EP3582870A1 - Kraftstofffilter mit organoton, reinigungskartusche mit organoton und verwendung - Google Patents

Kraftstofffilter mit organoton, reinigungskartusche mit organoton und verwendung

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EP3582870A1
EP3582870A1 EP18705618.9A EP18705618A EP3582870A1 EP 3582870 A1 EP3582870 A1 EP 3582870A1 EP 18705618 A EP18705618 A EP 18705618A EP 3582870 A1 EP3582870 A1 EP 3582870A1
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EP
European Patent Office
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cleaning
fuel
organoclay
fuel filter
medium
Prior art date
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Pending
Application number
EP18705618.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lars Spelter
Jens Neumann
Matheus Henrique MENDES ALEXANDRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mann and Hummel GmbH
Original Assignee
Mann and Hummel GmbH
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Filing date
Publication date
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    • C02F2201/002—Construction details of the apparatus
    • C02F2201/006—Cartridges

Definitions

  • the present invention relates to a fuel filter according to the preamble of claim 1, and a cleaning cartridge according to the preamble of claim 1 1, a use of an organoclay and a method for removing hydrocarbons or hydrocarbon mixtures from water.
  • a filter system with water separation device is known from DE 10 2016 002 264.7.
  • activated carbon is used as an ad- and / or absorbing medium for fuel components from the separated water. This has proven to be favorable for various applications.
  • Typical diesel fuel is only soluble in water at approx. 5 mg / l, if this value is exceeded, the water is saturated, no more diesel is dissolved and emulsification takes place.
  • Such diesel-water emulsions are not or only to a small extent cleansable by activated carbon, there is therefore an urgent need to undertake a purification by an alternative active material with which also diesel fuel, which is present as an emulsion, can be removed.
  • the invention solves this object both by a fuel filter having the features of claim 1 and by a cleaning cartridge having the features of claim 1 1, by a use according to the invention with the features of claim 12 and by a method having the features of claim 16 ,
  • a fuel filter according to the invention is suitable for filtering a media stream comprising a first and a second medium.
  • the first medium may preferably be water and the second medium may be a diesel fuel.
  • fuel is preferably understood as meaning a mixture of various hydrocarbons, in particular diesel fuels and biodiesel fuels for use in internal combustion engines.
  • a typical diesel fuel usually contains kerosene, various types of distillate fractions and currently several percent by volume of biodiesel and various additives (in the ppm range).
  • oils and fats are not covered by the definition of a diesel fuel.
  • the fuel filter according to the invention has a separating device for separating a first medium from a medium stream, which comprises a first and a second medium.
  • the fuel filter has a cleaning device for receiving a portion of the second medium in the deposited first medium, which is arranged upstream of a discharge opening for the second medium from the fuel filter and which has a cleaning and / or adsorbing cleaning material.
  • the cleaning material has an organoclay as an active ingredient or consists of the organoclay.
  • an active ingredient in the context of the present invention is a constituent which is attached to the adsorption or absorption z. B. is involved in diesel fuel.
  • an organoclay can be arranged as a ab- and / or adsorptive material in a cleaning material for receiving at least a portion of the second medium in the first medium.
  • This cleaning material with the organoclay as an active ingredient or from organoclay can be arranged, for example, within a filter system housing or, more particularly, also in a filter element.
  • the filter system is particularly suitable for the separation of diesel fuel residues in separated water, especially if a diesel-in-water emulsion is present; however, dissolved diesel fuel is also separable.
  • the organoclay is present as a bed, for example in the form of a granulate, the mean particle diameter of at least 50% by weight of the organ sound being greater than 50 ⁇ m and less than 1000 ⁇ m. This avoids too high a flow resistance, which can result from finer particles. Thus, the flowability of the bed is guaranteed under operating conditions and blocking excluded.
  • the mean particle diameter of at least 50% by weight of the organ sound can be less than 800 ⁇ m. These average particle sizes, according to the particularly preferred embodiment, statistically more than half of the organoclay particles.
  • the mean particle diameter for a mass-related d50 particle size distribution of the organoclay particles can be between 100 and 800 ⁇ m, in particular between 200 and 700 ⁇ m.
  • the mean particle diameter can be determined by laser diffractometry and refers to a volume-weighted average of all diameters of an irregularly shaped particle.
  • the diesel fuel may contain free water, which must be largely removed before the fuel enters the injection system. This is possible via a fuel filter according to the invention.
  • Modern ultra-low sulfur diesel (ULSD) fuels contain numerous additives that, unlike fuels with low or zero additive content, make the drop sizes that occur very small and therefore more difficult to remove.
  • the average droplet diameter of the water drops is typically between 10 ⁇ and 60 ⁇ .
  • the current test standard (ISO 16332, 2018) therefore provides 10 ⁇ as a test condition for the fuel delivery pump downstream filter systems.
  • To separate these fine drops of water from the diesel multistage filter systems are necessary. After the separation process, the separated water still contains finely divided diesel droplets.
  • the average diameter of the diesel drops in the water phase is, inter alia, by the stabilization by means of surface-active components of certain additives to less than 10 ⁇ . This emulsion does not separate on its own in a practice-relevant period of time.
  • the organoclay may be disposed within the fuel filter such that interchangeability of the organoclay and renewal of the adsorptive capacity of the fuel filter is possible.
  • the saturated organoclay can be regenerated after the exchange; B. by heating the clay and possibly by a repeated treatment with an organic cation solution.
  • the organoclay may advantageously have a widened layer structure.
  • An expanded layer structure of a clay (English: pillared clay) can be achieved by exchanging ions in the intermediate layer of a layer structure of a clay.
  • the ions, in particular inorganic cations, which occur in natural clay by foreign ions, eg. B. by added salts, in particular by supplied organic salt solutions.
  • the layer spacings of different clay samples can be determined.
  • the organoclay in particular at least one organic component of the organoclone, may advantageously have alkyl groups, preferably methyl groups. Alternatively or in addition to the methyl groups, it is also preferable to provide ethyl groups or other alkyl groups.
  • the organic component, especially the alkyl groups may / may be in the form of organic cations, e.g. B. quaternary alkylammonium ions, embedded in the intermediate layers of the organoclays.
  • the organoclay may preferably have a layered silicate.
  • the phyllosilicate forms at least 50% by weight of the organoclute.
  • the organoclay may also consist of a layered silicate.
  • the layered silicate can be formed as a layered silicate of the smectite and / or montmorillonite group which has been organically modified in such a way that at least one intermediate layer of the abovementioned layered silicate is an organic cation, preferably several identical organic cations, in particular quaternary alkylammonium cations, having.
  • a corresponding classification of individual clays of the smectite and / or montmorillonite group can be found in the 8th edition of the technical literature "Mineral Systematik nach Strunz.”
  • the following table shows a number of preferred surface-active compounds which are useful for the organofunctionalization of clay, eg. Smectites, are usable.
  • the organoclay may alternatively be arranged in the fuel filter, preferably in the cleaning device, as a shaped body or coating.
  • a large overflow area is provided for separating the second medium, in particular the diesel fuel.
  • the shaped bodies can have an open-pored structure, in order thus to produce a lower flow resistance with respect to the media flow.
  • the cleaning material may comprise at least one further material, in particular an inert material, in particular a glass, a ceramic, sand, and / or another active material, in particular a zeolite and / or activated carbon, which is preferably uniformly embedded in the organoclay is and / or associated with this.
  • an inert material in particular a glass, a ceramic, sand, and / or another active material, in particular a zeolite and / or activated carbon, which is preferably uniformly embedded in the organoclay is and / or associated with this.
  • a further active material in particular one of the abovementioned active materials, the adsorption and / or absorption of other substances contained in the medium stream, ie other media, eg. B. a third medium, are optimized by the cleaning material.
  • the FT-IR spectra (Fourier transform infrared spectra) of the organoclone have characteristic hydrocarbon bands in the range 1300 cm 1 to 1600 cm 1 and / or 2700 cm 1 to 3100 cm 1 . These characteristic hydrocarbon bands are formed by the organic modification of a natural clay, ie a natural clay does not exhibit these bands visible as peaks in the IR spectrogram.
  • the latter has downstream of the separating device a collecting space for the separated first medium, which is preferably arranged at a position lying geodetically below the separating device, the collecting space having an outlet has, which is fluidly connected to the cleaning device.
  • the designation of the position of the collecting space can preferably also be defined in the vertical direction below the separating device.
  • the collecting space can be designed, for example, as a so-called bowl (English, for shell).
  • the collecting space has an internal division, so that, for example, a geodetic upper part is provided for the unpurified first medium and in a geodetic lower part the first medium purified from the second medium is collected, wherein between the geodesically lower and upper part of the collecting space is the cleaning device.
  • the cleaning device may preferably be arranged within a filter system housing associated with the fuel filter.
  • the discharge opening for the second medium may advantageously be present below the collecting space, particularly preferably on or in the filter system housing.
  • the cleaning device can be arranged outside the filter system housing in a cleaning module assigned to the fuel filter, which has a housing with an inlet and an outlet, wherein an exchangeable cleaning cartridge likewise assigned to the fuel filter is preferably arranged in the housing of the cleaning module ,
  • the cleaning material is arranged with the Organoton in this particular variant of the invention.
  • the flow direction of the medium flow through the cleaning cartridge can preferably run counter to the direction of gravity in order to allow a uniform flow and venting of the cartridge and thereby to obtain a particularly good adsorption and / or Adsoprtion.
  • a realization of the flow direction of the medium flow in the direction of gravity in the context of the present invention is also possible.
  • a cleaning cartridge which is suitable for a fuel filter according to the invention, wherein in the cleaning cartridge, a cleaning material with an organoclay as an active ingredient, in particular an organoclay as it is used in the fuel filter according to the invention is arranged.
  • the cleaning cartridge can be used to separate diesel fuel from water.
  • the cleaning cartridge is here, z. B. in the case of saturation of the organoclone, interchangeable.
  • cleaning cartridges which are arranged one behind the other in the flow direction.
  • z For example, a pre-adsorption by a cleaning cartridge and a Nachadsorption and / or Ad- by a downstream second cleaning cartridge.
  • z. B third medium.
  • the cleaning cartridges can be exchanged, for example, in different exchange cycles or the cleaning cartridge of the post-adsorption can be used in replacement as a cleaning cartridge for the pre-adsorption. This optimally utilizes the cleaning material in the cleaning cartridge.
