DE69015573T2 - Kohlenstoffmolekularsieb. - Google Patents

Kohlenstoffmolekularsieb.

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DE69015573T2
DE69015573T2 DE1990615573 DE69015573T DE69015573T2 DE 69015573 T2 DE69015573 T2 DE 69015573T2 DE 1990615573 DE1990615573 DE 1990615573 DE 69015573 T DE69015573 T DE 69015573T DE 69015573 T2 DE69015573 T2 DE 69015573T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Molekularsiebe, welche aus Kohlenstoff-haltigen Materialien gefertigt wurden, welche die Funktionen besitzen, daß sie Mischungen von Molekülen, welche unterschiedliche Molekülgrößen aufweisen, in Gruppen von Molekülen basierend auf den Unterschieden in der selektiven Adsorbierbarkeit der Moleküle trennen.
  • Es wurde eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Molekularsieben berichtet, seit Emmet ein Kohlenstoff-Molekularsieb durch Karbonisieren von Polyvinylidenchloridharz erhielt (P. H. Emmett: Chem. Rev. 43, Seite 69). Beispielsweise offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. 37036/1974 ein Verfahren, welches ein Polymerisieren oder Kondensieren eines Prepolymers aus Phenol- oder Furanharz, welches auf der Oberfläche von aktiviertem Kohlenstoff adsorbiert ist, und ein anschließendes Karbonisieren des so gebildeten Harzes auf der Oberfläche durch Erhitzen auf 400 bis 1000 ºC umfaßt. Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 18675/1977 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Molekularsiebes, welches ein Halten eines Kokses, welcher nicht mehr als 5 % flüchtige Bestandteile aufweist, in einer Inertgasatmosphäre bei 600 bis 900 ºC, ein Zusetzen von einem gasförmigen Kohlenwasserstoff, welcher Kohlenstoff nach einem thermischen Abbau abgibt, und ein Ermöglichen einer Absetzung des sich bei der Zersetzung bildenden Kohlenstoffes in den Mikroporen umfaßt, um die Porendurchmesser zu verringern. Das wesentliche Element dieses Verfahrens ist es, einen gasförmigen Kohlenwasserstoff in den Ofen einzublasen und den Kohlenwasserstoff bei einer hohen Temperatur thermisch zu zersetzen. Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 8004/1986 offenbart ein Verfahren, welches das Karbonisieren von pelletisierter Kohle und dann, nach einem Waschen der erhaltenen Kohlenstoffpellets mit einer Mineralsäure, um Alkalimetallsalze zu entf ernen, ein Imprägnieren der Körnchen mit 1 - 3 % Steinkohlenpech oder Kohlenteer und anschließend ein Hitzebehandeln der Körnchen bei 950 bis 1000 ºC, gefolgt von einem Kühlen in einer Inertgasatmosphäre umfaßt. Weiters offenbart die japanische Patentoffenlegung Nr. 176908/1987 ein Verfahren zur Herstellung eines Molekularsiebes, welches eine noch höhere Leistungsfähigkeit aufweist, welches die Verwendung einer Fraktion von Kreosot, welche Siedepunkte von 140 bis 260 ºC aufweist, Dimethylnaphthalin oder Xylenol anstelle des Kohlenteers oder Kohlenpechs in dem oben genannten Verfahren umfaßt.
  • Kitagawa (Nenryo Kyokai-Shi, 60 Nr. 654, 859-864 (1982)) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Hochleistungs-Molekularsiebes, welches den Zusatz von 4 bis 5 % von Sulfitpulpen-Ablauge und Kohlenteerpech zu Yallourne-Holzkohlepulvern, ein Pelletisieren der Mischung und Erhitzen der Pellets mit einer konstanten Temperaturerhöhungsrate auf 600 bis 700 ºC, gefolgt von einer Wärmebehandlung für 1 Std., umfaßt.
  • Im 513. Journal of Chramatography 286 (1984), März, Nr. 1, Seiten 57 - 61, ist ein Ruß geoffenbart, welcher mit Benzolplasma behandelt wurde, welches als Adsorbens für Gaschromatografie verwendbar ist und welches die Abtrennung von komplexen Mischungen von organischen Verbindungen, wie einer Mischung aus 2-Methylbuten-2,3-Methylbuten-1 und 2-Methylbuten-1 erlaubt. Weiters ist ein Verfahren zur Herstellung dieses mit Benzolplasma behandelten Russes geoffenbart.
