DE2241340A1

DE2241340A1 - Verfahren zur beherrschung der luftverschmutzung und vorrichtung zum ausfuehren dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2241340A1
Application number: DE2241340A
Authority: DE
Inventors: Kurt Halfar; Wolfgang Mehl
Original assignee: WRIGHT HARRY DUDLEY GENF (SCHWEIZ)
Current assignee: WRIGHT HARRY DUDLEY GENF (SCHWEIZ)
Priority date: 1971-09-10
Filing date: 1972-08-23
Publication date: 1973-03-15
Also published as: NL7212288A; GB1399214A; FR2152829A1; IL39983A0; JPS4837363A; DE2241340B2; IT967218B; ZA725402B; CH556170A; AU4652272A; FR2152829B1

Description

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-ing. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

Anlage ' Aktenzeichen 4 4 H I J ^ U

zur Eingabe vom 18. AUgUSt 1972 VA. Name d. Anm. HARRY DUDLEY WRIGHT

Verfahren zur Beherrschung der Luftverschmutzung und Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beherrschen der Luftverschmutzung und auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Verschmutzungen aus' Luft oder ähnlichen Gasen, wie zum Beispiel aus industriellen Gichtgasen, die vorwiegend Stickstoff und Sauerstoff enthalten.

Die Abgase verschiedenartiger industrieller Prozesse enthalten im allgemeinen zahlreiche Schmutzkörper. Eine große Vielzahl von Verfahren zum Entfernen solcher Schmutzkörper ist bereits vorgeschlagen worden. Sie beruhen im wesentlichen auf zwei grundlegenden Konzepten:

(1) die chemische Umwandlung des Schmutzkörpers in eine unschädliche Substanz oder

(2) die Adsorption des Schmutzkörpers durch einen Feststoff körper, wie zum Beispiel Holzkohle.

Die überwiegende Anzahl der zur Luftreinigung verwandten chemischen Verfahren sind Oxidationsverfahren, die auf zwei Grundtechniken beruhen. Dies sind einmal die Verbrennung und zum anderen das Ausv/aschen mit einem in einem Lösungsmittel, im allgemeinen Wasser, aufgelösten Oxidationsmittel. Im allgemeinen ist die Verbrennung ein sehr wirkungsvolles Verfahren zum Entfernen von Luftverschmutzungen, Wegen der hohen Kosten, die durch die Zufuhr der notwendigen Wärme und/oder die Zufuhr von Katalysatoren entstehen, ist die Verbrennung im allgemeinen jedoch unwirtschaftlich. Infolgedessen hat man schon beträchtlichen Aufwand aufgewendet für die Entwicklung von Wasch™ und Reinigungsein=

w so/2 309811/0721

22413Λ0

richtungen, in denen die Luft mit einer Lösung oder einer Dispersion eines mit der Verunreinigung reagierenden Mittels (Oxidationsmittels) in Berührung gebracht wird. Diese Wasch- und Reinigungseinrichtungen sina recht verwickelt und klobig. In typischen Fällen lassen sich pro Stunde Luftvolumina handhaben, die das tausend- bis zweitausendfache Volumen des Gaswäschers aufweisen. Es kommt hinzu, daß sich solche Gaswäscher zwar für Großverfahren eignen, bei denen die behandelten Gasströme in die Atmosphäre abgegeben werden, für in kleinerem Maßstab durchzuführende Verfahren, bei denen insbesondere Luft umgewälzt werden soll, ungeeignet sind. Dies liegt daran, daß eine Verdunstung der Waschlösung in die zu behandelnde Luft hinein nur schwierig verhindert werden kann. Bei mit Luftumwälzung arbeitenden Verfahren entstehen in der Luft dann unerwünscht hohe Konzentrationen an Lösungsmitteldämpfen.

Eine Adsorption der Schmutzkörper aus Gasströmungen ist nur dar nutzbringend, wenn die Schmutzkörper wertvoll sind und ei! .er Viie dergewinnung zugeführt werden sollen. In vielen Fällen sind die Schmutzkörper jedoch nicht wertvoll, und da 4 sie das Adsorptionsmittel inaktivieren, ist eine Reaktivierung im allgemeinen notwendig. Bei einer Reaktivierung des Adsorptionsmittels werden die Schmutzkörper in konzentrierter Form freigelegt und müssen in geeigneter Weise abgeführt werden. Adsorptionsverfahren sind aus diesen Gründen äußerst aufwendig und lassen sich nur in wenigen Fällen rechtfertigen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Mittel zum Entfernen von Schmutzkörpern aus Luftströmungen zu schaffen.

Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zum wirtschaftlichen Entfernen einer Vielzahl von Schmutzkörpern aus Luftströmungen zu schaffen.