  • a method for reducing at least a portion of the second medium in the first medium may comprise the following steps:
  • the time periods between the respective steps a) -c) can be chosen as long as desired.
  • the provisioning according to step a) and the arranging according to step b) can take place in the factory and the feeding can take place in the area of any internal combustion engine.
  • step i. and step ii. the addition of an inorganic salt compound can take place.
  • the cations of the natural clay mineral are exchanged by the cations of the salt compound. Then it is easier to exchange these cations with the organic cations.
  • Another aspect of the invention relates to the use of an organoclay for separating a fuel-contaminated water fraction, which is at least partially present as a fuel-water emulsion, in a fuel filter, preferably, but not limited to, a fuel filter according to the present invention.
  • the fuel filter can be advantageous in any vehicle, eg. B. in a motor vehicle, in particular in a road vehicle, a mobile work machine, a watercraft, in particular in a ship, an aircraft to be used.
  • the fuel filter may be present on an internal combustion engine that is used stationary. The use preferably takes place in such a way that at least part of the fuel in the fuel-water emulsion has a droplet size of less than 50 ⁇ m, preferably less than 10 ⁇ m.
  • the use can be made such that a reduction of the fuel content in the fuel-contaminated water by at least 95%, based on weight% occurs.
  • the initial concentration of the fuel, in particular the diesel fuel in water is between 200 to 2500 ppm.
  • the concentration of the diesel fuel in water after the application of the organoclay may particularly preferably be below 10 ppm, typically between 2 and 8 ppm.
  • Residual diesel components dissolved in water can also advantageously be removed by means of an activated carbon filter connected downstream of the cleaning device.
  • an activated carbon filter connected downstream of the cleaning device.
  • a final aspect of the invention relates to a process for removing hydrocarbons or hydrocarbon mixtures from water obtained from a fuel filter of a vehicle or an internal combustion engine.
  • the process is carried out using a cleaning material having an organoclay as the active ingredient, wherein the mean residence time of the media stream to be purified in the cleaning material is 15 to 40 minutes, preferably 25 to 35 minutes.
  • a sufficient adsorption of diesel fuel is to be expected in the case of the particle size of the organoclone according to the invention between 50 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel filter in side view with a cleaning module according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows the fuel filter with the cleaning module from FIG. 2 in plan view
  • FIG. FIG. 3 shows the fuel filter with cleaning module from FIG. 1 with a removed cleaning cartridge
  • Fig. 5 is a thermogravimetric diagram
  • FIG. 7 shows comparative measurements of the adsorption capacities between activated carbon and organoclay
  • FIG. 8 a SEM image of a natural clay (bentonite);
  • FIG. and FIG. 8b SEM image of an organoclone;
  • FIG. 7 shows comparative measurements of the adsorption capacities between activated carbon and organoclay
  • FIG. 8 a SEM image of a natural clay (bentonite);
  • FIG. and FIG. 8b SEM image of an organoclone;
  • Fig. 9 Typical sum distribution of droplet sizes of diesel in water after the separation of the water from the diesel by means of a particular multi-stage fuel filter;
  • FIG. 10 shows a cumulative distribution of the particle sizes of an organoclay bed of a fuel filter according to the invention.
  • diesel and diesel are used synonymously as well as the terms organoclay and organoclay.
  • the cleaning device is designed as an external cleaning device, namely as a cleaning module 10 for cleaning a medium flow contaminated with a second medium of a first medium for a fuel filter, wherein the first medium Water and the second medium is diesel fuel, wherein the water in the fuel filter 100 is separated from the diesel fuel.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel filter 100 in side view with a cleaning module 10 according to a first embodiment of the invention.
  • the fuel filter 100 for filtering the media stream comprising the first and second media has a first media separator, not shown, disposed in a filter system housing 102 of the fuel filter.
  • the filter housing 102 has a, preferably detachable, media-tight lid 104, to a filter element inside the filter system housing 102, also not shown, to wait or exchange.
  • the fuel filter 100, the cleaning module 10 for absorbing and / or adsorbing a portion of the second medium in the deposited first medium, which is connected via a connecting part 106 with the filter system housing 102.
  • the cleaning module 10 has a housing 12 with an inlet 18 and an outlet or a discharge opening 20 on the second housing part 16.
  • the first and the second housing part 14, 16 are formed to one another, in particular detachable, media-tight connection with each other.
  • the two housing parts 14, 16 can for example be screwed or connected to a quick release.
  • an outlet 21 is shown, which is arranged on the first housing part 14.
  • Such a solution is also favorable, because then the second housing part 16, for example, for removing the cleaning cartridge 30, can be removed without releasing a connection from the outlet 21 to further components.
  • the replaceable cleaning cartridge 30 is detachably arranged.
  • the cleaning cartridge 30 has a cleaning material with an organoclay as ab- and / or adsorptive material for receiving at least a portion of the second medium in the first medium.
  • the cleaning material 34 can also have inert materials such as at least one glass, a ceramic, a sand, and / or an active material, in particular a zeolite and / or activated carbon. This can preferably and advantageously be uniformly embedded in the organoclay and / or connected to it.
  • the main component of the cleaning material 34 ie more than 50 wt .-%, but may be particularly preferably the organoclay.
  • the cleaning material 34 may also consist entirely of organoclay.
  • the organoclay as an active ingredient of the cleaning material 34 may be provided as a loose bed and / or be sintered and / or provided chemically crosslinked and / or provided foamed.
  • the cleaning material 34 and in particular the organoclay as a shaped body, for. B. be arranged as a hollow cylindrical shaped body, in particular with an open-pore structure, as a coating or as granules in the fuel filter 100.
  • the mean particle diameter of at least half of the organoclay granules may be greater than 50 ⁇ . In a particularly preferred embodiment, the mean particle diameter of at least half of the organoclay granules is less than 400 ⁇ m.
  • the mean particle diameter for a mass-related d50 particle size distribution of the granules can be between 50 and 400 ⁇ m, in particular between 100 and 300 ⁇ m.
  • the flow direction 32 of the media flow takes place from the filter system housing 102 through the connection part 106 through the inlet 18 into the housing 12 of the cleaning module 10, where the media flow through the cleaning cartridge 30 in the intended installed state is directed against gravity and the cleaning module 10 via the outlet 20 or leaves via the outlet 21 at the top in the alternative embodiment.
  • FIG. 2 shows the fuel filter 100 with the cleaning module 10 from FIG. 1 in plan view.
  • the filter system housing 102 can be seen with a cover 104 from above.
  • the cleaning module 10 is arranged on the connecting part 106 connected to the filter system housing 102.
  • the second housing 16 can be seen on the connecting part 106.
  • the outlet 20 is omitted in the illustration.
  • FIG. 3 shows the fuel filter 100 with the cleaning module 10 from FIG. 1 with the cleaning cartridge 30 removed from the cleaning module 10.
  • the cleaning cartridge 30 with the organotonin-containing cleaning material 34 is arranged on the second housing part 16 in this exemplary embodiment.
  • the cleaning cartridge 30 may be permanently connected to the second housing part 16 and thus be regarded as a unit.
  • the cleaning cartridge 30 is detachably arranged on the second housing part 16 and removed therefrom and can be replaced separately.
  • the cleaning cartridge 30 can be removed with the second housing part 16 in the form of a cartridge upwardly from the first housing part 14, for example, to be exchanged and processed.
  • a new cleaning cartridge 30 with a second housing part 16 can be used again and connected to the first housing part 14 media-tight, for example screwed or clipped to put the cleaning module 10 in an operational state again.
  • the advantage of such an embodiment is that upon removal of the cleaning cartridge 30 with the second housing part 16, the remaining first medium in the first housing part 14 remains and the environment is not so polluted.
  • the entire cleaning module can be made removable and thus interchangeable.
  • FIG 4 shows an infrared spectrogram of an organotone used according to the invention as active material (curve I) and of an unmodified clay (curve II).
  • the extinction is plotted against the wavenumber.
  • a wavenumber between 2800 to 3000 cnr 1 , one recognizes characteristic bands 202 for hydrocarbon compounds.
  • bands 203 are recognized at a wave number between 1300 and 1500 cnr 1 for hydrocarbon compounds. These are not present with a natural tone (curve II).
  • the bands 201 in the range at a wave number of 3500 cnr 1 characterize stored water and can be found in both the organoclay and the naturally occurring clay.
  • a sound This may preferably be a naturally occurring clay.
  • Particularly preferred clays are clays which essentially, ie at least 50% by weight, consist of at least one smectite and / or of at least one montmorillonite.
  • Such a clay is, for example, bentonite, which is used below for the specific embodiment.
  • the bentonite is dispersed in water, preferably in deionized water.
  • 4 wt .-% clay are dispersed in deionized water for at least 10 hours by stirring at room temperature.
  • the exchange or the homogenization of metal ions which are contained in the provided clay can be carried out by sodium ions.
  • sodium ions For example, it is preferable to use Na 2 CO 3 or NaCl in a concentration of 100 meq (milliequivalents) per 100 g of clay.
  • z. B. of sodium carbonate stirring of the emulsion was carried out for at least 10 h at room temperature.
  • a quaternary ammonium salt takes place in an aqueous solution.
  • concentration is 0.2 g of the surfactant to 1 g of clay with stirring for at least 10 hours at room temperature.
  • the suspension is then filtered and washed with deionized water to wash out excess ions.
  • the organoclay is then dried in a vacuum oven at 60 ° C for 24 hours.
  • Metal ions are predominantly in the interlayers of a clay with a layered structure. These are first exchanged by sodium ions and later by organic cations, preferably by quaternary alkylammonium ions.
  • the composition of fuels may vary from region to region.
  • the proportion of biodiesel may vary or the proportion and the composition of the additives.
  • biodiesel and additives influence the formation and type of diesel-in-water emulsion, which is then difficult to separate again.
  • Highly-additive diesel fuels which lead to very stable emulsions, are found in particular in the EU and the US, where the sulfur content in the diesel fuel is low due to legislative requirements, which reduces the natural lubricity of the diesel. In order to restore the lubricity of the fuel additive packages are therefore added to the diesel in these countries.
  • a cleaning cartridge according to the invention with organoclay or organoclay and a fuel filter according to the invention with water discharge is advantageous in highly-additive diesel fuels to free the water from hydrocarbons.
