DE3819727A1 - Verfahren zur herstellung eines elementes zum adsorbieren eines gases bis zu einer aeusserst geringen konzentration - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines elementes zum adsorbieren eines gases bis zu einer aeusserst geringen konzentrationInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her
stellung eines Elementes, das Gas bis zu einer äußerst
geringen Konzentration bzw. Gas, das in einer äußerst
geringen Konzentration vorliegt, adsorbiert. Insbesondere
kann ein solches Element dazu benutzt werden, um ein
aktives Gas aus einem nicht reagierenden Gas zu adsor
bieren und es aus diesem zu entfernen, um die Konzentra
tion des aktiven Gases in dem nicht reagierenden Gas bis
auf einen äußerst niedrigen Wert zu reduzieren. Bei
spielsweise kann das Element verwendet werden, um Luft
mit äußerst niedrigem Taupunkt zu erhalten. Das Element
ist als Block ausgebildet, der viele kleine Kanäle auf
weist, die sich zwischen gegenüberliegenden Flächen durch
den Block erstrecken. Das Element enthält ein festes
Adsorbens, das Wasserdampf und andere aktive Gase rever
sibel zu adsorbieren vermag. Prozeßgas (d. h. nicht rea
gierendes Gas, das aktiviertes Gas enthält) und Desorptions
gas (d. h. Gas, das adsorbiertes Gas desorbiert)
können alternativ durch die kleine Kanäle geführt werden.
In der japanischen Patentanmeldung Nr. 86 969/1985 (diese
korrespondiert zu der US-Patentanmeldung Nr. 8 52 291)
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Feuchtigkeits
austauschelementes oder eines Austauschelementes für die
gesamte Wärmenergie vorgeschlagen. Dieses Element
besteht hauptsächlich aus Silikart-Aerogel mit einer
Matrix aus anorganischen Faserpapieren. Gemäß dieser Pa
tentanmeldung werden Papiere niedriger Dichte aus anor
ganischer Faser, beispielsweise Keramikfaser, in der
Form eines Feuchtigkeitsaustauschelementes oder eines
Austauschelementes für die gesamte Wärmeenergie mit
vielen kleinen Kanälen laminiert, mit Wasserglaslösung
vor oder nach dem Laminieren imprägniert, und das Laminat
wird in wässeriger Lösung eines oder mehrerer Aluminium-,
Magnesium- oder Calciumsalze getränkt, um Silikathydrogel
zu erzeugen, und mit Wasser gewaschen und getrocknet,
um dieses Element zu erhalten.
Die ungeprüfte, offengelegte japanische Patentanmeldung,
Nr. 19 548/1979 beschreibt einen regenerierbaren Rotor zum
Entfeuchten, der aus Asbestpapieren hergestellt ist, die
Molekularsieb, nämlich synthetisierten (synthetischen)
Zeolith, entalten, und der in eine Form mit vielen kleinen
Kanälen gebracht ist. Weiterhin wird dort ein regene
rierbarer Rotor zum Entfeuchten beschrieben, der aus me
tallischen Flachmaterialstücken, Papieren oder non-wovon
textilen Flachmaterialstücken hergestellt ist, die in
eine Form mit vielen kleinen Kanälen gebracht sind, und
auf deren Oberfläche synthetischer Zeolith als Trock
nungsmittel aufgetragen ist. Ein Verfahren zum sicheren
Haften und Verbinden es synthetischen Zeoliths als
Trocknungsmittel an bzw. mit den Oberflächen dieser
Flachmaterialstücke mit Hilfe von Silikagel ist in den
offengelegten, ungeprüften japanischen Patentanmeldungen
Nr. 62 598/1985 und Nr. 2 46 000/1985 beschrieben.
Das oben erwähnte Silikagel, das als Haftmittel und Ver
bindungsmittel verwendet wird, weist eine geringe
Trocknungs- bzw. Entfeuchtungsfähigkeit auf. Daher ist
die Entfeuchtungsfähigkeit pro Gewichtseinheit des
Entfeuchtungselementes um so geringer, je größer das
Volumen eines solchen Silikagels und anderer anorgani
scher Bindemittel ist. Wird das Volumen des Binde
mittels verringert, so verringert sich die mechanische
Festigkeit des Entfeuchtungselementes, das durch das
Bindemittel verstärkt ist, und das Element kann nicht
verwendet werden. Darüber hinaus besteht ein Nachteil
bei der Verwendung von synthetischem Zeolith darin, daß
der an der Matrix des Elementes haftende und mit ihr
verbundene Zeolith während des Gebrauchs in Pulverform
herunterfallen kann.
Jedoch weist synthetischer Zeolith, wenn der Durchmesser
seiner kleinen Poren genau ausgewählt ist, eine ausge
zeichnete Fähigkeit auf, Wasserdampf und andere aktive
Gase zu adsorbieren, um Luft oder andere, nicht reagierende
Gase mit äußerst niedrigem Taupunkt zu erhalten.
Synthetischer Zeolith ist teuer, und die Herstellung von
Papier durch Zumischen von Zeolith führt sowohl zu einer
geringen Ausbeute, die 50% oder weniger betragen kann,
da der Zeolith eine geringe Haftung hat. Daher ist die
Herstellung von Papier, dem synthetischer Zeolith beige
mischt wird, unerwünscht. Darüber hinaus besteht ein
Nachteil bei der Verwendung von synthetischem Zeolith
darin, daß die adsorbierte Feuchtigkeit (Wasser) nicht
vollständig entfernt werden kann und daß das Element nur
bei hohen Temperaturen regeneriert werden kann. Es kann
nur wenig Feuchtigkeit (Wasser) entfernt werden, und das
Element kann kaum bei Temperaturen, die 140°C nicht
übersteigen, regeneriert werden.
