DE69827676T2

DE69827676T2 - Elektrisch regenerierbares luftfiltermedium und molekularsieb aus karbonfaserverbund

Info

Publication number: DE69827676T2
Application number: DE69827676T
Authority: DE
Inventors: A. Kirk WILSON; D. Timothy BURCHELL; R. Roddie JUDKINS
Original assignee: UT Battelle LLC
Current assignee: UT Battelle LLC
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: CA2347009A1; EP1137476B1; MXPA01004159A; ATE282465T1; AU742961B2; AU1200299A; CA2347009C; EP1137476A4; DE69827676D1; EP1137476A1

Description

Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika hat Rechte an dieser Erfindung gemäß Vertrag Nr. DE-AC05-84OR21400 zwischen dem Energieministerium der Vereinigten Staaten und Lockheed Martin Energy Systems, Inc. und dem Vertrag Nr. DE-AC05-96OR22464 zwischen dem Energieministerium der Vereinigten Staaten und der Lockheed Martin Energy Research Corporation.
Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Erfindung ist verwandt zu der in der Patentanmeldung mit dem Titel Method and Apparatus for Separating Gases based on Electrically and Magnetically Enhanced Monolithic Carbon Fiber Composite Sorbents (Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Gasen auf Grundlage von elektrisch und magnetisch verbesserten monolithischen Sorptionsmitteln aus Karbonfaserverbundmaterial), U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 08/792,521, beschriebenen Erfindung, die am 31. Januar 1997 eingereicht wurde.
Ferner wird auf die am 08. November 1996 von T. D. Burchell et al. eingereichte Patentanmeldung Serien-Nr. 08/747,109 mit dem Titel Activated Carbon Fiber Composite Material and Method of Making (aktiviertes Karbonfaserverbundmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung) verwiesen, die eine Teilfortführungsanmeldung zu der U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 08/358,857 ist.
Ferner wird auf die von R. R. Judkins und T. D. Burchell am 15. Februar 1996 eingereichte U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 08/601,672 verwiesen.
Gebiet der Erfindung
Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf Sorptionsfilter für Gas/Luft und insbesondere auf solche, in denen aus Molekularsieben bestehende Luftfiltermedien aus Karbonfaserverbundmaterial zum Einsatz kommen.
Hintergrund der Erfindung
Derzeitige Technologien zur Entfernung von gasförmigen Luftverunreinigungen aus der Umwelt in Wohngebieten, Geschäfts- und Industriebereichen verwenden Sorptionsmittel, wie etwa Aktivkohle in Granulatform und Aluminiumoxide mit großer Oberfläche. Wenn die Sorptionsmittel gesättigt sind, werden sie zum Recycling (Schwingverfahren mit Druck/Temperatur) oder zur Abfallentsorgung außer Betrieb genommen. Die effektive Gebrauchsfähigkeitsdauer des jeweiligen Sorptionsmittels hängt von der Menge der aufgenommenen Verunreinigungen und vom Sorptionsvermögen des Materials ab.
Hohe Betriebskosten haben die Einführung vieler Technologien zur Verbesserung der Luftqualität begrenzt, wie etwa bei Systemen mit Aktivkohle. Bei Sorptionsmitteln in Granulatform treten größere technische Probleme und Betriebsschwierigkeiten auf, wie zum Beispiel Kanalbildung, Absetzen (Packverdichtung) und Widerstand gegen die Luftströmung. Mit neuen Normen für die Luftqualität in Innenräumen, mit denen das American National Standards Institute (ANSI)/die American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) (62-1989R) die Anwendung von Systemen mit einem günstigeren Kosten-/Nutzenverhältnis anschieben, werden niedrigere Kosten über die Lebensdauer und über die Dauer der Gebrauchsfähigkeit erforderlich, um dem Bedarf rasch wachsender Märkte im Wohn- und Geschäftsbereich nachkommen zu können.
Gastrennung, Abfallbehandlung und Katalysatorträgermedien sind übliche industrielle Anwendungen für Aktivkohle. Absetzung, Kanalbildung und Druck abfall im Gebrauch sind größere Probleme, die bei typischer granulatförmiger Aktivkohle auftreten. Ein Verfahren wurde entwickelt, mit dem ein Karbonfaserverbundmaterial mit porösen Karbonfasern in einer Dichte von weniger als 0,2 g/ccm hergestellt werden kann. Dieses Verbundmaterial mit starrer Struktur kann so aktiviert werden, dass ein signifikantes Volumen von Mesoporen (2 bis 50 nm) und/oder Mikroporen (< 2 nm) gebildet wird. Ferner weist die starre Struktur Makroporen im Bereich von 10–500 Mikron auf, die ein ausgezeichnetes Strömungsverhalten durch die Probe hindurch zulassen, was zu einem annehmbaren Druckabfall führt. Die starre Beschaffenheit des Verbundstoffes schaltet auch die Probleme der Kanalbildung und des Absetzens aus und macht das Material zu einem Kandidaten für den Einsatz als Katalysatorträger. Das Material hat ein kontinuierliches Kohlenstoffgefüge und ist deshalb elektrisch leitfähig. Der Durchgang von elektrischem Strom, im typischen Fall 1–20 A bei 1–5 V für einen kleinen Medienbereich, verursacht im Molekularsieb aus Karbonfaserverbundmaterial eine Erwärmung und damit eine elektrische und thermische Desorption von adsorbierten Gasen.