  • Diesel fuels dissolved in water and diesel fuel-in-water emulsions have very different concentrations of diesel fuel.
  • emulsions typically have a determined proportion of up to 2500 ppm of diesel fuel, in particular C10-C40 hydrocarbon compounds.
  • FIG. 5 shows thermogravimetric measurements of a natural sound with the measurement curve 301 and of an organ sound with the measurement curve 302 for the comparison of the two materials in a diagram.
  • the temperature increase in the gravimetric measurement is shown by the oblique straight line 303.
  • Phase a First, surface water ( ⁇ 100 ° C) evaporates, this can be seen in the case of both natural and modified clay on the plateau.
  • Phase c From about 600 ° C, this overlaps with a dissolution of chemisorbed water.
  • the proportion of organic constituents in the organoclay is about 25% by weight (y-axis starts at 65% by weight).
  • Fig. 6 shows concentration of dissolved hydrocarbons in mg / l gem.
  • the diagram illustrates the distinction between diesel fuel dissolved in water and a diesel fuel-in-water emulsion. If the value of about 5 mg / l is exceeded, the water is saturated, there is no more diesel in solution and it takes place emulsion formation. This type of emulsion is not or only to a small extent by activated charcoal separable. In contrast, the organoclay, so the organoclay, due to its surface properties in a position to clean a diesel fuel-in-water emulsion.
  • Sample is a diesel fuel-in-water emulsion used as the initial concentration of hydrocarbons of the mixture prior to contact with an adsorption and / or absorption medium.
  • Body is the measured value of the experimental apparatus when pure water is promoted by this.
  • Additional bars each show a diesel fuel in water mixture after their treatment with the respective adsorption and / or absorption medium shown under analogous conditions.
  • activated carbon is hardly able to separate the emulsion.
  • the organoclay can clean the emulsion better by a factor of 20 to 80 than the activated carbon. This can u. a. due to surface and internal properties.
  • the calculated blank value is 10 times lower than the measured values and thus shows the reliability of the experimental set-up.
  • the emulsion of water and diesel is very stable due to certain additives, so that a density separation is virtually not carried out and the diesel drops virtually do not coalesce.
  • the droplet sizes in the emulsion are very small, typically less than 10 ⁇ .
  • Non-coalescing is due to the additives, while the small droplet diameters are determined by the path of the diesel-water mixture through the fuel filter. The trend is towards the use of even lower-sulfur, higher-additive fuels, so that this problem will be exacerbated by environmental legislation worldwide.
  • FIGS. 8a and 8b the grain sizes of the natural sound (FIG. 8a) and of the organ sound (FIG. 8b) are compared under analogous measuring conditions or in the same representation scale. Symptomatic of natural clay are very small particle sizes, which can lead to a very high flow resistance up to a blocking of the cleaning material. In contrast, the organoclay in FIG. 8b shows a more compact form with increased grain size.
  • FIG. 9 shows a typical total distribution of droplet sizes of diesel in water after the separation of the water from diesel with low sulfur content (ULSD according to EN 590) by means of a fuel filter, in particular a multi-stage fuel filter.
  • Modern diesel fuels contain many additives that have become very important only with the introduction of ultra-low sulfur diesel (ULSD: 10 ppm).
  • the additives provide sufficient lubricity of the fuel, among other things, because the natural lubricity enhancers are largely removed by the process of desulfurization. With higher additive content, water separation becomes more difficult, so that increasingly multi-stage water separators are used to realize a functioning water separation over the entire service life. This change also influences the quality of the discharged water: If the separated water is still clear with a low-additive fuel and contains, for example, ⁇ 10 mg / l hydrocarbons, modern fuel filters with integrated water separation will have an emulsion instead of a clear water phase. This emulsion consists of the finest diesel droplets, which are stabilized by the additives and can have a hydrocarbon content according to EN ISO 9377-2 H53 of 200 mg / l up to> 2500 mg / l.
  • the mean droplet diameter is typically below 10 ⁇ . This is a crucial difference to applications where hydrocarbons are present as a film or only roughly mixed / emulsified. Examples include the separation of oil or fuel films on water surfaces.
  • the fine diesel droplets occurring in modern water separators of fuel filters when using ULSD can be reliably separated from the water phase.
  • FIG. 10 shows an exemplary cumulative distribution of the particle sizes of an organoclay bed of a cleaning device of a fuel filter according to the invention.
  • both the installation space is very limited and the available contact time. Accumulating water must be removed from the fuel circuit in a few minutes to hours, cleaned and drained.
  • the space in modern vehicles is very limited, so that the adsorber must be made as compact as possible.
  • the reasonable size of the adsorber tank is between 200 ml and 400 ml, sizes> 600 ml can hardly be accommodated in the usual installation spaces both on the engine side and on the vehicle.
  • the adsorber is adapted to the specific conditions on the fuel supply system of a vehicle and / or engine.
  • the mean residence time of the water in the adsorber is about 30 minutes in an exemplary automotive application.
  • the residence time can be set, for example, via the control of a valve. Between each discharge cycle, a defined pause time ensures that the necessary contact time for cleaning is maintained. Over several opening cycles, the water to be purified can be conveyed through the adsorber by means of the pressure of the fuel supply system.

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Abstract

Es wird ein Kraftstofffilter (100) mit einer Abscheidevorrichtung zur Abtrennung eines ersten Mediums aus einem ein erstes und ein zweites Medium umfassenden Medienstroms und einer Reinigungsvorrichtung zur Aufnahme eines Anteils des zweiten Mediums in dem abgeschiedenen ersten Medium offenbart. Die Reinigungsvorrichtung ist stromaufwärts einer Ablassöffnung für das zweite Medium aus dem Kraftstofffilter (100) angeordnet und weist ein ab- und/oder adsorbierendes Reinigungsmaterial (34) auf, das einen Organoton als Aktivbestandteil aufweist oder daraus besteht. Der Organoton liegt als Schüttung vor, die einen mittleren Partikeldurchmesser von zumindest 50 Gew.-% des Organotons größer als 50 μm und kleiner als 1000 μm aufweist. Ferner werden eine Reinigungskartusche und die Verwendung des Organotons zur Abtrennung einer mit Kraftstoff verunreinigten Wasserfraktion und ein Verfahren zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen aus Wasser offenbart.

Description

Beschreibung
KRAFTSTOFFFILTER MIT ORGANOTON, REINIGUNGSKARTUSCHE MIT ORGANOTON UND VERWENDUNG Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstofffilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine Reinigungskartusche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 1 , eine Verwendung eines Organotons und ein Verfahren zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen aus Wasser. Stand der Technik
Ein Filtersystem mit Wasserabscheidungsvorrichtung ist aus der DE 10 2016 002 264.7 bekannt. In diesem Filtersystem wird Aktivkohle als ad- und/oder absorbierendes Medium für Kraftstoffbestandteile aus dem abgetrennten Wasser eingesetzt. Dieses hat sich als günstig für verschiedene Anwendungen erwiesen.
Typischer Dieselkraftstoff ist nur mit ca. 5 mg/l in Wasser löslich, wird dieser Wert überschritten, ist das Wasser gesättigt, es geht kein Diesel mehr in Lösung und es findet eine Emulsionsbildung statt. Solche Diesel-Wasser-Emulsionen sind nicht bzw. nur in einem geringen Maß durch Aktivkohle aufreinigbar, es besteht daher das dringende Bedürfnis, eine Aufreinigung durch ein alternatives Aktivmaterial vorzu- nehmen, mit dem auch Dieselkraftstoff, der als Emulsion vorliegt, entfernt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftstofffilter bereitzustellen, welcher eine verbesserte Adsorptionsleistung für Kohlen- Wasserstoffe, insbesondere Dieselkraftstoff, der insbesondere in Emulsionsform vorliegt, aus Wasser aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe sowohl durch einen Kraftstofffilter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 als auch durch eine Reinigungskartusche mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1 , durch eine erfindungs- gemäße Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Ein erfindungsgemäßer Kraftstofffilter ist geeignet zum Filtern eines ein erstes und ein zweites Medium umfassenden Medienstroms. Dabei kann es sich bei dem ersten Medium bevorzugt um Wasser und bei dem zweiten Medium um einen Dieselkraftstoff handeln.
Als Kraftstoff wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen verstanden, insbesondere Dieselkraftstoffe und Biodieselkraftstoffe zur Nutzung in Brennkraftmaschinen. Ein typischer Dieselkraftstoff enthält üblicherweise Kerosin, verschiedene Mittel- destillatfraktionen und zurzeit mehrere Volumenprozent Biodiesel sowie verschiedene Additive (im ppm- Bereich).
Demgegenüber fallen Öle und Fette nicht unter die Definition eines Dieselkraftstoffs.
Der erfindungsgemäße Kraftstofffilter weist eine Abscheidevorrichtung zur Abtrennung eines ersten Mediums aus einem Medienstrom auf, der ein erstes und ein zweites Medium umfasst.
Zudem weist der Kraftstofffilter eine Reinigungsvorrichtung zur Aufnahme eines Anteils des zweiten Mediums in dem abgeschiedenen ersten Medium auf, die stromaufwärts einer Ablassöffnung für das zweite Medium aus dem Kraftstofffilter angeordnet ist und die ein ab- und/oder adsorbierendes Reinigungsmaterial aufweist.
Das Reinigungsmaterial weist einen Organoton als Aktivbestandteil auf oder besteht aus dem Organoton.
Ein Aktivbestandteil im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Bestandteil, welcher an der Ad- oder Absorption z. B. von Dieselkraftstoff beteiligt ist. Somit kann ein Organoton als ab- und/oder adsorptionsfähiges Material in einem Reinigungsmaterial zur Aufnahme wenigstens eines Anteils des zweiten Mediums in dem ersten Medium angeordnet sein. Dieses Reinigungsmaterial mit dem Organoton als Aktivbestandteil oder aus Organoton kann beispielsweise innerhalb eines Filtersystemgehäuses oder besonders etwa auch in einem Filterelement angeordnet sein.
Das Filtersystem eignet sich besonders für die Abscheidung von Dieselkraftstoffresten in abgeschiedenem Wasser, insbesondere sofern eine Diesel-in-Wasser Emulsion vorliegt; es ist jedoch auch gelöster Dieselkraftstoff abtrennbar.