Bei der Ausführung der Erfindung wird ein Element zum
Adsorbieren eines Gases von äußerst geringer Konzentra
tion mit ausreichender mechanischer Festigkeit herge
stellt, indem man synthetisches Zeolithpulver, das in
einer wässerigen Lösung von Wasserglas dispergiert ist,
anstelle von reinem Wasserglas verwendet. Anorganisches
Faserpapier wird mit der Dispersion von synthetischem
Zeolith in der wässerigen Lösung von Wasserglas mit Hilfe
des in der oben erwähnten japanischen Patentanmeldung,
Nr. 86 969/1985 angegebenen Verfahren imprägniert. Ein
Block wird mit der Papiermatrix als Kern und mit synthe
tischem Zeolithpulver und Metallsilikat-Aerogel als zwei
Arten von Adsorbenzien gebildet, wobei das Metallsilikat-
Aerogel ebenso als Bindemittel dient. Das heißt, Papiere
mit geringer Dichte werden laminiert, um eine Matrix in
der Form eines Gas adsorbierenden Elementes mit vielen
kleinen, sich zwischen gegenüberliegenden Flächen durch
sie hindurch erstreckenden Kanälen zu bilden. Die Matrix
wird mit in wässeriger Wasserglaslösung dispergiertem.
synthetischem Zeolithpulver imprägniert und getrocknet.
Dannn wird sie in wässeriger Lösung von Aluminium-, Magne
sium-, Calcium- oder anderen geeigneten Metallsalzen ge
tränkt. Durch die Reaktion des Wasserglases mit den Me
tallsalzen wird ein starkes Hydrogel erzeugt, in dem Me
tallsilikat und synthetisierter Zeolith gleichmäßig dis
pergiert sind. Die Matrix wird mit Wasser gewaschen und
getrocknet, um den synthetischen Zeolith und das Metall
silikat-Aerogel zu verbinden; diese Kombination weist mit
dem Kern der Matrix eine sehr starke Gasadsorptionsfähigkeit
auf.
Die Erfindung gibt demnach ein Verfahren zur Herstellung
eines Elementes an, in welchem Gas mit einer äußerst ge
ringen Konzentration adsorbiert werden kann. In dem Ele
ment sind synthetisierter Zeolith und Metallsilikat-Aero
gel mit Gasadsorptionsfähigkeit stabil in einem einzigen
Körper einer Matrix untergebracht. Das Verfahren enthält
folgende Schritte: Laminieren von Flachmaterialstücken,
vorzugsweise Papier, niedriger Dichte, um die Matrix in
der Form eines Gas adsorbierenden Elementes mit vielen
kleinen Kanälen zu erhalten, die zwischen gegenüberlie
genden Flächen durch sie durchgehen, Tränken der Matrix
in wässeriger Wasserglaslösung, in der synthetisiertes
Zeolithpulver dispergiert ist, Trocknen der getränkten
Matrix, Tränken der Matrix in wässeriger Lösung von was
serlöslichen Metallsalzen, die durch die Reaktion mit
Wasserglas Silikatgel erzeugen können, beispielsweise
Aluminium-. Magnesium-, Calciumsalze usw., um durch die
Reaktion des Wasserglases mit den Metallsalzen ein Hydro
gel des Metallsilikats zu erzeugen, und anschließendes
Waschen mit Wasser und Trocknen der getränkten Matrix.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Zur Herstellung der Matrix kann jedes Flachmaterialstück
bzw. Papier verwendet werden, das gegenüber dem Prozeßgas
und den aktiven Gasen, die adsorbiert und aus dem Prozeß
gas entfernt werden sollen, beständig ist und das in
Wabenstruktur gebildet werden kann. Wenn jedoch das Element beim Regenerierprozeß erhitzt wird, beispielsweise
wenn das Gas adsorbierende, erfindungsgemäße Element zur
Entfeuchtung (beispielsweise von Luft) verwendet wird,
und durch erhitzte Regenerierluft desorbiert und regene
riert wird, sollte das Papier ein Papier aus anorgani
schen Fasern sein, das nicht brennt, beispielsweise Pa
pier, das hauptsächlich aus Keramikfaser, Steinfaser,
Schlackenfaser, Glasfaser, Karbonfaser oder Mischungen
aus solchen Fasern besteht. Auch Asbestfaser ist eine
anorganische Faser, die nicht brennt, aber sie sollte aus
gesundheitlichen Gründen nicht verwendet werden. Wenn die
Regenerierung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird
oder wenn für die Regenerierung kein Erwärmen notwendig
ist, wie bei dem Druckwechsel-Regenerationsverfahren,
kann ein organisches Faserpapier verwendet werden.
Es muß an dieser Stelle bemerkt werden, daß synthetischer
Zeolith nur im pH-Bereich zwischen 5 und 12 stabil ist
und daß er beim Kontakt mit Säurelösung oder stark al
kalischer Lösung außerhalb dieses pH-Bereiches zersetzt
wird und seine Gasadsorptionsfähigkeit abnimmt. Daher
kann stark alkalisches Wasserglas nicht als Adhäsiv beim
Laminieren der Papiere verwendet werden, um die Matrix
zu bilden, aber neutrale Adhäsive, wie Polyvinylacetat-
Emulsion kann alleine oder in einer Mischung mit anorga
nischen Adhäsiven verwendet werden.
