DE4421859C2 - Filter zum Reinigen von Gasen, insbesondere zum Abfangen von hochdispersem Staub oder von Schwefeldioxid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter zum Reinigen von Gasen, ins­ besondere zum Abfangen von hochdispersem Staub oder von Schwefeldi­ oxid, mit einem Elektret.

Es ist bekannt, verunreinigte Luft oder Gase mit Hilfe von Filtern zu reinigen, die ein Elektret enthalten, d. h. ein polarisiertes Dielektrikum. Diese Filter werden im folgenden auch kurz Elektret­ filter genannt. Herkömmliche Elektretfilter bestehen aus einem beabstandet zwischen zwei metallischen Elektroden angeordneten Elek­ tret, welches durch eine an die Elektroden angelegte Spannung polarisiert wird. Zum Reinigen von Gasen oder Luft macht man sich den Effekt zunutze, daß geladene Teilchen, welche sich zwischen polarisierter Elektretoberfläche und geladener Elektrode befinden, sich entsprechend dem zwischen der Elektrode und dem Elektret bestehenden Feld in Richtung der ent­ sprechend gegenpolig geladenen Oberflächen bewegen und dann dort adsorbiert werden.

Aus der DE 29 41 094 A1 ist ein Luftfilter bekannt, welcher aus einer Kombination von elektretisiertem Filtermaterial und nicht elektretisiertem Filtermaterial besteht. Bei diesem bekannten Luftfilter werden ein konventioneller Filter und ein Elektret- Filter hintereinander geschaltet, wobei mindestens einer der Filter zick-zack-förmig ausgebildet ist, so daß sich eine beabstandete Anordnung der Filter ergibt. Aufgrund der durch die Filterschich­ ten hindurchtretenden Luft weisen diese bekannten Filter einen erheblichen Druckverlust auf.

Aus der DE 38 39 956 A1 ist eine Elektretfolie bekannt, welche eine poröse Folie umfaßt, die aus einem dielektrischen Polymer und wenigstens einem festen Material hergestellt ist, wobei das feste Material in oder auf der porösen Folie in Abständen angeordnet ist. Dieser Stand der Technik zeigt insbesondere ein Elektret aus dielektrischem Material und einem festen Material, wobei das feste Material in direktem Kontakt in bzw. auf einem porösen Schaumstoff aus dielektrischem Polymer angeordnet ist. Der komplizierte Aufbau dieser bekannten Elektretfolie erfordert ein kompliziertes Verfahren zu ihrer Herstellung.

Bei herkömmlichen Elektretfiltern ist es notwendig, die Oberflächen der Elektrode bzw. des Elektrets, regelmäßig zu reinigen, und anschließend wieder mit einer an die beiden Elektroden anzulegenden Spannung aufzuladen. Die Reinigung ist notwendig aufgrund der kompletten Bedeckung der Oberflächen der Elektrode bzw. des Elektrets mit den adsorbierten Verunreinigungen, welche sich bei intensiver Filterbenutzung einstellt. Diese führt zu einem Abfall des zwischen den beiden Oberflächen herrschenden Feldes und infolge­ dessen zu einer erheblichen Schwächung der Filterleistung. Diese Schwächung kann bis zum völligen Verlust der Reinigungswirkung eines solchen Elektretfilters führen. Die Reinigung der Metalloberflächen der Elektroden hat sich dabei als schwierig und aufwendig herausge­ stellt, und es muß dafür immer eine Spannungsquelle zur Verfügung gestellt und angeschlossen werden.

Die oben beschriebenen Probleme haben es bisher verhindert, daß es zu einer breiten industriellen Anwendung von Elektretfiltern kam. Dies ist unter anderem auch darauf zurückzuführen, daß sich eine Herstellung von Elektretfiltern mit großflächigen Elektroden bisher als sehr problematisch erwiesen hat. Ferner kommt es bei den her­ kömmlichen Elektretfiltern auch zu einer schnellen Oxydation der Metalloberflächen der Elektroden aufgrund der oft aggressiven Bestandteile der zu reinigenden Gase, wodurch die Elektroden all­ mählich zerstört werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Elektretfilter zu schaffen, der die oben genannten Probleme löst und eine dauerhafte zerstö­ rungsfreie Anwendung von Elektretfiltern zum Reinigen von verunrei­ nigten Gasen und insbesondere zum Abfangen von hochdispersem Staub oder von Schwefeldioxid ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Filter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch das Elektret in Abstand zumindest teilweise umgebende Schichten aus porösem Dielektrikum.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß auf die Verwendung von Metallelektroden verzichtet werden kann und es daher nicht mehr zu den oben beschriebenen Problemen wie etwa Korrosion der Metalloberflächen oder der aufwendigen Reinigung von mit adsor­ bierten Teilchen bedeckten Elektret bzw. Metalloberflächen kommt. Erfindungsgemäß werden vielmehr anstatt Elektroden Schichten aus porösem Dielektrikum verwendet, die in vorgegebenem Abstand dem Elektret gegenüberliegend angeordnet sind, und die leicht und kostengünstig zu reinigen sind.