  • Ein Gegenstand der Erfindung ist es, ein neu entwickeltes Kohlenstoff-Molekularsieb zur Verfügung zu stellen, welches eine hohe Leistung besitzt.
  • Eine der bedeutendsten Verwendungen von Kohlenstoff-Molekularsieben ist als Adsorbens für Druckwechseladsorptionsverfahren (welche in der Folge als PSA bezeichnet werden). Hier regelt die selektive Adsorptionseigenschaft des als Adsorbens verwendeten Kohlenstoff-Molekularsiebes die Leistung des Verfahrens.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein neues Hochleistungs- Kohlenstoff-Molekularsieb zur Verfügung, welches durch Behandeln einer pelletisierten und karbonisierten Holzkohle aus Kokosnußschalen mit einem Plasma erhalten wird, welches aus einer Kohlenstoffverbindung gewählt aus der Gruppe bestehend aus Toluol, Hexan oder Kreosot gebildet wurde. Beispielsweise wird ein Kohlenstoff-haltiges Material mit dem Plasma behandelt, welches durch Anwendung einer Hochfrequenzspannung auf eine gasförmige Kohlenstoffverbindung bei üblicher Temperatur und unter verringertem Druck gebildet wird, wodurch das Kohlenstoff-haltige Material mit selektiven Adsorptionseigenschaften versehen wird, d.h. mit den Eigenschaften eines Molekularsiebes.
  • Die Molekularsiebe gemäß der vorliegenden Erfindung sind als Adsorbentien für die Abtrennung von Stickstoffgas aus der Luft geeignet, was eine ihrer bedeutendsten Verwendungen darstellt.
  • Eine komplettere Würdigung der Erfindung und zahlreiche der ihr eigenen Vorteile werden leicht besser verständlich unter Bezugnahme auf die folgende, detaillierte Beschreibung, wenn sie in Zusammenbang mit den beiliegenden Zeichnungen gesehen wird, in welchen
  • Fig. 1 eine Vorrichtung zur Behandlung von Kohlenstoffhaltigen Materialien mit Plasma zeigt, worin
  • 1 ein Rohrreaktor,
  • 2 das Kohlenstoff-haltige Material,
  • 3 ein Hahn,
  • 4 ein auberginenförmiger Kolben,
  • 5 ein Hahn,
  • 6 eine Vakuumpumpe,
  • 7 und 7f Elektroden,
  • 8 eine Impedanzeinstellvorrichtung
  • 9 eine Energiequelle für die Plasrnabildung, und
  • 10 eine Falle darstellt;
  • Fig. 2 Diagramme darstellt, welche den Zusammenhang zwischen der Plasmabehandlungszeit und den Adsorptionen von Stickstoffgas und Sauerstoffgas in Beispiel 1 zeigen, worin
  • 1 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material vor der Plasmabehandlung,
  • 2 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material vor der Plasmabehandlung,
  • 3 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 1 min behandelt wurde,
  • 4 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 1 min behandelt wurde, darstellt,
  • 5 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 2 min behandelt wurde, und
  • 6 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 2 min behandelt wurde, darstellt;
  • Fig. 3 Diagramme zeigt, welche den Zusammenhang zwischen der Plasmabehandlungszeit und den Adsorptionen von Stickstoffgas und Sauerstoffgas in dem Beispiel 2 zeigen, worin
  • 1 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material vor der Plasmabehandlung,
  • 2 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material vor der Plasmabehandlung,
  • 3 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, weiches mit Plasma für 5 min behandelt wurde,
  • 4 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 5 min behandelt wurde,
  • 5 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 7 min behandelt wurde, und
  • 6 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 7 min behandelt wurde, darstellt;
  • Fig. 4 Diagramme darstellt, welche den Zusammenhang zwischen der Plasmabehandlungszeit und den Adsorptionen von Stickstoffgas und Sauerstoffgas in Beispiel 3 zeigen, worin
  • 1 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material vor der Plasmabehandlung,
  • 2 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material vor der Plasmabehandlung,
  • 3 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 5 min behandelt wurde,
  • 4 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 5 min behandelt wurde,
  • 5 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 7 min behandelt wurde, und
  • 6 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Plasma für 7 min behandelt wurde, darstellt; und
  • Fig. 5 Diagramme zeigt, welche den Zusammenhang zwischen der Plasmabehandlungszeit und den Adsorptionen von Stickstoffgas und Sauerstoffgas in Beispiel 4 zeigen, worin
  • 1 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material vor der Plasmabehandlung,
  • 2 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material vor der Plasmabehandlung,
  • 3 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Hexanplasma behandelt wurde,
  • 4 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Hexanplasma behandelt wurde,
  • 5 die Adsorption von Stickstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Kreosotplasma behandelt wurde, und
  • 6 die Adsorption von Sauerstoffgas an Kohlenstoff-haltigem Material, welches mit Kreosotplasma behandelt wurde, darstellt.