Beim Dispergieren des synthetischen Zeolithpulvers in
wässerigen Wasserglaslösung sollte der pH-Wert der
wässerigen Wasserglaslösung besonders beobachtet werden.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem der pH-Wert wässeriger
Wasserglaslösungen mit unterschiedlichen Gewichtsver
hältnissen von SiO₂/Na₂O über den Gewichtsprozenten
des Na₂O dargestellt ist. Wasserglas (Nr. 1, in Fig. 3
nicht dargestellt) mit SiO₂/Na₂O = 2,1 kann nicht
verwendet werden, da der pH-Wert über 12,2 hinausgeht,
wenn die Na₂O-Konzentration mehr als 1 Gew.-% beträgt,
d. h. wenn die Konzentration des Wasserglases mehr als
3 Gew.-% beträgt. Es ist auch besser, kein Wasserglas
(Nr. 2, in Fig. 3 nicht dargestellt) zu verwenden, bei
dem das Verhältnis SiO₂/Na₂O 2,5 ist. Wenn die
Na₂O-Konzentration in der wässerigen Wasserglaslösung
(Nr. 2) 1 Gew.-% ist, wenn die Konzentration des
Wasserglases 3,5 Gew.-% beträgt, ist ihr pH-Wert zwar
kleiner als 12. Beim Trocknungsvorgang vor der Reaktion
mit dem Metallsalz erreicht das Wasserglas, das noch
nicht reagiert hat, jedoch eine hohe Konzentration und
kann gleichzeitig auch eine hohe Temperatur erreichen,
und der pH-Wert kann über 12 hinausgehen. Wasserglas
(Nr. 3, in Fig. 3 nicht dargestellt), bei dem das Ver
hältnis SiO₂/Na₂O 3,1 ist, kann unbesorgt verwendet
werden, da der pH-Wert nicht über 12 hinausgehen kann,
selbst wenn die Konzentration des Na₂O 10 Gew.-% aus
macht, d. h. wenn die Konzentration des Wasserglases 41
Gew.-% beträgt.
Im folgenden werden die Metallsalze betrachtet, die mit
Wasserglas reagieren, um Silikatgel zu erzeugen. Prinzi
piell kann jedes lösliche Metallsalz verwendet werden,
das zu einem angemessenen Preis erhalten werden kann und
das bei der Reaktion mit Wasserglas Gas adsorbierendes
Silikatgel erzeugen kann, das in Wasser unlöslich ist.
Jedoch sollte der pH-Wert der wässerigen Lösung, beson
ders der pH-Wert nach der Herstellung des Silikatgels
durch die Reaktion mit Wasserglas im Bereich von 5 bis
12 liegen. Die folgende Tabelle gibt bei einer relativen
Feuchtigkeit von 75% das Gewicht des adsorbierten
Wasserdampfes pro Gewichtseinheit des Elements (d. h. des
Gas adsorbierenden Elementes) in Prozent an, das durch
Reaktion von Wasserglaslösung ohne synthetischen Zeolith
mit wässerigen Lösungen verschiedener Metallsalze zur
Herstellung des Silikatgels erhalten wurde, wobei die
Bedingungen die gleichen wie beim Beispiel 2 (unten be
schrieben) sind. Die Tabelle zeigt ebenso den pH-Wert
der wässerigen Lösung bei einer Temperatur von 21°C nach
der Reaktion.
Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 wurden acht unterschied
liche Metallsalze verwendet. Die pH-Werte der wässerigen
Lösungen nach der Reaktion waren kleiner als 5, wenn die
Aluminiumsalze und Magnesiumchlorid verwendet wurden.
Daher wird in den unten angegebenen Beispielen Magnesium
sulfat verwendet.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden
im folgenden anhand mehrerer dargestellter Ausführungs
beispiele noch näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 und 2 perspektivische Ansichten von erfindungsge
mäß hergestellten Elementen;
Fig. 3 ein Diagramm, das die pH-Werte von wässerigen
Wasserglaslösungen zeigt;
Fig. 4 eine Perspektivansicht eines weiteren erfindungs
gemäß hergestellten Elementes;
Fig. 5 eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht
eines Rotations-Entfeuchters;
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines anderen Rota
tions-Entfeuchters; und
Fig. 6 bis 10, 12 und 13 Diagramme, die die Entfeuch
tungsfähigkeit der erfindungsgemäß hergestellten
und der bekannten Elemente zeigen.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Elemente enthalten in
flacher Konfiguration verbliebene (d. h. nicht gewellte)
Flachmaterialstücke 1, in gewellte Konfiguration gebrachte
Flachmaterialstücke 2 und kleine Kanäle 3.