Weiterhin vorteilhaft ist es, daß mit dem erfindungsgemäßen Filter eine Reinigung von Gasen möglich ist, welche mit hochdispersem Staub belastet sind. Der in den Gasen enthaltene hochdisperse Staub läßt sich durch den Filter abfangen.

Der erfindungsgemäße Filter erlaubte es insbesondere auch, ein mit Schwefeldioxid verunreinigtes Gas zu reinigen.

Besonders vorteilhaft ist es, daß aufgrund der Verwendung von porösem Dielektrikum anstelle metallischer Elektroden auf eine äußere Spannungsquelle zum Aufladen von Elektroden bzw. Elektret verzichtet werden kann. Weiterhin ist es möglich, wegen der geringen Kosten der verwendbaren dielektrischen Materialien kostengünstig großflächige Adsorbtionsoberflächen für den Bau von Elektretfilter herzustellen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bieten die Möglichkeit gegenüber dem Stand der Technik höhere elektrische Felder zwischen den Adsorb­ tionsoberflächen zu realisieren. Da die Leistungsfähigkeit des Filters proportional zur Größe des zwischen den Adsorbtionsober­ flächen des Elektrets und der äußeren dielektrischen Schichten vorhandenen elektrischen Feldes ist, kommt es zu einer entsprechend erhöhten Reinigungskraft des erfindungsgemäßen Filters.

Vorzugsweise wird das poröse Dielektrikum aus einem Schaumstoff, insbesondere aus einem offenporigen oder offenzelligen Schaumstoff hergestellt.

Besonders bevorzugt ist das Elektret als eine dünne Schicht oder Platte aus einem Polymer wie z. B. Polytetrafluorethylen ausgebildet und wird durch thermische Behandlung polarisiert.

Besonders vorteilhaft ist es, zwischen Elektret und den äußeren Schichten eine gasdurchlässige Gitterschicht einzubringen, die als Abstandshalter dient. Dadurch läßt sich eine stabile Verbindung von Elektret und den äußeren dielektrischen porösen Schichten erreichen. Dies bedeutet, daß sich mit Hilfe der Gitterschicht der Filter als homogener Schichtverbund verwirklichen läßt. Dieser Verbund läßt sich auf stabile Art und Weise übereinanderschichten. Es entsteht ein Filterkörper mit vielen Einzelfiltern - eine Mehrfachschichtung von einzelnen Filtern. Durch diese Mehrfachschichtung ist es ins­ besondere bei industrieller Anwendung möglich, sehr große staubad­ sorbierende Oberflächen bei kleinem Raumbedarf des Gesamtfilters zur Verfügung zu stellen.

Durch thermische Behandlung des Elektrets bildet sich ein elek­ trisches Feld aus. Durch das elektrische Feld bildet sich eine induktive Polarisation des porösen Dielektrikums aus. Dadurch ist es möglich, auf ein Anlegen einer externen Spannung an das poröse Dielektrikum zur Aufrechterhaltung und Erzeugung eines elektrischen Feldes innerhalb der beiden porösen dielektrischen Schichten zu verzichten.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filters zeich­ net sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß das Elektret durch thermi­ sche Behandlung eines Polymers erzeugt wird. Dabei ist es möglich, auf eine Verwendung eines elektrischen Feldes zur Erzeugung der Polarisation im dielektrischen Material zu verzichten.

Erfindungsgemäß ist es möglich, das Elektret durch thermische Behandlung zu repolarisieren. Hierdurch wird eine kostengünstige und einfache Wiederaufbereitung eines erfindungsgemäßen Filters er­ reicht, wenn das Elektret durch längere Benutzung depolarisiert ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Filter zum Reinigen von Gasen;

Fig. 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Filters zum Reinigen von Gasen;

Fig. 3 eine Gesamtansicht und vier Detailansichten eines aus mehreren mit einer Gitterstruktur verbundenen Filterschichten aufgebauten Filters.

Ein bekannter Filter zum Reinigen von Gasen besteht gemäß Fig. 1 aus einem Elektret 2, aus zwei metallischen Elektroden 18 und einer die Elektroden 18 über Stromzuführungen 12 mit Spannung versorgenden Spannungsquelle 14. Dargestellt ist ein mit Hilfe der Spannungs­ quelle 14 zwischen dem Elektret 2 und der Elektrode 18 aufgebautes elektrisches Feld 10. In diesem können sich Ladungsträger 16 ent­ sprechend ihrer Ladung auf eine der negativ bzw. positiv geladenen Oberflächen von Elektret 2 bzw. Elektrode 18 zubewegen. Wird ein verunreinigtes Gas 6 durch einen Zwischenraum 4 zwischen Elektret 2 und Elektrode 18 hindurchgeführt, so werden im Gasstrom 6 enthaltene geladene Teilchen 16 an der Elektret- oder der Elektrodenoberfläche adsorbiert. Nach Durchtritt des Gases 6 durch den Zwischenraum 4 ist das Gas 6 dann entsprechend gereinigt. Es enthält keine geladenen Verunreinigungsteilchen mehr.