30981 1/0721

Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zu schaffen, Schmutzkörper aus Luftströmungen zu entfernen und dabei zu verhindern, daß Lösungsmitteldämpfe in die behandelten Luftströmungen eintreten.

Vieiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zum Entfernen von Schmutzkörpern aus Luft zu schaffen» das sowohl bei klein- als auch bei großtechnischer Anwendung nutzbringend

Schließlich soll die Erfindung noch Aufgaben lösen, die sich aus der folgenden Beschreibung, den beigehefteten Zeichnungen und den anschliei>enden Patentansprüchen ergeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine für Flüssigkeit undurchlässige, jedoch für Gas durchlässige Kammer oder ein entsprechendes Modul vorgesehen, die bzw. das ein ausgewähltes Reaktionsmittel zur Reaktion mit dem. Schmutzkörper enthält, der aus der Luftströmung entfernt werden soll. Das Reaktionsmittel liegt vorzugsweise in wäßriger Lösung vor und die Kammer ist vorzugsweise mit einem Mittel zum Regenerieren dieses Reaktionsmittels versehen. Die verschmutzte Luft wird mit der Kammer in Berührung gebracht und diffundiert durch eine Kammerwand, wobei die Schmutzkörper mit dem Reduktionsmittel zur Reaktion gebracht .und aus der- Luft entfernt werden.

Unter der Bezeichnung "verschmutzte Luft" wird hier Luft oder ein ähnliches, hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff bestehendes Gas verstanden, das eiiB oder mehrere der unerwünschten gasförmigen Verunreinigungen enthält. Oase dieser Art enthalten Luft und Abgase aus verschiedenartigen Quellen. Hierzu gehören industrielle Gichtgase und Abgas,e von Verbrennungsprozessen und dergleichen. Die Verunreinigungen können organischer oder anorganischer Natur sein. Beispiele für die häufiger vorkommenden Ver-. ünreinigungen sind Wasserstoffsulfid, Schwefeldioxid, Aldehyde w ie Formaldehyd, Acetaldehyd, Acrolein und Furfural, Mercaptane ■ wie Methylmercaptan, organische Sulfide wie Dimethyl4sulfid,

309811/0721

Amine wie üthylamin, Diäthylamin, Triäthylamin, Anilin und Pyridin und Alkohole wie Methanol und Phenol und dergleichen.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:

Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Moduls,

Fig. 2 die Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls mit Einrichtungen zur inneren Regeneration des Reaktionsmittels,

Fig. 3 die Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform mit äußeren Einrichtungen zur Regeneration des Reaktionsmittels und

Fig. 4 die Darstellung einer Anordnung der in Fig. 2 gezeigten Module in einer Luftreinigungsvorrichtung.

Das in Fig. 1 in seiner einfachsten Form gezeigte Modul ist ein schichtenförmig aufgebauter Körper aus an ihren Außenkanten dicht miteinander verbundenen halbdurchlässigen Membranen 1 und 2, die zwecks η Umwandlung der'Verunreinigungen in harmlose Subgfcanzen ein Reaktionsmittel 3 umschließen. Das Reaktionsmittel 3 liegt vorzugsweise in Form einer wäßrigen Lösung vor, die zweckmäßig auf einem geeigneten faserigen oder nicht faserförmigen Träger niedergeschlagen ist. Module dieser Art lassen sich einfach durch Tränken des Trägers mit dem wäßrigen Reaktionsmittel, anschließendes Zwischenlegen des getränkten Trägers zwischen die beiden halbdurchlässigen Membranen und nachfolgendes Versiegeln der Membranen -N an ihren Kanten auf bekannte Weise zur Bildung einer Flüssigkeitsfesten Abdichtung fertigen.

Das Modul wird als rechteckförmige Schichtkonstruktion dargestellt, deren Wände aus halbdurchlässigen Membranen bestehen. Selbstverständlich lassen sich verschiedenartige Abwandlungen

309811/0721

einsetzen. Das heißt, daß sowohl die Geometrie des Moduls als auch Teile der äußeren halbdurchlässigen Oberfläche anders gestaltet werden können» Zum Beispiel kann .das Modul ein kreisförmiger Schichtkörper sein oder in Form eines geometrischen Festkörpers, wie eines Würfels, eines Zylinders oder irgendeiner anderen geeigneten Konstruktion vorliegen, die elm oder mehrere Wände aufweist. Eine solche Konstruktion kann sogar auch nur eir nen Teil einer oder mehrerer solcher aus einer halbdurchlässigen Membran bestehenden Wände aufweisen. Es ist jedoch erwünscht, daß ein möglichst großer Teil der Außenoberfläche des Moduls aus einer halbdurchlässigen Membran besteht, so daß die Kontaktfläche mit der V verunreinigten Luft ein Maximum ist.