Ein wenig organische Synthetikfaser wird zu einer Silika-
Aluminium-Keramikfaser gegeben, um ein Papier von nie
driger Dichte mit einem spezifischen Gewicht von etwa 0,3
bis 0,45 g/cm³ und einer Dicke von etwa 0,15 bis 0,25 mm
herzustellen. Durch die Verwendung eines Adhäsivs aus
einer Mischung von Kunstharz, wie Polyvinylacetat, und
einem anorganischen Bindemittel werden das flache Papier
1 und das gewellte Papier 2 alternativ zusammengeklebt
und, wie in Fig. 1 oder 2 gezeigt, laminiert. Das Laminat
wird dann auf etwa 400°C erhitzt, um organische Materialien,
d. h. organische Fasern, im Papier enthaltene Binde
mittel und im Adhäsiv enthaltenes Polyvinylacetat, zu
entfernen, um so eine Matrix in der Form eines Gas adsor
bierenden Elementes mit vielen kleinen Kanälen 3 zu er
halten,
die sich zwischen gegenüberliegenden Flächen
durch sie hindurch erstrecken. Wasserglas Nr. 3 wird mit
Wasser verdünnt, und synthetisiert Zeolith, "Zeolam
A-4" (hergestellt von Toyo Soda Co., Ltd.) wird dazugege
ben und gleichmäßig vermischt. Die oben genannte Matrix
wird in dem wässerigen Wasserglas getränkt, das mit dem
Zeolith vermischt ist, und dann zur Trocknung erhitzt.
Die getrocknete Matrix wird dann in 20%iger wässeriger
Magnesiumsulfat-Lösung für drei bis vier Stunden ge
tränkt, um das Natriumsilikat des Wasserglases in ein
Hydrogel des Magnesiumsilikats umzuwandeln. Durch Waschen
der getränkten Matrix mit Wasser und durch Erhitzen der
Matrix zum Trocknen wird ein Element zum Adsorbieren von
Gas bis hinab zu einer äußerst niedrigen Konzentration
erhalten. Das Element, dessen Kern aus der Papier-Matrix
aus anorganischen Fasern besteht, enthält synthetischen
Zeolith und Magnesiumsilikat-Aerogel, die in einem einzi
gen Körper in der in Fig. 1 oder 2 gezeigten Gestalt ge
bildet und verbunden sind, wobei das Magnesiumsilikat als
Bindemittel dient.
In gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, wird
Wasserglas Nr. 3 mit Wasser verdünnt und mit "Zeolam A-4"
gleichmäßig vermischt, um eine erste Tränklösung herzu
stellen. In gleicher Weise wie in der japanischen Patent
anmeldung, Nr. 86 969/1985, beschrieben, wird Wasserglas
Nr. 3 mit Wasser verdünnt, um eine zweite Tränklösung
zu erhalten. In gleicher Weise wie in Beispiel 1 wird
eine Matrix in der Form eines Gas adsorbierenden Elemen
tes mit vielen kleinen Kanälen durch Laminieren von
Keramikfaserpapieren niedriger Dichte hergestellt. Wie in
den Fig. 4a, b und c dargestellt, wird ein Teil 4 der
Matrix in der ersten Tränklösung getränkt, und der andere
bzw. verbleibende Teil 5 der Matrix wird in der zweiten
Tränklösung getränkt. Dann wird die Matrix zum Trocknen
erhitzt. Danach wird die Matrix in 20%iger wässeriger
Magnesiumsulfatlösung drei bis vier Stunden lang ge
tränkt, um das Natriumsilikat des Wasserglases in das
Hydrogel des Magnesiumsulfats umzuwandeln, und dann wird
die Matrix zum Trocknen erhitzt, wodurch ein Element zum
Adsorbieren eines Gases bis zu einer äußerst niedrigen
Konzentration erhalten wird. Ein Teil des Elementes be
steht aus Schichten der Mischung aus synthetisiertem
Zeolith und Magnesiumsilikat-Aerogel. Der andere Teil des
Elementes besteht aus Schichten von Magnesiumsilikat-
Aerogel, wobei die Schichten von beiden Teilen durch den
Kern der Papier-Matrix aus anorganischen Fasern verstärkt
sind.
Das erfindungsgemäß erhaltene Element wird beispielsweise
in einem Entfeuchter verwendet, um ein (mit diesem Ele
ment) nicht reagierendes Gas, wie Luft, zu entfeuchten.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen Rotations-Entfeuch
ter. Unter Bezugnahme auf diese Figur wird ein Gas adsor
bierendes Element 11 in einem Gehäuse 12 rotierbar ge
halten, das durch eine Trennwand 13 in einen Entfeuch
tungsbereich 14 und in einen Regenerationsbereich 15
unterteilt ist. Das Element 11 wird durch einen Getriebe
motor 16 und einen Antriebsriemen 17 mit langsamer Ge
schwindigkeit von fünf bis zwanzig Umdrehungen pro Stunde
gedreht. Prozeßluft oder Zuführungsluft 18 wird in den
Entfeuchtungsbereich 14 hinein und durch ihn geführt,
und heiße, weniger feuchte Regenerationsluft 19 wird in
den Regenerationsbereich 15 hinein und durch ihn geführt.
Die Prozeßluft 18 wird entfeuchtet, um Luft 20 mit
äußerst niedrigem Taupunkt zu erhalten. Der Entfeuchter
enthält eine Riemenscheibe 21, eine Spannrolle 22, eine
Gummidichtung 23 und ein Heizgerät 24 zum Desorbieren
(Regenerieren) von Luft.
