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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung aktiver Kohle und zur gleichzeitigen
Gewinnung brennbarer Gase Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen
zur Ausübung desselben zur Herstellung aktiver Kohle unter gleichzeitiger Gewinnung
brennbarer Gase und kennzeichnet sich insbesondere dadurch, daß als aktivierende
Gase normale Verbrennungsgase verwendet werden, welche nur durch Diffusion durch
eine poröse Wand zu dem zu aktivierenden Gut gelangen können, sowie dadurch, daß
Mittel angegeben sind, um die Aktivierungsgeschwindigkeit zu regeln bzw. dem zu
aktivierenden Material anzupassen.
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Es ist öfter beobachtet worden, daß beim Glühen von Holzkohle gewisse
Lagen, die mit einer dichten Ascheschicht zugedeckt waren, ein sehr erhebliches
Adsorptionsvermögen zeigen. Die Untersuchung dieser an sich bekannten Tatsache hat
zu dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geführt, nach welchem man die verschiedensten
kohlenstoffhaltigen Materialien zum Zwecke der Aktivierung behandeln kann. Aus der
obenerwähnten Erscheinung geht offenbar hervor, daß gerade diejenigen Teile des
kohlenstoffhaltigen Materials, die durch eine Ascheschicht gegen die Ofengase geschützt
sind, besonders gut aktiviert werden. Es ist nun möglich, dieses Phänomen in technischem
Maßstabe zu reproduzieren, indem man die Kohle nicht mit Asche bedeckt, sondern
in ein Gefäß mit durchlässigen Wänden einschließt, welches die Stelle der Ascheschicht
zu ersetzen hat.
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Bringt man z. B. gewöhnliche Holzkohle in ein allseitig verschlossenes,
mit einem Rohr und angeschlossenem Manometer versehenes Gefäß aus porösem Ton ein
und setzt dieses Gefäß aktivierenden Gasen, z. B. normalen Verbrennungsgasen, von
einer Temperatur von etwa 8oo° aus, so kann man nach einer gewissen Zeit dem Gefäß
eine außerordentlich aktive Kohle entnehmen. Die Aktivierung der Kohle ist dabei
durch den sehr langsamen Gaswechsel, der durch Diffusion durch die poröse Gefäßwand
stattgefunden hat, bewirkt. worden. Es zeigt sich ferner, daß im Innern des porösen
Gefäßes ein überdruck gegenüber dem Druck der an dem Gefäß vorbeistreichenden aktivierenden
Gase entstanden ist, der einige Zehntel Millimeter oder einige mm Hg betragen kann.
Läßt man die im Innern des Gefäßes durch die Aktivierungsreaktionen entstandenen
Gase (Aktivierungsgase) mit Hilfe des Überdrucks entweichen, so findet man, daß
diese Gase brennbar sind und eine ganz andere Zusammensetzung aufweisen. als die
das Gefäß umspülenden aktivierenden Gase.
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Die Geschwindigkeit der Aktivierungsreaktionen kann man erfindungsgemäß
regeln, indem man die Porosität des porösen Gefäßes derart verändert bzw. wählt,
daß man die beste Ausbeute an aktiver Kohle bei
einem gegebenen
Rohmaterial, bei gegebener Gaszusammensetzung und gegebener Brenntemperatur erhält.
Dabei braucht die Gaszusammensetzung der aktivierenden Gase nicht so sorgfältig
geregelt zu werden, wie dies bei den anderen, nicht auf Diffusion beruhenden Verfahren
erforderlich ist. Eine andere Art der Regulierung der Reaktion bzw. der Aktivierung
kann erfolgen, indem man den Druck der Gase, insbesondere den der im Innern des
Gefäßes befindlichen Gase (Aktivierungsgase), die durch das Rohr nach außen entweichen,
regelt, wobei man es in der Hand hat, durch das Verbindungsstück einen leichten
Über- oder Unterdruck herzustellen.
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Einer der Hauptvorzüge des Verfahrens der Erfindung besteht also darin,
daß es möglich ist, automatisch eine für die Aktivierung besonders günstige Atmosphäre
herzustellen.