Der Organoton liegt als Schüttung vor, etwa in Form eines Granulats, wobei der mittlere Partikeldurchmesser von zumindest 50 Gew.-% des Organotons größer ist als 50 μιτι und kleiner als 1000 μιτι ist. Hierdurch wird ein zu hoher Durchströmungswiderstand vermieden, wie er durch feinere Partikel ent- stehen kann. Somit ist die Durchströmbarkeit der Schüttung unter Betriebsbedingungen gewährleistet und ein Verblocken ausgeschlossen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der mittlere Partikeldurchmesser von zumindest 50 Gew.-% des Organotons weniger als 800 μιτι betragen. Diese mittleren Partikelgrößen weisen gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsvariante statistisch mehr als die Hälfte der Organoton-Partikel auf.
Besonders bevorzugt kann der mittlere Partikeldurchmesser für eine massenbezogene d50-Partikel- größenverteilung der Organoton-Partikel zwischen 100 bis 800 μιτι, insbesondere zwischen 200 bis 700 μιτι betragen. Der mittlere Partikeldurchmesser kann durch Laserdiffraktometrie bestimmt werden und bezieht sich auf einen auf den volumengewichteten Mittelwert aller Durchmesser eines ungleichmäßig geformten Partikels.
Durch o. g. Anpassung der Partikelgrößen wird neben einem akzeptablen Druckverlust der Durch- Strömung der Reinigungsvorrichtung erreicht, dass auch feinste Tropfen des zweiten Mediums, etwa Dieselkraftstoff, adsorbiert werden können und nicht einfach von der Strömung durch diese hindurch getragen werden. Eine zur Adsorption nötige Kontaktzeit des ersten Mediums mit dem Organoton kann somit eingestellt werden, wobei die Kontaktzeit von den weiteren Parametern Schüttungsvolumen und Volumenstrom abhängig ist.
Im Dieselkraftstoff kann freies Wasser enthalten sein, welches vor dem Eintritt des Kraftstoffes in das Einspritzsystem größtenteils entfernt werden muss. Dies ist über einen erfindungsgemäßen Kraftstofffilter möglich. Moderne Dieselkraftstoffe mit geringem Schwefelgehalt („ultra low sulfur diesel", ULSD) enthalten zahlreiche Additive, die, im Gegensatz zu un- oder nur niedrig additivierten Kraftstoffen dazu führen, dass die auftretenden Tropfengrößen sehr klein werden und damit schwerer entfernbar sind.
Der mittlere Tropfendurchmesser der Wassertropfen liegt hierbei typischerweise zwischen 10 μιτι und 60 μιτι. Die aktuelle Prüfnorm (ISO 16332 Stand 2018) sieht daher 10 μιτι als Prüfbedingung für der Kraftstoffförderpumpe nachgeschaltete Filtersysteme vor. Um diese feinen Wassertropfen aus dem Diesel ab- zuscheiden sind mehrstufige Filtersysteme notwendig. Das abgetrennte Wasser enthält nach dem Ab- scheideprozess noch fein verteilte Dieseltropfen. Der mittlere Durchmesser der Dieseltropfen in der Wasserphase beträgt, unter anderem durch die Stabilisierung mittels oberflächenaktiver Komponenten bestimmter Additivem bis unter 10 μιτι. Diese Emulsion trennt sich in einer praxisrelevanten Zeitspanne nicht von alleine auf.
Dies ist ein entscheidender Unterschied zu Anwendungen, in denen Kohlenwasserstoffe als Film oder nur grob gemischt/emulgiert vorliegen. Beispiele hierfür sind die Abtrennung von Öl- oder Kraftstofffilmen auf Wasseroberflächen. Ziel der Erfindung ist es, die, bei modernen Wasserabscheidern von Kraftstofffiltern bei Verwendung von ULSD auftretenden, feinen Dieseltröpfchen aus der Wasserphase zuverlässig abzu- trennen.
Wenn die Porengröße der Adsorberschüttung zu groß ist, so besteht die Gefahr, dass die Dieseltröpfchen mit der Strömung durch die Schüttung transportiert werden und keinen Kontakt zum Adsorber bekommen. In diesem Fall ist die Reinigung nicht gewährleistet. Gleichermaßen ist es wichtig, dass der Staub-Anteil (Partikel mit sehr kleinen Partikelgrößen) im Adsorber gering ist, denn sonst werden die feinsten Partikel in Durchströmungsrichtung an der Abströmseite des Adsorbers angereichert. Dies führt zur Ausbildung einer Partikelschicht mit sehr hohem Durchströmungswiderstand, der durch den in der angestrebten Anwendung zur Verfügung stehenden Druck nicht überwunden werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Der Organoton kann so innerhalb des Kraftstofffilters angeordnet sein, dass eine Austauschbarkeit des Organotons und eine Erneuerung des Adsorptionsvermögens des Kraftstofffilters möglich ist. Der gesättigte Organoton kann nach dem Austausch regeneriert werden, dies kann z. B. durch Aufheizen des Tons und ggf. durch ein abermaliges Behandeln mit einer organischen Kationen-Lösung erfolgen.
Der Organoton (engl. : Organoclay) kann vorteilhaft eine aufgeweitete Schichtstruktur aufweisen. Eine aufgeweitete Schichtstruktur eines Tons (engl.: pillared clay) kann durch Austausch von Ionen in der Zwischenschicht einer Schichtstruktur eines Tons erreicht werden. Dabei werden die Ionen, insbesondere anorganische Kationen, welche im natürlichen Ton vorkommen, durch Fremdionen, z. B. durch zuge- führte Salze, insbesondere durch zugeführte organische Salzlösungen, ausgetauscht. Mittels Röntgen- diffraktometrie können die Schichtabstände verschiedener Tonproben bestimmt werden.
Der Organoton, insbesondere zumindest eine organische Komponente des Organotons, kann vorteilhaft Alkylgruppen, vorzugsweise Methylgruppen, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich zu den Methylgruppen können vorzugsweise auch Ethylgruppen oder andere Alkylgruppen vorgesehen sein. Die organische Komponente, insbesondere die Alkylgruppen, kann/können in Form von organischen Kationen, z. B. quartären Alkylammoniumionen, in den Zwischenschichten des Organotons eingelagert vorliegen.
Der Organoton kann bevorzugt ein Schichtsilikat aufweisen. Insbesondere bildet das Schichtsilikat zu- mindest 50 Gew.% des Organotons. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Organoton auch aus einem Schichtsilikat bestehen.
Das Schichtsilikat kann ausgebildet sein als ein Schichtsilikat der Smektit- und/oder Montmorillonit- Gruppe, welches derart organisch-modifiziert wurde, dass zumindest eine Zwischenschicht des vorge- nannten Schichtsilikats ein organisches Kation, vorzugsweise mehrere gleichartige organische Kationen, insbesondere quartäre Alkylammonium-Kationen, aufweist. Eine entsprechende Klassifizierung einzelner Tone der Smektit- und/oder Montmorillonit-Gruppe findet sich in der 8. Auflage der Fachliteratur„Mineralsystematik nach Strunz". Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Reihe von bevorzugten oberflächenaktiven Verbindungen, welche zur Organofunktionalisierung von Ton, z. B. Smektiten, einsetzbar sind.
Weitere Informationen und Vorteile der einzelnen Verbindungen finden sich unter DELBEN, M. F. ; VALERA, T. S.; VALENZUELA-DIAZ, F. R.; DEMARQUETTE, N. R. Modification of brazilian smectite clay with different quaternary ammonium salts. Quimica Nova, vol. 33, No. 2, 309-315, 2010. Salz Formel Bezeichnung Struktur
hexadecy Itrimet y lam oni um
Chloride
F llaikv Ida meÜiyih dfox ÜiyiaiB-
[(CH iC^H^X ^OHi Cl' FADMHEA (i)
monium Chloride
(1) Clariani. (2) Akzo Nobel
Der Organoton kann alternativ in dem Kraftstofffilter, vorzugsweise in der Reinigungsvorrichtung, als Formkörper oder Beschichtung angeordnet sein. Dadurch wird eine große überströmte Fläche zur Ab- Scheidung des zweiten Mediums, insbesondere des Dieselkraftstoffes, zur Verfügung gestellt. Besonders bevorzugt können die Formkörper eine offenporige Struktur aufweisen, um somit einen geringeren Durchflusswiderstand gegenüber dem Medienstrom hervorzurufen.
Das Reinigungsmaterial kann neben dem Organoton als Aktivmaterial zumindest ein weiteres Material aufweisen, insbesondere ein inertes Material, insbesondere ein Glas, eine Keramik, Sand, und/oder ein weiteres Aktivmaterial, insbesondere ein Zeolith und/oder Aktivkohle, das bevorzugt gleichmäßig in den Organoton eingebettet ist und/oder mit diesem verbunden ist. Dadurch kann u. a. eine druckverlustarme Durchströmung des Reinigungsmaterials ermöglicht werden. Durch die Nutzung eines weiteren Aktivmaterials, insbesondere eines der vorgenannten Aktivmaterialien, kann die Adsorption und/oder Absorp- tion anderer im Mediumsstrom enthaltener Stoffe, also weiterer Medien, z. B. eines dritten Mediums, durch das Reinigungsmaterial optimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante eines verwendeten Organotons weisen die FT-IR-Spektren (Fouriertransformations-Infrarot-Spektren) des Organotons charakteristische Kohlenwasserstoffbanden im Bereich 1300 cm 1 bis 1600 cm 1 und/oder 2700 cm 1 bis 3100 cm 1 auf. Diese charakteristischen Kohlenwasserstoffbanden entstehen durch die organische Modifikation eines natürlichen Tons, d. h. ein natürlicher Ton weist diese als Peaks im IR-Spektrogramm sichtbaren Banden nicht auf.
In einer weiteren Ausführungsvariante des Kraftstofffilters weist dieser stromabwärts der Abscheidevor- richtung einen Sammelraum für das abgetrennte erste Medium auf, der bevorzugt an einer geodätisch unter der Abscheidevorrichtung liegenden Position angeordnet ist, wobei der Sammelraum einen Auslass hat, der fluidisch mit der Reinigungsvorrichtung verbunden ist. Die Bezeichnung der Position des Sammelraums kann vorzugsweise auch mit in Lotrichtung unterhalb der Abscheidevorrichtung definiert werden. Der Sammelraum kann beispielsweise als ein sogenannter Bowl (engl, für Schale) ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Sammelraum eine innere Teilung aufweist, sodass bei- spielsweise ein geodätisch oberer Teil für das ungereinigte erste Medium vorgesehen ist und in einem geodätisch unteren Teil das von dem zweiten Medium gereinigte erste Medium gesammelt wird, wobei zwischen dem geodätisch unteren und oberen Teil des Sammelraums die Reinigungsvorrichtung vorliegt.