Karbonfasern werden im wirtschaftlichen Maßstab aus Reyon, Phenol, Polyacrylonitril oder Pech hergestellt. Der letztere Typ wird ferner unterteilt in Fasern aus isotropen Pechvorstufen und solche aus einem Pech, das durch Vorbehandlung auf eine hohe Konzentration der kohlenstoffhaltigen Mesophase gebracht wurde. Hochleistungsfasern, das heißt, Fasern mit hoher Festigkeit oder Steifheit werden allgemein aus Polyacrylonitril oder Mesophasenpech hergestellt. Weniger leistungsfähige Fasern für allgemeine Zwecke werden aus isotropen Pechvorstufen hergestellt. Dieses Material wird in Form von kurzen, geblasenen Fasern (im Gegensatz zu kontinuierlichen Filamenten) aus Vorstufen wie Kohlenteerpech aus der Ethylenaufspaltung und aus Petroleumteer, der in der Flüssigkatalyseaufspaltung aus dekantierten Ölen gewonnen wurde, produziert. Zu den Anwendungen von isotropen Fasern gehören: Friktionswerkstoffe, Verstärkungen für technische Kunst stoffe, elektrisch leitfähige Füllstoffe für Polymere, Filtermedien, Papier und Platten, Hybridgarne und Betonverstärkung.
In neuerer Zeit ist Interesse an aktivierten Formen der isotropen Karbonfasern aufgekommen, wo durch teilweise Vergasung in Dampf oder anderen oxidierenden Gasen große Oberflächen geschaffen werden können. Aktivierte Karbonfasern haben neuartige Eigenschaften, die sie den herkömmlichen Formen (Pulver oder große Kohlenstoffe) gegenüber für bestimmte Anwendungen attraktiver machen. Porosität kann in den meisten Arten von Karbonfasern erzeugt werden, aber aus isotropem Pech hergestellte Fasern mit niedrigem Modul eignen sich wegen ihrer einzigartigen Struktur, in der die Packdichte kleiner Kristalliten in Zufallsverteilung die Entwicklung einer ausgedehnten Porenstruktur ermöglicht, besonders gut für die Aktivierung.
Unter den möglichen Anwendungen sind aktivierte Karbonfasern von Interesse für die Adsorption und Rückgewinnung von organischen Dämpfen, für den Umweltschutz, für die Entfernung von SO_x und NO_x aus Rauchgas, für die Verbesserung der Luftqualität und für die Wasseraufbereitung. Schwierigkeiten in der Handhabung und Nutzung von aktivierten Karbonfasern lassen sich durch ihre Aufnahme in Verbundstoffe, wie Gewebe, Faserfliese, Filz und Papier überwinden. Die gegenwärtige Erfindung schafft ein starres Verbundmaterial aus aktivierten Karbonfasern mit einer offenen und durchlässigen Struktur, das in einzelnen Stücken von gegebener Größe und Form produziert werden kann. Die einzigartigen Eigenschaften des aus isotropem Pech gewonnenen Karbonfasern hergestellten Karbonfaserverbundstoffes, wie etwa das schmale, unimodale Porengefüge in der Faser, die große Oberfläche, die hohe Geschwindigkeit der Adsorption und Desorption, die Fähigkeit, spezifische Formen von hoher Durchlässigkeit und Festigkeit zu bilden, lassen neben anderen Anwendungen (insbesondere im Umweltschutz) die Möglichkeit ihrer Eignung für eine molekulare Trennung auf der Basis von Größe und Form erkennen.
Die Adsorption über ein Druckgefälle ist ein bekanntes Verfahren zur Trennung von Mehrkomponenten-Gasgemischen in einer "Gasschaukel" (Pres sure swing adsorption PSA). Die PSA-Vorrichtung funktioniert nach dem physikalischen Adsorptionsverfahren, bei dem Gase selektiv aus einem Gasstrom heraus auf einem Substrat adsorbiert werden, wodurch dem Gasstrom eine Gasart entzogen wird. Das adsorbierte Gas wird dann bei niedrigerem Druck desorbiert und in einem zweiten Gasstrom aufgenommen, wodurch dieser mit der desorbierten Gasart angereichert wird. Der Desorptionsschritt regeneriert das adsorbierende Material zur Wiederverwendung im nachfolgenden Adsorptionsschritt. Es ist weithin anerkannt, dass die PSA-Technologie voll ausgereift ist und dass weitere Fortschritte in dieser Technologie die Entwicklung überlegener Adsorptionsmittel und Molekularsiebe mit signifikant größerer Oberfläche in Kombination mit einer mittleren Porenweite von 5 bis 10 Angström erfordern werden.
