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Zusammengesetztes Adsorptionsmittel.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Adsorptionsmittel zum Entfernen
von verschiedenartigen geruchbehafteten Materialien aus einem gemischten Gas durch
Adsorption, und sie betrifft insbesondere ein zusammengesetztes Adsorptionsmittel,
das besonders fiir die Verwendung in einem Gasstrom#Ttbergangskontaktsystem geeignet
ist.
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Zum Entfernen von riechenden Bestandteilen aus einer gasförmigen Mischung
sind eine Vielzahl von Deodorierungsverfahren vorgeschlagen und in die Praxis umgesetzt
worden, die grob in (1) Absorptionsverfahren, (2# Oxidationsverfahren und (3) Adsorptionsverfahren
eingeteilt werden können, Jedoch sind die bestehenden Verfahren in diesen drei Kategorien
unvollständig oder
weisen entweder vom technischen oder wirtschaftlichen
Standpunkt Nachteile auf.
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Unangenehm riechende Gase werden üblicherweise als Ergebnis des Betriebs
in industriellen Anlagen und Fabriken auf verschiedenen Gebieten erzeugt und sie
liegen iblicherweise in Form einer Gasmischung vor, die verschiedenartige Substanzen
enthält. Die meisten der unangenehmen Gerucdaussendenden Materialien liegen äusserst
niedrig in ihren Grenzwerten, bei denen die Gereiche nicht mehr wahrnehmbar werden,
und daher zeigt es sich auch als sehr schwierig, völlige Deodorierung einer Gasmischung
zu bewirken, die verschiedenartige geruchaussendende Materialien enthält.
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In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass gemäss dem Weber-Fechner'schen
Gesetz 99 ziege Entfernung einer Substanz, die unangenehmen Geruch aussendet, einen
Deodorierungseffekt liefert, der nur etwa 70 % beträgt. Daher wird das Entfernen
einer riechenden Substanz sogar bei der Grössenordnung von 99 a nicht als praktisch
zufriedenstellend angesehen. Nur wenn eine Entfernung in der Grössenordnung von
99,9 bis 99,99 % erzielt wird, werden Deodorierungswirkungen erreicht, die praktisch
annehmbar sind.
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Es ist fast unmöglich, in Anbetracht des beteiligten #bsorptionsmechanismusses
völlige Deodorierung durch ein Absorptionsverfahren durchzuf(thren. Bezüglich der
Oxidationsdeodoricrung liefert ein direktes Flammenverbrennungsverfahren eine Möglichkeit
der völligen Deodorierung, jedoch ist es von dem wirtschaftlichen Standpunkt aus
praktisch nicht durchführbar. Woiterhin wirft ein Deodorierungsverfahren vom katalytischen
Verbrennungstyp Probleme auf, die noch gelöst werden mtissen, wie z lA, des das/
Katalysatorgifts, und besitzt daher Grenzen in den praktischen Anwendungen.
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Zum Entfernen von riechenden Materialien oder Substanzen, die in niedriger
Konzentration in einem Gas enthalten sind, wird ein Adsorptionsverfahren sowohl
vom theoretischen als auch praktischen Standpunkt als am besten geeignet angesehen,
da praktisch völlige Deodorierung mit einem Entfernungswirkungsgrad von
99,99
% oder höher erwartet werden kann. Jedoch hat auch das Adsorptionsdeodorierungsverfahren
verschiedene Probleme, die noch gelöst werden miissen, von denen das wichtigste
die Auswahl eines Adsorptionsmittels ist, das in der Lage ist, verschiedenartige
Materialien zu adsorbieren'und zu niedrigen Herstellungskosten erhältlich ist.
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tiblicherweise sind Materialien oder Substanzen, die in Gasen und
Dämpfen enthalten sind und adsorbiert werden sollen, sehr verschiedenartig in ihren
chemischen und physikalischen Eigenschaften, d.h. sie können gesättigte Bindungen,
ungesättigte Bindungen oder beide besitzen, können nicht polar oder polar in verschiedenem
Mass sein, können vom Ionen-Bindungstyp sein, können hydrophob oder hydrophil sein
und können verschiedene Teilchengrösse besitzen. Insbesondere ist es bei der Adsorption
von verschiedenartigen Materialien oder Substanzen, die in einem zusammengesetzten
Gas oder einer Gasmischung enthalten sind, wie z.B.
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bei der Deodorierung eines Abgases, wünschenswert, ein Adsorptionsmittel
zu verwenden, das in der Lage ist, gleichzeitig verschiedene Arten von Substanzen
zu adsorbieren.
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Industriell verwendete feste Adsorptionsmittel werden grob in drei
Kategorien eingeteilt, nämlich (A) kohlenstoffhaltige Adsorptionsmittel, (B) Adsorptionsmittel
auf Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Basis und (C) Adsorptionsmittel auf Harz-Basis. Ein
Beispiel für kohlenstoffhaltige Adsorptionsmittel ist Aktivkohle (1) und für Adsorptionsmittel
auf Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Basis ist aktivierter Ton oder Klei (activated clay)
(2). Die Aktivkohle-Adsorptionsmittel sind in einer Vielzahl erhältlich, die von
der Art der Materialien und Verfahren abhängt, die zu ihrer Herstellung verwendet
wurden. Die Adsorptionsmittel auf Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Basis schliessen Kaolin
(3), aktiviertes Bauxit (4), Silika-Gel (5), Aluminiumhydroxid-Gel (Tonerdedehydrat-Gel)
(6), natürliches und synthetisches Zeolit (7) oder dergleichen ein. Ferner ist das
Adsorptionsmittel auf Harz-.Basis verschieden in seiner Art in Abhängigkeit von
den Ausgangs materialien und Verfahren seiner Herstellung.