Die Reinigungsvorrichtung kann vorzugsweise innerhalb eines dem Kraftstofffilter zugeordneten Filter- Systemgehäuses angeordnet sein. Die Ablassöffnung für das zweite Medium kann vorteilhaft unterhalb des Sammelraums, besonders vorzugsweise am oder im Filtersystemgehäuse vorliegen.
Die Reinigungsvorrichtung kann jedoch in einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Kraftstofffilters außerhalb des Filtersystemgehäuses in einem dem Kraftstofffilter zugeordneten Reinigungsmodul angeordnet sein, das ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass aufweist, wobei bevorzugt in dem Gehäuse des Reinigungsmoduls eine ebenfalls dem Kraftstofffilter zugeordnete austauschbare Reinigungskartusche angeordnet ist. In dieser auswechselbaren Reinigungskartusche ist in dieser speziellen Variante der Erfindung das Reinigungsmaterial mit dem Organoton angeordnet. Die Strömungsrichtung des Medienstroms durch die Reinigungskartusche kann bevorzugt entgegen der Schwererichtung verlaufen, um eine gleichmäßige Durchströmung und Entlüftung der Kartusche zu ermöglichen und dadurch eine besonders gute Ab- und/oder Adsoprtion zu erhalten. Allerdings ist eine Realisierung der Strömungsrichtung des Medienstroms in Schwererichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich.
Generell und unabhängig von der vorgenannten Ausführungsvariante und deren konstruktiven Ausgestaltung ist es von besonderem Vorteil für z. B. die Aufarbeitung und die Handhabung des Kraftstofffilters, wenn die Reinigungsvorrichtung eine auswechselbare Reinigungskartusche aufweist, in der der Organoton angeordnet ist.
Weiterhin erfindungsgemäß ist eine Reinigungskartusche welche geeignet ist für einen erfindungsgemäßen Kraftstofffilter, wobei in der Reinigungskartusche ein Reinigungsmaterial mit einem Organoton als Aktivbestandteil, insbesondere ein Organoton wie er im erfindungsgemäßen Kraftstofffilter verwendet wird, angeordnet ist. Die Reinigungskartusche kann zur Abtrennung von Dieselkraftstoff aus Wasser ver- wendet werden. Die Reinigungskartusche ist dabei, z. B. im Fall der Sättigung des Organotons, auswechselbar.
Es ist zudem auch möglich mehrere Reinigungskartuschen einzusetzen, welche in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. So kann z. B. durch eine Reinigungskartusche eine Voradsorption er- folgen und durch eine nachgeordnete zweite Reinigungskartusche eine Nachadsorption und/oder Ad- Sorption eines weiteren, z. B dritten, Mediums. Die Reinigungskartuschen können beispielsweise in unterschiedlichen Wechselzyklen ausgetauscht werden oder die Reinigungskartusche der Nachadsorption kann bei Austausch als Reinigungskartusche für die Voradsorption eingesetzt werden. Dadurch wird das Reinigungsmaterial in der Reinigungskartusche optimal genutzt.
Ebenso ist es möglich, mehrere Reinigungskartuschen mit unterschiedlicher Zusammensetzung des Reinigungsmaterials einzusetzen. So kann eine stufenweise Abscheidung mehrerer Medien erfolgen.
Zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten der Nutzung einer einzelnen oder mehrerer Reinigungskartuschen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierbar.
Ein Verfahren zur Verringerung wenigstens eines Anteils des zweiten Mediums in dem ersten Medium kann die folgenden Schritte umfassen:
a) ein Bereitstellen eines Organotons mit aufgeweiteter Schichtstruktur umfassend zumindest die folgenden Schritte:
i. ein Bereitstellen einer Suspension eines natürlich-vorkommenden Tons, vorzugsweise eines Schichtsilikats, in einem Lösungsmittel;
ii. eine Zugabe einer organischen Salzverbindung, insbesondere einer quaternären Alkylammonium-Salzes, unter Ausbildung des Organotons mit aufgeweiteter Schichtstruktur;
b) ein Anordnen des Organotons in einem Kraftstofffilter; und
c) ein Zuführen eines mit einem zweiten Medium verunreinigten ersten Mediums in den Kraftstofffilter unter Abscheidung des zweiten Mediums in an- und/oder in dem Organoton mit aufgeweiteter Schichtstruktur.
Die Zeiträume zwischen den jeweiligen Schritten a) - c) können beliebig lang gewählt werden. Typischerweise kann das Bereitstellen gemäß Schritt a) und das Anordnen gemäß Schritt b) werksseitig erfolgen und das Zuführen kann im Bereich einer beliebigen Verbrennungskraftmaschine erfolgen.
Zwischen Schritt i. und Schritt ii. kann vorteilhaft die Zugabe einer anorganischen Salzverbindung erfolgen. Dadurch werden die Kationen des natürlichen Tonminerals durch die Kationen der Salzverbindung ausgetauscht. Sodann ist der Austausch dieser Kationen durch die organischen Kationen einfacher möglich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Organotons zur Abtrennung einer mit Kraftstoff verunreinigten Wasserfraktion, welche zumindest teilweise als Kraftstoff-Wasser-Emulsion vorliegt, in einem Kraftstofffilter, vorzugsweise in einem Kraftstofffilter gemäß der vorliegenden Erfindung, jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Kraftstofffilter kann vorteilhaft in einem beliebigen Fahrzeug, z. B. in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Straßenfahrzeug, einer mobilen Arbeitsmaschine, einem Wasserfahrzeug, insbesondere in einem Schiff, einem Luftfahrzeug eingesetzt werden. Ferner kann der Kraftstofffilter an einem Verbrennungsmotor vorliegen, der stationär eingesetzt wird. Bevorzugt erfolgt die Verwendung derart, dass zumindest ein Teil des Kraftstoffs in der Kraftstoff-Wasser- Emulsion eine Tropfengröße kleiner als 50 μιτι, bevorzugt kleiner als 10 μιτι, aufweist. Dies ist insbesondere wichtig um Kraftstoff-Wasser-Emulsion, die bei der Wasserabscheidung aus modernen ULSD entstehen, bzgl. der Kohlenwasserstoffe auf einen niedrigen Gehalt, vorzugsweise < 2 mg/l gemäß EN ISO 9377-2 H53, aufzureinigen.
Besonders bevorzugt kann die Verwendung derart erfolgen, dass eine Verminderung des Kraftstoffgehalts in dem mit Kraftstoff verunreinigten Wasser um zumindest 95%, bezogen auf Gewichts-%, erfolgt. Die Ausgangskonzentration des Kraftstoffs, insbesondere des Dieselkraftstoffs in Wasser beträgt dabei zwischen 200 bis 2500 ppm. Die Konzentration des Dieselkraftstoffes in Wasser nach der Anwendung des Organotons kann dabei besonders bevorzugt unter 10 ppm, typischerweise zwischen 2 bis 8 ppm betragen.
In Wasser gelöste Restdieselbestandteile können zudem durch einen der Reinigungsvorrichtung nachge- schalteten Aktivkohlefilter vorteilhaft entfernt werden. Bei verfahrensmäßiger Beschreibung kann ein entsprechender Verfahrensschritt d) des Durchleitens des ersten Mediums in Anschluss an Schritt c) durch einen Aktivkohlefilter erfolgen.
Ein letzter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen aus Wasser, das an einem Kraftstofffilter eines Fahrzeugs oder an einem Verbrennungsmotor anfällt. Das Verfahren wird unter Verwendung eines Reinigungsmaterials ausgeführt, das einen Organoton als Aktivbestandteil aufweist, wobei die mittlere Verweilzeit des zu reinigenden Medienstroms in dem Reinigungsmaterial 15 bis 40 Minuten, bevorzugt 25 bis 35 Minuten, beträgt. Bei dieser Verweilzeit des zu reinigenden Medienstroms mit dem Aktivbestandteil ist bei der erfindungsge- mäßen Partikelgröße des Organotons zwischen 50 μιτι und 1000 μιτι eine hinreichende Adsorption von Dieselkraftstoff zu erwarten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher erläutert. Darin sind weitere Vorteile der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die kombinatorischen Merkmale der Ausführungsbeispiele kann der Fachmann zweckmäßig auch einzeln betrachten oder zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen oder abwandeln.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstofffilters in Seitenansicht mit einem Reinigungsmodul nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 der Kraftstofffilter mit dem Reinigungsmodul aus Fig. 2 in Draufsicht; Fig. 3 der Kraftstofffilter mit Reinigungsmodul aus Fig. 1 mit einer entnommenen Reinigungskartusche;
Fig. 4 eine infrarot-spektroskopische Aufnahme eines als Organoton ausgebildeten Bentonits und eines natürlichen Bentonits;
Fig. 5 ein thermogravimetrisches Diagramm;
Fig. 6 Löslichkeitsdiagramm von Dieselkraftstoff in Wasser;
Fig. 7 Vergleichsmessungen der Adsorptionsfähigkeiten zwischen Aktivkohle und Organoton; Fig. 8a REM-Aufnahme eines natürlichen Tons (Bentonit); und Fig. 8b REM-Aufnahme eines Organotons;
Fig. 9 Typische Summenverteilung der Tropfengrößen von Diesel in Wasser nach der Abscheidung des Wassers aus dem Diesel mittels eines insbesondere mehrstufigen Kraftstofffilters;
Fig. 10 Summenverteilung der Partikelgrößen einer Organoton-Schüttung eines erfindungsgemäßen Kraftstofffilters.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Nachfolgend werden die Begriffe Diesel und Dieselkraftstoff synonym verwandt ebenso wie die Begriffe Organoton und Organoclay.
