DE4328450A1 - Filtermaterial und Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Gasen und Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermaterial sowie ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Gasen und Flüssigkeiten, indem der Gasstrom oder eine Flüssigkeit mit einem Filtermaterial aus Polyarylenthioether oder einer Mischung aus Polyarylenthioether und oxidativ wirkenden Verbindungen in Kontakt gebracht wird.

Es ist bekannt, daß bei praktisch allen Verbrennungsvorgängen, z. B. in mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken und in Kraftfahrzeugmotoren, sogenannte "Stickoxide", (NO_x) gebildet werden, die in die Umwelt gelangen. Dabei handelt es sich im wesentlichen um Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) bzw. Addukte aus beiden. Aufgrund der leichten Oxidierbarkeit von Stickstoffmonoxid mit Sauerstoff liegt in der Atmosphäre hauptsächlich Stickstoffdioxid vor. Im Hinblick auf umweltrelevante Fragestellungen weisen die Stickoxide im wesentlichen zwei Probleme auf. Zum einen werden sie als Precursor für die Ozonbildung angesehen und zum andern geht von ihnen auch in geringen Konzentrationen ein beträchtliches gesundheitliches Risiko aus (Römpp Chemie- Lexikon, 9. Aufl., Bd. 5, 4314-6).

Um hier Abhilfe zu schaffen, sind eine Vielzahl von Verfahren entwickelt worden, die die Entfernung der Stickoxide aus dem von derartigen Vorrichtungen, wie Verbrennungsmotoren, freigesetzten Luftstrom beschreiben. Dabei werden die Stickoxide entweder zerstört, bzw. chemisch oder physikalisch gebunden.

Es ist bekannt, den Gasstrom durch ein Filter zu leiten, in dem die Stickoxide bei erhöhten Temperaturen durch Zusatz radikalbildender Verbindungen katalytisch zersetzt bzw. reduziert werden (WO 92/04962). Das Basismaterial des Filters ist mit einer oder mehreren Metallverbindungen, Metallen oder Legierungen, z. B. Eisen-, Chrom- oder Nickelverbindungen, imprägniert, denen weiterhin eine Verbindung oder ein Metall aus der Gruppe der sogenannten Edelmetalle, z. B. Palladium oder Platin, zugegeben wird. Diese Katalysatoren sind sehr teuer und haben meist nur eine begrenzte Lebensdauer, da solche heterogenen Katalysatoren durch verschiedene Katalysatorgifte schnell desaktiviert werden. Zudem ist der notwendige Energiebedarf sehr ungünstig.

Auch Aktivkohle kann als Adsorbens zur Entfernung von Stickoxiden verwendet werden (Römpp Chemie-Lexikon, 9. Aufl., Bd. 2, 1181, Tabelle; Ullmann′s Encycl. Ind. Chem., 5. Ed., Vol. A17, 328). Aktivkohlefilter altern jedoch, weil durch Adsorption von Dämpfen oder Feuchtigkeit ihre aktive Oberfläche verringert wird, siehe auch Kirk-Othmer, 3. Ed., 4, 565 ("storage"). Insbesondere werden Aktivkohlefilter zur Entfernung von Benzindämpfen z. B. bei PKW oder von anderen Kohlenwasserstoffverbindungen eingesetzt, die sie sehr gut aus der Luft adsorbieren, wodurch ihre weitere Adsorptionsmöglichkeit für NO_x-Gase verringert wird. Ferner steht nur ein geringer Anteil des Filtergewichts als aktiver Anteil zur Verfügung.

In der EP-A-0 405 265 ist ferner die Permeationswirkung von speziell hergestellten Polyphenylensulfid-(PPS)-Folien gegenüber schwefeloxid- oder stickoxidhaltigen Gasen beschrieben. Dabei handelt es sich mehr oder weniger um eine rein physikalische Trennung. Es wird erwähnt, daß die zur Trennung der Abgase verwendeten Medien gegen die zu trennenden Gase inert sein sollen und daß sie eine gute Durchlässigkeit für diese Phase haben müssen. Eine vollständige Filterwirkung gegenüber Schwefeloxiden oder Stickoxiden bzw. Adsorption von Schwefeloxiden oder Stickoxiden wurde dabei nicht beobachtet.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Filter und ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden zur Verfügung zu stellen, bei denen die genannten Nachteile nicht auftreten.