  • Der vorliegende Erfinder hat für die Zwecke der Überprüfung der Wirkung von funktionellen Gruppen, welche an der Oberfläche von aktiviertem Kohlenstoff vorhanden sind, auf den Einfluß der Behandlung dieser Oberfläche mit Plasma, welches aus Toluol gebildet wurde, studiert. Als ein Ergebnis hat der Erfinder gefunden, daß die selektive Adsorptionseigenschaft von aktiviertem Kohlenstoff signifikant durch die Plasmabehandlung verbessert wird und er hat dann die Plasmabehandlung an verschiedenen, Kohlenstoff-haltigen Basismaterialien getestet, um die Erfindung zu vervollständigen.
  • Daher stellt die vorliegende Erfindung Molekularsiebe zur Verfügung, umfassend eine pelletisierte und karbonisierte Holzkohle aus Kokosnußschalen, die mit einem aus einer Kohlenstoffverbindung erzeugten Plasma behandelt wurde, wobei die Kohlenstoffverbindung aus der Gruppe bestehend aus Toluol, Hexan oder Kreosot ausgewählt ist.
  • Die Erfindung wird in der Folge mehr im Detail erläutert.
  • Die karbonisierte Kokosnußschale, welche als Rohmaterial für aktivierten Kohlenstoff geeignet ist, wird pelletisiert, umfassend die zuvor erhaltenen Körnchen und, falls erforderlich, ein Bindemittel, wie ein Pech oder einen Kohlenteer, und wird in bestimmte Formen und zahlreiche ähnliche Variationen geformt. Es ist bekannt, daß dieses Kohlenstoffhaltige Material Mikroporenstrukturen besitzt und daß es einen bedeutend größeren Oberflächenbereich als andere Substanzen und eine große Kapazität zum Adsorbieren verschiedener Substanzen inklusive geruchsintensive Materialien aufweist. Während der aktivierte Kohlenstoff einer ist, welcher hergestellt wurde, um die Adsorptionsfähigkeit zu erhöhen, besitzen alle Kohlenstoffmaterialien ohne Beschränkung auf aktivierten Kohlenstoff mikroporöse Strukturen. Von den Molekularsieben gemmß der vorliegenden Erfindung wird angenommen, daß sie durch die Wirkung dieser Mikroporenstrukturen und Plasma gebildet werden. Dies deshalb, da die Plasmabehandlung die Gasadsorption signifikant verringert und die Eigenschaft der selektiven Adsorption basierend auf den Differenzen in den Molekülgrößen des zu adsorbierenden Materials des zu behandelnden, Kohlenstoffhaltigen Materials signifikant vergrößert (Beispiel 1).