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Gemäss einer Klassifikation nach der speziellen selektiven Adsorption
durch die innewohnenden selektiven Adsorptions-Charakteristiken gehört das kohlenstoffhaltige
Adsorptionsmittel (1) zu einem nicht-polaren .Adsorptionsmittel mit leicht hydrophoben
Eigenschaften und kann nicht-polare gesättigte Verbindungen fast unabhängig von
der Art ihrer funktionellen Gruppen adsorbieren.
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Dahingegen gehören die Adsorptionsmittel (2) bis (7) auf Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Basis
zu einem hydrophilen polaren Adsorptionsmittel, das selektiv polare Gruppen enthaltende
Verbindungen und/oder ungesättigte organische Verbindungen mit einer Doppel- oder
Dreifachbindung adsorbiert. Das Adsorptionsmittel auf Harzbasis (8.) schliesst nicht-polare
oder hochpolare Adsorptionsmittel ein.
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Unter den oben angegebenen Adsorptionsmitteln sind es nur die Aktivkohle
und eine bestimmte Art von kohlenstoffhaltigem Adsorptionsmittel, die mit einer
polaren Gruppe durch die Verwendung von körnigem Kalk ausgestattet sind und die
jetzt in Gasdeodorierungsapparaturen in industriellem Masstab verwendet werden.
Die Adsorptionsmittel (2) bis (7) auf Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Basis und das Adsorptionsmittel
auf Harz-Basis (8) besitzen nur begrenzte Anwendungen aufgrund ihrer speziellen
physikalischen Eigenschaften und/oder hohen Kosten.
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Unter den nicht-polaren Adsorptionsmitteln wird die Aktivkohle als
am hervorragensten in physikalischen Eigenschaften und in Bezug auf niedrigste Kosten
angesehen. Dagegen ist es schwierig, ein polares Adsorptionsmittel zu finden, das
derartig hervorragende physikalische Eigenschaften und niedrige Kosten aufweist,
dass es mit der nicht-polaren Aktivkohle vergleichbar ist, Obgleich synthetisches
Zeolit oder ein harzartiges Adsorptionsmittel hervorragende physikalische Figenschaften
aufweisen, können sie nicht in industriellen Gasdeodorierungsapparaturen aufgrund
ihrer unerschwinglich hohen Kosten verwendet werden. Weise terhin ist die Anwendung
von aktiviertem Bauxit, Silika-Gel oder Aluminiumhydroxid-Gel auf Dehydratation
und Entfernung von
Feuchtigkeit beschränkt, und Kaolin liegt niedrig
in seiner Adsorptionsfähigkeit. In diesem Zusammenhang wird bemerkt, dass jedoch
aktivierter Ton, der ein polares Adsorptionsmittel ist, industriell als ein Gasdeodorierungsadsorptionsmittel
verwendet werden kann. Zusätzlich liegt aktivierter Ton niedrig in den Kosten und
ist mit Ausnahme von Kaolin zu Kosten erhältlich, die etwa 1/3 von denen von aktiviertem
Bauxit, etwa 1/10 von denen für Silika-Gel, etwa 1/15 von denen für Aluminiumhydroxid-Gel,
etwa 1/15 von denen für Aktivkohle, etwa 1/40 von denen für Adsorptionsmittel auf
Harz-Basis und etwa 1/100 von denen für synthetisches Zeolit betragen.
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Zur Verwendung in einem industriellen Masstab ist es üblicherweise
erforderlich, dass die Adsorptionsmittel zusätzlich zu hervorragender Adsorptionsfähigkeit
und Aktivität zufriedenstellende physikalische Eigenschaften besitzen wie z.B. (1)
gleichmässige Strukturfestigkeitseigenschaften, (2) Abriebfestigkeit, (3) Wärmebeständigkeit
und (4) Bruchfestigkeit in Wasser.
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Jedoch erffillen die ausgeformten Teilchen von aktiviertem Ton üblicherweise
nicht die oben angegebenen Erfordernisse (1) bis (4). Dies ist der Hauptgrund dafür,
dass aktivierter Ton niemals zur Adsorption in Gasphase verwendet worden ist.
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Die Tatsache, dass aktivierter Ton nicht zufriedenstellend in einer
Gasadsorptionsapparatur in industriellem Masstab verwendet worden ist, ist teilweise
dem Nichterfüllen der Erfordernisse oder Bedingungen, die durch die vorhandenen
Gasadsorptionsapparaturen vorgegeben werden, durch den aktivierten Ton zuzuschreiben.
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Bekannte Gasadsorptionssysteme können wie folgt eingeteilt werden:
(1) Festbettsystem, in dem Gase durch eine Schicht geleitet werden, die mit einem
körnigen Adsorptionsmittel gefüllt ist.
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(2) Fliessbettsystem, in dem Gase mit einem fliessenden körnigen Adsorptionsmittel
in Kontakt gebracht werden.
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(3# Wirbelschichtbettsystem, in dem Substanzen, die in einem Gas enthalten
sind und adsorbiert werden sollen, adsorbiert werden, während ein körniges Adsorptionsmittel
mit dem Gas in Wirbelschicht in Berührung gebracht wird.
