DE19818277A1 - Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druckabfall zur Reinigung von Fluiden - Google Patents

Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druckabfall zur Reinigung von Fluiden

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druckabfall zur Fluidreinigung, welche ein Gehäuse und ein Filterelement basierend auf einem adsorbierenden und/oder absorbierenden Material umfaßt, wobei das adsorbierende und/oder absorbierende Material in Lagen angeordnet ist, und wobei die benachbarten Lagen miteinander verbunden sind, wobei ggf. zwischen benachbarten Lagen jeweils eine durchgehende oder vorzugsweise unterbrochene Adhäsivschicht und/oder Trennschicht angeordnet ist, wobei die Lagen so angeordnet sind, daß das Filterelement Hohlräume aufweist, welche im Querschnitt teilweise oder vollständig von runder, vorzugsweise mehreckiger, besonders bevorzugt hexagonaler Raumstruktur sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Adsorptionsvorrichtungen mit geringem Druckabfall zur Reinigung von Fluiden und die Verwendung solcher Adsorptionsvorrichtungen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Filterele­ mente, geeignet zur Verwendung für die Adsorptionsvorrichtung.
Es gibt eine Vielzahl von Adsorptionsvorrichtungen zur Entfernung von Schadstoffen aus gasförmigen und wäßrigen Fluiden. Zum Schutz von Mensch und Umwelt werden diese Adsorptionsvorrichtungen in technischen Anwendungen häufig zur Reinigung der dabei entstehen­ den Prozeßgase und -dämpfe eingesetzt. Möglicherweise toxische oder umweltbelastende Schadstoffe können damit aus den entstehen­ den Fluiden entfernt und im weiteren einer sachgerechten Entsor­ gung zugeführt werden.
Eine zunehmende Bedeutung hat in den letzten Jahren vor allem aber auch die Reinigung der Raumluft in industriellen Produktionsstät­ ten erfahren. In Reinsträumen der Halbleiterindustrie etwa ist eine fehlerfreie Herstellung der empfindlichen Produkte nur mög­ lich, wenn die Umgebungsluft von hierbei störenden Fremdstoffen befreit wurde. So besteht seit langem der Bedarf für Filteranla­ gen, die in der Lage sind, organische und anorganische gasförmige Stoffe von niedriger Konzentration, vor allem Isopropanol und Am­ moniak aus dem Fluid zu entfernen. Hierbei wären Filtersysteme von besonderem Nutzen, die den Fluidgehalt dieser Stoffe auf Konzen­ trationen im Bereich von etwa 10 ppb und darunter reduzieren könn­ ten. Im Stand der Technik verwendete Adsorptionsvorrichtungen ha­ ben den Nachteil, daß diese einen hohen Druckabfall des Fluids bedingen, hohe Fluidverweilzeiten bzw. Kontaktzeiten aufweisen und überdies auch am Einsatzort nicht regenerierbar sind. Gewöhnliche Adsorptionsvorrichtungen sind außerdem nicht dazu geeignet, die genannten Stoffe bei einer niedrigen Konzentration im gasförmigen Fluid und gleichzeitig geringem Druckabfall zu entfernen.
Speziell die Zuführung von gereinigter Umgebungsluft in den Innen­ raum von Kraftfahrzeugen ist zum Schutz des Menschen vor gesund­ heitsgefährdenden bzw. belastenden Schadstoffen, wie Abgase, wich­ tig. Nachteilig bei bekannten Adsorptionsvorrichtungen ist der relativ große Platzbedarf solcher Vorrichtungen und insbesondere die Geräuschentwicklung, bedingt durch die Verwirbelung der Luft bei Durchströmen des Filterelementes, sowie der hohe Energiever­ brauch aufgrund des großen Druckabfalls bei ausreichend hoher Fil­ terleistung. Überdies müssen diese bekannten Adsorptionsvorrich­ tungen zur Regeneration aus den Kraftfahrzeugen ausgebaut werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stan­ des der Technik zu überwinden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Adsorptionsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine homogene Durchströmung des Fluids durch das Filterelement ohne wesentliche Verwirbelung bei einem nur relativ geringen Druckab­ fall gewährleistet und die genannten Stoffe auch bei Vorliegen einer relativ niedrigen Konzentration aus dem Fluid nahezu voll­ ständig entfernt, oder zumindest deutlich reduziert, wobei die Adsorptionsvorrichtung in vorteilhafter Weise auch am Einsatzort regeneriert werden.