ES2318643T3 - Carbon activo con actividad catalitica. - Google Patents
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Abstract
Proceso para la producción de carbón activo con actividad catalítica por carbonización y activación posterior de polímeros orgánicos que contienen carbono, caracterizado porque polímeros orgánicos que contienen carbono, en los cuales se ha incorporado durante la polimerización para su producción al menos un metal, preferiblemente en forma de un átomo metálico y/o ion metálico, se someten a una carbonización y activación posterior, de tal manera que resulta un carbón activo cargado con el metal, particularmente átomo metálico y/o ion metálico, donde el metal, particularmente átomo metálico y/o ion metálico, se añade a la mezcla de polimerización y la polimerización se realiza en presencia del metal, particularmente átomo metálico y/o ion metálico.
Description
Carbón activo con actividad catalítica.
La presente invención se refiere a un proceso
para la producción de un carbón activo con actividad catalítica,
particularmente en forma esférica ("carbón esférico"), así como
al carbón activo producido de este modo y su utilización para los
campos de aplicación más diversos, particularmente para filtros o
para materiales de protección, como por ejemplo trajes protectores
y otras prendas de vestir de protección (v.g. calzado de
protección, guantes de protección, calcetines de protección, ropa
interior de protección, prendas de cabeza de protección, etc).
El carbón activo es, debido a sus propiedades
adsorbentes realmente inespecíficas el adsorbente utilizado con
mayor frecuencia. Disposiciones legales, pero también la conciencia
creciente de la responsabilidad frente al medio ambiente conducen a
una necesidad creciente de carbón activo.
El carbón activo se produce generalmente por
carbonización (designada también sinónimamente como pirólisis o
coquización a baja temperatura) y activación posterior de materias
primas apropiadas que contienen carbono, donde se prefieren
materias primas tales que conducen a rendimientos económicamente
razonables. De hecho las pérdidas de peso por disociación de
componentes volátiles durante la carbonización y por la pérdida por
combustión controlada durante la activación son considerables.
Para detalles adicionales acerca de la
producción de carbón activo puede remitirse por ejemplo a H. v.
Kienle y E. Bäder, "Aktivkohle und ihre industrielle
Anwendung", Enke Verlag Stuttgart, 1980.
El estado del carbón activo obtenido - de poros
finos o gruesos, sólido o quebradizo, en forma granular o de
bolitas - depende de la materia prima. Materias primas
convencionales son cáscaras de coco, residuos de madera, turba,
hulla, breas, pero también materias plásticas particulares, que
juegan cierto papel entre otros en la producción de tejidos de
carbón activo. Adicionalmente, se utilizan también como materias
primas polímeros orgánicos.
Los carbones activos se utilizan en diferentes
formas: carbón pulverizado, finos de carbón, carbón en grano,
carbón moldeado y desde finales de los años 1970 también carbón
activo de forma esférica ("carbón esférico"). El carbón activo
esférico presenta una serie de ventajas frente a otras formas de
carbón activo, que lo hacen valioso o incluso imprescindible para
determinadas aplicaciones: el mismo es capaz de fluir, sumamente
resistente a la abrasión, está exento de polvo fino y es muy
duro.
El carbón esférico puede producirse por diversos
procesos:
Un proceso para la producción de carbón esférico
consiste en la producción de bolitas a partir de brea de alquitrán
de hulla y residuos asfálticos de la petroquímica apropiados, que se
oxidan, a fin de hacerlos infusibles, se coquizan a continuación y
posteriormente se activan. Como alternativa, el carbón esférico
puede producirse también en un proceso de varias etapas a partir de
betún. Estos procesos de varias etapas son muy intensivos en
costes, y el alto precio del carbón esférico ligado a ello impide
muchas aplicaciones, para las cuales el carbón esférico debería ser
preferido debido a sus propiedades.
Debido a ello se ha tratado de producir carbón
esférico de alto valor por otros medios: así, se conoce por la
técnica anterior, la producción de carbón activo en forma de bolitas
de carbón activo por carbonización y activación posterior de
cambiadores de iones nuevos o usados basados en resinas
estireno/divinilbenceno, que contienen grupos ácido sulfónico, o
por carbonización de precursores de cambiadores de iones en
presencia de ácido sulfúrico y activación posterior, donde los
grupos ácido sulfónico o el ácido sulfúrico desempeñan la función
de un reticulador. Procesos de este tipo se describen por ejemplo en
los documentos DE 43 28 219 A1 y en el documento DE 43 04 026 A1,
así como en DE 196 00 237 A1 con inclusión de la solicitud alemana
adicional DE 196 25 069. Adicionalmente, puede mencionarse en este
contexto el documento WO 01/83368 A1.