Fig. 2 zeigt nun eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Filters 1, welcher zum Reinigen von Gasen, insbesondere zum Abfangen von hochdispersem Staub oder von Schwefeldioxid dient. Dargestellt ist wiederum ein elektrisches Feld 10 zwischen Elektret 2 und einer das Elektret 2 in Abstand umgebenden Schicht aus porösem Dielektrikum 3. Das zu reinigende Gas 6, welches z. B. mit hoch­ dispersem Staub und/oder mit Schwefeldioxid belastet sein kann, tritt in Fig. 2 von rechts nach links durch die Zwischenräume 4 zwischen Elektret 2 und porösem Dielektrikum 3 hindurch. Es kann aufgrund des zwischen Elektret 2 und porösem Dielektrikum 3 herr­ schenden elektrischen Feldes 10 gereinigt werden. Die Reinigung geschieht durch eine Aussonderung von geladenen Teilchen 16 mit Hilfe des elektrischen Feldes 10 entsprechend ihrer jeweiligen Ladung in Richtung einer der geladenen Oberflächen von porösem Dielektrikum 3 oder Elektret 2. Das Feld zwischen porösem Dielek­ trikum 3 und Elektret 2 beträgt bei Verwendung von Polytetrafluo­ rethylen als Elektret 2 und einem offenporigen oder offenzelligen Schaumstoff als poröses Dielektrikum 3 ungefähr 33 Kilovolt pro m². Es liegt damit wesentlich höher als das bisher bei entsprechenden bekannten Filtern maximale elektrische Feld. Es kommt zu einer weiter erhöhten Reinigungskraft des erfindungsgemäßen Filters zum Reinigen von Gasen 1.

Zur Erzeugung des elektrischen Feldes in 10 in Fig. 2 wird der gesamte Filter 1 thermisch behandelt. Hierdurch kommt es zu einer Polarisation des Elektrets 2 und einer induktiven Polarisation des porösen Dielektrikums 3. Somit kommt es zu einem dauerhaften elek­ trischen Feld 10 zwischen beiden Schichten, vgl. S.A.Tevzadze: The Rise of electretic charges on polytetrafluoroethylene following its thermal treatment in: Bulletin of the Academy of Sciences of the Georgian SSR 112, N2, 1983, pp.289-292.

Zur Wiederaufbereitung des Filters 1 bei starker Bedeckung der Oberflächen mit adsorbierten Teilchen 16 von Elektret 2 oder porösem Dielektrikum 3 ist es erforderlich, die Oberflächen etwa mittels Druckluft abzublasen. Anschließend läßt sich die Polarisation des Elektrets 2 durch erneute thermische Behandlung wiederherstellen.

Die erfindungsgemäßen Filter 1 können daher ohne großen technologi­ schen Aufwand auf einfache Art und Weise recycelt werden. Insbesonde­ re kann auch bei der Wiederaufbereitung auf das Anlegen einer Spannung an den Filter 1 verzichtet werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Filters 1 ist in Fig. 3 zu erkennen. Hier ist ein mit Hilfe eines Kapronfilamentes 32 oder aus einem Filament eines anderen Materials gebildetes Gitter 38 zwischen die einzelnen Elektret- 2 bzw. Dielektrika- 3 Schichten eingebracht. So ist eine Mehrfachschichtung von Filtern 1 ermög­ licht. Durch das mit Hilfe von Kapronfilament 32, Kapronstegen 34 und Seitenstegen 36 aufgebaute Gitter 38 ist hierdurch eine raum­ sparende Übereinanderschichtung von Filtern 1 möglich. Die überein­ ander geschichteten Filter 1 werden beispielsweise in einem Gestell 30 angeordnet. Sie können wiederum durch Übereinanderschichtung von Gestellen 30 zu einem ganzen Filterkomplex ausgebaut werden. Dies bietet sich insbesondere bei großen Mengen von zu reinigenden Gasen 6 an, wie sie insbesondere bei Industrieanwendungen vorkommen.

Claims (9)

1. Filter zum Reinigen von Gasen (1), insbesondere zum Abfangen von hochdispersem Staub oder von Schwefeldioxid, mit einem Elektret (2), gekennzeichnet durch das Elektret (2) in Abstand zumindest teilweise umgebende Schichten aus porösem Dielektrikum (3).

2. Filter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Dielektrikum (3) ein Schaum­ stoff ist.

3. Filter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Dielektrikum (3) ein offenpo­ riger oder offenzelliger Schaumstoff ist.

4. Filter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Dielektrikum (3) ein retiku­ lierter Schaumstoff ist.

5. Filter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektret (2) eine dünne Schicht aus einem Polymer ist und daß die äußeren Schichten (3) eben sind.

6. Filter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch je eine fluiddurchlässige Gitterschicht (38) zwischen dem Elektret (2) und den äußeren Schichten (3).

7. Filter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektret (2) durch thermische Behandlung polarisiert ist.

8. Filter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektret (2) ein Polymer ist.

9. Filter (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektret (2) Polytetrafluorethylen enthält.