DE69634626T2 - Dünnwandiger,extrudierter Aktivkohlefilter - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein neues, dünnwandiges, extrudiertes Aktivkohlefilter insbesondere Filterrohr, für Raumtemperatur-Wasserreinigungsprozesse, um Teilchen zu entfernen, deren Größe kleiner als 1 μ ist.
• Obgleich das US-Patent 5 189 092 die Extrusion von Verbindungen offenbart, bestehend aus Aktivkohleteilchen und thermoplastischen Bindemittelpulver zur Herstellung von Filtergegenständen, sind die in diesem Patent beschriebenen Aktivkohlefilter nicht in der Lage, insbesondere 99,5 % oder mehr Teilchen einer Größe von 0,5 μm bis 0,8 μm zu entfernen, noch hielt man es für möglich, Aktivkohlerohre mit einer Wandstärke von weniger als 12,7 mm und insbesondere solche Rohre herzustellen, deren Wandstärke 7,62 mm oder weniger beträgt.
• Gegenwärtig werden in Filtrationssystemen, bei denen etwa 99,5 % oder mehr Teilchen mit einer Größe von 0,5 μm bis 0,8 μm entfernt werden sollen, keramische Kerzenfilter benutzt. Derartige keramische Filter sind jedoch hauptsächlich für Hochtemperaturzwecke vorgesehen. Aufgrund der Tatsache jedoch, dass geeignete billige Filter nicht zur Verfügung standen, die in der Lage waren, den oben genannten Anteil an Teilchen unter 1 μ zu entfernen, sind solche Keramikfilter auch für Filtrations- oder Reinigungsprozesse benutzt worden, wenn dies nicht aufgrund hoher Temperaturen erforderlich war, so beispielsweise für Verfahren zur Reinigung von Wasser, die bei Raumtemperatur stattfanden. Eine solche Verwendung keramischer Filter führt jedoch dann, wenn ihre Hochtemperatureigenschaften nicht benötigt werden, zu einem wesentlichen Anstieg der Filtrations- oder Reinigungskosten, und zwar aufgrund der kostspieligen Natur derartiger Keramikfilter.
• Aus der WO 92/17327 und dem US-Patent 5 331 037 ist ein Kohlenstofffilter bekannt, das aus einem im wesentlichen einheitlichen Gemisch aus etwa 80 Gew.-% bis etwa 88,5 Gew.-% Aktivkohleteilchen und etwa 12,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% Bindemittelteilchen besteht, die einen Durchmesser zwischen etwa 0,1 und etwa 250 μm haben. Diese Mischung weist ferner etwa 65 Gew.-% 20 × 50-maschige Aktivkohleteilchen und etwa 20 Gew.-% 80 × 325-maschige Aktivkohleteilchen sowie etwa 15 Gew.-% Bindemitteheilchen aus Polyethylen auf.
• Aus dem US-Patent 5 225 081 ist eine im wesentlichen gleichförmige Mischung bekannt, bestehend aus etwa 2 bis 25 Gew.-% eines thermoplastischen Bindemittels und etwa 40 bis 75 Gew.-% Aktivkohle. Ein Filtersystem weist diese gleichförmige Mischung auf.
• Obgleich Aktivkohlefilter bekannt geworden sind und in Wasserreinigungsprozessen Verwendung fanden, war es bisher nicht möglich, bei Verwendung der bekannten Aktivkohlefilter den oben genannten Grad der Teilchenentfernung zu erreichen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen hocheffektiven, dünnwandigen Aktivkohlefilter, insbesondere Filterrohr, zu Verfügung zu stellen, das für Niedrigtemperaturfiltrations- und Reinigungsprozesse verwendet wird, um die unangemessen teuren Keramikfiltereinheiten zu ersetzen, die bis jetzt benutzt wurden, um 99,5 % oder mehr Teilchen mit einer Größe von 0,5 μm bis 0,8 μm aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten, die Raumtemperatur aufweisen, zu entfernen. Diese Aufgabe wird durch ein extrudiertes, dünnwandiges Aktivkohlefilter, insbesondere Filterrohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Unter dünnwandiges Filterrohr dieser Erfindung wird verstanden, dass das Aktivkohlefilterrohr eine Wanddicke von 12,7 mm oder weniger, vorzugsweise eher 7,62 mm oder weniger aufweist. Ein dünnwandiges Aktivkohlefilter lässt sich aus der Materialzusammensetzung durch den kontinuierlichen Extrudionsprozess herstellen, der in dem US-Patent 5 189 092 beschrieben ist und hat eine Dichte, die ausreicht, um 99,5 % der Teilchen mit einer Größe von 3 μ oder größer, vorzugsweise 99,5 % der Teilchen mit einer Größe von etwa 0,5 μm bis 0,8 μm zu entfernen.
