DE19850557A1 - Verfahren zur Abtrennung von kondensierbaren Substanzen aus Gasen oder Gasgemischen - Google Patents

Verfahren zur Abtrennung von kondensierbaren Substanzen aus Gasen oder Gasgemischen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von kondensierbaren Substanzen aus Gasen oder Gasgemischen, etwa zur Abtrennung von Wasser aus atmosphärischer Luft. Insbesondere geht es um die Gewinnung von Trinkwasser. DOLLAR A Die Luft wird an einem bestimmten Material kondensiert. Dieses weist eine definierte Porenstruktur auf, die zur Kapillarkondensation geeignet ist. Die auftretenden Bindungsenergien sind geringer als bei der Kondensation durch Adsorption.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von kondensierbaren Substanzen aus Gasen oder Gasgemischen, insbesondere zur Abtrennung von Wasser aus der Luft, unter Verwendung poröser Materialien.
An vielen Orten der Erde, besonders in ariden Gebieten wie der Sahelzone oder zahlreichen Heißwüsten, die in einer deutlichen Entfernung zum Meer liegen, sind keine Trinkwasservorräte vor­ handen. Neben dem Transport von Trinkwasser besteht nur noch die Möglichkeit, dieses aus feuchter Luft bereitzustellen. Be­ kannt ist in diesem Zusammenhang die direkte Kondensation der Luft unter den Taupunkt und die Adsorption von Wasser an Zeoli­ then, Aktivkohle oder Kieselgelen, siehe beispielsweise DE-PS 2 660 068. Das derart gespeicherte Wasser wird durch Erwärmung dem Material entzogen und anschließend kondensiert.
Die bekannten Verfahren sind energetisch betrachtet nicht be­ sonders effektiv, da die Regenerierung der von dem Material aufgenommenen Feuchtigkeit die Überwindung hoher Bindungsener­ gien erfordert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abtrennung von kondensierbaren Substanzen aus Gasen (auch Gasgemischen) zu schaffen, das effektiver arbeitet als die bekannten Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Kapillarkondensation geeignete Materialien oder Stoffe ver­ wendet werden. Die Besonderheit der Erfindung liegt demnach in der Auswahl des geeigneten Materials. Anstelle des bisher ver­ wendeten und zur Adsorption geeigneten Materials wird ein sol­ ches ausgewählt, mit dem die sogenannte Kapillarkondensation möglich ist. Die Kondensation erfolgt durch Kapillardruck auf­ grund der vorhandenen Porenradien. Die für die Regenerierung der Feuchtigkeit zu überwindenden Bindungskräfte sind wesent­ lich geringer als bei der Bindung durch vorangegangene Adsorp­ tion. Die Gewinnung von Trinkwasser aus der Luft kann mit dem neuen Verfahren effektiv durchgeführt werden. Auch sind weitere Anwendungen denkbar, etwa die Rückgewinnung von Lösungsmitteln.
Vorteilhafterweise ist die Porenstruktur des Materials an die an einem Einsatzort vorhandenen Bedingungen und Molekülgrößen angepaßt. Hierzu könnnen auch die Klimaverhältnisse zählen. Tatsächlich ist eine Kapillarkondensation zur Trinkwasserge­ winnung bei nahezu jeder Luftfeuchtigkeit möglich. Sinnvoll ist dann eine Anpassung der Porenradienverteilung.
Vorzugsweise wird ein hydrophobes oder hydrophobiertes Material verwendet. Dadurch wird die Aufnahme von Flüssigkeit durch Ad­ sorption begrenzt.
Die Regenerierung des Materials kann durch eine Kombination re­ generativer Energiequellen erfolgen, etwa unter Verwendung von Solarenergie, Photovoltaik, Windenergie und/oder einer zusätz­ lichen Speicherung dieser Energien mit entsprechenden Akkumula­ toren.
Das Material weist Mikroporen und/oder Mesoporen im Größenbe­ reich von 4 bis 20 Angström bzw. 20 bis 500 Angström auf. Vor­ teilhafterweise wird ein Material mit unterschiedlichen, auf den Einsatzort optimal angepaßten Porengrößen verwendet. Auf diese Weise können unterschiedliche Feuchtigkeitsgehalte der Luft abgedeckt werden.
Durch gezielte Materialauswahl ist auch eine selektive Abtren­ nung von Stoffen möglich.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung im übrigen. Nachfolgend wird das Verfahren anhand eines Beispiels erläutert.
Bei einem Prozeß zur Abtrennung von Wasser aus atmosphärischer Luft wird in einer ersten Phase ein Strom kühler feuchter Luft aus der Atmosphäre durch eine Packung mit mikroporösem Material geleitet, um den in der Luft enthaltenen Wasserdampf an das mi­ kroporöse Material mittels Kapillarkondensation abzugeben. Als Material können beispielsweise verwendet werden
Keramiken,
Aktivkohle,
Aktivtonerde,
synthetische Zeolithe,
Adsorberpolymere,
Adsorberharze,
Molekularsiebe,
zellulosehaltige Stoffe,
Mischmaterialien aus obigen Stoffen.
Die genannten Stoffe sind verwendbar, sofern sie eine für die Kapillarkondensation geeignete Poren- und Porenradienverteilung aufweisen. Insbesondere sind jeweils Mikroporen und/oder Meso­ poren bestimmter Größe vorhanden.
In einer zweiten Phase wird das Material zur Verdampfung der Substanz erwärmt. Hierzu wird in einer Ausführungsform ein in einem geschlossenen Kreislauf geführter Luftstrom durch zuvor gespeicherte Sonnenenergie oder durch Windenergie oder direkt erzeugte Wind- oder Sonnenenergie mit einem Lufterhitzer erwärmt und durch die mit Material gefüllte Packung geführt, um den Energieanteil dem mikroporösen Material wieder zuzuführen, der bei der Kapillarkondensation freigesetzt wurde. Dadurch tritt der in dem Material gebundene Wasserdampf aus und wird von dem im Kreis geführten Luftstrom aufgenommen. Der so mit Wasserdampf beladene Luftstrom wird durch einen im Kreislauf enthaltenen Kondensator geführt, wobei der in der Luft enthaltene Wasserdampf auskondensiert.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Material zur Verdampfung der Substanz elektrisch erwärmt. Dies ist möglich durch die Verwendung eines elektrisch leitenden Materials oder durch den Einbau elektrischer Leiter in das Material. Das Material kann an eine Spannungsquelle angeschlossen sein, die aus gespeichertem Solarstrom gespeist wird. Auch kann der Stromfluß im Material durch Induktion erzeugt werden. Vorteilhaft ist in jedem Fall die Verwendung eines gut wärmeleitenden Materials.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Substanz in dem Material durch Mikrowellen erwärmt und zur Verdampfung gebracht. Vorteilhaft ist dann die Verwendung eines nichtmetallischen Materials.
Vorzugsweise werden Kondensation und Regenerierung der Substanz zyklisch durchgeführt, etwa Kapillarkondensation in der Nacht und Regenerierung am Tage. Möglich und vorteilhaft ist auch die Ausführung mehrerer Zyklen nur in der Nacht, so daß bei Tagesbeginn die frischgewonnene Substanz (Trinkwasser) zur Verfügung steht.
Für die Gewinnung des Wassers aus einem geeigneten Material (Regenerierung) ist wesentlich weniger Energie notwendig, als es bei der Desorption von Wasserdampf aus gewöhnlichen Zeolithen (für die Adsorption geeignet) oder Kieselgelen der Fall ist. Das Material besitzt hierzu eine für den speziellen Einsatz (Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck vor Ort) definierte und damit optimierte Porenradienverteilung.
Das Material liegt insbesondere in Gestalt von Granulat, Pel­ lets oder Formkörpern definierter Struktur vor. Andere Formen sind möglich.