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung durch eine Ad­ sorptionsvorrichtung gelöst, die ein Filterelement umfaßt, wobei das Filterelement auf einem adsorbierenden und/oder absorbierenden Material basiert, und wobei das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material in Lagen angeordnet ist, wobei die benachbarten Lagen miteinander verbunden sind, ggf. ist zwischen benachbarten Lagen jeweils eine durchgehende oder vorzugsweise unterbrochene Adhäsivschicht und/oder Trennschicht angeordnet, wobei die Lagen so angeordnet sind, daß das Filterelement Hohlräume aufweist, wel­ che im Querschnitt teilweise oder vollständig von runder, vorzugs­ weise mehreckiger, besonders bevorzugt hexagonaler Raumstruktur sind.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen aufgeführt und lassen sich den Figuren entnehmen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Anwendung für die erfindungs­ gemäße Adsorptionsvorrichtung ist die katalytische Reinigung gas­ förmiger oder wäßriger Fluide. Insbesonders ist es bisher ein für die Kommerzialisierung von H2/O2-Brennstoffzellen ungelöstes Pro­ blem, das störende Kohlenmonoxid aus dem Verbrennungsprozeß auf eine Konzentration unterhalb von 1 ppm zu reduzieren. So läßt sich die erfindungsgemäße Adsorptionsvorrichtung zur katalytischen Oxi­ dation von Kohlenmonoxid mittels Wasserdampf zu Kohlendioxid ver­ wenden. Zu betonen ist, daß bei sehr geringem Druckabfall eine hohe Ausbeute bei gleichzeitiger hoher Spezifität erhalten wird, bedingt durch die geringe Diffusion des Fluids und einer hohen Reaktionsrate an den Wandungen des Filterelementes.
Noch eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Adsorp­ tionsvorrichtung ist die biologische Reinigung von wäßrigen Flui­ den mittels Bakterien, wie die Abwasser-Regenierung der Halblei­ terindustrie. Solche Abwässer enthalten, bei typischen Flußraten von 100 bis 200 m3/h etwa 5 bis 10 mg/l an organischen Kohlenwas­ serstoffverbindungen, zumeist Isopropanol, wobei diese von Bakte­ rien abbaubar sind. Durch die erfindungsgemäße Adsorptionsvorrich­ tung läßt sich die Menge an organischen Kohlenwasserstoffverbin­ dungen auf unterhalb von 10 ppm, vorzugsweise unterhalb von 1 ppm reduzieren. Hierbei zeichnet sich die erfindungsgemäße Adsorp­ tionsvorrichtung dadurch aus, daß sie neben einer hohen räumlichen und zeitlichen Reaktionsrate trotzdem einen homogenen Fluidfluß aufweist, selbst wenn aufgrund des Bakterienwachstums ein direkter Fluß durch das Gewebe behindert ist. Hervorzuheben ist noch, daß das aufgrund übermäßigen Bakterienwachstums von Zeit zu Zeit not­ wendige Spülen des Filterelementes leicht, d. h. ohne besondere Aufwendungen bzw. Arbeitseinsatz, und insbesondere schnell zu be­ werkstelligen ist.
Entsprechend kann die erfindungsgemäße Adsorptionsvorrichtung auch zur Trinkwasseraufbereitung in geeigneter Weise verwendet werden. Bekanntermaßen passieren kleine organische Moleküle herkömmliche Membranfilter ohne nennenswerte Reduzierung der Eintrittsmenge, d. h. sie werden praktisch nicht herausgefiltert. Demgegenüber las­ sen sich durch die erfindungsgemäße Adsorptionsvorrichtung diese zumeist nur schwach adsorbierenden Moleküle aus dem Abwasser ent­ fernen. Da die Desorption leicht gelingt, lassen sich bei der er­ findungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung Adsorption/Desorption in vorteilhafter Weise zyklisch variieren.
Photokopiergeräte und Laserdrucker sind zumeist mit herkömmlichen Aktivkohlefiltern zur Entfernung des Ozons ausgestattet. Jedoch sind die notwendigen Kontaktzeiten relativ hoch und die Filtergrö­ ße relativ groß, um die notwendigen Ausbeuten zu erzielen. Bei der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung kann aufgrund der großen Oberfläche, in vorteilhafter Weise, die Kontaktzeiten zur Entfer­ nung des Ozons und damit die Filtergröße beträchtlich vermindert werden. Überdies läßt sich die äußere Form des erfindungsgemäßen Filterelementes zwecks Verbesserung der Wärmeabfuhr aus dem Gerät optimieren.
Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrich­ tung ist deren Einsatz als Atemschutzmaske bzw. Notfallatmungsmas­ ke.
Eine Reihe weiterer Anwendungen der Erfindung betrifft eine vor­ teilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrich­ tung, bei der mittels einer elektrischen Spannung die kapazitive Reinigung des Fluids bewirkt wird.