Fig. 6 zeigt das Gleichgewicht der Feuchtigkeitsadsorp
tion in Gewicht pro Gewichtseinheit Adsorbens (in %);
die Nummern 1 bis 6 von Fig. 6 stellen gleichmäßige
Mischungen von synthetisiertem Zeolith und Metallsilikat-
Aerogel dar, die jeweils aus den Gas adsorbierenden
Elementen herausgenommen wurden, die gemäß Beispiel 1
hergestellt wurden, wobei jedoch die Materialen und
Mengen in jeder der Reihen 1 bis 6 der Tabelle 2 (diese
Reihen korrespondieren jeweils zu den Adsorbenzien mit
den Nummern 1 bis 6) eingesetzt wurden und anstelle von
Magnesiumsulfat die spezifizierten Metallsalze verwendet
wurden. Die Adsorbenzien Nummer 1 bis 4 sind erfindungs
gemäße Adsorbenzien, und die Adsorbenzien Nummer 5 und 6
stimmen mit denen aus der älteren japanischen Patentan
meldung Nr. 86 969/1985 überein. Das in Fig. 6 durch die
Kurve Nr. 7 dargestellten Adsorbens ist das synthetische
Zeolith "Zeolith X", das auf Seite 12 der japanischen
offengelegten Patentanmeldung Nr. 6 712/1957 der Union
Carbide & Carbon Corporation (bzw. Spalte 13 der US-PS
28 82 244, Anmelder Robert M. Milton, übertragen auf
Union Carbide Corporation) offenbart ist.
Fig. 7 zeigt das Gleichgewicht der Feuchtigkeitsadsorp
tion in Gewicht pro Oberflächeneinheit der Flachmaterial
stücke in g/m², die hauptsächlich aus Adsorbens
bestehen, die den Gas adsorbierenden Elementen entspre
chen, welche durch Verwendung der in den Reihen 1 bis
6 in Tabelle 2 angegebenen Materialien und Mengen erhal
ten wurden.
In gleicher Weise zeigt Fig. 8 das Gleichgewicht der
Feuchtigkeitsadsorption in Gewicht pro Gewichtseinheit
der Gas adsorbierenden Elemente (in %), die durch Verwendung der in den Reihen Nummern 1 bis 6 in Tabelle
2 angegebenen Materialien und Mengen erhalten wurden.
Fig. 9 zeigt die absolute Feuchtigkeit und die Temperatur
der entfeuchteten Luft am Ausgang des Entfeuchters, der
in Fig. 5 gezeigt ist und unter Verwendung eines Gas
adsorbierenden Elementes mit den Flachmaterialstücken
1, 2 mit einer Dicke von 0,2 mm konstruiert ist, wobei
das gewellte Flachmaterialstück 2 eine Wellenlänge von
3,4 mm (d. h. der Abstand zwischen den Kämmen von auf
einanderfolgenden Wellen) und eine Wellenhöhe von 1,73
mm aufweist, die Breite des Elementes, d. h. die Länge
der kleinsten Kanäle, 200 mm beträgt und die oben in Reihe
Nummer 3 der Tabelle 2 angegebenen Materialien und Mengen
verwendet sind. Die Rotationsgeschwindigkeit des Elementes
beträgt 16 Umdrehungen pro Stunde, die Geschwindig
keit der Prozeßluft am Eingang beträgt 2 m/s, das Volu
menverhältnis von Regenerationsluft zu Prozeßluft ist
1 : 3, die Temperatur der Prozeßluft beträgt am Eingang
30°C, die Temperaturen TR₁ der Regenerationsluft am
Eingang liegen bei 140°C, 160°C und 180°C, und die
absolute Feuchtigkeit der Regenerationsluft am Eingang
ist die gleiche wie die der Prozeßluft am Eingang.
Fig. 10 zeigt, entsprechend dem Beispiel 2, die absolute
Feuchtigkeit der behandelten Luft am Ausgang (g/kg′) bei
einem Rotations-Entfeuchter, ähnlich der in Fig. 5 ge
zeigten Vorrichtung, der aber unterteilt ist in einen
Behandlungsbereich 14 als Sektor von 225′, einen Regene
rationsbereich 15 als Sektor von 90° und einen Spülbe
reich, dies ist ein Kühlbereich 25 als Sektor von 45°,
wie in Fig. 11 gezeigt. Der Entfeuchter ist unter Verwen
dung der Elemente Nummer 5, 8 und 9 konstruiert.
Die Elemente Nummer 8 und 9 sind durch Verwendung der
oben (in Tabelle 2) in den Reihen 3 bzw. 5 angegebenen
Materialien und Mengen hergestellt. Die Breite der Teile
4 und 5 in Fig. 4 (a) beträgt jeweils 200 mm; das Element
5 ist durch Verwendung der Materialien und Mengen herge
stellt, die oben in Tabelle 2 in Reihe 5 angegeben sind
und weist eine Breite von 400 mm auf. Die restlichen Be
dingungen sind bei allen drei Elementen die gleichen,
d. h. die Flachmaterialstücke 1 und 2 sind 0,2 mm dick,
das gewellte Flachmaterial weist eine Wellenlänge
von 3,4 mm und eine Wellenhöhe von 1,73 mm auf. Die
Temperatur der Prozeßluft am Eingang der Elemente 8 und
5 beträgt 30°C, die des Elementes 9 beträgt 20°C. Bei
allen drei Elementen beträgt die Rotationsgeschwindigkeit
des Elements fünf Umdrehungen pro Stunde, die Luft
bzw. Windgeschwindigkeit am Eingang 15 m/s, das Volumen
verhältnis von Regenerationsluft zu Behandlungsluft
2 : 5, die Temperatur der Regenerationsluft am Eingang
140°C, und die absolute Feuchtigkeit der Regenerations
luft am Eingang ist die gleiche wie die der Behandlungs
(Prozeß-)Luft am Eingang.