Im Betrieb gelangt das in Fig. 1 gezeigte Modul mit der verunreinigten Luft in Berührung. Diese Luft diffundiert durch die Membranen 1 und 2 und kommt mit dem Reaktionsmittel 3 in Berührung«, Dort reagieren die Verunreinigungen mit dem ReaktiaBmittel und werden in harmlose Substanzen umgeformte Über den Membranen 1 und 2 entsteht damit ein Verunreinigungs-Konzentrationsgefälle. Die Konzentration der Verunreinigungen in der Luft wird damit herabgesetzt» Der Kontakt der Luft mit dem Modul wird für eine Zeitspanne aufrecht erhalten, die zum Erzielen der gewünschten Herabsetzung der Konzentration der Verunreinigungen notwendig ist. Alternativ wird die verunreinigte Luft mit einer Vielzahl von Modulen in Berührung gebracht, und die gesamte Kontaktzeit ist ausreichend zum Erzielen der gewünschten Herabsetzung der Konzentration der Verunreinigungen.

Unter der hier verwendeten Bezeichnung "halbdurchlässige Membrane»" wird eine Membrane verstanden, die für Gase und B» Dämpfe durchlässig und für Flüssigkeiten undurchlässig ist. Viele Membranen dieser Art sind bekannt und ihre Zusammensetzung gehört nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bei Verwendung von wäßrigen Lösungen als Reaktionsmittel sind die Membranen porös und und hydrophob. Die Porengröße ist so, daß die Gasmolekü-

W 80/2 ■

309811/0721 '

le durch die Membrane durchtreten können, während das wäßrige Medium infolge der hydrophoben Natur der Membrane nicht durchtreten kann. Es ist zulässig und in einigen Fällen auch erwünscht, daß einige Poren ausreichend groß sind, um den Durchtritt des wäßrigen Mediums zu gestatten, vorausgesetzt, daß sie sich nicht über die gesamte Membrane erstrecken, sondern lediglich Poren geringeren Durchmessers verbinden. Auf diese Weise wird die Berührung zwischen Luft und der wäßrigen Reaktionslösung in der Masse der Membrane vollzogen.

Bevorzugte Membranen enthalten ein neutrales anorganisches Pulver, das vorzugsweise ein Adsorbens für die aus der Luft zu entfernenden Verunreinigungen darstellt und in einem hydrophoben Polymer dispergiert ist, darunter den im Modul herrschenden Betriebsbedingungen ein Feststoff und gegenüber den Bestandteilen der Gasdurchströmung und gegenüber dem Reaktionsmittel inert ist. Zu geeigneten anorganischen Stoffen gehören Aktivkohle, Graphit. Ceroxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid» Zu geeigneten Polymeren gehören Polyäthylen, Polypropylen, Polyamide, zum Beispiel Nylon, und Polymere halogenierten, vorzugsweise mit Fluor verbundenen Äthylens oder Propylens, wie zum Beispiel Homopolymere von Vinylidenfluorid, Tetrafluoräthylen, Monochlortrifluoräthylen, Hexafluorpropylen und dergleichen. Aus Graphit oder Aktivkohle und Pplytetrafluoräthylen bestehende Membranen werden bevorzugt.

Die Adsorptionsmittel sind vorzugsweise fein verteilte Stoffe mit hoher Oberfläche. Stoffe mit einer Partikelgröße im Bereich von etwa 10 bis etwa 500 Millimikron und Oberflächen in der Größenordnung von etwa 10 bis etwa 100 « m /g werden bevorzugt.

Das Verhältnis zwischen anorganischem Feststoff und Polymer in diesen Membranen ist nicht besonders kritisch und hängt von der im Einzelfall gewünschten besonderen Membrancharakteristik ab. Bei zunehmendem Gehalt an anorganischen Feststoffen steigt im

309811/0721

allgemeinen die Porosität der Membranen und sinkt deren Zugfestigkeit. Brauchbare Membranen können zwischen etwa 5 und etwa 90 Gevf,-% Polymer und zwischen etwa 95 und etwa 10 Gew.-% anorganische Feststoffe enthalten. Membranen, bei denen Porosität und Festigkeit in einem optimalen Verhältnis zueinander stehen, werden bei etwa gleichen Gewichts=feanteilen von anorganischen Feststoffen und Polymeren erhalten, zum Beispiel bei etwa 45 bis 55 Gew.-% Polymer und bei etwa 55 bis etwa 45 Gew.-% Feststoffe.

Die strukturelle Festigkeit dieser Membranen läßt sich durch Einschluß von Faserstoffen, wie zum Beispiel Glas oder Fasern, in die Membranen erhöhen.