Beispiele hierfür sind die kapazitive Entsalzung von industriellen Abwässern oder Haushaltswasser ("Weichmachen"), das durch das el­ ektrostatische Potential der Adsorptionsvorrichtung bewirkt wird.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Adsorptionsvorrichtung als Kata­ lysator für Reduktions-/Oxidationsreaktionen fungieren. Hierbei sind beispielhaft besonders die Anwendungen zur Entfernung von zweiwertigem Mangan aus Mineralwässern oder die Chloridentfernung zu nennen. Nachfolgend ist die hierbei auftretende kohlenstoff­ katalysierte chemische Reaktion von Mn(II) zu MnO2 angegeben:
Mn(II) + 1/2 O2 + 2 OH⁻ → MnO2 + H2O.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ad­ sorptionsvorrichtung läßt sich zweiwertiges Mangan bei Kontaktzei­ ten von etwa 5 bis 10 Minuten, gegenüber herkömmlichen Systemen mit katalytischen Kontaktzeiten oberhalb von 10 Minuten zu MnO2 umsetzen.
Die Entfernung von Chlor bzw. Chlorid unter Umsetzung in Chlorwas­ serstoff und Sauerstoff ist besonders bei gleichzeitigem Einsatz von Membranen interessant, da eine Chlor- bzw. Chloridkonzentra­ tion oberhalb von 0,5 ppm solche Membranen ernsthaft schädigen kann.
Durch die erfindungsgemäße Adsorptionsvorrichtung läßt sich Fluid von jeder Art von Salzen, polaren Verbindungen, Metallionen, Er­ dalkalimetallionen und/oder Schwermetallionen oder dgl. reinigen.
Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Adsorptionsvorrich­ tung zur Fluidreinigung zur Verfügung zu stellen, die sich durch geringen Druckabfall, hohe Effizienz und geringen Platzbedarf aus­ zeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß die Adsorp­ tionsvorrichtung durch ihre Bauweise ein homogenes Durchströmen der Filtereinheit, bei nur unwesentlicher Verwirbelung des Fluids ermöglicht. Hierbei wird durch die große Oberfläche und die homo­ gene Bestreichung der Oberfläche mit dem Fluid eine größtmögliche Effizienz in der Reinigung des Fluids erzielt. Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Adsorptionsvorrichtung durch vollständige und/oder teilweise Oberflächenbeschichtung der Anströmseite und/­ oder Abströmseite mittels polymerer Verbindungen, wie Harze, Kunstharze, Polyester, Polyether, Polyurethane, Heißschmelzkleb­ stoffe, Elastomere, und/oder dgl. versteift werden. Eine vollstän­ dige Durchtränkung bzw. Durchdringung des gesamten Filterelementes mit polymeren Stoffen, wie bei im Stand der Technik bekannten Fil­ terelementen zur Vermeidung des sogenannten Flatterns und zur Er­ höhung der Steifigkeit ist bei der erfindungsgemäßen Adsorptions­ vorrichtung nicht erforderlich.
Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise einer erfindungs­ gemäßen Adsorptionsvorrichtung wird nachfolgend erläutert:
Die Adsorptionsvorrichtung umfaßt in bekannter Weise ein Gehäuse, worin sich das Filterelement, welches wenigstens teilweise aus einem adsorbierenden und/oder absorbierenden Material besteht, befindet. Das adsorbierende Material wird in Lagen angeordnet, wobei die benachbarten Lagen miteinander verbunden sind. Zwischen benachbarten Lagen ist ggf. jeweils eine durchgehende oder vor­ zugsweise unterbrochene Adäsivschicht und/oder Trennschicht ange­ ordnet, wobei die Lagen so angeordnet sind, daß das Filterelement Hohlräume aufweist, welche im Querschnitt teilweise oder vollstän­ dig von runder, vorzugsweise mehreckiger, besonders bevorzugt he­ xagonaler Raumstruktur sind. Hierzu kann das adsorbierenden und/­ oder absorbierende Material ein Mineralfasergewebe, eine Kohlefa­ sergewebe, ein Kohlefasergewirk, ein Kohlefaserfilz und/oder dgl. sein.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung sieht vor, daß die Hohlräume homogen über den Querschnitt des adsorbierenden Materials verteilt sind.
Die einzelnen Lagen des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials werden durch die Adhäsiv- und/oder Trennschichten je­ weils in ihren räumlichen Lagen fixiert, wodurch in vorteilhafter Weise auf die zusätzliche Verwendung von Polymeren, insbesondere Kunstharzen oder dgl. zur Versteifung des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials, die in den Materiallagen enthalten sind, verzichtet werden kann. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, die Materiallagen des erfindungsgemäßen Filterelementes in das Versteifungsmittel einzutauchen oder in sonstiger Form damit zu durchsetzen.