PSA-Systeme umfassen im typischen Fall mehrere Adsorptionsbetten, durch die der Gasstrom hindurchgeleitet wird, wodurch eine nahezu vollständige Abtrennung der gewählten Gasart ermöglicht wird. Die in der PSA-Einheit verwendeten Adsorptionsverbindungen werden so gewählt, dass sie eine geeignete mittlere Mikroporenweite (im typischen Fall im Bereich von 5–10 Angström) aufweisen und die erforderliche Gasart selektiv adsorbieren oder aussieben und zusätzlich müssen sie eine große Oberfläche besitzen. Die derzeit verfügbaren Adsorptionsstoffe schließen Zeolite mit einer Oberfläche im Bereich von 10–350 m²/g und Aktivkohle mit einer Oberfläche im Bereich von 500–1000 m²/g ein. Herkömmliche Aktivkohle und Molekularsiebe aus Kohlenstoff haben ein körniges Gefüge. Bei der Verwendung in einem PSA-System unterliegt ein Material mit körnigem Gefüge dem Reibungsverschleiß und es kann sich unter Kanalbildung absetzen, was es dem Strömungsmedium ermöglicht, das Absorptionsmittel zu umgehen.
Aufgaben der Erfindung
Deshalb schließen die Aufgaben der gegenwärtigen Erfindung die Schaffung eines neuartigen und verbesserten regenerierbaren Luft-/Gasfilters ein, der die Betriebskosten von Filtersystemen für Luft oder andere Gase durch eine höhere Sorptionsfähigkeit und Regeneration am Einsatzort reduziert.
Das Karbonfaserverbundmaterial der gegenwärtigen Erfindung besteht aus porösen Karbonfasern, die in einem offenen und durchlässigen Gefüge gebunden sind. Die Oberfläche des Karbonfaserverbundstoffes ist größer als 1000 m²/g. Verschiedene Merkmale des Karbonfaserverbundstoffes lassen sich durch Änderung der gewählten Bedingungen bei der Herstellung und Aktivierung des Verbundmaterials verändern.
Weitere und andere Aufgaben der gegenwärtigen Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der gegenwärtigen Erfindung werden die vorstehend aufgeführten Aufgaben und weitere Aufgaben durch eine elektrisch regenerierbare Gasfiltervorrichtung erzielt, die folgendes umfasst: ein Filtermedium aus einem Molekularsieb aus Karbonfaserverbund, das Verunreinigungen aus einem einströmenden nicht annehmbaren Luftstrom adsorbiert und das Ausströmen eines annehmbaren Luftstromes ermöglicht, sowie ein Mittel zum Regenerieren, das einen elektrischen Strom durch das Filtermedium leitet, um die adsorbierten Verunreinigungen aus dem Filtermedium zu desorbieren.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Gesichtspunkt der gegenwärtigen Erfindung werden die vorstehend aufgeführten Aufgaben und weitere Aufgaben durch ein elektrisch regenerierbares Gasfilterverfahren erzielt, das Verunreinigungen aus einem einströmenden nicht annehmbaren Luftstrom entfernt und folgende Schritte umfasst: Schaffung eines Filtermediums aus einem Molekularsieb, das aus einem Karbonfaserverbund besteht; Durchleitung der verunreinigten Luft durch das Filtermedium zur Adsorption der Verunreinigungen aus der Luft im Filtermedium und Ausleitung der annehmbaren Luft aus demselben; Durchleitung eines elektrischen Stroms durch das Filtermedium zur Desorption der adsorbierten Verunreinigungen aus dem Filtermedium.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung des Karbonfilters 36, der ferner ein Molekularsiebmedium 37 aus Karbonfaserverbundmaterial umfasst, nichtannehmbare Luft 38, die gefiltert wird zu annehmbarer Luft 39 und Spülluft 40 und 40' zur Entfernung der Verunreinigungen, sowie ein Regenerierungsmittel 20, mit dem Strom durch das Filtermedium geleitet werden kann, um adsorbierte Verunreinigungen aus dem Filtermedium zu desorbieren. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Regenerierungseinrichtung 20 ferner einen elektrischen Stromkreis 21, der eine Stromversorgung 22, Schaltmittel 23 und elektrische Leiter 24 umfasst.