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(4) Gasfluss- oder Gasstrom-Übergangskontaktsystem, in dem ein pulverförmiges
Adsorptionsmittel in einem Gasstrom dispergiert wird und in einem parallelen Fluss
mit dem Gasstrom befördert wird, damit die riechenden Substanzen in dem Gas während
des Fliessens an dem Adsorptionsmittel adsorbiert werden.
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Die meisten der vorhandenen Gasadsorptionsapparaturen sind gemäss
irgendeinem der Systeme (1) bis (3) aufgebaut. Adsorptionsmittel, die in den Systemen
(1) bis (3) verwendet werden sollen, müssen unabänderlich hervorragende Teilchenfestigkeit,
Abriebfestigkeit, Wärmebeständigkeit und Bruchfestigkeit in Wasser aufweisen, wie
es oben beschrieben worden ist, was auf die Prinzipien oder Art der Adsorption,
die in diesen Systemen verwendet werden, zurückzuführen ist. Jedoch sind in dem
Gasstrom-Ttbergangskontaktsystem (4) die oben angegebenen physikalischen Eigenschaften
nicht notwendigerweise erforderlich, da das Adsorptionsmittel in Form eines Pulvers
mit einer Teilchengrösse von 1 bis 150 p verwendet wird und es möglich ist, ein
Adsorptionsmittel mit geeigneter Eigenschaft in Abhängigkeit von der Art der Substanzens
die adsorbiert werden sollen, auszuwählen, Um riechende Substanzen erfolgreich aus
einem zusammengesetzten Gas durch Adsorption zu entfernen, war es notwendig, eine
Anzahl von verschiedenen Adsorptionsmitteln zu verwenden, die entsprechend für verschiedene
Arten von Substanzen, die adsorbiert werden sollen, aktiv sind. Es ist jedoch wiinschenswert,
dass das Adsorptionsmittel die Fähigkeit besitzt, allein verschiedenartige riechende
Substanzen zu adsorbieren.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Adsorptionsmittel
zu schaffen, das insbesondere in einem Gasstrom-
Ubergangsadsorptionssystem
zur Deodorierung einer Gasmischung verwendbar ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Adsorptionsmittel
zu schaffen, welches in der Lage ist, verschiedenartige gasförmige Substanzen zu
adsorbieren, nämlich hydrophobe oder hydrophile, nicht-polare oder polare, gesättigte
oder ungesättigte Substanzen oder Verbindungen.
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Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zusammengesetztes
Adsorptionsmittel zu schaffen, das eine starke Adsorptionsleistung und eine hohe
Adsorptionskapazität im Vergleich zu denen der Art eines einheitlichen Adsorptionsmittels
aufweist.
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Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zusammengesetztes
Adsorptionsmittel zu schaffen, das niedrig in den Kosten ist.
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Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zusammengesetztes
Adsorptionsmittel zu schaffen, das wirksam zur Deodorierung eines industriellen
Abgases verwendet werden kann.
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Weitere Aufgaben und Vorteile und Merkmale der vorliegenden Brfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die anhand der beigefügten Zeichnungen
erfolgt.
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In den Zeichnungen zeigt: Figur 1 eine äussere Ansicht in vergrössertem
Masstab eines zusammengesetzten Adsorptionsmittels gemäss der vorliegenden Erfindung
~und Figur 2 eine schematische Ansicht einer Apparatur, die zur Herstellung des
zusammengesetzten Adsorptionsmittels der Erfindung verwendet werden kann.
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Das zusammengesetzte Adsorptionsmittel gemäss der vorliegenden Erfindung
umfasst kugelförmige aktivierte Ton- oder Klei-Teilchen
oder -K#rnchen,
die als ein Substratbestandteil verwendet werden, und feines Pulver aus weicher
Aktivkohle, welches diskontinuierlich in der ganzen Oberflächenschicht der Teilchen
oder Körnchen eingebettet ist oder an dieser anhaftet. Das heisst, dass das zusammengesetzte
Adsorptionsmittel der Frfindung durch eine Kombination von aktiviertem Ton oder
Klei als einem polaren Adsorptionsmittel und Aktivkohle als einem nichtpolaren Adsorptionsmittel
gekennzeichnet ist.
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Üblicherweise liegt das Gewichtsverhältnis des aktivierten Tons zu
Aktivkohle innerhalb eines Bereiches von 5:1-3:1. Es s wird nun auf Figur 1 Bezug
genommen. Das zusammengesetzte Adsorptionsmittel 1 der Erfindung umfasst ein Teilchen
aus aktiviertem Ton 2 und Aktivkohlepulver 3, welches in der Oberfläche des aktivierten
Ton-Teilchens 2 eingebettet oder auf dieser Oberfläche niedergeschlagen ist. Das
zusammengesetzte Adsorptionsmittel 1 kann z.B. durch eine Apparatur hergestellt
werden, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, und diese Apparatur umfasst ein Paar Abquetschwalzen
4 und 5 aus einem harten, abriebfesten Gummimaterial. Die Abquetschwalzen 4 und
5 werden auf einem entsprechenden festen Lager 6 und einem beweglichen Lager 7 getragen,
wobei das bewegliche Lager 7 mit einer Feder 8 zum geeigneten Steuern des Kontakt
druckes zwischen den zwei Abquetschwalzen 4 und 5 ausgestattet ist. Die Walze 5
wird mit einer Geschwindigkeit gedreht, die etwa 2 bis 3 Mal höher ist als die der
anderen Walze 4, um eine erzwungene Reibungsberührung zwischen beiden Walzen zu
erzeugen.