• Die beigefügte Zeichnungsfigur zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Aktivkohlefilters in Querschnittsansicht.
• Es wurde festgestellt, dass das oben beschriebene homogene Gemisch aus zwei verschiedenen Größen von Aktivkohleteilchen, d.h. von etwa 75 bis etwa 85 Gew.-% von etwa 18 bis 50 Gew.-% –325-maschiger Aktivkohleteilchen und etwa 50 bis 82 Gew.-% –200 bis +325-maschiger Aktivkohleteilchen, die zusammen mit etwa 15 bis 25 Gew.-% eines thermoplastischen Pulvers mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 5 μm bis etwa 25 μm verwendet werden, durch die Extrusion eines solchen dünnwandigen Filterrohres zur Schaffung eines Filterelementes führen kann, das in der Lage ist, 99,5 % oder mehr Teilchen mit einer Größe von 0,5 μm bis 0,8 μm zu entfernen.
• Alle geeigneten Aktivkohleteilchen der genannten Größen lassen sich zur Herstellung der dünnwandigen Filterrohre gemäß der Erfindung verwenden. Unter diesen Aktivkohleteilchen, die für die Verwendung geeignet und von der Calgon Carbon Corporation erhältlich sind, befindet sich die Type TOG-NDS Aktivkohle, die aus sauergewaschenen, bituminösen Aktivkohleteilchen auf Kohlebasis besteht.
• Obgleich –325-maschige Aktivkohleteilchen von etwa 18 bis 50 Gew.-% verwendet werden können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Anteil –325-maschiger Teilchen etwa 28 Gew.-% der Aktivkohleteilchen beträgt und dass 72 Gew.-% Aktivkohleteilchen –200 bis +325-maschige Teilchen sind. Es hat sich außerdem bewährt, dass die Menge an Aktivkohleteilchen etwa 81 Gew.-% der im wesentlichen homogenen Mischung aufweist, und dass das Bindemittelpulver etwa 19 Gew.-% des Gemisches bildet.
• Das thermoplastische Bindemittel kann sich aus nahezu jedem thermoplastischen Material zusammensetzen, einschließlich beispielsweise Polyolefinen, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen-1 und Poly-4-methylpenten-1; Polyvenyle wie beispielsweise Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid und Polyvinyldidenchlorid; Polyvinylester wie beispielsweise Polyvinylacetat, Polyvinylpropionat und Polyvinylpyrrolidon; Polyvinyläther; Polyvinylsulfat; Polyvinylphosphat; Polyvinylamin; Polyoxidiazol; Polytriazol; Polycarbodiimid; Copolymere und Blockinterpolymere wie beispielsweise Ethylenvinylacetatcopolymer; Polysulfon; Polycarbonat; Polyester wie beispielsweise Polyethylenoxid, Polymethylenoxid und Polypropylenoxid; Polarylenoxid; Polyester, einschließlich Polyarylat wie beispielsweise Polyethylenterphthalat, Nylonpolyimid und deren Variationen sowie andere Polymere mit Substitionsgruppen, wie beispielsweise Hydroxyl, Halogen, niedere Alkylgruppen, niedere Alkoxygruppen, Monozyklische Arylgruppen und dergleichen und andere thermoplastische, schmelzbare Feststoffe. Bevorzugt werden Polyethylen, Poly(ethylenvinylacezat) und Nylon. Besonders bevorzugt als Bindemittel ist Polyethylen, insbesondere die Sorte SN 510 Polyethylen der USI Division of Quantum Chemical Corporation.
• Falls gewünscht, kann eine kleine Menge von etwa 75 bis etwa 85 Gew.-% Aktivkohleteilchen in der im wesentlichen homogenen Mischung ersetzt werden durch zusätzliche teilchenförmige oder pulverförmige Additive, um die Arbeitsweise des Filters zu verbessern. So lassen sich beispielsweise etwa 6 bis 20 Gew.-% Zeolit zusetzen, um die Adsorption von Schwermetallen wie Blei aus dem Wasser oder einer anderen zu filtrierenden Flüssigkeit zu vergrößern. Ein besonders bevorzugtes Zeolit, das sich als Additiv verwenden lässt, ist ATS Titansilikatzeolit mit einer hohen Adsorptionsfähigkeit für Blei. Diese Zeolit ist von der Engelhard Corporation erhältlich.