Die Erfindung betrifft ein Filter auf Polymerbasis zur Entfernung von Stickoxiden, insbesondere von Stickstoffdioxid, aus Gasen und Flüssigkeiten durch chemische Reaktion zwischen dem Material und Stickoxiden, das auch bei Umgebungstemperaturen wirksam ist und das aus einem Polyarylenthioether der Formel

-[(Ar¹)_n-X)]_m-[(Ar²)_i-Y)]_j-[(Ar³)_k-Z)]_l-[(Ar⁴)_o-W)]_p- (I)

besteht, wobei Ar¹, Ar², Ar³, Ar⁴, W, X, Y und Z unabhängig voneinander gleich oder verschieden sind. Die Indizes n, m, i, j, k, l, o und p sind unabhängig voneinander Null oder ganze Zahlen 1, 2, 3 oder 4, wobei ihre Summe mindestens 2 ergeben muß, Ar¹, Ar², Ar³ und Ar⁴ stehen in der Formel (I) für Arylensysteme mit 6 bis 18 C-Atomen, W, X, Y und Z stellen zweiwertige Verknüpfungsgruppen dar, ausgewählt aus -SO₂-, -S-, -SO-, -CO-, -O-, -CO₂-, Alkylen- oder Alkylidengruppen mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 C-Atomen.

Die Reaktionsgeschwindigkeit von Stickstoffmonoxid mit dem Filtermaterial ist gering. Es läßt sich jedoch besser entfernen, wenn dem Polymer mindestens eine oxidativ wirkende anorganische bzw. organische Verbindung zugesetzt wird, die ein Elektronenpotential von größer gleich 0,96 V aufweist, z. B. Chlorkalk, Natriumhypochlorit, Vanadinpentoxid, Dichlordicyanochinon. Diese überführen das NO in NO₂, welches dann durch das Polymer schneller entfernt wird.

Beansprucht wird auch ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Gasen und Flüssigkeiten, bei dem ein Filter aus einem Polyarylenthioether mit wiederkehrenden Einheiten der Formel (I) als zersetzende Verbindung für Stickoxide eingesetzt wird, wobei das Gas oder die Flüssigkeit mit dem Filtermaterial in Kontakt gebracht und dabei die Stickoxide durch eine chemische Reaktion mit dem Filtermaterial entfernt werden. Auch zu diesem Filtermaterial können zur besseren Entfernung von Stickstoffmonoxid die vorstehend genannten oxidativ wirkenden anorganischen bzw. organischen Verbindungen zugesetzt werden.

Bevorzugt als Polyarylenthioether ist Polyphenylensulfid (PPS) mit der wiederkehrenden Einheit der Formel (II), dessen Herstellungsprozeß z. B. in den US- Patentschriften 3,354,129; 3,919,177; 4,038,262 und 4,282,347 beschrieben ist.

Das PPS der Formel (II) kann auch bis zu einem Anteil von 50 Mol-% eine 1,2- und/oder 1,3-Verknüpfung am aromatischen Kern aufweisen. Unter "PPS" ist sowohl das lineare als auch das vernetzte Material zu verstehen.

Darüber hinaus verwendbare Ausgangspolymere sind beispielsweise Polyarylenthioether mit wiederkehrenden Einheiten der Formeln (III)-(VII), deren Synthesen z. B. in Chimia 28(9), 567 beschrieben sind:

sowie Polyarylenthioether mit wiederkehrenden Einheiten der Formel (VIII), die z. B. in US-A-4,016,145 beschrieben sind.

Für die Erfindung sind im allgemeinen Polyarylenthioether geeignet, die ein mittleres Molekulargewicht von 4000 bis 200 000, vorzugsweise von 10 000 bis 150 000, insbesondere 25 000 bis 100 000, bestimmt durch GPC, aufweisen.

Die Polymere können als Pulver, Fasern oder Formkörper zur Herstellung eines Filters eingesetzt werden. Durch geeignete Verfahren lassen sich letztere auch mit besonders großer Oberfläche herstellen, beispielsweise mit Gitter- oder Wabenstruktur. Die Pulver besitzen handelsübliche Teilchengrößen, wobei auch Granulate verwendbar sind. Wichtig hierbei ist es, daß das zu behandelnde Gas oder die Flüssigkeit durch das Polymermaterial, beispielsweise in Form eines Pulver- Festbettes, ohne Störung durchgeleitet werden kann. Werden die Polymere als Fasern verwendet, werden diese als Stapelfasern, Nadelfilz, "non woven" Material, Kardenband oder Gewebe eingesetzt. Auch Folien oder Folienschnipsel können in geeigneter Form Verwendung finden.