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Über den zwei Abquetschwalzen 4 und 5 ist ein Vorratsbehälter 9 zum
Zuführen einer Mischung von teilchenförmigem aktiviertem Ton mit einer Teilchengrösse
von 70 p bis 150 p und dein gepulverter weicher Aktivkohle mit einer Grösse von
10 p bis 40 y vorgesehen, Wenn die Mischung zwischen den sich drehenden Walzen 4
und 5 zugeführt wird, wird die fein gepulverte weiche Aktivkohle durch Reibung auf
den Oberflächen der relativ grosskörni gen und harten aktivierten Tonteilchen eingebettet
oder an! diesen abgelagert, was auf den Unterschied inider Rotationsgeschwin
digkeit
zwischen den Abquetschwalzen 5 und 4 zurückzuführen ist.
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Mikroskopische Beobachtung zeigt, dass das zusammengesetzte Adsorptionsmittelkörnchen,
das so erhalten worden ist, aus aktiviertem Ton und aktiviertem Kohlenstoff zusammengesetzt
ist, wobei die Aktivkohle diskontinuierlich oder verstreut in den äusseren Oberflächen
des aktivierten Tones eingebettet ist oder an diesen haftet, wie es in Figur 1 dargestellt
ist. Das zusammengesetzte Adsorptionsmittel besitzt die speziellen Adsorptionseigenschaften,
die unten noch in näheren Einzelheiten ausgeführt weriund zeigt oder behält bei
sowohl polare als auch nicht-polare Adsorptionseigenschaften, die den entsprechenden
Ausgangsmaterialien eigen sind.
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Wenn das zusammengesetzte Adsorptionsmittel in einem zusammes.gesetzten
Abgas zur Adsorptionsdeodorierung von riechenden Gasbestandteilen dispergiert wird,
werden verschiedene Arten von hydrophoben, nicht-polaren und gesättigten Verbindungen
durch die Aktivkohle auf den Oberflächen des zusammengesetzten Adsorptionsmittels
adsorbiert, während hydrophile, polare und ungesättigte Verbindungen durch den aktivierten
Ton adsorbiert werden.
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Um das Verständnis des Adsorptionsmechanismusses durch das zusammengesetzte
Adsorptionsmittel der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, zeigt die folgende
Beschreibung das Verhalten von H20 und C6H5OH, die in den feinen Poren auf der Aktivkohle-Oberfläche
durch Van-der-Waals-Kraft adsorbiert werden.
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Die durchschnittliche Teilchengrösse von Aktivkohlekugeln liegt innerhalb
eines Bereiches von etwa 12 bis 32 R, so dass in der Aktivkohle-Wasser-Dampfphase
fast keine Adsorption bei Raumtemperatur (250 C) in einer relativen Feuchtigkeit
von weniger als 50 % auftritt. Dies kann in Ausdrücken der Kelvin-Gleichung der
Kapillarität auf der Basis der Porengrösse der Aktivkohle und KapillarkondensationsphZnomenen,
die aufgrund hydrophober Eigenschaft der Aktivkohle auftreten, erwiesen werden.
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Wenn H20 -Molekäle in verschiedenen Schichten auf den Porenoberflächen
der Aktivkohle adsorbiert werden (in diesem Fall ist es undenkbar, dass die Wassermoleküle,
von denen angenommen wird, dass sie eine Grösse von 2,9 2 besitzen, die Form einer
0 FlÜssigkeit mit einer Gesamtgrösse, die kleiner als 10 A is annehmen, dann werden
die Wassermoleküle auf den Oberflächen in einem flüssigen Zustand kondensiert. Daher
tritt trotz der nicht-polaren und hydrophoben Eigenschaften der Aktivkohle Wasseradsorption
bei einer höheren relativen Fouchtigkeit auf.
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Andererseits beträgt die Menge im statischen Adsorptionsgleichgewicht
von Phenol auf Aktivkohle etwa 30 #. Phenol ist in Wasser in einer Menge von 6 g
pro 100 g Wasser bei einer normalen Temperatur unter einem normalen Druck löslich.
Dementsprechend werden die Oberflächen der Aktivkohle teilweise mit Wassermolekülen
und teilweise mit Phenolmolekülen bedeckt, wobei beide Molekülarten in einer berührenden
Beziehung zueinander stehen.
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Das Phenol, das mit Wassermolekülen in Berührung steht, wird in der
Wasserphase gelöst, da das Phenol eine Hydroxylgruppe aufweist und hydrophil ist,
gemäss dem Prinzip, das Gleiches Gleiches löst. Auf diese Weise wird ein Teil Phenol
durch l schung von einer Porenoberfläche der Aktivkohle in Wasser Übertragen, wobei
die Porenoberfläche der Rktivkohle in einem freien unbesetzten Zustand zur Adsorption
von neuem Phenol oder Wasser belassen wird, Wenn weiterhin Phenolmoleküle auf die
Oberflächen von adsorbierten Wassermolekülen fallen, während sie auf den porösen
Oberflächen der Aktivkohle bewegt werden, werden sie durch die anziehende Kraft
des Wassers beeinflusst, die auf die Hydroxylgruppe der Phenolmolekle wirkt, und
alle oder ein Teil der angezogenen Phenolmolektile wird in der Wasserphase absorbiert
oder eingefangen. Mit anderen Worten sowohl Wasser- als auch Phenolmoleküle werden
auf der Aktivkohle adsorbiert.