  • Es ist auch gut bekannt, daß aktivierter Kohlenstoff die größte allgemeine Adsorptionskapazität unter allen Kohlenstoff-haltigen Materialien aufweist. Jedoch sind Kohlenstoff-haltige Materialien vor der Aktivierung geeigneter als aktivierter Kohlenstoff als Ausgangsmaterial für die Molekularsiebe, welche für die Abtrennung von Stickstoff aus Luft durch PSA-Apparaturen verwendet werden, was heute die größte Anwendung für Kohlenstoff-Molekularsiebe darstellt. Während der mittlere Mikroporenradius von konventionellem, aktivierten Kohlenstoff 1 bis 2 nm (10 bis 20 Å) beträgt, ist jener von rohem, Kohlenstoff-haltigem Material vor der Aktivierung in etwa die Hälfte dieses Wertes. Da die Molekülgrößen (der minimale Durchmesser) von Sauerstoffgas und Stickstoffgas 0,28 nm bzw. 0,30 nm (2,8 und 3,0 Å) betragen, ist es aus dem Vergleich dieser zwei Größen verständlich, daß die Rohmaterialien vor der Aktivierung besser geeignet sind. Die aus rohen, Kohlenstoff-haltigen Materialien vor der Aktivierung erhaltenen Molekularsiebe sind auch für die Abtrennung von anderen Gasen, welche einen Moleküldurchmesser von nicht mehr als 0,5 nm (5 Å) aufweisen, geeignet. Jedoch sind in den meisten Fällen Molekularsiebe, welche aus aktiviertem Kohlenstoff hergestellt sind, für die Abtrennung von Substanzen mit großen Molekülgrößen oder zur Verwendung in der flüssigen Phase geeignet. Amorphe Kohlenstoffmaterialien, welche entsprechend entwickelte Mikroporenstrukturen aufweisen, sind bevorzugter als Kohlenstoff-haltige Materialien, wie Graphit, welche vergleichsweise kleinere Mikroporenstrukturen aufweisen, da die Molekularsiebeigenschaft aus der Mikroporenstruktur des verwendeten Kohlenstoff- haltigen Materials stammt.
  • Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten, Kohlenstoff- haltigen Materialien sind pelletiertes, Kohlenstoff-haltiges Material (Holzkohle aus Kokosnußschalen), wobei das Bindemittel ebenfalls vorzugsweise ausreichend karbonisiert wurde.
  • Die Kohlenstoff-haltigen Materialien können jede Form besitzen, jedoch ist es bevorzugt, daß ihre mittlere Teilchengröße so klein wie möglich ist, da angenommen wird, daß die Wirkung eines Plasmas nur auf der Oberfläche des Materials ausgebildet werden kann.
  • Die Molekularsiebe gemäß der vorliegenden Erfindung werden durcli Plasmabehandlung hergestellt. Die Plasmabehandlung der Kohlenstoff-haltigen Materialien verringert die Adsorptionsfähigkeit und erhöht die Fähigkeit der selektiven Adsorption basierend auf den Unterschieden in den Molekülgrößen des zu adsorbierenden Materials und bildet so Molekularsiebe.
  • Es ist nicht vollständig klar, wie sich die Struktur der Oberfläche des Kohlenstoff-haltigen Materials, welches mit Plasma behandelt wurde, ändert. Jedoch aus der Tatsache, daß, wenn eine hochfrequente Spannung an einen Rohrreaktor unter verringertem Druck angelegt wird, das Innere des Rohres ein schwaches, rosa Licht emittiert, ist es klar, daß große Mengen an Elektronen, an Kationen von Molekülen, welche Elektronen verloren haben, an Radikalen, welche durch Spalten von Molekülen gebildet werden, und dgl. sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegen. Es wird daher angenommen, daß diese Teilchen mit der Oberfläche des Kohlenstoff- haltigen Materials kollidieren, um eine dünne Membran auszubilden, in welcher die aktivierten Plasmateilchen miteinander polymerisieren, um eine feste, dünne Membranstruktur auf der Oberfläche des Kohlenstoff-haltigen Materials auszubilden.
  • Wenn eine Mischung von Molekülen, welche unterschiedliche Molekülgrößen aufweist, mit dem so hergestellten, Kohlenstoff-haltigen Material kontaktiert wird, zeigt die auf der Oberfläche des Materials gebildete Struktur eine signifikant verstärkte Eigenschaft der selektiven Adsorption, d.h. der Molekularsiebeigenschaft. Wenn beispielsweise Luft, welche eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff ist, auf dem Kohlenstoff-haltigen Material adsorbiert wird, unterscheiden sich die Diffusionsraten, mit welchen die Moleküle dieser zwei Typen durch die dünne Membranstruktur, welche auf der Oberfläche ausgebildet ist, wandern, um schließlich in der Mikroporenstruktur des Materials adsorbiert zu werden, in einem großen Ausmaß voneinander aufgrund des Unterschiedes in ihrer Molekülgröße, wobei angenommen wird, daß ihm der signifikante Unterschied in den Adsorptionsraten von Stickstoff- und Sauerstoffgasen auf dem Kohlenstoff-haltigem Material zuschreibbar ist. Die Überlegung, daß die Molekularsiebeigenschaft von der auf der Oberfläche des Materials ausgebildeten Struktur stammt, wird auch durch die Tatsache unterstützt, daß ein Kohlenstoff-haltiges Material, sobald es in der oben beschriebenen Weise hergestellt wurde, seine Molekularsiebeigenschaft verliert, wenn es pulverisiert wird. Es wurde in Betracht gezogen, daß die Abscheideeigenschaft von Kohlenstoff-Molekularsieben durch teilweises Auffüllen von jeder der Mikroporen hergestellt wird. In der vorliegenden Erfindung ist es jedoch im Hinblick auf das Herstellungverfahren schwer zu glauben, daß das Plasma, welches sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, tief in den pelletisierten Kohlenstoff eindringen kann, um seine Mikroporen teilweise auf zufüllen. Es wird daher angenommen, daß die Abscheideeigenschaft durch die dünne Membranstruktur gebildet wird, welche auf der Oberfläche nach Kollison mit dem Hochgeschwindigkeitsplasma gebildet wird.