Die bevorzugte Membran wird durch Mischen des fein verteilten anorganischen Feststoffes und fein verteiler Partikel von Polymer mit einer Partikelgröße von 10 bis 500 Millimikron erhalten, wobei ein homogenes Gemisch entsteht und die polymeren Partikel dann zwecks Bildiung der porösen Membran gesintert werden, die eine Stärke von vorzugsweise etwa 0,1 bis etwa 2 mm und zweckmäßig von etwa 0,4 bis etwa 0,6 mm aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Technik wird der anorganische Feststoff, zum Beispiel Graphit oder Aktivkohle mit einer wäßrigen Dispersion des Polymeren unter Bildung einer homogenen Aufschlämmung gemischt. Diese Aufschlämmung wird dann zu einer Platte verformt und diese Platte wird zum Austreiben des Wassers und zum Sintern des Polymeren erhitzt. Bei Verwendung einer im Handel erhältlichen Emulsion von 60 % Polytetrafluoräthylen in Wasser (Teflon 30N) wird bei Raumtemperatur eine Aufschlämmung erhalten, die gleiche Anteile an anorganischem Pulver und Polymeren auf einer trockenen Basis enthält und dann zu einer Platte ausgewalzt wird. Zum Austreiben eines bestimmten Wassergehaltes wird diese Platte zweckmäßig ausreichendem Druck ausgesetzt. Drücke von etwa 1 bis' etwa 20 kg/cm² sind nutzbringend. Drücke am oberen Ende dieses Bereiches, zum Beispiel oberhalb von etwa 10 kg/cm , werden be-

309811/0721

vorzugt.

Bei mäßig angehobenen Temperaturen, zum Beispiel bei Temperaturen von etwa 80° bis 120° C, und vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 90° C, wird dann zum Austreiben von zusätzlichem Wasser ein zweiter Walzvorgang ausgeführt. Schließlich wird die Platte auf Temperaturen von etwa 100° bis etwa 150° C und vorzugsweise auf etwa 120° C erhitzt und der Trockenprozew abgeschlossen. Anschließend wird sie kurzzeitig Temperaturen von etwa 325° bis etwa y/t>° C und vorzugsweise von etwa 350° C unterworfen, um die polymeren Partikel zu schmelzen oder zu sintern. Das entstehende Produkt ist eine zähe, biegsame Platte mit einer Dichte im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,8 g/cm , die gegenüber Gasen durchlässig und gegenüber Wasser undurchlässig ist.

Membranen dieser bevorzugten Art arbeiten auf zwei verschiedene Weisen:

1. Sie enthalten und bilden eine Berührungs-Zwischenflache für einen geeigneten Reaktanten, der den Anteil an Verunreinigungen herabsetzt,und

2. das eine hohe Oberfläche aufweisende Füllmaterial der Membran adsorbiert die Verunreinigungen während einer ersten Stufe des Behandlungsprozesses. Der Adsorption folgt ein Abbau der Verunreinigungen mit einem geeigneten Reaktionsmittel. Eine Reaktivierung der Membran zur weiteren Aufnahme von Verunreinigungen aus der Luftströmung schließt sich an.

Die Verunreinigungen können damit durch die Poren der Membran in diese eindringen und unmittelbar mit dem Reaktionsmittel reagieren oder zuerst durch den anorganischen Feststoff adsorbiert werden und erst anschließend mit dem Reaktionsmittel reagieren. Dieses System fast damit die kurze Ansprechzeit der Adsorptionsverfahren mit der Abbauwirkung einer chemischen Behandlung zusam-

30981 1/0721

men und ist trotzdem in der Vorbereitung und Anwendung äußerst einfach.

Das erfindungsgemäß verwandte besondere Reaktionsmittel hängt von der aus der Gasströmung zu entfernenden Verunreinigung und von der gewünschten Reaktion ab. Im allgemeinen handelt es sich bei dem Reaktionsmittel um ein Oxidations- oder ein Reduktionsmittel für die Verunreinigung, wobei Oxidationsmittel bevorzugt werden. Ebenso ist erwünscht, daß das Reaktionsmittel regenerierbar ist. Das heißt, daß die reduzierte Form eines Oxidationsmittels in die vollwertige Form eines Oxidationsmittels zurückoxidiert werden kann.

Reaktionsmittel, die die Forderung nach.ausreichender Reaktion zur Bildung von harmlosen Substanzen, die Forderung nach Löslichkeit in Wasser und die Forderung nach Regenerierbarkeit erfüllen, sind Fachleuten bekannt. Zu Beispielen brauchbarer Oxidationsmittel gehören Ozon, Wasserstoffsuperoxid, unterchlorige Säu-re und deren Salze, chlorige Säure und deren Salze, Chlorsäure und deren Salze, Überchlorsäure und deren Salze, Chinon, Chlordioxid, Chlortrioxid, Chlor, Bromhypobromsäure, Bromsäuresalze, Hypojoditsäure, übermangansaure Salze, Manganisalze, Cobaltisalze, Ferrisalze, Thallisalze, Ceriumoxidsalze, Bichromatsalze, Chlor-4 iridiumsalze, vanadinsaure Salze /V(OH)^.+ und VO₂+7 ^und dergleichen.