• Beispiele für andere Additive, die sich in kleinen Mengen verwenden lassen, im allgemeinen in Mengen von weniger als etwa 10 Gew.-%, wären Diatomeenerde, Keramiken, Ionen aus Austauschharzen und dergleichen zu nennen.
• Die Bestandteile der extrudierbaren Zusammensetzung sollen zu einem im wesentlichen homogenen Gemisch gemischt werden, bevor die Extrusion des Gemisches zu den gewünschten dünnwandigen Kohlenstoffrohren stattfindet. Nachdem die Bestandteile zu einem im wesentlichen homogenen Gemisch gemischt worden sind, wird das Gemisch mit Hilfe des in dem US-Patent 5 189 092 beschriebenen Verfahrens und mit der dort beschriebenen Vorrichtung zu den gewünschten dünnwandigen Kohlenstoffrohren extrudiert.
• Die extrudierten dünnwandigen Kohlenstoffrohre gemäß der Erfindung haben im allgemeinen eine Dichte von etwa 0,65 bis etwa 0,65 bis etwa 0,75 g/cm³. So ist es beispielsweise erfindungsgemäß möglich, ein Aktivkohlefilterrohr mit einer Durchschnittsdichte von 0,72 g/cm³ herzustellen, das einen Außendurchmesser von 50,8 mm und einen Innendurchmesser von 35,56 mm aufweist, also eine Wanddicke von 7,62 mm. Das Rohr lässt sich kontinuierlich extrudieren und auf jede beliebige gewünschte Länge schneiden, so beispielsweise auf eine Länge von 254 mm.
• Erfindungsgemäß wird ein derartiges extrudiertes dünnwandiges Aktivkohlerohr auf die gewünschte Länge geschnitten und dann mit zwei geeigneten Endkappen versehen oder verbunden oder mit einer Endkappe und in ein geeignetes Gehäuse eingebaut oder zu einer in gewisser Weise ähnlichen geeigneten Konfiguration für Filter zusammengebaut.
• In der Zeichnungsfigur ist ein typisches dünnwandiges Filterrohrelement gemäß der Erfindung in ein Gehäuse eingebaut und dient zur Verwendung als eine Einheit zur Wasserreinigung auf Teilchengrößeniveau und einem Mikron. Es ist zu erkennen, dass die dünnwandigen Filterrohre gemäß der Erfindung in einer beliebigen geeigneten Umgebung benutzt werden können, und dass ihre Beschreibung als in dem Gehäuse gemäß Zeichnungsfigur untergebracht nur als beispielsweise Ausführungsform anzusehen ist, die keinen begrenzenden Charakter hat. Die Filtrationseinheit 10 der Zeichnungsfigur weist ein Gehäuse 12 auf das ein erfindungsgemäßes dünnwandiges, extrudiertes Filterrohr 14 aufnimmt. Das Gehäuse 12 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, so beispielsweise aus Metall oder Kunststoff wie Polypropylen oder dergleichen. Das Gehäuse 12 ist im wesentlichen ein Hohlzylinder mit einer Seitenwand 16, die an einem ersten Ende 18, beispielsweise dem unteren Ende, etwas ausgebaucht sein kann, um in einen geeigneten Grundkörper hineinzupassen, so dass die Filtereinheit 10 in eine zu reinigende Wasser- oder Flüssigkeitsquelle eingebaut werden kann. Das untere Ende 18 wird durch eine Bodenwand 20 verschlossen. Die Bodenwand 20 weist einen axialen Durchgang 22 ins Innere des hohlen Gehäuses 12 auf. In diesen axialen Durchgang 22 ist eine Leitung oder ein Rohr 24 eingebaut, so dass das gefilterte, gereinigte Wasser oder eine andere Flüssigkeit aus dem Inneren des hohlen Gehäuses 12 austreten kann. Falls gewünscht oder erforderlich, kann die Seitenwand 16 mit einer Außennut 26 versehen sein, die einen O-Ring 28 zwecks Abdichtung der Filtereinheit 10 in einer nicht dargestellten Wasser- oder Flüssigkeitslieferquelle aufweist. Ein radialer Durchgang 30 ist in der Seitenwand vorgesehen und ermöglicht dem zu filtrierenden Wasser oder einer anderen Flüssigkeit, ins Innere des hohlen Gehäuses einzutreten. Ein dünnwandiges, poröses Aktivkohlefilterrohr 14 gemäß der Erfindung ist an dem einen Ende mit einer scheibenförmigen Kappe 32 versehen, um dieses Ende des Filterrohres zu verschließen. Die Scheibe 32 weist einen zentralen Vorsprung 34 auf der sich in den hohlen, rohrförmigen Durchgang 36 des Filterrohres 14 hineinerstreckt und zur Ausrichtung dient. Die Scheibe 32 ist außerdem mit einem Umfangsrand 38 versehen, der das Filterrohr 14 ausrichtet und das Ende dieses Filterrohres verschließt. Die Funktion der Scheibe 32 besteht darin, Wasser oder eine andere Flüssigkeit daran zu hindern, axial in den hohlen, rohrförmigen Axialdurchgang 36 des Filterrohres 14 hineinzulaufen.