  • Plasma ist ein hochionisiertes Gas, welches beispielsweise in Gas zwischen den Elektroden einer Bogenentladung, der Licht-emittierenden Zone in elektrischen Entladungsröhren und in der Ionosphäre vorliegt. Während diese Plasmen eine Vielzahl von positiv und negativ geladenen Teilchen enthalten, sind sie insgesamt elektrisch neutral.
  • Es ist bekannt, daß, wenn eine Oberfläche mit Methanplasma in einer Atmosphäre unter verringertem Druck behandelt wird, eine dünne Membran von Diamant auf der Oberfläche ausgebildet wird. Diese Tatsache zeigt, daß das Plasma eine besonders hohe Aktivität und Bindungseigenschaft besitzt. Es wird daher angenommen, daß das Plasma aus einem Kohlenwasserstoff, wie Toluol, auf der Oberfläche, mit welcher es kollidiert, polymerisiert, um eine feste, dünne Membransturktur auszubilden, welche ein signifikant hohes Molekulargewicht aufweist, und daß die so gebildete Struktur besonders hohe, physikalische und chemische Stabilitäten aufweist.
  • ES wird nun unter Bezugnahme auf die später in größerem Detail folgenden Beispiele eine Beschreibung gegeben. Ein Kohlenstoff-haltiges Material wurde pelletisiert und die Pellets wurden vollständig karbonisiert. Die Pellets wurden in ein Druck-Testrohr gegeben und darin versiegelt und eine geringe Menge an Toluol wurde kontinuierlich durch ein Ende des Rohres eingebracht. Während der Innendruck des Rohres auf 133 Pa (1 Torr) mit einer Vakuumpumpe gehalten wurde, welche an das andere Ende angeschlossen wurde, wurde eine Hochfrequenzspannung von 13,56 MHz (100 W) an das Rohr durch ein Paar von Kupferelektroden angelegt, welche das Rohr halten. Unter Anwendung dieser Spannung emittierte die Innenseite des Rohres ein schwaches, violettes Licht, welches die Bildung eines Plasmas anzeigte, und das Kohlenstoff-haltige Material, welches in dem Rohr enthalten ist, wurde mit dem Plasma behandelt.
  • Fig. 2 bis 5 zeigen die Zusammenhänge zwischen den Adsorptionszeiten und den adsorbierten Mengen an Sauerstoffgas und Stickstoffgas für die unter den verschiedenen Bedingungen in den Beispielen 1 bis 4 plasmabehandelten, Kohlenstoff- haltigen Materialien.
  • Danach verringerte sich die Gasadsorption durch die Plasmabehandlung im Vergleich zu den Rohmaterialien vor der Behandlung. Während jedoch meistens keine selektive Adsorptionseigenschaft für Sauerstoffgas und Stickstoffgas vor der Behandlung beobachtet wurde, wurden nach der Plasmabehandlung signifikante Unterschiede in der Adsorptionsfähigkeit für diese zwei beobachtet, wodurch die Bildung von Molekularsieben unter Beweis gestellt wird.