In einer spezifischeren Ausführungsform zeigen 2 und 3 eine Wärmepumpe oder Klimaanlage, die ein Gehäuse 1 beinhaltet, das eine Heizwicklungsgruppe 2 zur Wärmeübertragung, eine Raumluftgebläsegruppe 3 mit einem Raumluftauslass 4, ein herkömmliches Partikel-Luftfilter 5, ein Kohlefilter 6, das ein aus Karbonfaserverbundmaterial bestehendes Molekularsiebmedium 7 enthält, eine Frischluft- und Rückluftklappe 8, ein Abluftgebläse 10 mit einem Abluftauslass 11, eine Abluftrückschlagklappe 12, eine Rückluftzuführung 13, sowie eine Frischluftzuführung 14 umfasst, und zugehörige Leitungen, die dem Fachmann wohlbekannt sind.
2 ist eine schematische Ansicht im Schnitt und zeigt die an einer Raumwand installierte Klimaanlage oder Wärmepumpe. Pfeile zeigen den Luftstrom durch die Anlage in der normalem Betriebsart.
3 ist eine schematische Ansicht im Schnitt und zeigt die gleiche Ausführungsform wie 2. Pfeile zeigen den Luftstrom durch die Anlage in der Betriebsart für die Reinigung oder Spülung.
Zum besseren Verständnis der gegenwärtigen Erfindung, sowie weiterer und anderer Aufgaben, Vorteile und Möglichkeiten derselben wird auf die folgende Offenlegung und die Ansprüche im Anhang in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Zeichnungen verwiesen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das Luftfiltermedium, das aus einem Molekularsieb mit einem Karbonfaserverbundmaterial besteht, ist ein quasi-permanentes Aktivkohlemedium, das viele organische und anorganische gasförmige Luftverunreinigungen aus einem Luftstrom entfernt. Dieses Medium lässt sich in vorhandene oder neue Filteranlagen von Luftbehandlungseinrichtungen und/oder Abluftsystemen in industriellen, institutionellen oder geschäftlichen und Wohnbereichen einbauen.
Verunreinigungen, von denen allgemein bekannt ist, dass sie zu einer nichtannehmbaren Raumluft- oder Außenluftqualität beitragen (Toxizität, Geruch, Reizung, Sachschaden) sind zur Abführung durch Desorption vorgesehen.
Zu solchen anorganischen Schadstoffen gehören Ozon, Radon und Kohlenmonoxid. Zu den organischen Schadstoffgruppen gehören N-Alkane, Chlorkohlenwasserstoffe, Äther, Aldehyde und aromatische Kohlenwasserstoffe, sowie verschiedene Wasserstoffverbindungen.
Nichtannehmbare Luft ist hier definiert als Luftqualität, die nicht den Reinheitsanforderungen von ASHRAE 62 entspricht.
Wenn das Luftfiltermedium aus einem Molekularsieb mit einem Karbonfaserverbundmaterial mit Verunreinigungen gesättigt ist, wird ein Strom mit niedriger Spannung durch die Karbonfasern geleitet, der eine Erwärmung und Desorption der adsorbierten Verunreinigungen aus den Fasern heraus und in die Spülluft hinein verursacht, wodurch das Medium regeneriert wird. Die Regeneration kann am Einsatzort stattfinden, entweder in der Filteranlage oder außerhalb.
Nach der Entfernung von Schadstoffpartikeln aus dem zugeführten Luftstrom durch einen getrennten Vorfilter von mittlerer Leistung sorbiert das Luftfiltermedium aus einem Molekularsieb mit einem Karbonfaserverbundmaterial gasförmige Luftverunreinigungen, bevor die Luft in den Raum zurückgeführt oder abgesaugt wird. Wenn das Luftfiltermedium aus einem Molekularsieb mit einem Karbonfaserverbundmaterial gesättigt ist, wird es am Einsatzort regeneriert (entweder in der Filteranlage oder außerhalb), unter Verwendung von Strom mit niedriger Spannung, der durch das Filtermedium hindurchgeleitet wird. Die Spannung beträgt normalerweise weniger als ungefähr 150 Volt Wechselstrom oder Gleichstrom. Welche Spannung und Stromart zu bevorzugen ist, hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Filtermediums ab, aber in einer bevorzugten Ausführungsform würde im typischen Fall die Erwärmung auf 50°C bis 500°C ausreichen, um adsorbierte Verunreinigungen zu desorbieren. Die Verunreinigungen werden thermisch aus dem Filtermedium desorbiert und in die umgebende Spülluft abgeführt, die diese Verunreinigungen entweder der Absaugung zuführt oder durch natürliche oder erzwungene Verteilung abführt. In der Regenerierungsphase kann ein Klappenmechanismus die Luftströmung durch die Filteranlage ins Freie oder zur Absaugung erleichtern.