• An dem zweiten oder oberen Ende der Seitenwand 16 ist das Gehäuse 12 mit einer Endkappe 40 verschlossen, die mit einer zentralen Aussparung 42 zur Aufnahme, Halterung und Ausrichtung der kappenförmigen Scheibe 32 versehen ist, indem sie mit einer erhabenen, zentralen Nabe 44 auf der Scheibe in Eingriff tritt. Die Scheibe 32 kann mit einer Vielzahl radialer Rippen 46 versehen werden, die ebenfalls zur Ausrichtung dienen können.
• Das dünnwandige Filterrohr 14, das an seinem einen Ende mit der kappenförmigen Scheibe 32 versehen ist, wird in das Gehäuse 12 eingesetzt, wobei das offene Ende des Filterrohres den axialen Durchgang 22 und die Austrittsleitung 24 umgibt. Danach wird das Gehäuse mit Hilfe der Endkappe 40 durch Aufsetzen der erhabenen Nabe 44 auf die Scheibe 32 in der zentralen Aussparung 42 der Endkappe verschlossen. Die zusammengebaute Filtriereinheit 10 lässt sich nunmehr in ein System installieren, bei dem Wasser oder eine andere Flüssigkeit, die zu reinigen ist, in das Gehäuse 12 durch den radialen Durchgang 30 eintritt und in den Innenraum 48 zwischen die Gehäuseseitenwand 16 und die dünnwandige Filtereinheit 14 strömt. Da das obere Ende des rohrförmigen axialen Durchgangs 36 durch die kappenförmige Scheibe 32 versperrt wird, wird das Wasser bzw. die Flüssigkeit dazu gebracht, radial durch das poröse, dünnwandige Filterrohr hindurch und in dem rohrförmigen axialen Durchgang abwärts zu strömen, wo es in die Leitung 24 am Boden des Gehäuses 12 eintritt und als Wasser bzw. Flüssigkeit, die auf einen Reinigungswert kleiner als μ gereinigt worden ist, hindurchströmt.
• Die Erfindung wird ferner durch das folgende Beispiel der Herstellung und Prüfung eines dünnwandigen Aktivkohlefilterrohres gemäß der Erfindung näher beschrieben.
• Ein im wesentlichen homogenes Gemisch wird dadurch hergestellt, dass etwa 81 Gew.-% sauergewaschener, bituminöser Aktivkohleteilchen auf Kohlebasis des Typs TOG-NDS mit etwa 19 Gew.-% Polyehtylenpulver des Typs SN 510 mit einer Teilchengröße im Bereich von 5 μm bis 25 μm gemischt werden. Die 81 Gew.-% Aktivkohle bestehen aus etwa 28 Gew.-% –325-maschiger Aktivkohleteilchen und etwa 72 Gew.-% –200- bis +325-maschigen Aktivkohleteilchen. Die im wesentlichen homogene Mischung wurde dann zu einem dünnwandigen, hohlen Rohr von 50,8 mm Außendurchmesser × 35,56 mm Innendurchmesser extrudiert, das eine Durchschnittstrockendichte von etwa 0,72 g/cm³ aufwies. Der Extrusionsprozess und die zugehörige Vorrichtung sind in dem US-Patent 5 189 092 beschrieben. Die im wesentlichen homogene Mischung wurde fünf Minuten lang in der Heizzone des Extruders erhitzt, auf einer Temperatur von etwa 190°C gehalten und drei Minuten lang in der Kühlzone des Extruders, die auf einer Temperatur von etwa 35°C gehalten wurde, abgekühlt, bevor sie zu einem dünnwandigen hohlen Rohr extrudiert wurde. Das dünnwandige hohle Rohr wurde dann in geeignete Längen von etwa 254 mm geschnitten, und zwar zu Testzwecken als Filter zur Entfernung von Teilchen mit einer Größe unter einem μm.