  • Einige von unseren Experimenten zeigen die Fälle, in welchen, obwohl eine merkbare, selektive Adsorptionseigenschaft ausgebildet wurde, die Verringerung in der Sauerstoffgas-Adsorption gering war (Beispiele 2 und 3). Mit den Kohlenstoff-Molekularsieben, welche gemäß konventionellen Verfahren hergestellt wurden, wurde die Antinomie festgestellt, daß, wenn die selektiven Adsorptionseigenschaften erhöht werden, die Gasadsorption verringert wird, während der Anstieg in der Gasadsorption zu einer Verringerung der selektiven Adsorptionseigenschaften führt. Da jedoch unser Plasmaverfahren neu ist, könnte das erhaltene Molekularsieb gut von jenen der üblichen Kohlenstoff-Molekularsiebe unterschiedliche Merkmale aufweisen.
  • Die verwendeten Plasmen sind Plasmen, welche aus Kohlenstoffverbindungen gebildet werden, welche aus der Gruppe bestehend aus Toluol, Hexan und Kreosot gewählt sind, wie dies in den Beispielen 1 bis 4 gezeigt ist.
  • Obwohl, wie dies in der Einleitung beschrieben ist, eine Vielzahl von Verfahren für die Herstellung von Kohlenstoff- Molekularsieben bekannt ist, ist die Ausbildung von Molekularsieb-Eigenschaften durch Behandlung von karbonisierter und pelletisierter Holzkohle aus Kokosnußschalen mit Plasma gänzlich neu.
  • Die Molekularsiebe der vorliegenden Erfindung, welche durch Behandlung der Oberfläche von Kohlenstoff-haltigen Materialien mit Plasma erhalten werden, können für die Trennung einer Mischung enthaltend eine Mehrzahl von Molekülen, welche unterschiedliche Molekulargrößen aufweisen, entweder in der Gasphase oder in der flüssigen Phase verwendet werden.
  • Das bedeutendste Gebiet, in welchem die Kohlenstoff-Molekularsiebe in industriellem Maßstab verwendet werden, ist als Adsorbens für PSA-Apparaturen, insbesondere für eine zum Abtrennen von Stickstoffgas aus Luft. Wie dies in den Beispielen 2 und 3 gezeigt ist, können die Molekularsiebe der vorliegenden Erfindung auch für die Abtrennung von Stickstoffgas aus Luft geeignet verwendet werden.
  • Andere Gegenstände der Erfindung werden im Zuge der folgenden beispielhaften Ausbildungen klar, welche zur Erläuterung der Erfindung gegeben werden und von welchen nicht beabsichtigt ist, daß sie diese beschränken.
  • BEISPIEL 1
  • Fig. 1 ist eine Versuchsanordnung zur Behandlung von Kohlenstoff-haltigen Materialien mit Plasma. Der Rohrreaktor 1 ist eine Druck-Teströhre, welche einen Durchmesser von etwa 30 mm besitzt, in welcher Kohlenstoff-haltiges Material 2 placiert ist, welches etwa 15 g wiegt und welches einen Durchmesser und eine Länge von 2 bzw. 5 mm aufweist. Der auberginenförmige Kolben (Birnenkolben) 4 enthält eine geringe Menge an Toluol und ist über den Hahn 3 mit dem Reaktor verbunden. Das andere Ende des Reaktors ist über einen Hahn 5 mit einer Falle 10 verbunden und dann mit einer Vakuumpumpe 6. Ein Paar von Entladungselektroden 7 und 7', welche aus Kupfer gef ertigt sind, sind installiert, eine über und eine unter dem Reaktor, und über eine Impedanz- Einstellvorrichtung 8 mit einer Energiequelle für die Plasmabildung 9 verbunden (Type RP-500, 13,56 MHz, 100 W, hergestellt von Pearl Kogyo Co., Ltd.).
  • Das verwendete, Kohlenstoff-haltige Material besteht aus vollständig karbonisierten Pellets, welche durch Karbonisieren bei 600ºC erhalten werden, wobei die Pellets aus einer Mischung von Pulver aus Holzkohle aus Kokosnußschalen mit Kohlenteer als Bindemittel geformt wurden.
  • Das Kohlenstoff-haltige Material wird in dem Reaktor placiert und darin versiegelt und der Inhalt des gesamten Systems wird durch Stickstoffgas ersetzt. Dann wird das System durch die Vakuumpumpe 6 evakuiert. Der Hahn 3 wird so eingestellt, daß immer eine geringe Menge an Toluoldampf in den Reaktor strömt, und der Hahn 5 ist so eingestellt, daß im Inneren des Reaktors bei Raumtemperatur ein Druck von 133 Pa (1 Torr) aufrechterhalten wird. Die Energiequelle 9 wird eingeschaltet, um eine hochfrequente Spannung an die Elektroden 7 und 7 anzulegen. Dann emittiert das Innere des Reaktors ein schwaches, violettes Licht, was die Bildung eines Plasmas nachweist, und das Kohlenstoff-haltige Material in dem Reaktor wird mit dem Toluolplasma behandelt.
  • Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen der Plasmabehandlungszeit und den Adsorptionen von Stickstoffgas und Sauerstoffgas bei 25 ºC, 0,98 bar (1 atm).
  • Es ist aus dieser Figur ersichtlich, daß die Plasmabehandlung die Adsorptionen von sowohl Stickstoffgas als auch Sauerstoffgas signifikant verringerte, wobei die Verringerung der Adsorption des ersteren größer war, was anzeigt, daß die selektive Adsorptionseigenschaft signifikant verbessert wurde.
  • BEISPIEL 2
  • Holzkohlenpulver aus Kokosnußschalen wurde mit Kohlenteer als Bindemittel vermischt und die Mischung wurde in Pellets geformt, welche einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 5 mm aufweisen. Die Pellets wurden dann vollständig bei 600 ºC karbonisiert und dann einer Behandlung zur Entfernung von Alkalimetallsalzen unterworfen.
  • Dieselbe Apparatur wie in Beispiel 1 wurde verwendet. Der Reaktor 1 wurde mit 1 g des Kohlenstoff-haltigen Materials, welches wie oben hergestellt wurde, beladen und der Birnenkolben wurde mit einer geringen Menge an Toluol befüllt. Die Plasmabehandlung wurde durchgeführt, während das Innere des Reaktors unter einem Druck von 67 bis 133 Pa (0,5 bis 1 Torr) bei Raumtemperatur gehalten wurde. Für die Zwecke der sorgfältigen Aufbringung des Plasmas auf der Oberfläche des Kohlenstoff-haltigen Materials wurde die Behandlung nach jeweils 30 s Behandlung unterbrochen und der Reaktor wurde geschüttelt und rotiert, um das Kohlenstoff-haltige Material zu mischen. Die anderen Behandlungsbedingungen waren dieselben wie jene von Beispiel 1.
  • Fig. 3 zeigt die Adsorptionskurven von Stickstoffgas und Sauerstoffgas bei 25 ºC, 0,98 bar (1 atm) gegen die Plasmabehandlungszeit für das Kohlenstoff-haltige Material.
  • Es kann aus dieser Figur ersehen werden, daß die Plasmabehandlung die Adsorptionen von sowohl Stickstoffgas als auch Sauerstoffgas signifikant verringerte, wobei die Verringerung in der Adsorption für das erstere größer war, was anzeigt, daß die selektiven Adsorptionseigenschaften signifikant erhöht wurden.
  • Zahlreiche Verfahren können für das Anzeigen der selektiven Adsorptionseigenschaften erhältlich sein. Wir verwenden den folgenden Wert als eine Indikation, aus welcher die Trennfähigkeit eines Molekularsiebes abgeschätzt werden kann. Folglich ist der selektive Adsorptionsindex definiert als:
  • S = TN&sub2;/5
  • worin TN&sub2; die Zeit (in Sekunden) ist, welche für ein Molekularsieb erforderlich ist, um Stickstoffgas in derselben Menge zu adsorbieren, wie die Menge des auf dem Sieb adsorbierten Sauerstoffgases bei 25 ºC, 0,98 bar (1 atm) für 5 s.
  • Das Kohlenstoff-haltige Material, welches durch die Plasmabehandlung für 7 min erhalten wurde, zeigte ein S von 7,6 und eine Gleichgewichts-Sauerstoffadsorption von 7,4 ml/g.
  • Die Trennung von Luft wurde unter Verwendung einer Druckwechseladsorptions-Testapparatur unter den folgenden Bedingungen untersucht, um die Trennungsfähigkeit für Gas, welches aus den selektiven Adsorptionseigenschaften resultiert, zu bestätigen.