Dem sogenannten Flattern bzw. der Geräuschentwicklung, verursacht durch die Fluid-Durchströmung des Filterelementes kann bei der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung dadurch vorgebeugt wer­ den, daß man Halteorgane zur Stabilisierung bzw. Versteifung des Filterelementes, beispielsweise an den Außenseiten des Filterele­ mentes, anbringt. Vorteilhaft ist eine zusätzliche Oberflächenbe­ schichtung der Anström- und/oder Abströmseite der Materiallagen, beispielsweise durch Auftragung von polymeren Verbindungen, die diesen eine erhöhte Steifigkeit verleihen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Materi­ allagen durch Aufbringung einer dünnen Schicht eines Kunstharzes auf den Vorder- und Rückseiten des Filterelementes durch anschlie­ ßendes Aushärten des Harzes versteift.
Die einzelnen Lagen des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials können aus mehreren Materialschichten aufgebaut sein, wobei diese Materialschichten elektrisch leitfähige Material­ schichten umfassen können, insbesondere Metalldrähte, Metallgit­ ter, Graphitfasern und dgl., wobei die Materialschichten mitein­ ander verbunden, vorzugsweise verklebt, laminiert und/oder dgl. sind.
Als Material für die Adhäsiv- und/oder Trennschicht sind Materia­ lien mit adsorbierenden, nicht-adsorbierenden, absorbierenden, nicht-absorbierenden, elektrisch leitenden und/oder elektrisch isolierenden Eigenschaften vorgesehen, vorzugsweise wird hierfür jedoch ein elektrisch isolierendes Material gewählt. Die Elemente einer unterbrochenen Adhäsiv- und/oder Trennschicht werden, vor­ zugsweise in Streifenform, jeweils auf Lücke stehend, hierbei vor­ zugsweise mittig zu den jeweils darüber oder darunter liegenden benachbarten Elementen der angrenzenden Adhäsiv- und/oder Trenn­ schichten angeordnet. Als Materialien für die Adhäsiv- und/oder Trennschicht ist ein Film vorgesehen, der mit den angrenzenden Lagen vollständig oder teilweise, vorzugsweise punktförmig ver­ klebt ist und/oder eine Kunststoffolie, wobei die Kunststoffolie mit den angrenzenden Material lagen thermisch verschweißt und/oder dgl. ist.
Wird an die Filtereinheit eine elektrische Spannung angelegt, so erfolgt dies vorzugsweise dergestalt, daß der elektrische Kontakt jeweils zu einzelnen oder mehreren Lagen erfolgt. Hierbei werden besonders bevorzugt direkt benachbarte Lagen des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials jeweils mit unterschiedlichen Polen der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden, so daß so eine gleichmäßig alternierende Abfolge von Lagen mit unterschied­ lichem Potential resultiert. Vorzugsweise wird eine Spannung im Bereich von 0 bis 5 Volt angelegt.
Für die jeweilige Querschnittsfläche der Hohlräume sind 0,1 bis 100 mm2, vorzugsweise jedoch 3 bis 4 mm2 vorgesehen.
Die Lagen des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials weisen vorzugsweise jeweils eine Dicke von 0,05 mm bis 1 cm auf.
Die Trennschichten weisen vorzugsweise jeweils eine Dicke von 0 bis 3 mm auf.
Die adsorbierende und/oder absorbierende Materiallage des erfin­ dungsgemäßen Filterelementes der Adsorptionsvorrichtung weist vor­ zugsweise eine Oberfläche von 100 bis 3000 m2/g auf.
Wird das adsorbierende und/oder absorbierende Material von einem Kohlenmonoxid enthaltenden Fluid durchströmt, so ergibt sich eine Kontaktzeit mit dem Kohlenmonoxid von vorzugsweise wenigstens 10 msec.
Die Anströmgeschwindigkeit für gasförmige Fluide bei der erfin­ dungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung beträgt in vorteilhafter Weise bis zu 2 m/sec und für wäßrige Fluide bis zu 20 cm/sec.
Das adsorbierende und/oder absorbierende Material des Filterele­ mentes der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung besteht aus bis zu 10 000 Lagen, vorzugsweise aus 100 Lagen.
Es kann für Anwendungen im Bereich der katalytischen Reinigung von Fluiden vorteilhaft sein, das adsorbierende und/oder absorbierende Material des Filterelementes der erfindungsgemäßen Adsorptionsvor­ richtung mit einem Metall, Übergangsmetall, Edelmetall oder dgl., vorzugsweise aus der VIII Nebengruppe und/oder Komplexverbin­ dung(en), sowie Salze der vorstehend genannten Stoffe, die kataly­ tische Eigenschaften aufweisen, zu imprägnieren. Wenn die kataly­ tische Reinigung eines Fluides von Quecksilber vorgesehen ist, weisen die Übergangsmetalle, welche vorzugsweise innerhalb der zweiten und dritten Reihe des Periodensystems gewählt werden, eine gute Löslichkeit für Quecksilber auf. Überdies sind vorzugsweise am adsorbierenden und/oder absorbierenden Material des Filterele­ mentes der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung ionische oder polare Komplexverbindungen, vorzugsweise Metallkomplexe der VIII Nebengruppe in katalytisch aktiver Form angeordnet.