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Nun werden die Adsorptionsmechanismen von H20 und C6H50H auf aktiviertem
Ton oder Klei diskutiert, der mit der Aktivkohle in Kontakt steht.
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Üblicherweise besitzt die Porengrösse eines Adsorptionsmittels
eine
enge Beziehung zu seiner spezifischen Oberflächengrösse, d.h. wirksamen -Oberfläche.
Aktivierter Ton besitzt eine durchschnittliche Porengrösse von SO bis 180 2 Bei
einer Porengrösse von 2B 2 erreicht die spezifische Oberflächengrösse von Ton z.B.
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120 mi/g. Aktivierter Ton besitzt üblicherweise eine Porengrösse,
die ausreichend ist, um fast alle gasförmigen Substanzen adsorbieren zu lassen.
Im allgemeinen liegt bei einem Porenvolumen von 0,6 bis 0,8 cm3/g die spezifische
Oberflächengrösse innerhalb eines Bereiches von 250 bis 350 m² /g, welcher Wert
nicht notwendigerweise viel grösser als der von-Aktivkohle ist. Obgleich die spezifische
Oberflächengrösse ein wichtiger Faktor bei der Diskussion der Adsorptionsphänomene
in Adsorptionsmitteln ist, ist es nicht sinnvoll, die Qualität von aktiviertem Ton
nur unter Berücksichtigung seiner spezifischen Oberflächengrösse allein zu beurteilen.
Dies ist deshalb der Fall, weil, obgleich die spezifische Oberflächengrösse ein
wichtiger Faktor ist, der die Adsorptionsfähigkeit des aktivierten Tons beeinflusst,
die Besonderheiten des aktivierten Tons als ein Adsorptionsmittel nicht nur mittels
der spezifischen Oberflächengrösse bewertet werden können.
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Die theoretische Basis der vorliegenden Erfindung beruht hauptschlich
in den Besonderheiten des aktivierten Tons. Die folgende Beschreibung betrifft die
Besonderheiten von aktiviertem Ton, um so die Erläuterung der Adsorptionseigenschaften
des zusammengesetzten Adsorptionsmittels der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
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Aktivierter Ton kann durch Säurebehandlung (z.B. Schwefelsäurebehandlung)
von Kaolin (terra alba) erhalten werden. Die Kristallstruktur von Kaolin ist eine
Dreischichten-Struktur, in der eine achtseitige das heisst octaedrische Aluminiumschicht
zwischen zwei vierseitige das heisst Tetraeder-Schichten aus Kieselsäure zwischengelagert
ist. Ein Teil des Aluminiums ist durch Magnesium substituiert, und die Leerstellen
oder Löcher in der elektrischen Ladung aufgrund der Substitution werden durch angesammelte
Kationen auf den Oberflächen
der Schicht ergänzt, die die elektrischen
Ladungen der gesamten Aluminiumschicht im Gleichgewicht halten. Die Kationen sind
austauschbar mit und können ersetzt werden durch verschiedene Arten anderer Kationen
wie in einem Ionen-Austauschharz. Durch die Säurebehandlung werden die Kationen
durch Wasserstoff substituiert und bilden Tonerde-Säure (clay acid). Dann tritt
ein Wechsel in der Struktur der Oktaeder - Schicht durch ihre Solubilisation ein
und die Tetraeder - Schicht wird in freies Kieselsäure-Gel umgewandelt. Der aktivierte
Ton, der ein Produkt einer Säurebehandlung von Kaolin ist, wird besonders in Bezug
auf die Aktivität verbessert, besitzt jedoch physikalische Eigenschaften, die im
wesentlichen ähnlich denen von Kaolin sind.
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Die Zwischenschicht-Oberflächen von aktiviertem Ton, die der Luft
ausgesetzt sind, werden mit Sauerstoffmolekülen bedeckt und wirken daher so, als
hätten sie negative Ladungen, und daher neigen die gegenüberliegenden Oberflächen
der entsprechenden Schichten dazu, Dipole anzuziehen, so dass polare Moleküle anfänglich
durch eine Monoschicht-Adsorption und dann durch eine Mehrschichten-Adsorption eingefangen
werden. Die adsorbierten Moleküle werden kapillar kondensiert und in den Poren aufgefüllt,
bis sie einen Durchbruchspunkt als ein Ergebnis der Sättigung erreichen. Dies wird
wie folgt erklärt: Wenn polare Moleküle an aktiviertem Ton adsorbiert werden, werden
die Oi>erflächen der adsorbierten Moleküle negativ geladen, ziehen polare Moleküle
in mehrfachen Schichten durch elektrostatische Kraft an und geben so Anlass zu Kapillarkondensation.
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Wie aus dem Vorstehenden klar hervorgeht, ist aktivierter Ton aufgrund
seiner polaren Struktur entsprechend der ihm innewohnenden Eigenschaft für polare
Adsorption wirksam. Die Adsorption von nicht-polaren oder schwach polaren Molekülen
an aktiviertem Ton wird hauptsäbhlich der Van-der-Waals-Kraft zugeschieben Da Van-der-Waals-Kraft
nicht gerichtet ist, tritt Monoschichten-Adsorption an den Oberflächen von aktiviertem
Ton auf, ohne dass Anlass für normale Molekülanordnung gegeben wird.