Das Luftfiltermedium aus einem Molekularsieb mit einem Karbonfaserverbundmaterial ist nützlich in den Bemühungen um die Erfüllung neuer, strengerer Normen für die Luftqualität in wirtschaftlich gerechtfertigter Weise und zur Vermeidung von Entsorgungsproblemen im Zusammenhang mit der verbrauchten Kohle. Das erfindungsgemäße Luftfiltermedium ist in einzigartiger Weise geeignet für den Einbau am Einsatzort als quasi-permanenter Filter zur Regeneration am Einsatzort (direkt an der Anlage oder extern).
Das erfindungsgemäße Luftfiltermedium lässt sich für die meisten Standard-Filtergehäuse passend sowohl zur Nachrüstung, als auch für neue Anlagen herstellen. Die Ausrüstung, mit der elektrischer Strom zur Regenerierung und zum Einschließen der desorbierten Verunreinigungen vorgesehen werden muss, ist dem Fachmann wohlbekannt.
Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtermediums verwendeten Karbonfasern können mit anderen, herkömmlichen Sorptionsmitteln imprägniert werden, um eine spezifische Sorption bestimmter Schadstoffe zu ermöglichen oder für die verbesserte Sorption von nuklearen, biologischen und chemischen Kampfgasen, die als Bedrohung für militärisches Personal im Kampfeinsatz wohlbekannt sind, behandelt/imprägniert werden. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Luftfiltermedium durch sorgfältige Wahl der Karbonfiltertypen, der Parameter des Herstellungsprozesses und der Aktivierungsbedingungen für spezifische Herausforderungen der Sorption maßgeschneidert werden. Säurehaltige Gase und alkaline Gase sind Beispiele für Schadstoffe, die für die Sorption gegebenenfalls spezielle Zusätze erfordern.
Die Anwendungen der gegenwärtigen Erfindung für die Luftqualität schließen den Wohnbereich, Fahrzeuge, Industrie, den Geschäftsbereich und militärische Anwendungen (nuklear, biologisch und chemisch) ein.
Das erfindungsgemäße Luftfiltermedium ist besonders nützlich für Anwendungen im Gebiet der Luftqualität, weil die niedrigen Konzentrationen der gasförmigen Verunreinigungen allgemein Sorptionsmittel mit hoher Leistung erfordern. Die betreffenden Gruppen gasförmiger Verunreinigungen sind damit leicht zu sorbieren, die quasi-permanente Konfiguration der Filtermedien verringert die Kosten über die gebrauchsfähige Lebensdauer, die elektrische/thermische Regenerierung am Einsatzort vermeidet kostspielige Stillstandszeiten und das Filtersystem eignet sich sowohl zur Nachrüstung, als auch für Neuanlagen.
Hierin wird ein neuartiges Karbonfaserverbundmaterial und ein Verfahren zur Herstellung desselben beschrieben. Das Karbonfaserverbundmaterial ist auf eine kontrollierte Porosität ausgelegt. Ferner weist das Karbonfaserverbundmaterial ein starres, offenes, monolithisches Gefüge von hoher Durchlässigkeit auf.
Das Karbonfaserverbundmaterial der gegenwärtigen Erfindung beinhaltet allgemein Karbonfasern und ein Bindemittel. Das Verbundmaterial hat eine hohe Festigkeit und ist porös. Es lässt das betreffende Fluidum ohne weiteres durch das Material strömen. Gleichzeitig bieten die aktivierten Karbonfasern ein poröses Gefüge für die Adsorption.
Die Synthese des Karbonfaserverbundstoffes erfolgt allgemein durch das Mischen einer ausgewählten Karbonfaser in einer Aufschlämmung mit Was ser zusammen mit einem karbonisierbaren organischen Pulver. Die erwünschte monolithische Konfiguration wird aus der Aufschlämmung ausgeformt. Die so gebildete Rohform wird getrocknet und dann aus der Form genommen. Der Verbundstoff wird unter Inertgas bis zur Karbonisierung ausgehärtet. Im karbonisierten Zustand lässt sich der Verbundstoff leicht zur gewünschten endgültigen Konfiguration verarbeiten. Dann wird das Verbundmaterial aktiviert, um die Porenstruktur der Fasern zu entwickeln.
Die Wahl der Faser(n) richtet sich nach der endgültigen Verwendung des resultierenden Verbundstoffes. Das hierin beschriebene Verfahren konzentriert sich auf die Herstellung eines Karbonfaserverbundstoffes.
Für den Einsatz als Adsorptionsmittel oder Molekularsieb ist die Verwendung von Karbonfasern, die aus einer geeigneten isotropen Pechvorstufe gewonnen wurden, zu bevorzugen.