Der stickoxidhaltige Gasstrom oder die Flüssigkeit kann bei jeder Temperatur, die unterhalb des Erweichungspunktes der Polymeren liegt, mit dem Filtermaterial gemäß der Erfindung behandelt werden. Im allgemeinen liegen die Anwendungstemperaturen im Bereich von -10 bis +240°C, vorzugsweise 0 bis 220°C.

Die Entfernung von Stickstoffdioxid erfolgt im allgemeinen quantitativ, wobei die Reaktionszeiten von den Strömungsgeschwindigkeiten und der Oberfläche des Filterguts beziehungsweise der Schütthöhe bei Pulvern abhängig ist. Im allgemeinen beträgt die Verweilzeit im Filter 0,1 Sekunden bis 20 Minuten, vorzugsweise 0,5 Sekunden bis 1 Minute. Die Grenzwerte können aber auch überschritten werden.

Gegenüber Stickstoffdioxid wird das Stickstoffmonoxid durch Polyarylenthioether nur in geringem Umfang entfernt. Durch die Zugabe von oxidativ wirkenden Verbindungen, wie vorstehend beschrieben, erfolgt aber die Abtrennung nahezu quantitativ, wobei auch hier die Reaktionszeiten von den Strömungsgeschwindigkeiten und der Oberfläche des Filterguts bzw. bei Pulvern von der Schütthöhe abhängig sind.

Bei der Behandlung der eingesetzten Polyarylenthioether mit dem stickoxidhaltigen Medium wird das Stickstoffdioxid reduziert und die Thioethergruppen der Polymere oxidiert. Die Aufnahmekapazität der Filter gemäß der Erfindung reicht bis zur völligen Umsetzung der Sulfid-Brücken. Das erschöpfte Filtermaterial, z. B. das oxidierte Polyarylensulfid, stellt ein neu gebildetes Polymer mit anderen Eigenschaften als das Ausgangspolymer dar. Dieses kann nun erneut für andere Zwecke, beispielsweise zur Herstellung von Formkörpern, verwendet werden. Die erschöpften Filtermaterialien sind somit voll recyclisierbar und stellen keine Belastung für die Umwelt dar.

Bei der Entfernung der Stickstoffoxide aus dem Gas- oder Flüssigkeitsstrom werden aus dem Polymer keine flüchtigen Produkte gebildet.

Das Filtermaterial auf Basis von Polyarylenthioether kann im allgemeinen als unverschnittenes Material eingesetzt werden. Möglich ist aber auch der Zusatz von üblichen Füllstoffen, wie Kreide, Talk, Ton, Glimmer, und/oder faserförmige Verstärkungsmittel, wie Glas- und Kohlenstoffasern, Whiskers, sowie weitere übliche Zusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel, z. B. Gleitmittel, Trennmittel, Antioxidantien, UV-Stabilisatoren, enthalten.

Das Filter gemäß der Erfindung kann bei allen NO_x-haltigen Gasströmen und Flüssigkeiten verwendet werden. So kann es beispielsweise Anwendung finden in Filtermasken, in Klimaanlagen, in Automobilen (z. B. Luftfilter, Abgasfilter), zur Entfernung der bei der Verbrennung entstandenen Stickoxide (z. B. Rauchgasreinigung), ferner zur Entfernung und Unschädlichmachung von Stickoxiden in Flüssigkeiten.

Ein großes Einsatzgebiet ist die Verwendung der Filtermaterialien in Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Die hierbei entstehenden Rauchgase enthalten einen erheblichen Anteil an NO_x, der bisher in aufwendiger Weise reduziert werden mußte, um die in der geltenden Großfeuerungsanlagenverordnung vorgeschriebene NO_x-Konzentration von höchstens 200 mg/m³ zu erreichen. Die bisher angewandten Maßnahmen in Gegenwart von Katalysatoren erfordern Temperaturen von über 350°C oder höher, je nach angewandtem Verfahren. Durch Einsatz des Filtermaterials gemäß der Erfindung kann die Entfernung von NO_x bei erheblich tieferen Temperaturen erfolgen, d. h. dem Prozeß kann die im allgemeinen erforderliche Entstaubung vorgeschaltet werden, worauf das abgekühlte Rauchgas von NO_x befreit wird. Es entfällt somit die bisher erforderliche Wiederaufheizung der Rauchgase. Außerdem ist - da katalysatorfrei - keine Inaktivierung des Katalysators gegeben. Das Filtermaterial kann auch in Mischung mit konventionellen Adsorptionsmitteln oder Katalysatoren, z. B. mit Aktivkohle, eingesetzt werden.