Die Erfindung ist in den Fig. 1 bis 3 beispielhaft in einer Ausführungsform dargestellt, gemäß der die Reinigungsvorrichtung als externe Reinigungsvorrichtung ausgebildet ist, nämlich als Reinigungsmodul 10 zur Reinigung eines mit einem zweiten Medium verunreinigten Medienstroms eines ersten Mediums für einen Kraftstofffilter, wobei das erste Medium Wasser und das zweite Medium Dieselkraftstoff ist, wobei das Wasser im Kraftstofffilter 100 von dem Dieselkraftstoff abgetrennt wird.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstofffilters 100 in Seitenansicht mit einem Reinigungsmodul 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftstofffilter 100 zum Filtern des das erste und das zweite Medium umfassenden Medienstroms, weist eine in einem Filtersystemgehäuse 102 des Kraftstofffilters angeordnete, nicht dargestellte, Abscheidevorrichtung für das erste Medium auf. Das Filtergehäuse 102 weist einen, bevorzugt lösbaren, mediendichten Deckel 104 auf, um ein im Inneren des Filtersystemgehäuses 102, ebenfalls nicht dargestelltes, Filterelement zu warten oder auszutauschen. Weiter weist der Kraftstofffilter 100 das Reinigungsmodul 10 zur ab- und/oder adsorbierenden Aufnahme eines Anteils des zweiten Mediums in dem abgeschiedenen ersten Medium auf, welches über ein Verbindungsteil 106 mit dem Filtersystemgehäuse 102 verbunden ist. Das Reinigungsmodul 10 weist ein Gehäuse 12 mit einem Einlass 18 und einem Auslass bzw. einer Ablass- Öffnung 20 an dem zweiten Gehäuseteil 16 auf. Das erste und das zweite Gehäuseteil 14, 16 sind zu einer, insbesondere lösbaren, mediendichten Verbindung miteinander ausgebildet. Die beiden Gehäuseteile 14, 16 können dazu beispielsweise verschraubt oder mit einem Schnellverschluss verbunden sein. Ferner ist ein Auslass 21 dargestellt, der an dem ersten Gehäuseteil 14 angeordnet ist. Auch eine solche Lösung ist günstig, da dann das zweite Gehäuseteil 16, beispielsweise zur Entnahme der Reinigungskartusche 30, abgenommen werden kann, ohne eine Verbindung von dem Auslass 21 zu weiterführenden Komponenten zu lösen.
In dem Gehäuse 12 ist die austauschbare Reinigungskartusche 30 lösbar angeordnet. Die Reinigungskartusche 30 weist ein Reinigungsmaterial mit einem Organoton als ab- und/oder adsorptionsfähiges Material zur Aufnahme wenigstens eines Anteils des zweiten Mediums in dem ersten Medium auf.
Das Reinigungsmaterial 34 kann zudem inerte Materialien wie zumindest ein Glas eine Keramik, einen Sand, und/oder ein Aktivmaterial, insbesondere ein Zeolith und/oder Aktivkohle aufweisen. Dieses kann bevorzugt und vorteilhaft gleichmäßig in den Organoton eingebettet sein und/oder mit diesem verbunden sein.
Die Hauptkomponente des Reinigungsmaterials 34, also mehr als 50 Gew.-%, kann jedoch besonders bevorzugt der Organoton sein. Das Reinigungsmaterial 34 kann auch vollständig aus Organoton bestehen.
Der Organoton als Aktivbestandteil des Reinigungsmaterials 34 kann als lose Schüttung vorgesehen sein und/oder gesintert und/oder chemisch vernetzt vorgesehen sein und/oder geschäumt vorgesehen sein.
Dabei kann das Reinigungsmaterial 34 und insbesondere der Organoton als Formkörper, z. B. als hohl- zylindrischer Formkörper, insbesondere mit einer offenporigen Struktur, als Beschichtung oder als Granulat im Kraftstofffilter 100 angeordnet sein.
Der mittlere Partikeldurchmesser von zumindest der Hälfte der Organoton-Granulatkörner kann größer sein als 50 μιτι. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante beträgt der mittlere Partikeldurch- messer von zumindest der Hälfte der Organoton-Granulatkörner weniger als 400 μιτι.
Besonders bevorzugt kann der mittlere Partikeldurchmesser für eine massenbezogene d50-Partikel- größenverteilung der Granulate zwischen 50 bis 400 μιτι, insbesondere zwischen 100 bis 300 μιτι, betragen. Die Strömungsrichtung 32 des Medienstroms erfolgt von dem Filtersystemgehäuse 102 durch das Verbindungsteil 106 durch den Einlass 18 in das Gehäuse 12 des Reinigungsmoduls 10, wo der Medienstrom durch die Reinigungskartusche 30 im bestimmungsgemäßen eingebauten Zustand entgegen der Schwerkraft gerichtet ist und das Reinigungsmodul 10 über den Auslass 20 oder in der alternativen Aus- führungsform über den Auslass 21 oben verlässt.
Zusätzlich kann an dem Reinigungsmodul 10 ein Indikator zur Anzeige der Beladung mit dem zweiten Medium angeordnet sein, um so eine bedarfsorientierte Wartung zu ermöglichen. In Fig. 2 ist der Kraftstofffilter 100 mit dem Reinigungsmodul 10 aus Fig. 1 in Draufsicht dargestellt. Das Filtersystemgehäuse 102 ist mit einem Deckel 104 von oben zu sehen. Das Reinigungsmodul 10 ist auf dem mit dem Filtersystemgehäuse 102 verbundenen Verbindungsteil 106 angeordnet. Von oben ist das zweite Gehäuse 16 auf dem Verbindungsteil 106 zu erkennen. Der Auslass 20 ist in der Darstellung weggelassen.
Fig. 3 zeigt den Kraftstofffilter 100 mit dem Reinigungsmodul 10 aus Fig. 1 mit entnommener Reinigungskartusche 30 des Reinigungsmoduls 10. Die Reinigungskartusche 30 mit dem organotonhaltigen Reinigungsmaterial 34 ist in diesem Ausführungsbeispiel an dem zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet. Die Reinigungskartusche 30 kann mit dem zweiten Gehäuseteil 16 dabei unlösbar verbunden sein und so als eine Einheit angesehen werden. Jedoch ist auch denkbar, dass die Reinigungskartusche 30 an dem zweiten Gehäuseteil 16 lösbar angeordnet ist und davon abgenommen und separat ausgetauscht werden kann. Damit kann die Reinigungskartusche 30 mit dem zweiten Gehäuseteil 16 in Form einer Kartusche nach oben aus dem ersten Gehäuseteil 14 entnommen werden, um beispielsweise ausgetauscht und aufbereitet zu werden. Eine neue Reinigungskartusche 30 mit einem zweiten Gehäuseteil 16 kann wieder eingesetzt und mit dem ersten Gehäuseteil 14 mediendicht verbunden, beispielsweise verschraubt oder verklipst werden, um das Reinigungsmodul 10 wieder in einem betriebsbereiten Zustand zu versetzen. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform besteht darin, dass bei Entnahme der Reinigungskartusche 30 mit dem zweiten Gehäuseteil 16 das restliche erste Medium in dem ersten Gehäuseteil 14 verbleibt und die Umgebung so nicht verschmutzt wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann auch das gesamte Reinigungsmodul abnehmbar und damit austauschbar ausgeführt sein.
Fig. 4 zeigt ein Infrarot-Spektrogramm eines erfindungsgemäß als Aktivmaterial eingesetzen Organotons (Kurve I) und eines unmodifizierten Tons (Kurve II).
Hierbei ist die Extinktion über der Wellenzahl aufgetragen. Bei einer Wellenzahl zwischen 2800 bis 3000 cnr1 erkennt man charakteristische Banden 202 für Kohlenwasserstoffverbindungen.
Im Fingerprintbereich erkennt man Banden 203 bei einer Wellenzahl zwischen 1300 bis 1500 cnr1 für Kohlenwasserstoffverbindungen. Diese sind bei einem natürlichen Ton (Kurve II) nicht vorhanden. Die Banden 201 im Bereich bei einer Wellenzahl von 3500 cnr1 charakterisieren eingelagertes Wasser und sind sowohl bei dem Organoton als auch dem natürlich vorkommenden Ton zu finden.
Nachfolgend wird die Bereitstellung des Organotons näher erläutert:
In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt die Bereitstellung eines Tons. Dabei kann es sich bevorzugt um einen natürlich vorkommenden Ton handeln. Besonders bevorzugte Tone sind Tone, welche im Wesentlichen, also zumindest zu 50 Gew.-% aus zumindest einem Smektit und/oder aus zumindest einem Montmorillonit bestehen. Ein solcher Ton ist beispielsweise Bentonit, welches nachfolgend für das kon- krete Ausführungsbeispiel genutzt wird.
Das Bentonit wird in Wasser, vorzugsweise in entionisiertem Wasser dispergiert. Dabei werden 4 Gew.-% Ton in entionisiertem Wasser für zumindest 10 Stunden durch Rühren bei Raumtemperatur dispergiert. In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt der Austausch oder die Homogenisierung von Metallionen welche im bereitgestellten Ton enthalten sind. Dabei kann ein Austausch von Metallionen des Tons durch Natriumionen erfolgen. Bevorzugt kann beispielsweise Na2C03 oder NaCI in einer Konzentration von 100 meq (Milliäquivalente) je 100 g Ton verwendet werden. Nach der Zugabe z. B. von Natriumcarbonat erfolgte ein Rühren der Emulsion für zumindest 10 h bei Raumtemperatur.
In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt die langsame Zugabe eines quartären Ammoniumsalzes in einer wässrigen Lösung. Die Konzentration beträgt 0,2 g der grenzflächenaktiven Substanz zu 1 g Ton unter Rühren für zumindest 10 h bei Raumtemperatur. Die Suspension wird sodann filtriert und mit entionisiertem Wasser gewaschen um einen Überschuss an Ionen auszuwaschen. Sodann wird der Organoton getrocknet in einem Vakuumofen bei 60°C für 24 Stunden.
Die vorbeschriebene Verfahrensabfolge wird auch als Schichtaufweitung bzw. Pillarization bezeichnet. Metallionen befinden sich vorwiegend in den Zwischenschichten eines Tons mit Schichtstruktur. Diese werden zunächst durch Natriumionen und später durch organische Kationen, vorzugsweise durch quartäre Alkylammoniumionen ausgetauscht.
Im Anschluss wurde das Ad- und/oder Absorptionsvermögen des als Organotons modifizierten Bentonits, eines natürlichen Bentonits und eines Bentonits, welches mit Aktivkohle angereichert wurde, verglichen.