Zur biologischen Reinigung wäßriger Fluide werden am adsorbieren­ den und/oder absorbierenden Material des Filterelementes der er­ findungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung Bakterien immobilisiert angeordnet. Insbesondere kann die biologische Reinigung hierbei mittels Fermentationsprozesse erfolgen.
Adsorbierende Materialien sind mit dem Nachteil behaftet, daß die Adsorptionsfähigkeit abhängig von der Menge an bereits adsorbier­ tem Material stark nachläßt, bzw. nach einem vollständigen Beset­ zen der Adsorptionsplätze mit adsorbiertem Material praktisch gar nicht mehr gegeben ist. Somit ist es, i.a. nach einer bestimmten Betriebsdauer der Adsorptionsvorrichtung notwendig, diese durch eine neue zu ersetzen oder das adsorbierende Material einer Rege­ neration zu unterziehen. Um hier einen Produktionsausfall während der Regenerationszeit der Adsorptionsvorrichtung zu vermeiden, macht dies die Anschaffung zumindest einer weiteren Adsorptions­ vorrichtung notwendig, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Im Gegensatz dazu läßt sich die die erfindungsgemäße Adsorptions­ vorrichtung ohne Betriebsunterbrechung reinigen.
Die Regeneration des adsorbierenden und/oder absorbierenden Mate­ rial kann thermisch, insbesondere mittels Dampf, Heißgas und/oder elektrische (ohm'sche) Beheizung des adsorbierenden Materials, chemisch und/oder extraktiv erfolgen. In besonders bevorzugter Weise erfolgt die Regeneration des adsorbierenden und/oder absor­ bierenden Materials segmentweise während des kontinuierlichen Be­ triebes der Adsorptionsvorrichtung. Hierbei werden in vorteilhaf­ ter Weise auf den An- und Abströmflächen der Adsorptionsvorrich­ tung Bauteile, vorzugsweise Platten beweglich angeordnet, wodurch das dadurch definierte Segment vom Rest des Filterelementes fluid­ dicht abgeschirmt wird. An diesen fluiddichten Bauteilen sind zu­ dem Vorrichtungen zur thermischen und chemischen Desorption des Sorbats, insbesondere Vorrichtungen zur Einspeisung von Heißgas, und Vorrichtungen zur Ausschleußung des desorbierten Stoffes aus dem fluiddichten Segment angeordnet. Hierbei wird es ermöglicht, daß das adsorbierende und/oder absorbierende Material des fluid­ dichten Segmentes desorbiert wird, und das Desorbat, ohne daß eine erneute Adsorption und/oder Absorption am Rest des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials des erfindungsgemäßen Filterele­ mentes erfolgen kann, aus dem Segment ausgeschleust wird. Der Rest des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials des Filter­ elementes der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung kann hier­ bei weiterhin im Betriebszustand gehalten werden.
Ist das adsorbierende Material elektrisch leitend, so ist eine elektrische Beheizung des adsorbierenden Materials durch die ohm'­ sche Heizleistung des elektrischen Stromes möglich. Die thermisch induzierte Desorption der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung kann bei bis zu 250°C, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 150°C durchgeführt werden.
Die Erfindung bezieht sich überdies auf ein Filterelement, bei welchem das adsorbierende und/oder absorbierende Material in Lagen angeordnet ist, wobei die benachbarten Lagen miteinander verbunden sind. Zwischen benachbarten Lagen ist ggf. jeweils eine durchge­ hende oder vorzugsweise unterbrochene Adhäsivschicht und/oder Trennschicht angeordnet, wobei die Lagen so angeordnet sind, daß das Filterelement Hohlräume aufweist, welche im Querschnitt teil­ weise oder vollständig von runder, vorzugsweise mehreckiger, be­ sonders bevorzugt hexagonaler Raumstruktur sind.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung ei­ ner erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung bei dem das adsorbie­ rende und/oder absorbierende Material in Lagen angeordnet wird, wobei ggf. zwischen benachbarten Lagen jeweils eine durchgehende oder vorzugsweise unterbrochene Adhäsiv- und/oder Trennschicht angeordnet wird, und wobei die Lagen derart angeordnet sind, daß die Lagen des Filterelements durch anschließenden Einsatz entge­ gengesetzt wirkender Kräfte, welche in zu den Lagen senkrechter Richtung wirken, Hohlräume ausbilden.