Fig. 12 zeigt die Feuchtigkeit, die die absolute Feuch
tigkeit (g/kg′) darstellt, und die Temperatur des Tau
punktes DP (in °C) der behandelten Luft am Ausgang, die
durch den Rotations-Entfeuchter entfeuchtet ist, der in
Fig. 11 gezeigt ist und mit dem oben genannten Element
8 verwendet wird, das gemäß Beispiel 2 hergestellt wurde.
Die Bedingungen sind folgende: Die Rotationsgeschwindig
keit des Elementes beträgt 16 Umdrehungen pro Stunde,
die Luftgeschwindigkeit am Eingang 1,45 m/s, das Volumen
verhältnis von Regenerationsluft zu Behandlungsluft
2 : 5, die Temperaturen der Regenerationsluft am Eingang
betragen 120°C, 140°C, 160°C und 180°C, und die
Feuchtigkeit der Regenerationsluft beträgt in allen
Fällen 8,5 g/kg′.
Fig. 13 zeigt die Temperatur und die Temperatur des Tau
punktes DP (in °C) der behandelten Luft am Ausgang und
die Temperatur der Reinigungsluft am Ausgang, wenn der
Rotations-Entfeuchter, der in Fig. 11 gezeigt ist, unter
folgenden Bedingungen verwendet wird:
Breite des Elementes:|400 mm | |
verwendetes Element (verwendete Materialien und Mengen bei der Herstellung des Elementes): | Nr. 1 (Reihe 1, Tab. 2) |
Wellenlänge: | 3,4 mm |
Wellenhöhe: | 1,73 mm |
Temperatur der Prozeßluft am Eingang: | 18,7 bis 21,3°C |
Rotationsgeschwindigkeit: | 8 Umdrehungen pro Stunde |
Luftgeschwindigkeit am Eingang: | 2 m/s |
Volumenverhältnis von Regenerationsluft zu Behandlungsluft (am Eingang): | 2 : 5 |
Spülluft: | ein Teil der behandelten Luft |
Temperatur der Regenerationsluft am Eingang: | 180°C |
absolute Feuchtigkeit der Regenerationsluft am Eingang: | die gleiche wie die der Behandlungsluft am Eingang. |
Alles was oben erwähnt ist, bezieht sich auf die Regene
rierung durch Erhitzen. In einem solchen Fall wird ein
Papier aus anorganischen Fasern verwendet, und alle or
ganische Materialien, zum Beispiel organische Fasern,
organische Bindemittel und organische Adhäsive, die in
den Papieren bzw. Flachmaterialstücken oder in dem Ele
ment enthalten sind, sollten durch Erhitzen und Feuern
entfernt werden. Aber im Fall eines Druckwechselverfah
rens, bei dem Heiß-Regenerierung nicht erforderlich ist,
ist die Entfernung von organischen Materialien durch
Feuern nicht notwendig, und es kann Papier verwendet
werden, das einen großen Anteil an organischen Fasern
enthält.
Aus den Daten der Fig. 6 bis 10, 12 und 13 ist ersicht
lich, daß das wabenstrukturförmige, erfindungsgemäße,
Gas adsorbierende Element, das aus Flachmaterialstücken
gebildet ist, die hauptsächlich aus einer gleichmäßigen
Mischung von synthetischem Zeolith und chemisch synthe
tisiertem Metallsilikat-Aerogel bestehen, wobei das
Metallilikat-Aerogel in Gegenwart des synthetischen
Zeoliths synthetisiert wird, im Vergleich mit dem waben
strukturförmigen Entfeuchtungselement aus der älteren
Anmeldung, das aus Flachmaterialstücken gebildet ist,
die hauptsächlich aus Metallsilikat-Aerogel bestehen,
eine nicht so gute Wirksamkeit aufweist, Luft oder einige
andere, nicht reagierende Gase mit einer relativen Feuch
tigkeit von mehr als 30% zu entfeuchten. Aber das er
findungsgemäße Element kann einen beachtlichen Wirkungs
grad bei der Entfeuchtung von fast trockener Luft mit
einer relativen Feuchtigkeit von weniger als 15% zeigen,
zum Beispiel um Luft mit äußerst niedrigem Taupunkt von
weniger als -40°C zu erhalten (absolute Feuchtigkeit
0,08 g/kg′).
Wie in den Fig. 6 bis 8 unter den Daten für Entfeuchtung
gezeigt ist, scheint es, wenn Aluminiumsalze verwendet
wurden, daß deren Adsorptionsfähigkeit nicht das volle
Potential erreichten, da die wässerigen Lösungen der
Aluminiumsalze sauer waren und daher der synthetisierte
Zeolith zersetzt wurde. Wurde Calciumchlorid verwendet,
schien die Adsorptionsfähigkeit nicht völlig erreicht
zu werden, da die Aktivität des erzeugten Calciumsilikat-
Aerogels niedrig war. Unter den Aluminium-, Magnesium-
und Calciumsalzen ergaben die Magnesiumsalze die besten
Ergebnisse. Auf der anderen Seite können die oben er
wähnten Metalle durch Natrium vom synthetisierten Zeo
lith,
xNa₂O · y Al₂O₃ · z SiO₂ · n H₂O,
durch Behandlung
mit der wässerigen Lösung der Metallsalze substituiert
werden; aber eine merkliche Abnahme der Entfeuchtungsfä
higkeit wurde hierbei nicht festgestellt.