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Die relativ schwache Porosität der Wände ist bekannt, dieselbe kann
durch einen erheblichen Gehalt des Tons an grobkörnigem Material oder durch Zusatz
von Holz- oder Korkmehl o. dgl. zum Ton vor dem Brennen erhöht werden. Ebenso kann
man auch andere poröse bIaterialien, wie etwa poröses Siliciumcarbid, poröse Silicatsteine
u. dgl., verwenden; auch solche Wände, welche feine Poren oder Kanäle enthalten,
sind anwendbar.
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Die chemische Untersuchung der Gase innerhalb und außerhalb des porösen
Gefäßes hat gezeigt, daß das innerhalb des porösen Gefäßes befindliche Gas (Aktivierungsgas)
brennbar und reich an Kohlenoxyd ist, während das außerhalb des porösen Gefäßes
befindliche Gas - als normales Verbrennungsgas - nichtbrennbar und reich an Stickstoff
und Kohlensäure ist.
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Die durchschnittliche Zusammensetzung der Gase ist etwa folgende:
| Aktwie- Akti- |
| rende Ver- |
| brennungs- vierungs- |
| gase gase |
| 9,u |
| C0.> .. .. .. ... .. ... ... . z8 8 |
| 0.= ................... 5 0 |
| ................. 75 56 |
| C 0 .................... a 36 |
| H.=0 und H._ vernachlässigt |
| IOO -ZOO |
Der Unterschied in der Zusammensetzung der Gase innerhalb und außerhalb des porösen
Gefäßes wird hervorgerufen durch die Aktivierungsreaktionen, d. h. durch die reduzierende
Wirkung der im porösen Gefäß befindlichen Kohle auf die durch Diffusion eintretenden
aktivierenden Gase; diese sehr langsam und regulierbar verlaufenden Reaktionen sind
bei dem vorliegenden Verfahren die Ursache der Aktivierung.
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Diese Wirkung ist gewissermaßen selektiv, d. h. sie findet nur auf
die noch nichtaktivierte Kohle statt, während die bereits aktivierten Kohlenstoffteilchen
gar nicht oder nur wenig angegriffen werden.
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Die günstigste Aktivierungstemperatur ist abhängig von der Art des
zu behandelnden kohlenstoffhaltigen Materials, von der Porosität des Gefäßes und
von der Zusammensetzung der aktivierenden Gase. Sie ist beispielsweise ungefähr
8oo° bei Verwendung von gewöhnlicher Holzkohle in einer Atmosphäre von normalen,
nicht oxydierenden Ofengasen, wie sie bei guter Verbrennung von Steinkohle erhalten
werden.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn man gute Ausbeuten
an aktiver Kohle erhalten will, daß möglichst alle Kohleteilchen in bezug auf die
Gefäßwand in gleicher Lage angeordnet sind. Aus diesem Grunde werden zweckmäßig
flache Gefäße mit großer Oberfläche verwendet.
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Der im Innern des Gefäßes entstehende Überdruck, welcher je nach den
angewendetenBedingungen bis zueinigenMillimeterHg betragen kann, kann gemessen werden,
und er wird erfindungsgemäß angewendet, um das Aktivierungsgas aus dem porösen Gefäß
gewissermaßen auf natürlichem Wege herauszuholen. Dieses Gas kann dann für die Ofenheizung
selbst oder für andere Zwecke, z. B. für den Antrieb von Motoren usw., verwendet
werden.
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Wie oben gesagt, kann durch Regelung dieses Überdruckes die Geschwindigkeit
des Gasaustausches durch die Wand vermindert oder erhöht und damit die Geschwindigkeit
der Aktivierung geregelt werden.
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Durch die Anwendung poröser Gefäße wird zwar die Bedeutung der genauen
Regelung der Verbrennung im Ofen, d. h. der Zusammensetzung der aktivierenden Verbrennungsgase,
ganz erheblich vermindert; trotzdem ist es mitunter von Wichtigkeit, besonders geeignete
Verbrennungsgase zu verwenden, insbesondere solche, welche reich an Wasserdampf
sind, wie sie z. B. bei der Verbrennung wasserstoffreicher Gase, wie Wassergas,
erhalten werden. Es kann auch Wasserdampf direkt dem aktivierenden Gas beigemischt
werden. Wenn man für die Alztivierung wasserdarnpfreiche Verbrennungsgase verwendet,
so wird die Zusammensetzung der Gase innerhalb des porösen Gefäßes erheblich verändert,
indem diese Gase
einen sehr viel größeren Gehalt an Wasserstoff
besitzen.