Die Herstellung von Fasern auf Grundlage von Pech ist dem Fachmann wohlbekannt und wird hierin kurz beschrieben. Das Pech wird gewöhnlich aus einer schweren Erdölfraktion gewonnen. Die Verfahren zur Faserbildung schließen das Schmelzspinnverfahren und das Schmelzblasverfahren ein. In beiden Verfahren wird das Pech auf eine sorgfältig kontrollierte Viskosität geschmolzen und dann durch eine Reihe feiner Kapillaren gepresst, um bei der Wiederverfestigung des Pechs Fasern zu bilden. Beim Schmelzspinnverfahren wird der Durchmesser der Faser dadurch gesteuert, dass die Fasern nach unten gezogen und bei ihrer Ausbildung auf eine Spule gewickelt werden. Beim Schmelzblasverfahren zieht ein Luftstrom die Fasern nach unten auf ein laufendes Band, um eine Matte aus ungeordneten "rohen" Pechfasern zu bilden. In beiden Verfahren müssen Temperatur und andere Bedingungen äußerst sorgfältig geregelt werden. Sobald die Rohfasern gebildet sind, werden sie durch Erhitzen in einer oxidierenden Atmosphäre heißfixiert und so "stabilisiert", dass sie bei den hohen Temperaturen der nachfolgenden Karbonisierungsstufe ihre Faserform behalten. Nach der Karbonisierung enthalten die Fasermatten annähernd 95 Gewichtsprozent Kohlenstoff.
In der bevorzugten Ausführungsform wird der isotrope Pechvorläufer so ausgebildet, dass die resultierenden Fasern einen Durchmesser von annähernd 10–25 Mikron haben. Die Fasern können sich im stabilisierten oder karbonisierten Zustand befinden. Die Fasern werden auf die gewünschte Größe geschnitten. Für die bevorzugte Ausführungsform ist es vorzuziehen, die Fasern auf eine durchschnittliche Länge von annähernd 400 μm zu schneiden, wobei die Länge in einem Bereich zwischen 100 und 1000 μm liegen kann.
Diese Stapelfasern werden in einer Wasseraufschlämmung mit einem karbonisierbaren organischen Pulver, wie Pech, einem hitzehärtbaren Harz oder Phenolharz gemischt. In der bevorzugten Ausführungsform wird Phenolharz in Pulverform verwendet.
Das bevorzugte Ausformverfahren ist das Vakuumformverfahren, wo die Aufschlämmung in einen Ausformtank verbracht wird und das Wasser unter Vakuum durch eine poröse Form gezogen wird. Das Material lässt sich in jeder gewünschten Konfiguration, etwa als Zylinder oder als Platte, ausformen. Die Konfiguration wird durch die Konfiguration der Form bestimmt, in welche die Aufschlämmung verbracht wird. Es können auch andere Ausformverfahren zum Einsatz kommen, wie etwa das Formpressverfahren oder andere in der Kunststoffindustrie übliche Verfahren.
Der so entstandene rohe Formartikel wird getrocknet. In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Trocknung des rohen Formartikels bei 50°C. Nach dem Trocknen wird der Formartikel aus der Form herausgenommen.
Der getrocknete rohe Formartikel wird dann zu einem fertigen Monolithen ausgehärtet. In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Aushärtung des Verbundstoffes in Luft bei annähernd 130°C. Der so entstandene Verbundstoff wird in einer inerten Gasatmosphäre karbonisiert. Vorzugsweise wird der Verbundstoff 3 Stunden lang in Stickstoffatmosphäre bei 650°C karbonisiert, um das Harzbindemittel zu pyrolysieren.
Der nach dem oben beschriebenen Verfahren ausgebildete Verbundstoff weist zwischen den Fasern Hohlräume (Poren zwischen den Fasern) auf, die eine freie Strömung des Fluidums durch das Material hindurch mit unmittelbarem Zugang zur Oberfläche der Karbonfasern ermöglichen. Die Größe dieser Hohlräume liegt im Bereich von 10–500 μm. Ferner werden die einzelnen Karbonfasern durch das pyrolysierte Harzbindemittel in ihrer Lage so festgehalten, dass sie sich nicht durch die Gasströmung durch das Material hindurch bewegen oder absetzen können. Die Rohdichte des karbonisierten Verbundstoffes liegt im typischen Fall bei 0,3–0,4 g/cm³. Bei Annahme einer rechnerischen Dichte von 2,26 g/cm³ (Dichte eines einzelnen Kristalls aus reinem Graphit) für den Verbundstoff der gegenwärtigen Erfindung ergibt sich für den Verbundstoff bei einer Dichte von 0,3–0,4 g/cm³ eine Porosität im Bereich von 82–86%.