Vorzugsweise werden diese Oxidationsmittel in Form wäßriger Lösungen verwandt. Die Konzentration der Oxidationsmittel in der Lösung ist nicht kritisch, vorausgesetzt, daß sie während der gewünschten Zeitspanne zum Erreichen der gewünschten Aktivität ausreicht. Sie kann zwischen etwa 1 Gew.-% oder sogar weniger bis zur Löslichkeitsgrenze des jeweiligen Stoffes schwanken.

Wie bereits oben ausgeführt wurde, soll die wäßrige Reactionslösung vorzugsweise auf oder in einem geeigneten -F faserhaltigen oder nichtfafesrigen inerten Träger adsorbiert oder absorbiert

30981 1/0721 ·

sein. Glasfaser, die in Form von Matten oder Rovings und dergleichen vorliegt, stellt ein bevorzugtes Trägermaterial dar. Andere Materialien, wie zum Beispiel Silikagel, Zeolithe, Aluminiumoxid und dergleichen, lassen sich ebenfalls verwenden.

In einer bevorzugten Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Moduls sind Einrichtungen zur Regeneration des Reaktionsmittels vorgesehen. Diese Einrichtungen liegen entweder inner- oder außerhalb des Moduls. Die im besonderen Fall verwendeten Einrichtungen hängen offensichtlich vom verwandten Reaktionsmittel wie auch von einer Vielzahl von technischen und wirtschaftlichen Überlegungen ab. Falls es sich beim Reaktionsmittel Jedoch um ein Oxidationsmittel handelt, wird ein elektrochemisches Mittel zur Regeneration der verbrauchten Oxidationsmittel bevorzugt.

Eine Ausführungsform eines solchen Moduls mit einem inneren elektrochemischen Reaktionsmittel ist in Fig. 2 dargestellt, Ir der gezeigten Ausführungsform weist das Modul eine zylindi ische, elektrisch leitfähige halbdurchlässige Membran 4 auf, die auch eine Elektrode des Moduls bildet.

Die Enden der Membrane 4 sind mit nicht leitenden undurchlässigen Endgliedern 5 und 6 verschlossen. Das Modul weist weiter noch eine axial montierte Elektrode 7 und zwischen dieser Elektrode und der zylindrischen Elektrode 4 einen ringförmigen Separator 8 auf. Falls es sich bei dem Reaktionsmittel um ein Oxidationsmittel handelt, das bei kathodischer Reduktion des Sauerstoffs, zum Beispiel Wasserstoffsuperoxid, regeneriert wird, dient die Elektrode 4 auch als Kathode und die axiale Elektrode 7 bildet die Anode.

Bei dieser Ausführungsform muß die Membran 4 elektrisch leitend sein. Geeignete Membranen werden durch Einschluß eines elektrisch leitenden, in feinpulvriger Form vorliegenden Feststoffes in die Membran erhalten. Feinpulvriges Graphit oder Aktivkohle werden

309811/0721

für diesen Zweck bevorzugt, da sie sich ebenso für die oben genannten anorganischen adsorbierenden Füllstoffe eignen.

Die übrigen Modulelemente lassen sich aus bekannten Stoffen herstellen. Die Anode zum Beispiel kann aus jeder geeigneten, inerten, elektrisch leitenden Substanz, wie zum Beispiel Nickel,bestehen, das mit einer Schicht aus leitendem Nickeloxid oder einem anderen geeigneten Metall überzogen ist« Der Separator kann aus jedem geeigneten porösen Material bestehen, durch das die Elektrizität mit einem Minimum an Massentransport passieren kann, wie zum Beispiel porösem Porzellan. Die Endglieder können aus jedem chemisch inerten, nichtleitenden und konstruktiv festen Material bestehen.

Obwohl die Membran 4 elektrisch leitend ist und ein elektrischer Kontakt in jeder geeigneten Weise vorgenommen werden kann, wird ein elektrischer Kontakt mit der Membran über ein poröses, elektrisch leitendes Material 9 bevorzugt. Zu geeigneten Kontaktgliedern zählen Metallgazen, -siebe und dergleichen, poröses Graphit und andere poröse Stoffe, die Elektrizität leiten.