Beispiel

In einem Gasmischsystem mit Ozon-Generator, Gerätetyp MCZ 3010 der Firma MCZ, (Roßbach, Bundesrepublik Deutschland), wurde trockene und über Aktivkohle gereinigte sogenannte "Nulluft" oder Normalluft zusammen mit einem NO- Vorgemisch in Stickstoff gemischt, so daß im Gasausgang eine NO₂-Konzentration von 0,8 ppm vorhanden war.

Das Gasgemisch wurde durch eine Filterpatrone geleitet, die mit Polyphenylensulfid (Mw: 30 000, Tm: 288°C), in Pulverform gefüllt war. Innendurchmesser: 20 mm, Füll-Länge: 50 mm, Inhalt: 15,7 cm³, Strömungsgeschwindigkeit: 0,5 l/min = 2,65 cm³/s.

Der Gasfluß wurde in einen NO/NO₂-Analysator, Typ Tecan Modell CLD700 der Firma Zellweger Tecan Systeme (München, Bundesrepublik Deutschland), Meßbereich 0-10 ppm, geleitet und das durch die Filterpatrone geleitete Gasgemisch während eines Zeitraums über 48 Stunden analysiert. Der NO_x-Anteil des Gasgemisches wurde dabei vollständig absorbiert; die Meßwerte des Analysators liegen im Bereich der Nachweisgrenze.

Claims (9)

1. Filtermaterial auf Polymerbasis zur Entfernung von Stickoxiden aus Gasen und Flüssigkeiten durch chemische Reaktion zwischen dem Material und Stickoxiden, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Polyarylenthioether mit wiederkehrenden Einheiten der Formel -[(Ar¹)_n-X)]_m-[(Ar²)_i-Y)]_j-[(Ar³)_k-Z)]_l-[(Ar⁴)_o-W)]_p- (I)besteht, worin Ar¹, Ar², Ar³, Ar⁴, W, X, Y und Z unabhängig voneinander gleich oder verschieden sind, die Indizes n, m, i, j, k, l, o und p unabhängig voneinander Null oder ganze Zahlen 1, 2, 3 oder 4 sind, wobei ihre Summe mindestens 2 ist, Ar¹, Ar², Ar³ und Ar⁴ Arylensysteme mit 6 bis 18 C-Atomen sind und W, X, Y und Z zweiwertige Verknüpfungsgruppen darstellen, ausgewählt aus -SO₂-, -S-, -SO-, -CO-, -O-, -CO₂- oder Alkylen- oder Alkylidengruppen mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 C-Atomen.

2. Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Gasen und Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter aus einem Polyarylenthioether mit wiederkehrenden Einheiten der Formel -[(Ar¹)_n-X)]_m-[(Ar²)_i-Y)]_j-[(Ar³)_k-Z)]_l-[(Ar⁴)_o-W)]_p- (I)worin Ar¹, Ar², Ar³, Ar⁴, W, X, Y und Z unabhängig voneinander gleich oder verschieden sind, die Indizes n, m, i, j, k, l, o und p unabhängig voneinander Null oder ganze Zahlen 1,2,3 oder 4 sind, wobei ihre Summe mindestens 2 ist, Ar¹, Ar², Ar³ und Ar⁴ Arylensysteme mit 6 bis 18 C-Atomen sind und W, X, Y und Z zweiwertige Verknüpfungsgruppen darstellen, ausgewählt aus -SO₂-, -S-, -SO-, -CO-, -O-, -CO₂- oder Alkylen- oder Alkylidengruppen mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 C-Atomen, als Stickoxid entfernende Verbindung eingesetzt wird, wobei die Gase oder die Flüssigkeit mit dem Filtermaterial in Kontakt gebracht und dabei die Stickoxide durch eine chemische Reaktion mit dem Filtermaterial entfernt werden.

3. Filtermaterial nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Oxidationsmittel mit einem Elektronenpotential von größer gleich 0,96 V zugesetzt wird.

4. Filtermaterial nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Polyphenylensulfid mit wiederkehrenden Einheiten der Formel eingesetzt wird.

5. Filtermaterial nach Anspruch 1 oder Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Molekulargewicht 4000 bis 200 000 beträgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Stickoxide bei Temperaturen von minus 10 bis +240°C, vorzugsweise von 0 bis 220°C, erfolgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit der stickoxidhaltigen Gase im Filtermaterial 0,1 Sekunden bis 20 Minuten, vorzugsweise 0,5 Sekunden bis 1 Minute, beträgt.

8. Verwendung des Filtermaterials nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Stickoxid (NO_x) entfernenden Filters für Gase und Flüssigkeiten.

9. Verwendung nach Anspruch 8 in Form von Pulver, Fasern, Folien oder Formkörpern.