DE4238126A1

DE4238126A1 - Verfahren zur Herstellung von Füllstoff-modifizierten Polyurethan-Schaumstoffträgern für Biokonversionsprozesse

Info

Publication number: DE4238126A1
Application number: DE19924238126
Authority: DE
Inventors: Edmund Giez; Imre Dipl Chem Dr Pascik; Joachim Dipl Ing Dr Priemer
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1992-11-12
Publication date: 1994-05-19
Also published as: US5252616A; WO1994011422A1; EP0670861A1

Description

Die Erfindung betrifft ein umweltschonendes Verfahren zur Herstellung von Füllstoff-modifizierten Polyurethanschaumstoff-Trägerkörpern für Mikroorganis men sowie Enzyme mit erhöhtem Homogenitätsgrad.

Poröse, mit anorganischen und/oder organischen Füllstoffen imprägnierte, granulat- oder würfelförmige Trägermassen auf PUR-Schaumstoffbasis haben sich bei Biokonversionsprozessen, wie z. B. bei der biologischen Abwasser- und Abluftbehandlung als wichtiges Hilfsmittel und Unterstützungsmaßnahme für eine wesentliche Erhöhung der Prozeßstabilität und der Raum-Zeit-Ausbeute bewährt. Solche Trägermassen mit modifizierten Oberflächen sind den nicht modifizierten Trägern auf Schaumstoffbasis überlegen.

Gemäß DE 35 26 184 werden solche Trägermassen in einem Doppelpaddel- Schneckentrog mit gegenläufig drehenden Paddelwellen hergestellt. Dabei werden die zerkleinerten Polyurethanschaumstoffpartikel in Form von Würfeln, Stäbchen oder Flocken und die vorgesehenen Füllstoffe über getrennte Dosierschnecken in den Schneckentrog gefördert. An gleicher Stelle wird das Bindemittel, ein wäßriger Polymerisat-Latex und/oder ein reaktives Isocyanatendgruppen-enthaltendes Prepolymer eingetragen, wobei der Reaktorinhalt intensiv durchmischt wird, was eine gute Verteilung der Füllstoffe und Benetzung und Umhüllen der Schaumstoffteile zur Folge hat. Nach Einsprühen eines Koagulierungsmittels und/oder thermischer Koagulation bei 40-90°C für 3 bis 10 Minuten erfolgt eine Wäsche des ausreagierten Gemisches, wobei nicht fixiertes Feinstgut oder gelöste Salze entfernt werden.

Sowohl dieses Verfahren als auch die dadurch gewonnenen Produkte weisen einige Nachteile auf. Die Art und Intensität der Durchmischung ermöglichen keine optimale Vermischung aller Komponenten, so daß die Imprägnierung der Schaumstoffmatrix nicht gleichmäßig erfolgt, wodurch Trägerkörper mit unterschiedlichen Raumgewichten entstehen, die für die Anwendung nachteilig sind. Durch ein inhomogenes Verteilen des Bindemittels kommt es zu Stellen mit unvollständig fixierten Füllstoffsegmenten, was bei der Anwendung in Wirbelbettreaktoren zu erhöhten Abriebverlusten und Veränderungen der Raumgewicht/Dichte der Trägerkörper führt. Bei dem Verfahren werden pro Gewichtsteil Produkt etwa die dreifache Menge an Waschwasser benötigt das durch Feststoffpartikel, gelöste Salze sowie gelöste organische Substanzen belastet und als Abwasser entsorgt werden muß.

Diese Nachteile konnten durch das nachstehend näher beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren und das dadurch herstellbare erfindungsgemäße Produkt behoben werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Füllstoffen enthaltenden, Polymer-gebundenen Trägermassen, bei dem eine Polyurethan- Schaumstoffbahn mit einer Dicke von 5 mm bis 30 mm, bevorzugt 7 mm bis 15 mm kontinuierlich durch ein Tauchbad geführt wird und dabei mit 10% bis 1000 Gew.-% einer Polymerdispersion mit folgender Zusammensetzung imprägniert wird:

A) 30 Gew.-% bis 65 Gew.-%, bevorzugt 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 45 Gew.-% bis 50 Gew.-% eines etwa 50% Trockensubstanz enthaltenden kationischen Styrol-Butadien-Copolymerisat-Latex oder eines anionischen Butadien-Acrylnitril-Copolymerisatlatex und
B) 10 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bevorzugt 15 Gew.-% bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% eines anorganischen und/oder organischen pulverförmigen Füllstoffs und die so behandelte Schaumstoffbahn nach einer Komprimierung zur Entfernung von überschüssiger Flüssigkeit in einem Trockenofen bei Temperaturen von 80°C bis 120°C getrocknet wird.