Für diesen Test wurden 100 ml einer Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser mit 1000 ppm Dieselkraftstoff in Kontakt gebracht mit jeweils 2 Gramm des jeweiligen Bentonits. Das Ton-Wasser- Dieselkraftstoff-Gemisch wurde über eine Stunde gerührt. Dies erfolgte mit einem Magnetrührer. Sodann wurde die Emulsion filtriert. Die Unterschiede der verbliebenen Wasserlösung konnten optisch wahrgenommen werden. Die Permeat- phase welche zuvor das als Organoton modifizierten Bentonit zugeführt wurde war deutlich klarer als die beiden anderen Permeatphasen. In einem zweiten Test wurde die Reaktionsfähigkeit des zu Organoton umgewandelten Bentonits getestet. Hierzu wurden 50 ml einer Diesel-Wasser-Emulsion mit 1000 ppm Diesel in Kontakt gebracht mit 0,5 Gramm des Organotons, für 10 Minuten gerührt und im Anschluss gefiltert. Als Referenz wurde die gleiche Emulsion lediglich gefiltert. Während das Permeat der reinen Diesel-Wasser Emulsion eine deutliche Trübung nach der Filtration aufwies war das Permeat der mit Organoton versetzten Emulsion im Wesentlichen klar und ohne erkennbare Trübung.
Die Zusammensetzung von Kraftstoffen, insbesondere Dieselkraftstoffen, kann von Region zu Region schwanken. Beispielsweise kann der Biodieselanteil variieren oder der Anteil sowie die Zusammensetzung der Additive. Besonders Biodiesel und Additive beeinflussen die Ausbildung und Art der Dieselin-Wasser Emulsion, welche sich dann nur schwer wieder trennen lässt. Hochadditivierte Dieselkraftstoffe, welche zu sehr stabilen Emulsionen führen, finden sich im Besonderen in der EU und den USA, da hier der Schwefelgehalt im Diesel aufgrund legislativer Vorgaben gering und dadurch die natürliche Schmierfähigkeit des Diesels verringert ist. Um die Schmierfähigkeit des Kraftstoffes wieder herzustellen, werden dem Diesel daher in diesen Ländern Additivpakete zugesetzt. Besonders für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Reinigungskartusche mit Organoton bzw. Organoclay und eines erfindungsgemäßen Kraftstofffilters mit Wasseraustrag ist bei hochadditivierten Dieselkraftstoffen vorteilhaft um das Wasser von Kohlenwasserstoffen zu befreien.
In Wasser gelöste Dieselkraftstoffe und Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsionen haben sehr unterschiedliche Konzentrationen an Dieselkraftstoff.
Typischerweise gehen nur ca. 5 ppm (mg/l) Dieselkraftstoff in Wasser über. Demgegenüber weisen Emulsionen einen ermittelten Anteil von bis zu 2500 ppm an Dieselkraftstoff, insbesondere C10-C40- Kohlenwasserstoffverbindungen, auf.
Die Ermittlung des Anteils von Dieselkraftstoff in Wasser kann in beiden Fällen durch Messung gem. DIN EN ISO 9377-2 H53 erfolgen.
In der Praxis treten meist hochadditivierten Dieselkraftstoffe auf. Diese weisen nahezu immer Dieselkraft- stoff-in-Wasser Emulsionen auf, da die Additive die feinen Dieseltropfen (diese können bis d50 (massenbezogen) 5 μιτι fein sein) stabilisieren und daher keine Trennung der Wasser- und Dieselphase aufgrund des Dichteunterschiedes auftritt. Hochadditivierte Diesel werden in allen Ländern verwendet, in denen ein low-sulfur Diesel Vorschrift ist, also z. B. in der EU (EN 590 Kraftstoff) oder auch den USA. Das bedeutet, dass für diese Märkte ein Reinigungssystem mit Aktivkohle keine zufriedenstellende Filtrationsleistung erbringt, während mit dem Organoton auch die Emulsion gereinigt und somit die Umwelt geschützt werden kann. Fig. 5 zeigt thermogravimetrische Messungen eines natürlichen Tons mit der Messkurve 301 und eines Organoton mit der Messkurve 302 zur Gegenüberstellung beider Materialien in einem Diagramm.
Die Temperaturzunahme bei der gravimetrischen Messung ist anhand der schrägverlaufenden Geraden 303 dargestellt.
Dabei sind drei Phasen beim Erhitzen des modifizierten Tons charakteristisch.
Phase a: Zunächst verdampft Oberflächenwasser (<100°C), dies sieht man sowohl beim natür- liehen als auch beim modifizierten Ton anhand eines Plateaus.
Phase b: Sodann geht die Messkurve 302 des modifizierten Tons, also des Organotons, in einen
Bereich mit negativer Steigung über (ca. 40 min, 300 °C): Es erfolgt ein Degradieren/Verbrennen oder allgemeiner ein „in die Gasphase gehen" der organischen Bestandteile; dieser Kurvenverlauf zeigt nur der modifizierte Ton.
Phase c: Ab ca. 600 °C überlagert sich dies mit einer Herauslösung von chemi-sorbiertem Wasser.
Dies ist gut zu sehen auch im Bereich mit negativer Steigung beim natürlichen Ton (301 ) in diesem Bereich.
Ferner erkennt man an diesem Diagramm, dass der Anteil an organischen Bestandteilen im Organoclay ca. 25 Gew.-% beträgt (y-Achse beginnt bei 65 Gew.-%).
Fig. 6 zeigt Konzentration gelöster Kohlenwasserstoffe in mg/l gem. DIN EN ISO 9377-2 H53 unter Be- triebsbedingungen: Das Diagramm zeigt, dass im Mittel die Konzentration an gelösten Kohlenwasserstoffen unter Verwendung von DIN EN 590 Tankstellendieselkraftstoff und deionisiertem Wasser unter sanfter Durchmischung (keine Emulsionsbildung) unter 3 mg/l liegt.
Das Diagramm veranschaulicht die Unterscheidung zwischen Dieselkraftstoff, welcher in Wasser gelöst ist, und einer Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsion. Wird der Wert von ca. 5 mg/l überschritten ist das Wasser gesättigt, es geht kein Diesel mehr in Lösung und es findet Emulsionsbildung statt. Diese Art der Emulsion ist nicht bzw. nur in einem geringen Maß durch Aktivkohle abscheidbar. Dagegen ist der Organoclay, also der Organoton, auf Grund seiner Oberflächeneigenschaften in der Lage, auch eine Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsion zu reinigen.
Fig. 7 stellt einen Vergleich zwischen einer Reinigung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Mischung mit Aktivkohle und Organoton dar, insbesondere die Reinigungswirkung von verschiedenen Adsorbentien, namentlich von Organoton und Aktivkohle unter feldnahen Bedingungen (Messwerte aufgenommen gemäß DIN EN ISO 9377-2 H53).
Während durch Aktivkohle nur gelösten Diesel oder andere Kohlenwasserstoffe aus Wasser abtrennbar sind, ist der Organoton bzw. Organoclay in der Lage, auch eine Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsion zu reinigen. Aus der Fig. 7 ist erkennbar, dass die Konzentration der Kohlenwasserstoffe im Wasser schwanken kann.
Unter„Vorlage" ist eine Dieselkraftstoff-in-Wasser-Emulsion dargestellt, welche als Initialkonzentration an Kohlenwasserstoffen der Mischung vor dem Kontakt mit einem Ad- und/oder Absorptionsmedium genutzt wird. Unter„Blindwert" ist der Messwert der Versuchsapparatur dargestellt, wenn reines Wasser durch diese gefördert wird.
Weiteren Balken zeigen jeweils einen Dieselkraftstoff in Wasser Mischung nach deren Behandlung mit dem jeweils dargestellten Ad- und/oder Absorptionsmedium unter analogen Bedingungen. Bei Vergleich der Endkonzentration anhand der logarithmischen Skaleneinteilung erkennt man, dass Aktivkohle kaum in der Lage ist, die Emulsion aufzutrennen. Der Organoclay kann die Emulsion um Faktor 20 bis 80 besser reinigen als die Aktivkohle. Dies kann u. a. aufgrund von Oberflächen- und inneren Eigenschaften begründet werden. Der ermittelte Blindwert liegt um Faktor 10 unterhalb der ermittelten Messgrößen und zeigt so die Zuverlässigkeit des Versuchsaufbaus.
Die Emulsion aus Wasser und Diesel ist auf Grund bestimmter Additive sehr stabil, sodass eine Dichtetrennung quasi nicht erfolgt und die Dieseltropfen quasi nicht koaleszieren. Die Tröpfchengrößen in der Emulsion sind sehr klein, typischerweise kleiner als 10 μιτι. Das Nicht-Koaleszieren liegt an den Additiven, während die kleinen Tröpfchendurchmesser durch den Weg des Diesel-Wasser-Gemischs durch den Kraftstofffilter bestimmt werden. Die Entwicklung tendiert zum Einsatz von noch schwefelärmeren, höher additivierteren Kraftstoffen, sodass sich dieses Problem noch verschärfen wird, aufgrund Umweltgesetzgebung auch weltweit.
In Fig. 8a und 8b sind die Korngrößen des natürlichen Tons (Fig. 8a) und des Organotons (Fig. 8b) unter analogen Messbedingungen bzw. im gleichen Darstellungsmaßstab gegenübergestellt. Symptomatisch für natürlichen Ton sind sehr kleine Korngrößen, die zu einem sehr hohen Durchströmungswiderstand bis hin zu einem Verblocken des Reinigungsmaterials führen können. Demgegenüber zeigt der Organoton in Fig. 8b eine kompaktere Form bei erhöhter Korngröße auf. Fig. 9 zeigt eine typische Summenverteilung der Tropfengrößen von Diesel in Wasser nach der Ab- scheidung des Wassers aus Diesel mit niedrigem Schwefelgehalt (ULSD gemäß EN 590) mittels eines insbesondere mehrstufigen Kraftstofffilters.