Die erfindungsgemäße Adsorptionsvorrichtung ist zur Reinigung von gasförmigen und wäßrigen Fluiden geeignet. Die Reinigung des Fluids erfolgt mittels Adsorption und/oder Absorption, bzw. durch chemische Prozesse, bei denen die Adsorptionsvorrichtung als Kata­ lysator und/oder chemischer Reaktionsraum des Fluids verwendet wird, wobei die Reinigung des Fluids vorzugsweise über eine Redox­ reaktion erfolgt. Das Fluid kann hierbei von polaren, geladenen und/oder nichtgeladenen Stoffen gereinigt werden.
Wird die Abscheidung von Quecksilber aus gasförmigen Fluiden, ins­ besondere aus Erdgas oder Wasserstoff vorgesehen, so wird das ad­ sorbierende und/oder absorbierende Material des Filterelementes der erfindungsgemäßen Adsorptionsvorrichtung vorzugsweise mit ei­ nem Übergangsmetall der zweiten und dritten Reihe, insbesondere Kupfer imprägniert.
Wird die katalytische Abscheidung von Schwefel aus Schwefelwasser­ stoff enthaltenden gasförmigen Fluiden, insbesondere aus Biogas oder Erdgas vorgesehen, wird das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material vorzugsweise mit Alkali-/Erdalkali-jodid(en) imprä­ gniert.
Die Erfindung wird durch die Figuren und die nachfolgenden Ausfüh­ rungsbeispiele weiter verdeutlicht.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemä­ ßen Ausführungsform des Filterelementes in nicht entfalteter Form.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemä­ ßen Ausführungsform des Filterelementes in nicht entfalteter Form.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemä­ ßen Ausführungsform des Filterelementes in entfalteter Form.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Adsorptionsvorrichtung in entfalteter Form.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Filterelementes in entfalte­ ter Form.
Nach Fig. 1 wird ein erfindungsgemäßes Filterelement (1) in nicht entfalteter Form gezeigt, bei der die einzelnen Lagen (2) mittels Trennschichten (3) verbunden sind, wobei die Trennschichten (3) jeweils mittig auf Lücke (4) zur oberen und unteren angrenzenden Materiallage (2) angeordnet sind.
Nach Fig. 2 wird ein erfindungsgemäßes Filterelement (1) in nicht entfalteter Form gezeigt, bei der die einzelnen Lagen (2) mittels Trennschichten (3) verbunden sind, wobei die Trennschichten (3) jeweils mittig auf Lücke (4) zur oberen und unteren angrenzenden Materiallage (2) angeordnet sind, und wobei die zur Erzeugung der Hohlräume (6) des Filterelementes (1) in senkrechter Richtung an­ greifenden Kräfte (5) dargestellt sind.
Nach Fig. 3 wird ein erfindungsgemäßes Filterelement (1) in ent­ falteter Form gezeigt, bei der die einzelnen Lagen (2) mittels Trennschichten (3) verbunden sind, wobei die Trennschichten (3) jeweils mittig auf Lücke (4) zur oberen und unteren angrenzenden Materiallage (2) angeordnet sind, und die Hohlräume (6) innerhalb des Filterelementes (1) homogen verteilt sind und eine hexagonale Form besitzen.
Nach Fig. 4 wird eine erfindungsgemäße Adsorptionsvorrichtung (7) in entfalteter Form gezeigt, bei der die einzelnen Lagen (2) mit­ tels Trennschichten (3) verbunden sind, wobei die Trennschichten (3) jeweils mittig auf Lücke (4) zur oberen und unteren angrenzen­ den Materiallage (2) angeordnet sind, und die Hohlräume (6) inner­ halb der Adsorptionsvorrichtung (7) homogen verteilt sind und eine hexagonale Form besitzen. An den Außenseiten sind zur Verstärkung des Filterelementes (1) Halteorgane (10) angebracht. Die Adsorp­ tionsvorrichtung (7) steht in Kontakt mit den Polen einer Span­ nungsquelle (8, 9).
Nach Fig. 5 wird ein erfindungsgemäßes Filterelement (1) in ent­ falteter Form gezeigt, bei der die einzelnen Lagen (2) mittels Trennschichten (3) verbunden sind, wobei die Trennschichten (3) jeweils mittig auf Lücke (4) zur oberen und unteren angrenzenden Materiallage (2) angeordnet sind, und die Hohlräume (6) innerhalb des Filterelementes (1) homogen verteilt sind und eine gestreckt hexagonale Form besitzen.

