmiger Adsorbentien direkt mit einem Aktivkohle-Flächengebilde abge­ deckt ist.
10. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivkohle-Flächengebilde mit einem Schmelzkleber aufkaschiert ist.
11. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivkohle-Flächengebilde mit einem aufgesprühten Kleber zum Haften gebracht ist.
12. Adsorptionsfilter nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivkohle-Flächengebilde ein Vlies, Gewirk oder Gewebe mit einem Gewicht von 10-200 g/m2, vorzugsweise 20-50 g/m2, ist.
13. Kombifilter mit hoher Abscheidungsleistung, bestehend aus einem Parti­ kelfilter, einer darauf angebrachten Schicht körniger oder kugelförmiger Adsorbentien und einer Abdeckung, die zumindest teilweise aus einem Aktivkohle-Flächengebilde besteht.
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