Moderne Dieselkraftstoffe enthalten zahlreiche Additive, die erst mit der Einführung von niedrigen Schwefelgehalten (ULSD: ultra low sulfur diesel, 10 ppm) in großem Maße erforderlich wurden. Die Additive sorgen unter anderem für eine ausreichende Schmierfähigkeit des Kraftstoffes, da die natürlichen Schmierverbesserer durch den Prozess der Entschwefelung größtenteils entfernt werden. Mit höherem Additivgehalt wird die Wasserabscheidung schwieriger, sodass zunehmend mehrstufige Wasserabscheider eingesetzt werden, um auch über die gesamte Lebensdauer eine funktionierende Wasserab- Scheidung zu realisieren. Dieser Wandel beeinflusst auch die Qualität des abgelassenen Wassers: Ist mit einem niedrig additiviertem Kraftstoff das abgetrennte Wasser noch klar und enthält beispielsweise < 10 mg/l Kohlenwasserstoffe, tritt bei modernen Kraftstofffiltern mit integrierter Wasserabscheidung eine Emulsion anstatt einer klaren Wasserphase auf. Diese Emulsion besteht aus feinsten Dieseltröpfchen, die durch die Additive stabilisiert sind und einen Kohlenwasserstoffgehalt nach EN ISO 9377-2 H53 von 200 mg/l bis zu > 2500 mg/l aufweisen kann.
Der mittlere Tropfendurchmesser liegt hierbei typischerweise unter 10 μιτι. Dies ist ein entscheidender Unterschied zu Anwendungen, in denen Kohlenwasserstoffe als Film oder nur grob gemischt/emulgiert vorliegen. Beispiele hierfür sind die Abtrennung von Öl- oder Kraftstofffilmen auf Wasseroberflächen.
Mittels der Reinigungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Kraftstofffilter können die bei modernen Wasserabscheidern von Kraftstoffiltern bei Verwendung von ULSD auftretenden feinen Dieseltröpfchen aus der Wasserphase zuverlässig abgetrennt werden.
In Fig. 10 ist schließlich eine exemplarische Summenverteilung der Partikelgrößen einer Organoton- Schüttung einer Reinigungsvorrichtung eines erfindungsgemäßen Kraftstofffilters gezeigt. Durch eine derartige Anpassung der Partikelgrößen kann neben der Sicherstellung eines akzeptablen Durchströmungswiderstands verhindert werden, dass die o. g. feinsten Dieseltröpfchen mit einer Strömung durch die Schüttung getragen werden. Ferner ist in diesem Zusammenhang die Kontaktzeit des Mediums mit dem Organoton eine wichtige Größe. Je größer die Oberfläche des Adsorbers desto schneller die Adsorption. Allerdings liegt selbst bei hoch-innenporösen Systemen wie z. B. Aktivkohle nur ein geringer Teil der Oberfläche an der Außenseite der Adsorber-Partikel. Dies bedeutet, dass der Stofftransport des zu entfernenden Mediums von der Oberfläche des Partikels in die innere Oberfläche zeitlich limitierend werden kann.
In automobilen Anwendungen ist sowohl der Bauraum sehr beschränkt als auch die zur Verfügung stehende Kontaktzeit. Anfallendes Wasser muss in wenigen Minuten bis Stunden aus dem Kraftstoffkreislauf abgeführt, gereinigt und abgelassen werden. Der Bauraum in modernen Fahrzeugen ist sehr begrenzt, sodass der Adsorber möglichst kompakt ausgeführt werden muss. Die sinnvolle Baugröße des Adsorberbehälters liegt zwischen 200 ml und 400 ml, Baugrößen > 600 ml sind in üblichen Bauräumen sowohl motorseitig als auch am Fahrzeug kaum unterzubringen.
Dadurch ist es notwendig, eine definierte Partikelgröße der Adsorbens-Partikel (Organoton) einzustellen und die Verweilzeit im System sowie das Volumen des Adsorbers aufeinander abzustimmen. Gemäß der Erfindung ist daher der Adsorber auf die speziellen Bedingungen am Kraftstoffversorgungssystem eines Fahrzeugs und/oder Motors angepasst. Die mittlere Verweilzeit des Wassers im Adsorber beträgt in einer beispielhaften automobilen Anwendung ca. 30 Minuten. Die Verweilzeit kann hierbei beispielsweise über die Steuerung eines Ventils eingestellt werden. Zwischen jedem Ablasszyklus sorgt eine definierte Pausenzeit dafür, dass die notwendige Kontaktzeit zur Reinigung eingehalten wird. Über mehrere Öffnungszyklen kann das zu reinigende Wasser mittels des Drucks des Kraftstoffversorgungssystems durch den Adsorber gefördert werden. Bei mobilen Anwendungen in einem Kraftfahrzeug, aber auch bei stationären Anwendungen des erfindungsgemäßen Kraftstofffilters, in denen dieser an einem Verbrennungsmotor montiert ist, treten ferner Vibrationen auf, die nicht zu einer unzulässigen Veränderung der Partikelgrößenverteilung führen dürfen, insbesondere darf durch die Vibrationseinwirkung sich die Partikelgrößenverteilung nicht zu kleineren Partikelgrößen hin verschieben.
In der Fig. 10 sind daher neben einer Partikelgrößenverteilung des Organoton-Ausgangsmaterials jeweils eine Kurve einer Partikelgrößenverteilung nach einer Vibrationsprüfung sowohl in trockenem als auch in feuchtem, d. h. vollständig mit Wasser benetzten, Zustand gezeigt. Im Ausgangszustand beträgt die der Partikeldurchmesser bei 50 % der volumengewichteten Verteilungssumme 700 μιτι ; es ist zu erkennen, dass dieser Wert auch nach der Vibrationsprüfung quasi konstant ist.
Hierdurch ist gewährleistet, dass die Durchströmbarkeit der Schüttung, also auch die Reinigungsleistung, über die Lebensdauer der Reinigungsvorrichtung zur Verfügung steht.

Claims

Ansprüche
Kraftstofffilter (100) mit einer Abscheidevorrichtung zur Abtrennung eines ersten Mediums aus einem ein erstes und ein zweites Medium umfassenden Medienstroms und einer Reinigungsvorrichtung zur Aufnahme eines Anteils des zweiten Mediums in dem abgeschiedenen ersten Medium, wobei die Reinigungsvorrichtung stromaufwärts einer Ablassöffnung für das zweite Medium aus dem Kraftstofffilter (100) angeordnet ist und ein ab- und/oder adsorbierendes Reinigungsmaterial (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsmaterial (34) einen Organoton als Aktivbestandteil aufweist oder daraus besteht, wobei der Organoton als Schüttung vorliegt, die einen mittleren Partikeldurchmesser von zumindest 50 Gew.-% des Organotons größer als 50 μιτι und kleiner als 1000 μιτι aufweist.
Kraftstofffilter (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium Wasser ist und das zweite Medium ein Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffgemisch, insbesondere Dieselkraftstoff, ist.
Kraftstofffilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine organische Komponente des Organotons zumindest Alkylgruppen, vorzugsweise zumindest Methylgruppen, aufweist.
Kraftstofffilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Organoton ein Schichtsilikat aufweist oder daraus besteht, wobei bevorzugt das Schichtsilikat der Smektit-/Montmorillonit-Gruppe angehört, welches derart chemisch modifiziert wurde, dass zumindest eine Zwischenschicht des Schichtsilikats zumindest ein organisches Kation aufweist.
Kraftstofffilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsmaterial (34) neben dem Organoton als Aktivmaterial zumindest ein weiteres Material aufweist, insbesondere ein inertes Material, insbesondere ein Glas, eine Keramik, Sand, und/oder ein weiteres Aktivmaterial, insbesondere ein Zeolith und/oder Aktivkohle, das bevorzugt gleichmäßig in den Organoton eingebettet ist und/oder mit diesem verbunden ist.
Kraftstofffilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
FT-IR-Spektren des Organotons charakteristische Kohlenwasserstoffbanden (201 , 202, 203) im Bereich 1300 cnr1 bis 1600 cnr1 und/oder 2700 cnr1 bis 3100 cnr1 aufweisen.
Kraftstofffilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstofffilter (100) stromabwärts der Abscheidevorrichtung einen Sammelraum für das abgetrennte erste Medium aufweist, der bevorzugt an einer geodätisch unter der Abscheidevorrichtung liegenden Position angeordnet ist, wobei der Sammelraum einen Auslass hat, der fluidisch mit der Reinigungsvorrichtung verbunden ist.
Kraftstofffilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung innerhalb eines Filtersystemgehäuses (102) angeordnet ist und/oder die Ablassöffnung für das zweite Medium unterhalb des Sammelraums vorliegt.
Kraftstofffilter (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reinigungsvorrichtung außerhalb des Filtersystemgehäuses (102) in einem Reinigungsmodul (10) angeordnet ist, das ein Gehäuse (12) mit einem Einlass (18) und einem Auslass (20, 21 ) aufweist, wobei bevorzugt in dem Gehäuse (12) des Reinigungsmoduls (10) eine austauschbare Reinigungskartusche (30) angeordnet ist, wobei eine Strömungsrichtung (32) des Medienstroms durch die Reinigungskartusche (30) vorzugsweise entgegen der Schwererichtung verläuft.
Kraftstofffilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung eine auswechselbare Reinigungskartusche (30) aufweist, in der der Organoton angeordnet ist.
Reinigungskartusche (30) eines Kraftstofffilters (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reinigungskartusche (30) ein Reinigungsmaterial mit einem Organoton als Aktivbestandteil vorliegt.
Verwendung eines Organotons zur Abtrennung einer mit Kraftstoff verunreinigten Wasserfraktion, welche zumindest teilweise als Kraftstoff-Wasser-Emulsion vorliegt, in einem Kraftstofffilter, vorzugsweise in einem Kraftstofffilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung nach Anspruch 12, wobei der Kraftstofffilter an einem Fahrzeug und/oder an einem Verbrennungsmotor vorliegt.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei zumindest ein Teil des Kraftstoffs in der Kraftstoff-Wasser-Emulsion eine Tropfengröße kleiner als 50 μιτι, bevorzugt kleiner als 10 μιτι, aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung des Kraftstoffgehalts im mit Kraftstoff verunreinigten Wasser mit einer Kraftstoffkonzentration zwischen 200 bis 2500 ppm um zumindest 98% erfolgt. Verfahren zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen aus Wasser, das an einem Kraftstofffilter eines Fahrzeugs, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, oder an einem Verbrennungsmotor anfällt mittels eines Reinigungsmaterials (34), das einen Organoton als Aktivbestandteil aufweist, wobei die mittlere Verweilzeit des zu reinigenden Medienstroms in dem Reinigungsmaterial (34) 15 bis 40 Minuten, bevorzugt 25 bis 35 Minuten, beträgt.
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