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In diesem Zusammenhang wird bemerkt, dass die Adsorption an Aktivkohle
durch Van-der-Waals-Kräfte eintritt und daher die Moleküle in Monoschicht adsorbiert
werden. Kapillarkondensa tion in Aktivkohle tritt nur bei solchen Molekülen auf,
die leicht kondensierbar sind.
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Dies ist sehr ähnlich bei aktiviertem Ton.
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Wie aus dem Vorstehenden klar hervorgeht, werden bei der polaren Adsorption
die Ionen, die bereits auf dem aktivierten Ton adsorbiert sind, nicht äquivalent
mit anderen Ionen ausgetauscht.
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Bei polarer Adsorption von organischen Verbindungen ist es als wesent#lich
erforderlich, dass die organischen Verbindungen eine polare Gruppe oder polare Gruppen
besitzen. Dementsprechend tritt polare Adsorption nicht fr gesättigte Verbindungen
ein.
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Die Adsorption von nicht-polaren Molekülen an aktiviertem Ton hängt
nur von Van-der-Waals-Kraft ab und tritt in Monoschicht auf, so dass die Adsorptions-Kapazität
von aktiviertem Ton gegensilber nicht-polaren Substanzen niedriger ist im Vergleich
zu der von Aktivkohle, da die spezifische Oberflächengrösse der Aktivkohle kleiner
ist.
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Im allgemeinen werden anorganische oder organische Kationen auf dem
aktivierten Ton durch eine Ionen-Austauschreaktion adsorbiert, wobei eine positive
Ladung tragende polare Verbindung an dem negative Ladung tragenden aktivierten Ton
unter dem Einfluss der Wirkung sowohl elektrostatischer Kraft als auch Vander-Waals-Kraft
adsorbiert wird. Durch Reaktion mit dem aktivierten Ton werden anorganische oder
organische Kationen mit einer kleinen Grösse auf dem aktivierten Ton mittels elektrostatischer
Kraft adsorbiert, wobei gleichzeitig durch Austausch damit das Xquivalent an Kationen,
die an dem aktivierten Ton adsorbiert worden sind, freigesetzt wird. In diesem Fall
können organische Kationen mit einer relativ grossen Grösse ebenfalls durch Van-der-Waals-Kraft
adsorbiert werden. Auf diese Weise ist bei aktiviertem Ton eine Ionen-Austauschreaktion
wie in einem Ionen-Austauschharz beteiligt.
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Wie oben erwähnt, besitzt aktivierter Ton verschiedene Adsorptionsfähigkeit,
einschliesslich Van-der-Waals-Adsorption, polarer Adsorption, Ionen-Austauschadsorption
und dergleichen, so dass er in der Lage ist, verschiedenartige Verbindungen oder
Substanzen zu adsorbieren, wenn er unter Bedingungen verwendet wird, die für die
besonderen Eigenschaften der Verbindungen oder Substanzen, die adsorbiert werden
sollen, geeignet sind.
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Die folgende Beschreibung erläutert die Adsorption von H20 und C H
OH an Porenoberflächen von aktiviertem Ton durch Van-der-Waals-Adsorption, polarer
Adsorption und dergleichen. Der aktivierte Ton ist ein hydrophiles, polares Adsorptionsmittel,
und dementsprechend werden Wassermoleküle, die in einem zugefthrten Gas enthalten
sind, in die Poren des aktivierten Tons durch Molekulardiffusion eindiffundieren.
Im allgemeinen adsorbiert ein Adsorptionsmittel wie z.B. Aktivkohle, die eine grosse
spezifische Oberflächengrösse aufweist, ein Gas in einer grossen Monge bei einem
statischen Adsorptionsgleichgewicht, jedoch wird die Adsorptionsmenge grösser mit
einer grösseren Porengrösse in einem dynamischen Adsorptionsprozess, bei dem ein
Gasfluss mit einer geeigneten Durchflussgeschwindigkeit beteiligt ist. Dies wird
einer hohen Gasdiffusionsgeschwindigkeit zugeschrieben, die durch einen kleinen
Diffusionswiderstand des grossporigen Adsorptionsmittels erhalten wird, und kann
eine der wertvollen Eigenschaften des aktivierten Tons bei praktischen Anwendungen
bilden.
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Wassermolekitle, die in die Poren des aktivierten Tones eingedrungen
Sind, besitzen typischerweise starke Polarität und werden auf den Porenoberflächen
des aktivierten Tons durch die polare Adsorption adsorbiert und kondensiert. Währenddessen
wird ein Teil Phenol, der zusammen mit den Wassermolekülen in die Poren diffundiert
und eingedrungen ist, aufgrund seines Besitzes von Hydroxylgruppen auf den Porenoberflächen
des aktivierten Tons adsorbiert. Wenn Phenol die Porenoberflächen erreicht, die
bereits Wassermoleküle adsorbiert haben, wird die Hydroxylgruppe von Phenol durch
das kondensierte Wasser angezogen und ein
Teil Phenolmoleküle werden
in der Wasserphase gelöst entsprechend dem Prinzip, das Gleiches Gleiches löst.
Sowohl Wasser als auch Phenol werden auf diese Weise an dem aktivierten Ton adsorbiert.