Das in Fig. 2 gezeigte Modul weist auch einen wäßrigen Elektrolyten auf, der das aufgelöste Reaktionsmittel enthält. Die Zusammensetzung der Elektrolytlösung ist für die Erfindung nicht kritisch, vorausgesetzt, daß sie genügend leitfähig ist und die gewünschten Reaktionen des Reaktionsmittels mit den Verunreinigungen trägt und die Regeneration des Reaktionsmittels stattfinden kann _e

Im Betrieb wird die ¥ verunreinigte Luft mit dem Modul in der zuvor beschriebenen Weise in Berührung gebracht und eine geeignete Energiequelle 10 wird an die Elektroden 4 und 7 angeschlossen, so daß ein elektrischer Strom im Modul fließen kann_o Die Stromstärke wird so eingestellt, daß sich das Reaktionsmittel mit der gleichen Geschwindigkeit, in der es durch Reaktion mit der Verunreinigung verbraucht wird, regeneriert. Da ein Gas, entv/eder Sauer-

3 0 9 8 1 1 ^/ 0 7 2 1

stoff oder Wasserstoff erzeugt wird, muß das Modul selbstverständlich mit nicht im einzelnen gezeigten Einrichtungen zur Abführung des Gases ausgestattet sein.

Eine besonders bevorzugte Elektrolytlösung besteht aus einer wäßrigen alkalischen Lösung von Wasserstoffsuperoxid. Eine solche Lösung enthält vorzugsweise ein Alkalimetall, wie zum Beispiel Natrium oder Kalium, Hydroxid und/oder Carbonat in zum Erzielen der gewünschten Leitfähigkeit ausreichenden Mengen und Wasserstoffsuperoxid, von dem ein Teil in Form seines monoalkalischen Metallsalzes (zum Beispiel Mononatrium- oder Monokalium-) vorliegen kann und in einer Menge, die zur Reaktion mit einer oxidierbaren Verunreinigung und zu deren Entfernung aus der Luftströmung mit gewünschter Geschwindigkeit ausreicht. Geeignete Lösungen dieser Eigenschaften lassen sich mit Verfahren erzielen, die in der schwebenden US-Patentanmeldung, amtliches Aktenzeichen 149.194, Anmeldetag 2. Juni 1971, beschrieben werden.

In einem Modul mit einem Elektrolyten dieser Art, der ein durch kathodische Sauerstoffreduktion regenerierbares Oxidationsmittel enthält, bildet die Membran 4 die Kathode und die axiale Elektrode 7 bildet die Anode. Luftsauerstoff diffundiert auch durch die Membran 4 und gelangt mit dem Elektrolyten in Berührung. Dort wird er durch eIektromechanische Einwirkung zur Regenerierung des Wasserstoffsuperoxids reduziert.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform weist das Modul äußere Einrichtungen zur Regenerierung des Reaktionsmittels auf. Wieder bestehen die zur Regenerierung vorgesehenen Einrichtungen vorzugsweise aus einer elektrochemischen Zelle. Dabei ist das Modul 11 über Leitungen 12 und 13 mit der elektrolytischen Zelle 14 verbunden, die einen Behälter 15, einen Separator 16 und an eine Energiequelle 19 angeschlossene Elektroden 17 und 18 aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird die wäßrige Reaktionslösung über eine Leitung 12 entweder mit Unterbrechungen oder kon-

30981 1/0721

tinuierlich vom Modul 11 abgezogen und zur Regeneration des Reäktionsmittels einer Elektrodenkammer der Zelle 14 zugeführt. Die regenerierte Reaktionslösung wird dann über die Leitung 13 in das Modul 11 zurückgeführt.

Die Module können einzeln oder auch in einer Vielfachanordnung verwendet werden. Fig. 4 zeigt die Verwendung mehrerer Module der in Fig. 2 gezeigten Art in einer Luftreinigungsvorrichtung. Gemäß der Darstellung sind mehrere Module 20 in Reihen in einem Luftschacht 21 angeordnet. Die Module einer Reihe sind gegenüber den Modulen einer anderen Reihe versetzt. Damit wird eine maximale Berührung mit der in Richtung des Pfeiles 22 durch den Luftschacht 21 durchtretenden Luft gewährleistet. Die Elektroden 23 und 24 der Module sind in Reihen- oder Parallelschaltung an eine Energiequelle 25 angeschlossen. Der Strom wird auf adäquate Regenerierung des Reaktionsmittels eingestellt. Die Anzahl und der Abstand der Module 20 wird so eingestellt, daß eine ausreichende Berührung mit der verunreinigten Luft stattfindet und die Konzentration der Verunreinigungen in der Luft in gewünschter Weise herabgesetzt wird. Die behandelte Luft tritt dann durch den Schacht 21 aus.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterungί

BEISPIEL

In Pulverform vorliegende Aktivkohle wird in eine wäßrige Suspension von Polytetrafluoräthylen (wie dieses als Teflon 30N von der DuPont de Nemours & Co, verkauft wird) eingemischt. Das entstehende Gemisch wird in die Form eines Filmes extrudiert und dieser Film wird zum Austreiben des Wassers und zur Bildung einer trockenen, halbdurchlässigen Membran mit 50 Gewichtsteilen Kohlenstoff und 50 Gewichtsteilen Polytetrafluoräthylen erhitzt. Die auf diese Weise gewonnene Membran wird als Wandung einer zy-