Nach der Herstellung wird der monolithische Karbonfaserverbundstoff aktiviert. Die Aktivierung der Karbonfasern erfolgt durch Dampf, Kohlendioxid, Sauerstoff oder durch chemische Aktivierung. Die resultierenden chemischen Reaktionen entziehen Kohlenstoff und entwickeln Poren in den Karbonfasern, die nach Durchmessern klassifiziert werden in Mikroporen (weniger als 2 nm), Mesoporen (2–50 nm) und Makroporen (größer als 50 nm).
In der bevorzugten Ausführungsform wird der Verbundstoff in einer Atmosphäre aus Dampf und Stickstoff mit Dampf aktiviert. Die bevorzugten Aktivierungsbedingungen sind: 800–950°C, Dampf mit einem Partialdruck von 0,1–0,9 Atmosphären für eine Dauer von 1–3 Stunden. Der Abbrand wird als Differenz zwischen dem Anfansgewicht und dem Endgewicht berechnet. Bis zu einem Abbrand von annähernd 60% nimmt die Oberfläche mit zunehmendem Abbrand zu. Bei zunehmendem Abbrand ist das Hauptproblem der Festigkeitsverlust des Verbundstoffes. Unter Verwendung des hierin beschriebenen Herstellungsverfahrens verläuft die Verringerung der Bruchfestigkeit des Verbundstoffes nahezu linear zum Abbrand im Gegensatz zu der stark exponentialen Abhängigkeit, die für thermisch oxidierte Kohlenstoffe typischer ist. Bei 56% Abbrand lag die Größe der Oberfläche N₂ nach der BET-Methode bei 1670 m²/g. Eine Bruchfestigkeit von annähernd 1 Mpa wird nach der Aktivierung beibehalten. Die resultierenden Fasern im Verbundstoff haben einen hohen Volumenanteil an Mikroporen, ein niedriges Volumen an Mesoporen und keine Makroporen.
Die Aktivierungsbedingungen lassen sich variieren durch Änderungen im Aktivierungsgas, seiner Konzentration, Strömungsgeschwindigkeit, der Temperatur und der wahlfreien Gegenwart eines Katalysators zur Beeinflussung der gesamten Oberflächengröße und der Porengrößen-Verteilung. Ferner lässt sich eine Aktivierungs-Nachbehandlung durchführen. So können zum Beispiel die Verteilung der Porengröße und die Oberflächenchemie durch weitere Erhitzung oder durch Einführung von Chemikalien beeinflusst werden.
Nach der Karbonisierung oder Aktivierung kann der Verbundstoff zu jeder gewünschten Form eines monolithischen Karbonfaserverbundstoffes verarbeitet werden.
Das so erhaltene aktivierte Karbonfaserverbundmaterial ist ideal geeignet zur Verwendung als Adsorptionsmittel oder als Molekularsieb im Pressure Swing Adsorptionsverfahren (PSA). Es hat eine sehr große Oberfläche, eine enge Mikroporenverteilung um mittlere Porenweiten von 5–10 Angström herum, ein großes Volumen an Mikroporen, einen kleinen Volumenanteil an Mesoporen, eine hohe Geschwindigkeit der Adsorption/Desorption und ein durchlässiges Makrogefüge, das vom Fluidum leicht durchdrungen werden kann. Wegen der monolithischen Konfiguration überwindet das Karbonfaserverbundmaterial ferner die mit dem Absetzen verbundenen Probleme, die im Zusammenhang mit einem Bett aus körniger Aktivkohle und mit Molekularsieben aus Aktivkohle auftreten, weil hier Bypassströmungen und ein Druckabfall ausgeschlossen sind. Zudem lässt sich die mittlere Mikroporengröße durch den Aktivierungsprozess steuern, womit ein maßgeschneiderter Einsatz des Karbonfaserverbundmaterials für die Adsorption oder Siebung spezifischer Gasmoleküle ermöglicht wird. Die Dichte und Porengröße des Karbonfaserverbundmaterials lässt sich ändern durch das Variieren der Faserlänge, des Bindemittelgehalts und der Ausformbedingungen. Die wahrscheinlichsten Anfangsanwendungen liegen auf dem Gebiet der Gastrennung.
Obwohl der Einsatz des Karbonfaserverbundstoffes als Adsorptionsmittel im PSA-Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Verfahrensvariationen betont wurde, gibt es mehrere alternative Einsatzmöglichkeiten. Karbonfasern, die aus Kohlenteerpech, Reyon, Polyacrylonitril oder aus Schweröl, wie etwa aus Ölschieferrückständen und Raffinerierückständen gewonnen werden, können bei der Herstellung des Verbundstoffes verwendet werden. Ferner können die Fasern im Dampf gezogen werden. Die Fasern oder ein Verschnitt aus unterschiedlichen Karbonfasern können zur Steuerung der Merkmale des resultierenden Karbonfaserverbundstoffes benützt werden. Genauer gesagt lassen sich beispielsweise die Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Porengrößenverteilung, Dichte und elektrische Eigenschaften durch geeignete Karbonfasern oder Karbonfaserverschnitte steuern.