  • Adsorptionssäule: 10 ml, 2 Stück
  • Adsorptionsdruck: 4,41 bar (3,5 kg/cm² (G))
  • Desorptionsdruck: 13332 Pa (100 mm Hg)
  • Adsorptionszeit und
  • Desorptionszeit: jeweils 40 s
  • Gas-Raumgeschwindigkeit (SV): 0,6
  • worin SV der Quotient ist, welcher beim Dividieren des Volumens des Stickstoffgasflusses pro min unter normalen Bedingungen durch das pro Adsorption in die Säule gefüllte Volumen erhalten wird.
  • Der Trennungstest, welcher mit dem Kohlenstoff-Molekularsieb durchgeführt wurde, welches durch die Plasmabehandlung für 7 min erhalten wurde, ergab ein Stickstoffgas, welches eine Konzentration von 92,5 % aufwies. Obwohl es notwendig ist, die Tatsache in Betracht zu ziehen, daß mit einer Miniaturtestapparatur erhaltene Ergebnisse einigen Veränderungen der Daten unterworfen werden müssen, zeigt das Ergebnis deutlich, daß das Plasma-behandelte Kohlenstoff-Molekularsieb als Adsorbens für Druckwechseladsorptions-Testapparaturen zur Abtrennung von Stickstoffgas aus Luft verwendet werden kann.
  • BEISPIEL 3
  • Pellets, welche einen Durchmesser und eine Länge von 2 mm bzw. 5 mm aufweisen und welche durch Karbonisieren von Phenolharzformen erhalten wurden, wurden verwendet Die Pellets wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 Plasmabehandelt.
  • Fig. 4 zeigt Adsorptionskurven von Stickstoffgas und Sauerstoffgas bei 25 ºC, 0,98 bar (1 atm) gegen die Plasmabehandlungszeit für das Kohlenstoff-haltige Material.
  • Das Kohlenstoff-Molekularsieb, welches durch die Behandlung des Kohlenstoff-haltigen Materials mit Plasma für 7 min erhalten wurde, zeigte einen selektiven Adsorptionsindex S von 10,2 und eine Gleichgewichts-Sauerstoffadsorption von 8,75 ml/g.
  • Der Trenntest, welcher unter Verwendung einer Druckwechseladsorptions-Testapparatur mit diesem Kohlenstoff-Molekularsieb durchgeführt wurde, ergab ein Stickstoffgas, welches eine Konzentration von 97,5 % aufwies.
  • BEISPIEL 4
  • Dasselbe Kohlenstoff-haltige Material, welches in Beispiel 2 verwendet wurde, wurde verwendet und 2 g von jeweils diesem Material wurden mit Hexanplasma oder Kreosotplasma für 2 min auf dieselbe Weise, wie in Beispiel 2 beschrieben, behandelt.
  • Fig. 5 zeigt Adsorptionskurven von Stickstoffgas und Sauerstoffgas bei 25 ºC, 0,98 bar (1 atm) gegen die Plasmabehandlungszeit für das erhaltene, Kohlenstoff-haltige Material.
  • Offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehre möglich. Es ist daher zu verstehen, daß im Rahmen der folgenden Patentansprüche die Erfindung auch anders als hier spezifisch beschrieben durchgeführt werden kann.

Claims (2)

1. Kohlenstoff-Molekularsieb, umfassend eine künstliche, pelletisierte und karbonisierte Holzkohle aus Kokosnußschalen, die mit einem aus einer Kohlenstoffverbindung erzeugten Plasma behandelt wurde, wobei die Kohlenstoffverbindung aus der Gruppe bestehend aus Toluol, Hexan oder Kreosot, ausgewählt ist und das Kohlenstoff-Molekularsieb zur Abtrennung von Stickstoffgas aus Luft befähigt ist und als Adsorptionsmittel in einem Druckwechseladsorptionsverfahren zur Abtrennung von Stickstoffgas aus Luft verwendet werden kann.
2. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff-Molekularsiebs, das zur Abtrennung von Stickstoffgas aus Luft befähigt ist und als Adsorptionsmittel in einem Druckwechseladsorptionsverfahren zur Abtrennung von Stickstoffgas aus Luft verwendet wird, umfassend den Schritt des Karbonisierens einer pelletisierten Holzkohle aus Kokosnußschalen und der Behandlung mit einem aus einer Kohlenstoffverbindung erzeugten Plasma, wobei die Kohlenstoffverbindung aus der Gruppe, bestehend aus Toluol, Hexan oder Kreosot, ausgewählt ist.
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