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Bei der technischen Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist es nicht
notwendig, daß das die Kohle enthaltende poröse Gefäß allseitig verschlossen ist.
Es genügt, wenn kein schädlicher Gaswechsel an Stellen stattfinden kann, die nicht
durch poröse Wände abgeschlossen sind; es darf also beispielsweise nirgends Luft
hinzutreten. Demgemäß kann man eine kontinuierliche Aktivierung in Retorten mit
großen porösen Seitenflächen ausführen und kann durch vorhandene Öffnungen der Retorte
die Kohle kontinuierlich zu- und abführen.
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In den Zeichnungen i bis 5 sind beispielsweise zwei Vorrichtungen
zur Ausübung des Verfahrens dargestellt.
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Die Abb. i und 2 sind ein Horizontal- und ein Vertikalschnitt durch
einen Röhrenofen, und die Abb. 3 bis 5 sind ein Längsschnitt, ein Querschnitt und
ein Horizontalschnitt durch einen Ofen mit vertikalen Kammern.
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Der senkrecht stehende zylindrische Ofen der Abb. i und :2 ist für
Gasheizung eingerichtet und enthält poröse Röhren i, die konzentrisch angeordnet
sind und mit Bezug auf das Ofenvolumen die größtmögliche Oberfläche besitzen. Jede
der porösen Röhren ist durch ein zur Abkühlung dienendes Metallrohr 2 verlängert,
das in einen Trichter 3 mündet. Dieser Trichter, der zum Herausholen des behandelten
Gutes dient, hat einen beweglichen, nur schematisch angedeuteten Rost 4.. Das zu
behandelnde Gut, Holzkohle oder sonstiges kohlenstoffhaltiges Material, wird durch
den Trichter -5 eingefüllt und fällt durch die Röhren i und 2 auf den Rost 4.
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Jede der porösen Röhren i kann zweckmäßig mit einem Sammelrohr für
die brennbaren Aktivierungsgase verbunden werden. Diese Röhren sind in der Achse
der Röhren i angeordnet und auf ihrer ganzen Länge in geeigneter Weise perforiert.
Mit Hilfe dieser in der Abbildung nicht dargestellten Gasableitungsröhren kann man
aus dem Innern der Kohle die brennbaren Gase ableiten, die sonst verloren wären
oder die zum mindesten, ebenfalls unter Verlust, durch die porösen Wände der Röhren
i in den Heizraum zurückdiffundieren würden. Man kann auch in ähnlicher Weise einen
Teil der Aktivierungsgase in dem Einfülltrichter 5 auffangen, wo sie sich sammeln
trotz des Widerstandes der hohen Kohleschicht in den Röhren i.
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Die Arbeitsweise des Ofens ist folgende: Das zu behandelnde Gut fällt
durch die Röhren i herab, je nachdem, wie es am unteren Ende des Ofens durch Bewegen
des Rostes 4 entfernt wird. Beim Durchgang durch die Röhren i findet die Aktivierung
statt.
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Der Kammerofen der Abb. 3 bis besteht aus mehreren parallelen Teilen
6, 7, 8 und g und kann dazu dienen, Kohle verschiedener Beschaffenheit gleichzeitig
zu aktivieren. Er besteht im wesentlichen aus senkrecht aufeinander gestellten Hohlziegeln,
welche die Hohlwände 31, 32, 33, 34 usw. bilden. Diese Hohlwände, durch welche
die Verbrennungsgase streichen, bilden zwischen sich sehr enge (einigeZentimeter)
vertikaleKammern, durch welche das zu behandelnde Gut herabfällt. Die zum Heizen
dienenden Verbrennungsgase kommen vom Herd 35 und werden auf die senkrechten Hohlwände
durch einen Zug io verteilt. In diesen münden horizontale Röhren i i, 12 usw., die
an den Hohlwänden enden. Am unteren Ende der Hohlwände werden die Verbrennungsgase
abgeführt durch andere Röhren 13, 14 usw. und gelangen endlich durch den Zug 15
in den Kamin 16.