Vorteilhaft werden der Polymerdispersion 15 Gew.-% bis 35 Gew.-%, bevorzugt 18 Gew.-% bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 22 Gew.-% bis 28 Gew.-% einer 15% Trockensubstanz enthaltenden kationischen oder anionischen Polyurethan- Dispersion zugesetzt.

Zur Verbesserung der Emulgierung können der Polymerdispersion ferner 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines amphoteren Emulgators zugesetzt werden.

Die getrocknete, gefüllte Schaumbahn, die die mit Hilfe des Polymerlatex in gebundener Form homogen verteilten Füllstoffe enthält, wird dann in einer Schneideanlage mit verstellbaren, umlaufenden Bandmessern in Formkörper mit den gewünschten, Dimensionen geschnitten.

Die Füllstoffe erfüllen zwei wesentliche Aufgaben bei den erfindungsgemäßen Trägern. Einerseits dienen sie als oberflächenaktiver, die Besiedlung der Mikroorganismen unterstützender Bestandteil der Trägermasse. Andererseits kann durch Variieren des Gewichtsanteils in der Gesamtmasse die Dichte bzw. das Raumgewicht der Trägermasse beliebig eingestellt werden. Als anorganische pulverförmige Füllstoffe sind beispielsweise Eisenoxidpigmente, Bentonit, Kaolin, Glasstaub, Calciumcarbonat, Quarzsand, Aktivkohle, Braunkohlenschwelkoks, Anthrazit, Kohlenstaub, pulverisierte Ionenaustauscher bzw. Adsorberharze, usw. geeignet.

Die PUR-Schaumstoffe dienen als poröses, dreidimensionales, elastisches, im Wasser nicht abbaubares Trägergerüst, das erst durch die Modifizierung und Imprägnierung die gewünschten, optimalen anwendungstechnischen Eigenschaften bekommt. Bevorzugt werden PUR-Weichschaumstoffe auf Polyätherbasis mit einem Raumgewicht von etwa 10 bis 100 kg/m³ verwendet.

Bei den Polymer-Dispersionen handelt es sich um elastische Filme bildende Dispersionen von Polymerisaten olefinischer Monomere, wobei die Dispergier barkeit der Polymeren in Wasser sowohl durch nichtionische als auch anionische und kationische Emulgatoren verbessert werden kann, die ihrerseits sowohl in Form von externen, nicht in das Polymergerüst chemisch eingebauten Emulgatoren als auch in Form von chemisch in das Polymergerüst eingebauten internen Emulga toren vorliegen können. Von besonderem Interesse sind beispielsweise die durch Emulsionspolymerisation hergestellten Styrol-Butadien-Latices, wobei diese Dispersionen gegebenenfalls durch einpolymerisierte Acryl- oder Methacrylsäurealkylester modifiziert sein können.

Besonders bevorzugt sind die entsprechenden kationisch modifizierten Latices, da diese zu besseren anwendungstechnischen Eigenschaften der Träger führen.

Als sehr vorteilhaft erweist sich eine Kombination eines kationisch modifizierten Latex mit kationisch wäßrigen Polyurethan-Dispersionen, die der Trägermasse neben den emulgierenden Eigenschaften auch eine erhöhte Hydrophylie verleihen, die für das schnelle Anwachsen von Mikroorganismen bzw. bei den Bioprozessen für den Stofftransport maßgebend sind, sowie einen erhöhten Füllgrad und eine schnellere Benetzung mit Wasser ermöglichen.

Die Herstellung der Imprägniermasse erfolgt in der Weise, daß Latex, verdünnter Emulgator, gegebenenfalls unter Zusatz eines geeigneten Entschäumers unter Rühren vorgelegt und in diese Mischung eine separat hergestellte Suspension aus dem Füllstoff und einer verdünnten PUR-Dispersion zugemischt und homogenisiert wird.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1 Herstellung einer Trägermasse nach dem Stand der Technik