Wie oben erwähnt, kann synthetisierter Zeolith für eine
ausgezeichnete Feuchtigkeitsadsorptionsfähigkeit sorgen,
wenn der Durchmesser der kleinen Kanäle bzw. der Poren
durchmesser sorgfältig ausgewählt wird, und er ist ge
eignet, Luft mit äußerst niedrigem Taupunkt zu erhalten.
Beim Entfeuchten von Luft mit ziemlich hoher Feuchtigkeit
ist Metallsilikat-Aerogel jedoch besser. Andererseits,
von Gesichtspunkt der Desorption und Regeneration aus
gesehen, kann Metallsilikat-Aerogel fast ausreichend
desorbiert und regeneriert werden, wenn die Regenera
tionsluft ungefähr 140°C beträgt, synthetisierter
Zeolith jedoch erfordert eine hohe Temperatur von 180 bis
200°C zur Desorption und Regeneration. Daher ist es
besser, falls das erfindungsgemäße Element zur Adsorption
eines Gases mit äußerst niedriger Konzentration zur Ent
feuchtung von nicht reagierendem Gas einer Regenerierung
durch Erhitzen unterworfen wird, das nicht reagierende
Gas zuerst bis zu einer relativen Feuchtigkeit von 25 bis
30% mit Hilfe eines Entfeuchters zu entfeuchten, der ein
bekanntes Entfeuchtungselement, zum Beispiel das in der
japanischen Patentanmeldung 86 969/1985 beschriebene,
verwendet, und dann das nicht reagierende Gas mit Hilfe
des Entfeuchtungselementes nach dieser Erfindung weiter
zu entfeuchten, um ein nicht reagierendes Gas, beispiels
weise Luft mit äußerst niedrigem Taupunkt, zu erhalten.
Das in Beispiel 2 beschriebene Gas adsorbierende Element
ist geeignet, um eine solche zweistufige Entfeuchtung in
einem Element, also mit einem einzigen Entfeuchter durch
zuführen. Prozeßluft wird von der Stirnfläche des Teils
5 des Elementes in Fig. 4 zugeführt, das den Behandlungs
bereich des Metallsilikat-Aerogel-Teils entsprechend dem
bekannten Element aus der älteren Patentanmeldung dar
stellt, und wird im Bereich 5 zunächst im wesentlichen
entfeuchtet.
Dann wird die Prozeßluft im Bereich 4 durch den syntheti
sierten Zeolith und das Metallsilikat-Aerogel weiter ent
feuchtet, um Luft mit äußerst niedrigem Taupunkt zu er
halten, entsprechend den Daten, die in den Fig. 10, 12
und 13 gezeigt sind. Von der Stirnfläche des Teils 4 aus,
der den Regenerationsbereich der gleichmäßigen Mischung
aus synthetisiertem Zeolith und Metallsilikat-Aerogel
gemäß der Erfindung darstellt, wird Regenerationsluft
von 160 bis 180°C hineinführt, um zuerst den Bereich
4 zu regenerieren, der synthetisierten Zeolith enthält.
Dann wird mit der Regenerationsluft, deren Temperatur
etwas heruntergegangen ist, zum Beispiel auf etwa 140°C,
der Bereich 5 regeneriert, der nur Metallsilikat-Aerogel
enthält. Auf diese Weise kann die Wärmeenergie der Re
generationsluft wirksam ausgenutzt werden. In Fig. 4
können das Längenverhältnis der Bereiche 4 und 5 und
andere Bedingungen auf verschiedene Arten, je nach Ver
wendungsart eingestellt und verändert werden, wie es
zum Beispiel in den Fig. 4b und c gezeigt ist. In Bei
spiel 1 kann das Verhältnis von synthetisiertem Zeolith
und Metallsilikat-Aerogel natürlich auch in verschie
denen Bereichen engestellt und verändert werden. Analog
können auch in den Bereichen 4 und 5 des Beispiels 2
unterschiedliche Anordnungen vorgenommen werden, zum
Beispiel durch Zugabe von etwas synthetisiertem Zeolith
im Bereich 5.
Es ist ebenso möglich, zwei Bereiche des Gas adsorbieren
den Elementes von Beispiel 2 in der gleichen Größe her
zustellen, d. h. das erfindungsgemäße Element 4 zur Ad
sorption einer äußerst niedrigen Gaskonzentration und
das Entfeuchtungselement 5 nach der älteren japanischen
Patentanmeldung, Nr. 86 969/1985, und diese zu einem ein
zigen Entfeuchter zu vereinigen, um die Entfeuchtung
analog zum oben Genannten durchzuführen.
Bei den oben erwähnten Beispielen wurde "Zeolam A-4"
d. h. sogenannter synthetisierter Zeolith vom Typ 4A,
dessen kleine Kanäle einen Durchmesser von etwa 4 Å auf
weisen und der eine empirische Formel von
1,0 ± 0,2 Na₂O · Al₂O₃ · 1,85 ± 0,5 SiO₂ · Y H₂O
aufweist, zur
Entfeuchtung von Luft verwendet. Er kann ebenso wie ein
synthetisierter Zeolith vom Typ 3A mit kleinen Kanälen
mit einem Durchmesser von etwa 3 Å außer zur Entfeuch
tung, auch zur Adsorption und Entfernung von Ammoniak
und Methanol usw. verwendet werden. Darüber hinaus kann
für die Gasadsorption ein Papier verwendet werden, das
ein drittes Adsorbens, zum Beispiel Aktivkohlefaser,
enthält.