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Die Aktiv ierungsgase werden aus der Kohlenmasse mit Hilfe besonders
poröser hohler Ziegel 17, 18, ig usw. entfernt, die senkrechte, in Reihen angeordnete
Röhren bilden und die Hohlwände gegen die Zirkulation der Rauchgase abriegeln. Die
Röhren 17, 18, 1g jeder Reihe werden am unteren Ende des Ofens durch horizontale
Züge 2o, 21, 22 usw. vereinigt, die rechtwinklig zu denen für die Abführung der
Rauchgase liegen. Diese Züge münden außerhalb des Ofens in einen Sammelkanal
223. Die so gesammelten Gase können zum Ofen zurückgeführt oder sonstwie
verwendet werden. Sie sind vollständig rein und staubfrei. Wenn ihr natürlicher
Druck unzureichend ist, kann man sie mit einem z. B, mit Dampf angetriebenen Injektor
24 ansaugen. Man kann ferner eine Anordnung treffen, um Destillationsgase aus dem
Einfülltrichter abzuführen, wenn das verwandte Ausgangsmaterial nicht destilliert
war; wenn man z. B. die direkte Aktivierung von Holz, Torf, Braunkohle und ähnlichen
nicht verkokten Stoffen beabsichtigt. Diese Anordnung ist in den Abb. 3 bis 5 nicht
gezeichnet.
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Das für die Aktivierung bestimmte kohlenstoffhaltige Gut wird in die.
Trichter 61, 7,
usw. eingefüllt, von wo es durch die eigene Schwere
zwischen den Hohlwänden 31 bis 34 usw. herabsinkt, wobei es aktiviert wird. Das
aktivierte Gut wird kontinuierlich oder diskontinuierlich in die Trichter 25, 26
usw. abgeführt, wo es sich abkühlt. Jeder dieser Trichter 25, 26, welcher am unteren
Ofenende die Kohlenkammern verlängert, ist mit zwei Klappenrosten 27 und 28 versehen,
die in der Abb.4 nur schematisch angedeutet
sind. Durch getrenntes
Öffnen und Schließen dieser Roste in bestimmten Intervallen.kann man die Ofenleistung
an aktivierter Kohle messen. Aus den Trichtern 25, 26 usw. wird die aktivierte Kohle
durch die Türen 29 und 30 herausgeholt. Diese Türen sind während der übrigen
Zeit luftdicht verschlossen, um jegliches Eindringen von Luft zu verhindern.
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Das hier beschriebene Verfahren ist auf die verschiedensten kohlenstoffhaltigen
Materialien anwendbar, wie Holzkohle oder Holz, Steinkohle, Braunkohle oder Torf
oder Koks, der aus Steinkohlen, Braunkohlen oder Torf gebrannt ist. Ferner ist es
anwendbar auf Rückstände mineralischer, pflanzlicher oder tierischer Herkunft, die
einen entsprechenden Kohlenstoffanteil enthalten.
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Ferner ist das Verfahren anwendbar auf die Aktivierung von Kohlenstoffagglorneraten,
die noch nicht aktiv sind oder schon eine gewisse Aktivität besitzen. Dabei kann
das Behandlungsgut rein oder mit anderen Stoffen gemischt sein, sei es, daß die
Zusätze die Aktivität begünstigen sollen, sei es, daß sie dem aktivierten Produkt
eine bestimmte physikalische Struktur oder besondere chemische Eigenschaften verleihen
sollen. Das Verfahren ist ebenso auf die Wiederaktivierung bereits benutzter und
verschmutzter aktiver Kohle anwendbar. Dabei kann die Kohle, die wiederaktiviert
werden soll, in gereinigtem oder ungereinigtem Zustande vorteilhaft in Pulverform
mit organischen Stoffen feucht gemischt, geformt, getrocknet, mit einem gleichartigen
Stoff von stärkerem Gehalt an organischem Stoff eingehüllt und unter Luftabschluß
geglüht werden,-bevor sie in den Aktivierungsofen eingefüllt wird. In gleicher Weise
ist das Verfahren anwendbar auf die Wiederbelebung oder Herstellung von Entfärbungskohle.
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Die nach dem Verfahren gewonnenen aktiven Kohlen können in vielen
Fällen ohne weitere Reinigung verwendet werden. In anderen Fällen ist es zweckmäßig,
sie von Fremdstoffen durch geeignete Waschung zu befreien. Das Anwendungsgebiet
der nach diesem Verfahren hergestellten Produkte ist das gleiche wie für andere
aktive Kohle.