49,8 Gewichtsteile des 41% Trockensubstanz enthaltenden anionischen Latex (Perbunan N Latex 2890, Hersteller Bayer AG), 1,2 Gewichtsteile eines 30% Trockensubstanz enthaltenden wäßrigen Emulgators (Ammoniumsalz eines sulfatierten Polyethers), 2,0 Gewichtsteile einer 10%igen Natriumtripolyphosphat lösung und 0,8 Gewichtsteile eines Entschäumers wurden in einem Kessel vorgelegt und unter Rühren mit einer separat hergestellten Füllstoffsuspension homogenisiert. Die Füllstoffsuspension enthielt dabei 25,6 Gewichtsteile eines Eisenoxidpigments auf Fe₃O₄-Basis (Bayferrox 318, Bayer AG), 16,6 Gewichtsteile einer 5%igen Lösung eines Dispergierhilfsmittels auf der Basis von Naphthalinsulfonsäuren-Kondensationsproduktes, sowie 4,0 Gewichtsteile eines 33 %igen Verdickungsmittels auf der Basis von Polyacrylat.

Diese Imprägniermasse wurde mit Hilfe eines Foulards in eine 7 mm dicke PUR-Schaumstoffbahn mit einem Raumgewicht RG = 25 kg/m³ bis zu einer Gewichtszunahme (im getrockneten Zustand) von 180%, bezogen auf das Gewicht des unbehandelten Schaumstoffs, eingearbeitet. Die imprägnierte Bahn wurde auf Teilchen mit den Abmessungen 15 x 15 x 7 mm geschnitten. Die Trägerkörper hatten ein Raumgewicht von 45 g/l.

Nach Einbringen von 500 ml Schüttvolumen dieser Trägerkörper in eine mit 5 l Kommunalabwasser befüllte, durch poröse Begasungseinheiten belüfteten Versuchskläranlage zeigten diese auch nach 48-stündigem Belüften nur eine mangelhafte Benetzung und waren nicht fluidisierbar.

Beispiel 2 Herstellung des erfindungsgemäßen Trägermasse

46,34 Gewichtsteile eines 50% Trockensubstanz enthaltenden kationischen Styrol- Butadien-Latex und 1,39 Gewichtsteile eines 33%igen Emulgators auf Basis von ethoxyliertem Talgfettamin (Geramin T 100, Hoechst AG) wurden unter Zugabe minimaler Mengen eines Entschäumers in einem Rührkessel vorgelegt. In diese Mischung wurde eine Suspension aus 29 Gewichtsteilen eines Eisenoxidpigments auf Fe₃O₄-Basis (Bayerferrox 318, Bayer AG.), 23 Gewichtsteile einer 15%igen wäßrigen kationischen PUR-Dispersion und minimaler Mengen eines Entschäumers zugegeben und homogenisiert. Diese Imprägniermasse wurde gemäß Beispiel 1 in eine Schaumstoffbahn eingearbeitet, auf Teilchen mit den Abmessungen 15 x 15 x 7 mm geschnitten und auf ihre Fluidisierbarkeit im Kommunalabwasser geprüft. Nach 8 Stunden waren alle Trägerkörper fluidisierbar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Füllstoffe enthaltenden, Polymer-gebun denen Trägermasse für Mikroorganismen durch Imprägnierung eines Polyurethanschaumstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polyurethan-Schaumstoffbahn mit einer Dicke von 5 mm bis 30 mm, bevorzugt 7 mm bis 15 mm, kontinuierlich durch ein Tauchbad geführt wird und dabei mit 10% bis 1000 Gew.-% einer aus den nachfolgend definierten Komponenten A) und B) bestehenden Polymerdispersion imprägniert wird;

A) 30 Gew.-% bis 65 Gew.-%, bevorzugt 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 45 Gew.-% bis 50 Gew.-% eines etwa 50% Trockensubstanz enthaltenden kationischen Styrol-Butadien- Copolymerisat-Latex oder eines anionischen Butadien-Acrylnitril- Copolymerisatlatex und
B) 10 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bevorzugt 15 Gew.-% bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% eines anorganischen und/oder organischen pulverförmigen Füllstoffs und daß die so behandelte Schaumstoffbahn nach einer Komprimierung zur Entfernung von überschüssiger Flüssigkeit in einem Trockenofen bei Temperaturen von 80°C bis 120°C getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerdispersion 15 Gew.-% bis 35 Gew.-%, bevorzugt 18 Gew.-% bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 22 Gew.-% bis 28 Gew.-% einer 15% Trockensubstanz enthaltenden kationischen oder anionischen Polyurethan- Dispersion zugesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einen kationischen Styrol-Butadien-Latex enthaltenden Polymerdispersion eine kationische Polyurethan-Dispersion zugesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerdispersion 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines amphoteren Emulgators zugesetzt werden.