Claims (36)

1. Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druckabfall zur Fluid­ reinigung umfassend:
ein Gehäuse und ein Filterelement, wobei das Filterelement auf einem adsorbierenden und/oder absorbierenden Material basiert, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material in Lagen angeordnet ist, wobei die benachbarten Lagen miteinander verbunden sind, ggf. ist zwischen benachbarten Lagen jeweils eine durchgehende oder vorzugsweise unterbrochene Adhäsivschicht und/oder Trennschicht angeordnet, wobei die Lagen so angeordnet sind, daß das Filterelement Hohlräume aufweist, wel­ che im Querschnitt teilweise oder vollständig von runder, vorzugs­ weise mehreckiger, besonders bevorzugt hexagonaler Raumstruktur sind.
2. Adsorptionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material ein Mineralfasergewebe, ein Kohlefasergewebe, ein Kohlefasergestrick, ein Kohlefaserfilz und/oder dgl. ist.
3. Adsorptionsvorrichtung gemäß vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Hohlräume vorzugs­ weise homogen ist.
4. Adsorptionsvorrichtung gemäß vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung, bzw. Versteifung des Filterelementes, vorzugsweise an den Außenseiten des Filter­ elementes Halteorgane angebracht sind und/oder die Materiallagen­ oberfläche der Anströmseite und/oder Abströmseite mit einem poly­ meren Material zur Versteifung der Material lagen des Filterelemen­ tes beschichtet sind, besonders bevorzugt durch Aufbringung einer dünnen Kunststoff, insbesondere Harzschicht versteift sind.
5. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lagen des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials durch die Adhäsiv- und/oder Trennschichten jeweils in ihrer räumlichen Lage fixiert werden.
6. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die einzelnen Lagen des adsorbie­ renden und/oder absorbierenden Materials aus mehreren Material­ schichten zusammensetzen, welche vorzugsweise elektrisch leitfähige Material schichten, insbesondere Metalldrähte, Metallgitter, Gra­ phitfasern und dgl., umfassen, wobei die Materialschichten mitein­ ander verbunden, vorzugsweise verklebt, laminiert und dgl. werden.
7. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Adhäsiv- und/oder Trennschicht adsorbierende, nicht-adsorbierende, absorbierende, nicht-absorbierende, elektrisch leitende und/oder elektrisch iso­ lierende Eigenschaften besitzt, vorzugsweise ein elektrisch iso­ lierendes Material ist.
8. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente einer unterbrochenen Ad­ häsiv- und/oder Trennschicht, vorzugsweise in Streifenform, je­ weils auf Lücke stehend, hierbei vorzugsweise mittig zu den je­ weils darüber oder darunter liegenden benachbarten Elementen der angrenzenden Adhäsiv- und/oder Trennschichten angeordnet sind.
9. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Adhäsiv- und/oder Trennschicht einen Film, wobei der Film mit den angrenzenden Lagen vollständig oder teilweise, vorzugsweise punktförmig verklebt ist und/oder eine Kunststoffolie, wobei die Kunststoffolie mit den angrenzenden Lagen thermisch verschweißt ist, umfaßt.
10. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Filtereinheit eine elektrische Spannung angelegt werden kann, vorzugsweise dergestalt, daß der elektrische Kontakt jeweils zu einzelnen oder mehreren Lagen er­ folgt.
11. Adsorptionsvorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß direkt benachbarte Lagen des adsorbie­ renden und/oder absorbierenden Materials jeweils mit unterschied­ lichen Polen der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden sind.
12. Adsorptionsvorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise eine Spannung im Bereich von 0 bis 5 Volt angelegt wird.
13. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Querschnittsfläche der Hohlräume 0,1 bis 100 mm2, vorzugsweise jedoch 3 bis 4 mm2 ist.
14. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials jeweils eine Dicke von 0,05 mm bis 1 cm aufweisen.
15. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschichten jeweils eine Dicke von 0 bis 3 mm aufweisen.
16. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material eine Oberfläche von 100 bis 3000 m2/g aufweist.
17. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material bei einer Durchströmung mit einem Kohlenmonoxid enthaltenden Fluid eine Kontaktzeit mit dem Kohlenmonoxid von vor­ zugsweise wenigstens 10 msec aufweist.
18. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmgeschwindigkeit für gasför­ mige Fluide bis zu 2 m/sec und für wäßrige Fluide bis zu 20 cm/sec beträgt.
19. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material aus bis zu 10 000 Lagen, vorzugsweise 100 Lagen besteht.
20. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material mit einem Metall, Übergangsmetall, Edelmetall oder dgl., vorzugsweise aus der VIII Nebengruppe und/oder Komplexver­ bindungen, sowie Salze der vorstehend genannten Stoffe, die kata­ lytische Eigenschaften aufweisen, imprägniert wird.