Somit wird durch die Erfindung ein wabenstrukturförmiges,
Gas adsorbierendes Element mit großer mechanischer
Festigkeit erhalten, wobei das Element aus einer Matrix
aus Papier niedriger Dichte und Metallsilikat-Aerogel
besteht, das durch chemische Reaktion in den Zwischen
räumen der Fasern des Papiers und auf dessen Oberflächen
erzeugt ist, das eine Gasadsorptionsfähigkeit aufweist
und mit synthetisiertem Zeolith gleichmäßig vermischt
ist. Das Metallsilikat-Aerogel dient hierbei auch als
Bindemittel für den synthetisierten Zeolith. Fasern, die
in dem Element enthalten sind (etwa 15 Gew.-% des Ele
mentes) dienen zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des
Feuchtigkeit adsorbierenden Blockes gegen einen plötz
lichen Wechsel von Temperatur und Feuchtigkeit. Darüber
hinaus wirkt fast das gesamte Gewicht des Feuchtigkeit
adsorbierenden Elementes (synthetisierter Zeolith unge
fähr 10 bis 70%, Metallsilikat-Aerogel ungefähr 75 bis
15%) effektiv als Gasadsorbens. Die Erfindung macht es
möglich, leicht und kostengünstig ein Gas adsorbierendes
Element zu erhalten, das insbesondere zur Entfernung
eines aktiven Gases aus einem nicht reagierenden Gas ge
eignet ist. Die Wirkung des synthetisierten Zeoliths er
möglicht, das nicht reagierende Gas mit einer äußerst ge
ringen Konzentration an aktivem Gas zu erhalten, zum
Beispiel Luft mit einem äußerst niedrigen Taupunkt.
Claims (12)
1.Verfahren zur Herstellung eines Elementes zum
Adsorbieren eines Gases bis zu einer äußerst geringen
Konzentration, mit folgenden Verfahrensschritten:
Laminieren von Flachmaterialstücken (1; 2), um eine Ma trix mit Kanälen (3) zu erhalten, die sich zwischen gegenüberliegenden Flächen der Matrix durch diese hin durch erstrecken;
Tränken mindestens eines Bereiches der Matrix in einer wässerigen Lösung von Wasserglas, in dem synthetisiertes Zeolithpulver dispergiert ist;
Trocknen der getränkten Matrix;
Tränken der Matrix in einer wässerigen Lösung von einem oder mehreren Metallsalzen, um Hydrogel von Metallsilikat durch die Reaktion des Wasserglases mit dem einen oder den mehreren Metallsalzen zu erzeugen; und
anschließendes Waschen der Matrix mit Wasser und Trocknen der Matrix zur Herstellung des Elementes.
Laminieren von Flachmaterialstücken (1; 2), um eine Ma trix mit Kanälen (3) zu erhalten, die sich zwischen gegenüberliegenden Flächen der Matrix durch diese hin durch erstrecken;
Tränken mindestens eines Bereiches der Matrix in einer wässerigen Lösung von Wasserglas, in dem synthetisiertes Zeolithpulver dispergiert ist;
Trocknen der getränkten Matrix;
Tränken der Matrix in einer wässerigen Lösung von einem oder mehreren Metallsalzen, um Hydrogel von Metallsilikat durch die Reaktion des Wasserglases mit dem einen oder den mehreren Metallsalzen zu erzeugen; und
anschließendes Waschen der Matrix mit Wasser und Trocknen der Matrix zur Herstellung des Elementes.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Flachmaterialstück hauptsächlich anorganische
Fasern enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Flachmaterialstück hauptsächlich Aktivkohle-
Faser oder andere Karbonfasern enthält.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Matrix in zwei Bereiche (4; 5) unterteilt wird,
von denen der eine Bereich (4) mit der wässerigen Lösung
von Wasserglas imprägniert wird, in der Zeolithpulver
dispergiert ist, und von denen der andere Bereich (5)
nur mit wässeriger Wasserglaslösung imprägniert wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das eine oder die mehreren Metallsalze aus Alumini
um-, Magnesium- und Calciumsalzen ausgewählt wird bzw.
werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Flachmaterialstück (1; 2) ein Papier niedriger
Dichte verwendet wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Matrix viele Kanäle (3) aufweist und daß die
Kanäle (3) klein sind.
8. Element
dadurch gekennzeichnet,
daß es nach einem Verfahren nach mindestens einem der
vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
9. Verfahren zur Adsorption eines oder mehrerer
aktiver Gase bis zu einer äußerst niedrigen Konzentra
tion,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein mit dem Element nicht reagierendes Gas, das
das bzw. die aktiven Gase enthält, durch die Kanäle eines
Elementes gemäß Anspruch 8 geleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das aktive Gas Wasserdampf und das nicht reagierende
Gas Luft ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Element durch kontinuierliches oder diskontinuier
liches Durchleiten von heißer Luft durch die Kanäle
(3) regeneriert wird, um die adsorbierten Gase zu desor
bieren.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Element nach einem Verfahren gemäß Anspruch 4
hergestellt wird, wobei das nicht reagierende Gas, das
das bzw. die aktiven Gase enthält, durch den anderen
Bereich (5) des Elementes, der kein synthetisches
Zeolithpulver enthält, geleitet und dann durch den einen
Bereich (4) geleitet wird, der das synethetische Zeolith
pulver enthält, und das zur Regenerierung des Elementes
die heiße Luft durch den einen Bereich dann durch den
anderen Bereich geleitet wird.
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