• Bei Verwendung von PTI feinem Teststaubpulver wurden die erfindungsgemäßen Filterrohre im Hinblick auf die Entfernung von Teilchen mit Größen unter einem μm getestet. Der Durchstrom eines solchen kontaminierten Wassers in einer Menge von 0,11 m³/h durch die wie oben erläutert hergestellten dünnwandigen Filterrohre, die in einem geeigneten Gehäuse montiert waren und einen Druckverlust über dem Filter von etwa 1 N/mm² aufwiesen, ergab in dem austretenden gereinigten Wasser eine 99,9 %-ige Reduzierung der kontaminierenden Staubteilchen einer Größe von 0,5 μm bis 0,8 μm, die mit Hilfe einer Laser-Inline-Teilchenzähltechnik gemessen wurde.
• Als ein ähnliches dünnwandiges Filterrohr hergestellt wurde, das eine durchschnittliche Trockendichte von 0,67 g/cm³ aufwies und mit dem besagten staubkontaminierten Wasserstrom von 0,11 m³/h mit einem Druckverlust über den Filter von 0,5 N/mm² getestet wurde, wurden 99,8 % der Teilchen in der Größenordnung von 0,8 μm bis 1 μm, gemessen durch die Laser-Inline-Teilchenzähltechnik, entfernt.
• Die extrudierten dünnwandigen Aktivkohlefilterrohre gemäß der Erfindung kennzeichnen sich durch die Tatsache, dass die Oberfläche der extrudierten Rohre extrem hart und glatt ist und infolgedessen ausgefiltertes Teilchenmaterial auf der äußeren Oberfläche der extrudierten Rohre leicht entfernt werden, so dass eine wiederholte Verwendung der Filterrohre nach deren Reinigung möglich war. Dazu kommt, dass die harte und glatte Oberfläche der erfindungsgemäßen extrudierten, dünnwandigen Aktivkohlefilterrohre das Loslösen von Kohlenstoffteilchen von der inneren Oberfläche der rohrförmigen Filter in das gereinigte Wasser bzw. die andere Flüssigkeit hinein verhindert.

Claims (7)

1. Dünnwandiger, extrudierter Aktivkohlefilter, hergestellt aus einer Masse, die im wesentlichen ein homogenes Gemisch aus folgenden Bestandteilen bildet: (a) 75 Gew.-% bis 85 Gew.-% aktivierte Kohlenstoffteilchen aus (aa) 18 Gew.-% bis 50 Gew.-% Teilchen, die durch ein 325-maschiges Sieb hindurchgehen und (ab) 50 Gew.-% bis 82 Gew.-% Teilchen, die durch ein 200-maschiges Sieb hindurchgehen, jedoch von einem 325-maschigen Sieb zurückgehalten werden, und ferner bestehend aus (b) 15 Gew.-% bis 25 Gew.-% eines thermoplastischen, pulverförmigen Bindemittels mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 5 μm bis 25 μm, wobei der Kohlefilter eine durchschnittliche Trockendichte von 0,65 bis 0,75 g/cm³ aufweist.
2. Aktivkohlefilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Filterrohr mit einer Wanddicke von 12,7 mm (0,5 inch) oder weniger, vorzugsweise 7,62 mm (0,3 inch) oder weniger.
3. Aktivkohlefilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohleteilchen etwa 81 Gew.-% und der thermoplastische Binder etwa 19 Gew.-% der im wesentlichen homogenen Mischung ausmachen.
4. Aktivkohlefilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohleteilchen aus etwa 28 Gew.-% Aktivkohle teilchen, die durch ein 325-maschiges Sieb hindurchgehen, und etwa 72 Gew.-% Aktivkohleteilchen bestehen, die durch ein 200-maschiges Sieb hindurchgehen, jedoch von einem 325-maschigen Sieb zurückgehalten werden.
5. Aktivkohlefilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Binder ein Polyethylenpulver ist.
6. Aktivkohlefilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohleteilchen von bituminösen Aktivkohleteilchen auf Kohlebasis gebildet werden, die in einer Säure gewaschen sind.
7. Verfahren zur Reinigung von Wasser oder einer anderen filterbaren Flüssigkeit, gekennzeichnet durch Filtrieren des Wassers oder der anderen filterbaren Flüssigkeit mit Hilfe eines extrudierten, dünnwandigen Aktivkohlefilters gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.