30981 1/0721

lindrischen Zelle verwendet, wie diese in Fig. 2 dargestellt ist und einen Durchmesser von 45 mm und eine Höhe von 250 mm aufweist. Die Zelle weist weiter noch einen Separator aus Porzellan und eine Nickelanode auf, die mit mit Lithium dotiertem Nickeloxid überzogen ist. Diese Zelle wird dann in einen hermetisch abgedichteten Kunststoffkasten mit einem Gesamtvolumen von 600 ml eingesetzt. Unterschiedliche Mengen an Verunreinigungen werden eingeleitet. Ihre Entfernung wird anschließend durch periodisches Extrahieren kleiner Luftvolumina aus dem Kasten und durch Analyse der Luftproben überprüft.

Nachdem bei in der elektrochemischen Zelle fehlendem Elektrolyten etwa 1800 mg HpS in den Kasten eingeleitet wurden, sind die Kohlenstoffmembranen und die Zellenwände offensichtlich mit HpS gesättigt und in der Masse des Kastens nähert sich die Gaskonzentration einem stetigen Zustand entsprechend einem Wert von 1 mg/10 ml, der für mindestens eine Stunde in etwa konstant bleibt. Nach der Füllung der elektrochemischen Zelle mit ' inem Elektrolyten aus einer 5N Lösung von Kaliumhydroxid wird in dem äußeren Ring durch kathodische Reduktion des Sauerstoffs Wasserstoffsuperoxid in der in der schwebenden US-Patentanmeldung 149.194 vom 2. Juni 1971 beschriebenen Art erzeugt und bei einer Wiederholung des gleichen Experiments zeigt sich, daß der gesamte Schwefelwasserstoff innerhalb von zehn Minuten nicht mehr in der Luft enthalten ist. Handelt es sich bei dem Elektrolyten um 1 N KOH, oxidiert H₂S zu H₂SO^, das mit dem KOH unter Bildung von K₂SO, und H₂O reagiert. Ähnliche Ergebnisse werden mit den im folgenden aufgezählten Verbindungen erzielt, die für bestimmte Arten von Luftverunrexnigungen beispielehaft sind: Formaldehyd, Acetaldehyd, Methylmercaptan, Dimethylsulfid, Äthylamin, Anilin, Diethylamin, Triäthylamin, Acrolein, Furfural, Phenol und Pyridin.

3098 1 1/0721

BEISPIEL

Eine gemäß der Beschreibung in Beispiel 1 hergestellte Membran bildet die Außenseite einer Zelle gemäß der Darstellung in Fig. 3, durch die eine Wasserstoffsuperoxid enthaltende Lösung (die in einer Vorrichtung erzeugt wird, wie sie in der schwebenden US-Patentanmeldung 149.194 vom 2. Juni 1971 beschrieben wird) geleitet wird.

Nach dem Austritt aus der Zelle wird die Lösung durch ein g Gefäß geleitet, in dem der Elektrolyt zwecks Änderung des pH-Wertes, zur Entfernung möglicher Überreste usw. behandelt wird, bevor er zum Superoxidgenerator zurückgeleitet wird. Dieser in einer geschlossenen Schleife ablaufende Vorgang ermöglicht sehr lange Betriebszeiten der Luftreinigungsvorrichtung.

BEISPIEL

In Pulverform vorliegendes Graphit wird in eine wäßrige Suspension von Polytetrafluoräthylen (wie es als Teflon 3ON von der DuPont de Nemours & Co. verkauft wird) eingemischt. Das sich ergebende Gemisch wird zu einem Film extrudiert und dieser wird zum Austreiben des Wassers und zur Bildung einer trockenen, halbdurchlässigen Membran aus 50 Gew.-teilen Graphit und 50 Gew.-teilen Polytetrafluoräthylen erhitzt. Ein Glasfasermaterial, das eine Lösung von 0,35 Gew.-^ Cerinsulfat in Wasser adsorbiert hat, wird unter Bildung eines Moduls mit einer Gesamtdicke von etwa 6 mm und einer Gesamtoberfläche von 750 H cm² zwischen zwei auf diese V/eise gewonnenen Membranen eingeschlossen. Das dabei entstehende Modul wird in einen hermetisch abgedichteten Behälter mit einem Volumen von 6.000 cm³ eingestellt und anschließend werden 56 ml Schwefeldioxid unter Erzielung einer Konzentration von etwa H 9x 10³ ppm in den Behälter gegeben. In periodischen Abständen werden dem Behälter Luftproben entnommen und auf ihren

3 0 9 81 1/0721

S0₂~Gehalt untersucht. Nach drei Minuten ist das gesamte Schwefeldioxid aus der Luft verschwunden. Bei einem ähnlichen Versuch, bei dem lediglich das Cerinsulfat weggelassen wurde, verblieben nach dreißig Minuten annähernd 90 % des Schwefeldioxids.