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Der Adsorptionsmechanismus der Aktivkohle und von aktiviertem Ton
sind insoweit in Bezug auf einen Fall beschrieben worden, bei dem die Aktivkohle
oder der aktivierte Ton unabhängig oder allein als ein Adsorptionsmittel verwendet
werden.
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Es folgt eine Beschreibung der Adsorptionseigenschaften, die dem
zusammengesetzten Adsorptionsmittel der Erfindung eigen sind, welches aus einer
Kombination aus Aktivkohle und aktiviertem Ton besteht, insbesondere in Bezug auf
Adsorption von Wasser und Phenol. Es wird ausdrücklich bemerkt, dass die folgende
Beschreibung auf der Annahme beruht, dass die Adsorption unter Bedingungen durchgeführt
wird, die für die besonderen physikalischen Eigenschaften der Substanzen, die adsorbiert
werden sollen, geeignet sind.
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Wasser und Phenol werden an der Aktivkohle und dem aktivierten Ton
durch# den Adsorptionsmechanismus adsorbiert, wie er oben jeweils beschrieben worden
ist, in dem anfänglichen Zustand der Adsorption. Dann werden Wasser und Phenol,
die adsorbiert sind an den Porenoberflächen von der tktivkohle, die in den äusseren
Oberflächen des aktivierten Tons ei#ngebettet oder unter Druck gebunden ist, leicht
durch vorher an dem hydrophilen, polaren aktivierten Ton adsorbiertes Wasser und
Phenol gezogen oder angezogen, da die Aktivkohle ursprünglich hydrophob und nicht-polar
ist, so dass das Wasser und Phenol, welches an der Aktivkohle adsorbiert sind, leicht
durch Wasser und Phenol, die polar an den Porenoberflächen des aktivierten Tons
adsorbiert sind, angezogen und adsorbiert werden. Als ein Ergebnis wird ein Teil
der Porenoberflächen der Aktivkohle unbesetzt.
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Währenddessen wirken die adsorbierten Wasseroberflächen an dem aktivierten
Ton wie negativ geladene Oberflächen, um weiter polare Verbindungen zu adsorbieren.
Weiterhin wird adsorbiertes
Phenol normalerweise auf den Zwischenschicht-Wasseroberflächen
durch Multischichten-Adsorption aufgrund der hydrophilen und polaren Eigenschaften
von Phenol angeordnet. Auf diese Weise werden Wasser und Phenol, die auf der Aktivkohle
adsorbiert sind, welche einen Teil der Oberflächenschicht der zusammengesetzten
Adsorptionsmittelteilchen bildet, ständig zu der Aktivkohle übergeführt, und auf
diese Weise wird die Menge Feuchtigkeit oder adsorbiertes Wasser an der Aktivkohle
immer kleiner gehalten, als eine Gleichgewichtsfeuchtigkeit bei einem bestimmten
relativen Feuchtigkeitswert wiederbringt, wobei gleichzeitig Verringerungen in der
Menge des adsorbierten .Phenols auftreten, um kontinuierlich einen Platz auf der
Aktivkohle für weitere Adsorption zu schaffen. Das bedeutet, dass die Aktivkohle
als ein Fänger oder Einfangmittel dient. Die Feuchtigkeit oder das adsorbierte Wasser
in dem aktivierten Ton adsorbiert dahingegen Feuchtigkeit oder Wasser, welches von
der Aktivkohleweggefübrt wird, wobei der Wassergehalt auf dem aktivierten Ton anwächst.
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Jedoch wird das adsorbierte Wasser teilweise verdampft, um ein Feuchtigkeitsgleichgewicht
in einer relativen Feuchtigkeit des Gases aufrecht zu erhalten. Dementsprechend
werden die adsorbierten und gelösten Substanzen fast bis zu einem Ausmass, das nahe
der Sättigung liegt, kondensiert.
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Aus dem Vorstehenden geht klar hervor, dass ein Teil des nicht gebundenen
Wassers, das in dem aktivierten Ton enthalten ist, durch adsorbierte Substanzen
substituiert wird. In diesem Zusammenhang wird bemerkt, dass der aktivierte Ton
im allgemeinen nicht gebundenes wasser in einer Menge vnn etwa 12 bis 15 g bei einer
normalen Temperatur und normalen relativen Feuchtigkeit enthält.
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In der vorstehenden Beschreibung wurden die Adsorptionsmechanis men
des zusammengesetzten Adsorptionsmittels der vorliegenden Erfindung mittels spezieller
Substanzen, die adsorbiert werden sollen, erläutert. Jedoch kann dies ebenfalls
auf fast alle Substanzen angewendet werden, wenn das zusammengesetzte Adsorptionsmittel
unter geeigneten Bedingungen verwendet wird, die von
den Eigenschaften
der entsprechenden Substanzen, die adsorbiert werden sollen, abhängen. Das bedeutet,
dass das zusammengesetzte Adsorptionsmittel der Erfindung eine stärkere Adsorptionsleistung
und eine höhere Adsorptionskapazität aufweist im Vergleich zu bestehenden und bekannten
Adsorptionsmitteln, bei denen tktivkohle oder aktivierter Ton allein verwendet wird,
wobei synergistische Effekte starker Adsorptionsleistung aufgrund von Van-der-Waals-Kräften
der Aktivkohle und grosserAdsorptionskapazität aufgrund polarer Adsorptionsleistung
und grosser Porengrösse und grossen Porenvolumens des aktivierten Tons auftritt.