Durch die Wahl einer anderen Karbonfaser und durch Änderung der gewählten Parameter im Herstellungsverfahren kann das Karbonfaserverbundmaterial für den Einsatz in einer Reihe verschiedener Anwendungen modifiziert werden. So kann das Karbonfaserverbundmaterial zum Beispiel in Gasreinigungsverfahren und insbesondere zur Luftreinigung verwendet werden, besonders in begrenzten Räumen, wo die höhere Adsorptionsgeschwindigkeit der aktivierten Karbonfaserverbundstoffe Platzeinsparungsmöglichkeiten bietet. Ferner kann ein Verbundstoff mit einer Rohdichte von mehr als 1 g/cm³ und einer aktiven Oberfläche von mehr als 1000 m²/g zur Gasspeicherung verwendet werden. Zum Beispiel könnte der Verbundstoff als Speichermedium für CH₄ oder H₂ oder als Medium zur Reinigung von CH₄ aus verschiedenen Quellen, einschließlich von Gasen, die aus Mülldeponien gewonnen wurden oder von Gas aus Kohleflözen, dienen. Ferner eignet sich ein Karbonfaserverbundstoff mit Mesoporen zur Anwendung in der Flüssigphase oder als Katalysatorträger.
Aus vorstehender Beschreibung ist für den Fachmann erkennbar, dass ein Karbonfaserverbundstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung mit Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik geschaffen wurde. Ganz speziell bie ten die Karbonfasern im Verbundstoff eine große Oberfläche und sie werden in starrer, durchlässiger, monolithischer Form angeboten.
Hier wurden die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, aber für den Fachmann ist offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen der Erfindung möglich sind, ohne von dem in den angefügten Ansprüchen definierten Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

Elektrisch regenerierbares Luftfiltermedium, beinhaltend (A) ein elektrisch leitfähiges Filtermedium bestehend aus einem Molekularsieb aus Karbonfaserverbund zur Adsorption von Verunreinigungen aus einem nicht annehmbaren einströmenden Luftstrom, welches das Ausströmen eines annehmbaren Luftstroms gestattet, wobei das Filtermedium aus einem Molekularsieb aus Karbonfaserverbund ein aktiviertes Karbonfaserverbundmaterial ist, das ferner eine Vielzahl von porösen Karbonfasern beinhaltet, die mit einem karbonisierbaren organischen Bindemittel in einer offenen durchlässigen Struktur gebunden sind und wobei das Verbundmaterial vor der Aktivierung eine Porosität im Bereich von annähernd 82–86% und eine Oberfläche von mehr als 1000 m²/g aufweist und (B) ein aus einem Generator für elektrischen Strom bestehendes Regenerierungsmittel, welches das Filtermedium mit elektrischem Strom durchfließt, um die adsorbierten Verunreinigungen aus dem Filtermedium zu desorbieren und (C) ein Einschließungsmittel, um die desorbierten Verunreinigungen von der annehmbaren Luft wegzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Einschließungsmittel mindestens ein Mittel aus der Gruppe enthält, die aus Leitungen, Klappen und Gebläsen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Einschließungsmittel Absaugmittel zum Absaugen der adsorbierten Verunreinigungen aus der Vorrichtung enthält.
Elektrisch regenerierbares Luftfilterverfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus verunreinigter Luft, mit den Schritten, in denen (A) ein elektrisch leitfähiges Molekularsiebfilter aus einem aktivierten Karbonfaserverbundmaterial vorgesehen ist, das ferner eine Vielzahl poröser Karbonfasern enthält, die mit einem karbonisierbaren organischen Bindemittel in einer offenen durchlässigen Struktur gebunden sind und wobei das Verbundmaterial vor der Aktivierung eine Porosität im Bereich von annähernd 82–86% und eine Oberfläche von mehr als 1000 m²/g aufweist und (B) die verunreinigte Luft in das Filtermedium eingeleitet wird, um Verunreinigungen aus der nicht annehmbaren Luft im Filtermedium zu adsorbieren und die annehmbare Luft daraus auszuleiten und (C) elektrischer Strom durch das Filtermedium geschickt wird, um adsorbierte Verunreinigungen aus dem Filtermedium zu desorbieren und (D) die desorbierten Verunreinigungen von der annehmbaren Luft unter Verwendung eines Einschließungsmittels weggeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Einschließungsmittel mindestens ein Mittel aus der Gruppe enthält, die aus Leitungen, Klappen und Gebläsen besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner den Schritt (E) zum Absaugen der desorbierten Verunreinigungen aus dem Einschließungsmittel beinhaltet.