BEISPIEL

Der in Beispiel 1 geschilderte Versuch wird wiederholt mit der Ausnahme, daß 45 ml Schwefelwasserstoff statt des Schwefeldioxids verwendet werden, wobei sich eine Konzentration von etwa H 7,5 x 1CK ppm einstellt. In diesem Fall war sämtlicher Schwefelwasserstoff nach achtzehn Minuten verschwunden.

Patentansprüche

30981 1/0721

Claims

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

Anlag· Aktenzeichen

zur Eingab· vom 18. AugUSt 1972 VA, Name d. Anm. HARRY DUDLEY WRIGHT

PATEN TA NSPRÜCHE

(y, Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus verunreinigter Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen enthaltende Luft mit einer für Gas durchlässigen und für Flüssigkeiten undurchlässigen Membran in Berührung gebracht wird, daß der Verunreinigung aus der Luft der Durchtritt durch die Membran und in Berührung mit einer wäßrigen Lösung gestattet wird, die ein mit der Verunreinigung reagierendes Reaktionsmittel enthält, eine Reaktion zwischen dem Reaktionsmittel und der Verunreinigung zur Durchführung gebracht wird, wobei die Kontaktzeit zwischender Luft und der Membran ausreicht, um die Konzentration der Verunreinigung in der Luft herabzusetzen, und die Luft anschließend aus dem Kontakt mit der Membran abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmittel ein Oxidationsmittel für die Verunreinigung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Ozon, Wasserstoffsuperoxid, unterchloriger Säure und deren Salzen, chloriger Säure und deren Salzen, Chlorsäure und deren Salzen, Überchlorsäure und deren Salzen, Chinon, Chlordioxid, Chlortrioxid, Chlor, Brom, Hypobromsäure, Salzen der Bromsäure, Hypojodsäure, Übermangansauren Salzen, mangansauren Salzen, zweifach-chromsauren Salzen, Chloriridiumsalzen oder Vanadatsalzen /V(OH)^+ und V0₂+7 als Oxidationsmittel.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Wasserstoffsuperoxid als Oxidationsmittel.

W 80/2

3098.11/0721
5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von cerinsaurem Sulfat als Oxidationsmittel.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung ein kathodischer oder ein anodischer Elektrolyt für eine elektrolytische Zelle ist und zur Regeneration des Oxidationsmittels ein elektrischer Strom zwischen der Anode und der Kathode dieser Zelle zum Fließen gebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Wasserstoffsuperoxid als Oxidationsmittel.
8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet^ durch die Verwendung einer halbdurchlässigen Membran aus einem inerten, feinpulvrigen anorganischen Feststoff aus Aktivkohle, Graphit, Cerium, Zinkoxid, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid in Dispersion in einem festen, inerten und hydrophoben Polymer.
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Verwendung einer halbdurchlässigen Membran aus in Polytetrafluorethylen dispergierter Aktivkohle oder Graphit.
10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch

1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine geschlossene Kammer enthält, die Kammer eine Oberfläche aus einer halbdurchlässigen Membran aufweist, die Kammer ein Reaktionsmittel enthält, das mit den Verunreinigungen unter Herabsetzung von deren Konzentration in Luft reagiert, und Einrichtungen zum Zuführen der die Verunreinigungen enthaltenden Luft zu der Membran und zum Ableiten der behandelten und eine geringere Konzentration an Verunreinigungen aiAreisenden Luft aus der Kammer vorgesehen sind,
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß öle einen Schichtkörper aus zwei unter gegenseitigem Abstand angeordneten halbdurchlässigen Membranen aufweist und zwischen die-

309811/0721

sen Membranen ein das Reaktionsmittel aufnehmender Kern angeordnet ist.
12. - Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein inerter, faserförmiger und mit einer wäßrigen Lösung des für die Verunreinigung vorgesehenen Oxidationsmittels getränkter Träger ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Abführen des verbrauchten Reaktionsmittels aus der Kammer und zum Zuführen von frischem Reaktionsmittel in die Kammer.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Regenerieren des verbrauchten Reaktionsmittels und zum Zurückleiten des regenerierten Reaktionsmittels in die Kammer.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Regenerieren des verbrauchten Reaktionsmittels eine elektrolytische Zelle sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine elektrolytische Zelle und die Membran eine Elektrode ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem inerten, feinpulvrigen anorganischen Feststoff wie Aktivkohle, Graphit, Cerium, Zinkoxid, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid besteht, der in einem festen, inerten und hydrophoben.Polymer dispergiert ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus in Polytetrafiuoräthylen dispergierter Aktivkohle oder Graphit besteht. ;i

3098 1 1