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Das zusammengesetzte Adsorptionsmittel kann verschiedene Arten von
Substanzen in einem gemischten Gas adsorbieren und ist insbesondere zur Verwendung
bei Deodorierung von Abgas geeignet, welches riechende polare organische Verbindungen
enthält.
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Die praktische Anwendbarkeit einer industriellen Gasadsorptions-Deodorierungsapparatur
hängt in weitem Masse von der Verwendbarkeit unter der Forderung von Stabilität
und niedrigen Kosten eines Adsorptionsmittels, das verwendet werden soll, ab. Das
zusammengesetzte Xdsorptionsmittel der vorliegenden Erfindung besitzt als seinen
Hauptbestandteil Kaolin, das in grosser Menge in der Natur auftritt und das zu niedrigen
Kosten auf kommerzieller Basis erhältlich ist. Es ist weit vorteilhafter als das
Verbrennungsdeodorierungsverfahren, das Erdöl in solch einer grossen Menge verbraucht,
dass das Erfordernis der stabilen und konstanten Versorgung gefährdet ist. Daher
liefert das zusammengesetzte Adsorptionsmittel der Erfindung einen grossen Beitrag
zu industriellen Adsorptions- und Deodorierungsverfahren sowohl vom technischen
als auch tom wirtschaftlichen Standpunkt.
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Die vorliegende Erfindung wird nun insbesondere anhand des folgenden
Beispiels beschrieben.
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Beispiel Die folgenden drei Proben wurden einem Adsorptionstest unterworfen:
(1)
Pulverförmige Aktivkohle 10 g (2# Pulverförmiger aktivierter Ton (clay) 10 g (3)
Pulverförmiges zusammengesetztes Adsorptions- 10 g mittel der Erfindung (1 g pulverförmige
Aktivkohle und 9 g pulverförmiger aktivierter Ton).
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Jeder Test wurde durch Verwendung einer Probengaszuführungsapparatur
durchgeführt, die mit einer Adsorptionsflasche versehen war, welche mit Filtern
ausgestattet war zur Verhinderung des Verlustes von Probenadsorptionsmittel. Die
Flasche wurde mit der Apparatur über einen flexiblen Gummischlauch verbunden, um
das Schütteln der Flasche zum Dispergieren und Flotieren der Probe innerhalb des
Raumes der Flasche zu erlauben. Nach Einführen des Proben-Adsorptionsmittels in
die Flasche wurde ein Probengas, d.h. Ammoniakgas, mittels einer Vakuumpumpe angesaugt.
Die Konzentration von Ammoniak wurde innerhalb eines Bereiches von 50 bis 500 ppm
eingestellt. Die Menge des Gases, das von der Vakuumpumpe abgesaugt wurde, wurde
mittels eines Kitagawa-Detektors bestimmt. Wenn die Ammoniak-Konzentration des abgesaugten
Gases etwa 50 ppm erreichte, wurde trockene saubere Luft bei 20°C unter 760 mmHg
in die Flasche angesaugt, worauf das Wiegen der flasche mittels einer chemischen
Waage erfolgte. Das Wiegen wurde wiederholt, bis das Gewicht der Flasche konstant
wurde. Vor dem Einführen des Ammoniakgases durch Ansaugen wurde jede Probe mittels
sauberer trockener Luft von 200 C unter 760 mmHg getrocknet.
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Die Tests für jede Probe wurden unter den folgenden zwei verschiedenen
Bedingungen durchgeführt.
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(A) Relative Feuchtigkeit des Gases 54 % (B) Relative Feuchtigkeit
des Gases 80 to Die Testergebnisse sind in den Tabellen CA) und (B) angegeben.
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Tabelle (A) Probe- Gewicht Gewicht nach Adsorptions-Nr. Nicht-adsorbiert
Sättigung Kapazität 1 10 g 10 g + unmerk- unmerkliche Menge liche Menge -2 10 g
10,63 g 0,63 g - 6,3 t 3 10 g 10,72 g 0,72 g - 7,2 % Tabelle (B) Probe- Gewicht
Gewicht nach Adsorptions-Nr. Nicht-adsorbiert Sättigung Kapazität 1 10 g 10 g +
unmerk- unmerkliche Menge -liche Menge 2 10 g 12,1 g 2,1 g " 3 10 g 13,2 g 3,2 g
- 32 % Die oben angegebenen Werte wurden mit gesättigten Adsorptionsmitteln bestimmt,
die bis zu einem konstanten Gewicht durch Zuführen sauberer getrockneter Luft von
200 C und 760 mmHg getrocknet worden waren, so dass die Adsorptions-Kapazitätswerte
nicht durch Wechsel in der relativen Feuchtigkeit des Gases beeinflusst wurden.
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Betrachtet man die Testbedingungen (A) und (B), so findet man, dass
die Adsorptionsleistung stark durch die relative Feuchtigkeit des Gases beeinflusst
wird. Das heisst, wenn die relative Feuchtigkeit niedrig ist, wird die Adsorptions-Kapazität
klein;
wohingegen eine hohe relative Seuchtigkeit zu einer hohen
Adsorptions-Kapazität führt. Dies ist eine charakteristische Eigenschaft des zusammengesetzten
Adsorptionsmittels gemäss der Erfindung. Daher sollte der Adsorptionsbetrieb unter
geeigneten Bedingungen, die von den speziellen Eigenschaften oder Charakteristiken
der Substanzen, die adsorbiert werden sollen, abhängen, durchgeführt werden.