21. Adsorptionsvorrichtung gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetalle, vorzugsweise innerhalb der zweiten und dritten Reihe, eine gute Löslichkeit für Quecksilber aufweisen.
22. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am adsorbierenden und/oder absorbie­ renden Material Bakterien zur biologischen Reinigung wäßriger Fluide immobilisiert angeordnet sind.
23. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am adsorbierenden und/oder absorbie­ renden Material ionische oder polare Komplexverbindungen, vorzugs­ weise Metallkomplexe der VIII Nebengruppe in katalytisch aktiver Form, vorzugsweise Alkali- und/oder Erdalkalijodide, angeordnet sind.
24. Adsorptionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material thermisch, insbesondere mittels Dampf, Heißgas und/oder elektrische (ohm'sche) Beheizung des adsorbierenden Mate­ rials, extraktiv oder chemisch regeneriert wird.
25. Adsorptionsvorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneration des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials segmentweise während des konti­ nuierlichen Betriebes der Adsorptionsvorrichtung erfolgt.
26. Adsorptionsvorrichtung gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß auf den An- und Abströmflächen der Adsorptionsvorrichtung beweglich angeordnete, Bauteile, vorzugs­ weise Platten vorgesehen sind, wodurch das dadurch definierte Seg­ ment vom Rest des Filterelementes fluiddicht abgeschirmt wird.
27. Adsorptionsvorrichtung gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen zur thermischen und nicht-thermischen Desorption des Sorbats, insbesondere Vorrichtun­ gen zur Einspeisung von Heißgas, und Vorrichtungen zur Ausschleu­ ßung des desorbierten Stoffes aus dem Segment an den fluiddichten Bauteilen angeordnet sind.
28. Filterelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material in Lagen angeordnet ist, wobei die benachbarten Lagen miteinander verbunden sind, ggf. ist zwischen benachbarten Lagen jeweils eine durchgehende oder vorzugsweise unterbrochene Adhäsivschicht und/oder Trennschicht angeordnet, wobei die Lagen so angeordnet sind, daß das Filterelement Hohlräume aufweist, wel­ che im Querschnitt teilweise oder vollständig von runder, vorzugs­ weise mehreckiger, besonders bevorzugt hexagonaler Raumstruktur sind.
29. Verfahren zur Herstellung einer Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druckabfall gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende und/oder absorbie­ rende Material in Lagen angeordnet wird, wobei ggf. zwischen be­ nachbarten Lagen jeweils eine durchgehende oder vorzugsweise un­ terbrochene Adhäsiv- und/oder Trennschicht angeordnet wird, und wobei die Lagen derart angeordnet sind, daß die Lagen des Filter­ elements durch anschließenden Einsatz entgegengesetzt wirkender Kräfte, welche in zu den Lagen senkrechter Richtung wirken, Hohl­ räume ausbilden.
30. Verwendung der Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druck­ abfall nach den Ansprüchen 1 bis 27 zur Reinigung von gasförmigen und wäßrigen Fluiden.
31. Verwendung der Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druck­ abfall nach den Ansprüchen 1 bis 27 zur Reinigung des Fluids mit­ tels Adsorption und/oder Absorption.
32. Verwendung der Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druck­ abfall nach den Ansprüchen 1 bis 27 als Katalysator und/oder che­ mischen Reaktionsraum des Fluids, wobei die Reinigung des Fluids vorzugsweise über eine Redoxreaktion erfolgt.
33. Verwendung der Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druck­ abfall nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Reinigung des Fluids von polaren, geladenen und/oder nichtgeladenen Stoffen.
34. Verwendung der Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druck­ abfall nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Abscheidung von Quecksilber aus gasförmigen Fluiden, insbesondere aus Erdgas oder Wasserstoff, wobei das adsorbierende und/oder absorbierende Mate­ rial vorzugsweise mit einem Übergangsmetall der zweiten und drit­ ten Reihe, insbesondere Kupfer imprägniert wird.
35. Verwendung der Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druck­ abfall nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur katalytischen Abscheidung von Schwefel aus Schwefelwasserstoff enthaltenden gas­ förmigen Fluiden, insbesondere aus Biogas oder Erdgas, wobei das adsorbierende und/oder absorbierende Material vorzugsweise mit Kaliumjodid imprägniert wird.
36. Verwendung der Adsorptionsvorrichtung mit geringem Druck­ abfall nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur biologischen Reinigung wäßriger Fluide, wobei die biologische Reinigung ins­ besondere mittels Fermentationsprozesse erfolgt, wobei am adsor­ bierenden und/oder absorbierenden Material Bakterien immobilisiert angeordnet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10255240A1 (de) * 2002-11-26 2004-06-09 Basf Ag Verfahren zur Entfernung von Quecksilber aus mit Quecksilber verunreinigten Lösungen

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