Claims (14)

1. Verfahren zur Abtrennung von kondensierbaren Substanzen aus Gasen oder Gasgemischen, insbesondere zur Abtrennung von Wasser aus der Luft, unter Verwendung poröser Materialien, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Kapillarkondensation geeignete Materialien oder Stoffe verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, daß das Material eine an die an einem Einsatzort vorhandenen Umgebungsbedingungen oder Kli­ maverhältnisse angepaßte Porenstruktur, insbesondere Mikroporen und/oder Mesoporen aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine definierte Porenradienverteilung auf­ weist.
4. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Material um ein hydrophiles als auch hydrophobes Material handeln kann.
5. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Granulat, Pellets oder Formkörpern definierter Struktur besteht.
6. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiebedarf für eine Regenerierung der Substanz aus dem Material durch eine Kombination regenerativer Energiequellen bereitgestellt wird, insbesondere in Form von Solarenergie, Fotovoltaik, Windenergie und einer zusätzlichen Speicherung dieser Energien mit entsprechenden Akkumulatoren.
7. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarkondensation und eine anschließende Regenerierung und Kondensation zyklisch in der Nacht erfolgen, oder die Kapillarkondensation in der Nacht und die Regeneration am Tage.
8. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Abtrennung von Wasser aus atmosphärischer Luft in einer ersten Phase ein Strom kühler feuchter Luft aus der Atmosphäre durch eine Packung mit mikroporösem oder mesoporösem Material geleitet wird, um den in der Luft enthaltenen Wasserdampf an das Material mittels Ka­ pillarkondensation abzugeben, daß in einer zweiten Phase ein Luftstrom insbesondere durch zuvor gespeicherte Sonnenenergie oder Windenergie oder direkt erzeugte Sonnen- oder Windenergie mit einem Lufterhitzer erwärmt und durch die mit Material ge­ füllte Packung geführt wird, um den in dem Material gebundenen Wasserdampf in den Luftstrom zu überführen, und daß schließlich der so mit Wasserdampf beladene Luftstrom durch einen Kondensa­ tor geführt wird, wobei der in der Luft enthaltene Wasserdampf auskondensiert.
9. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material elektrisch leitend ist oder elektrische Leiter aufweist, insbesondere von elektrischen Leitern durchzogen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerierung der Substanz aus dem Material durch insbeson­ dere in dem Material stattfindende elektrische Erwärmung er­ folgt.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Material oder den Leitern zur Regenerierung der Substanz ein Stromfluß durch Induktion erzeugt wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material nichtmetal­ lisch ist.
13. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerierung der Sub­ stanz aus dem Material durch Erwärmung (der Substanz oder des Materials) mittels Mikrowellen erfolgt.
14. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein guter Wärmeleiter ist.
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