Adicionalmente, se conoce también por el
documento WO 98/07655 A1 un proceso para la producción de bolitas
de carbón activo, en el cual primeramente una mezcla que comprende
un residuo de destilación procedente de la producción de
diisocianato, un adyuvante de transformación que contiene carbono y
opcionalmente uno o más aditivos adicionales, se transforma para
producir bolitas capaces de fluir y a continuación las bolitas
obtenidas de este modo se coquizan y se activan posteriormente.
El carbón activo en forma esférica producido de
la manera mencionada puede utilizarse por ejemplo en trajes
protectores, particularmente los denominados trajes protectores ABC
para el empleo en protección militar o civil. Así, el carbón activo
puede aplicarse particularmente en trajes protectores permeables al
aire, con efecto adsorbente. Los trajes protectores de este tipo
poseen de hecho un efecto protector satisfactorio en lo que
respecta a venenos químicos, como gases de guerra (p.ej. gas mostaza
o Lost), pero tienen a menudo sólo un efecto protector insuficiente
en lo que respecta a materias tóxicas biológicas.
Por esta razón, los sistemas de filtración con
actividad adsorbente y permeables de este tipo basados en carbón
activo se aprestan a menudo con un componente catalíticamente
activo, donde el carbón activo está implementado, particularmente
impregnado, con un catalizador de acción biocida o biostática,
basado particularmente en metales o compuestos metálicos.
Un material protector de esta clase se describe
por ejemplo en el documento DE 195 19 869 A1, que contiene un
material filtrante textil multicapa y permeable a los gases con una
capa adsorbente basada en carbón activo, particularmente en forma
de fibras carbonizadas, que está impregnado con un catalizador del
grupo de cobre, cadmio, platino, paladio, mercurio y cinc en
cantidades de 0,05 a 12% en peso, referidas al material de carbón
activo. La impregnación posterior del carbón activo es sin embargo
un proceso complejo, dado que el carbón activo producido ya acabado
tiene que ponerse en contacto con un reactivo de impregnación
apropiado, por regla general una solución o dispersión del metal
impregnador o del compuesto del metal impregnador, y posteriormente
debe secarse una vez más. Por consiguiente, la eficiencia del carbón
activo empleado se ve afectada desfavorablemente por el proceso de
impregnación. Adicionalmente, el proceso de impregnación requiere
cantidades relativamente grandes de metal impregnador. Finalmente,
debe considerarse como una desventaja adicional de la impregnación
posterior el hecho de que ésta no tiene lugar homogéneamente en todo
el carbón activo, en particular no homogéneamente en la totalidad
de los poros (macro-, meso-, y microporos). En conclusión, la
impregnación posterior afecta también a la capacidad de adsorción,
dado que los poros del carbón activo se obstruyen o se bloquean
parcialmente con el reactivo de impregnación y por consiguiente ya
no están disponibles para el proceso de adsorción.
Es por tanto el objeto de la presente invención,
proporcionar un proceso para la producción de carbón activo con
actividad catalítica, que evita al menos en gran parte los
inconvenientes descritos de la técnica anterior o al menos los
atenúa.
Es un objeto particular de la presente invención
la puesta a disposición de un proceso para la producción de un
carbón activo, que está implementado con un metal impregnador o
impurificador.
El problema anteriormente descrito se resuelve
en el contexto de la presente invención por un proceso según la
reivindicación 1. Otras realizaciones ventajosas del proceso
correspondiente a la invención son objeto de las reivindicaciones
subordinadas referidas a ésta.
Otro objeto de la presente invención es el
carbón activo producido de este modo, como se describe en las
reivindicaciones 8 y 9.
Una vez más, un objeto adicional de la presente
invención es la utilización del carbón activo producido de acuerdo
con la invención según la reivindicación 10.
Por último, son otro objeto de la presente
invención los productos fabricados con utilización del carbón activo
que se obtiene de acuerdo con la invención, particularmente
materiales adsorbentes, según la reivindicación 11.
Objeto de la presente invención - según un
primer aspecto - es por tanto un proceso para la producción de
carbón activo con actividad catalítica o bien con apresto metálico
por carbonización y activación posterior de polímeros orgánicos que
contienen carbono, donde los polímeros orgánicos que contienen
carbono, en los cuales se ha incorporado durante la polimerización
en su producción al menos un metal, preferiblemente en forma de un
átomo metálico y/o ion metálico, se someten a una carbonización y
activación posterior, de tal manera que resulta un carbón activo
cargado con el metal, particularmente átomo metálico y/o ion
metálico.
Dicho de otro modo, la presente invención se
refiere a un proceso para la producción de carbón activo, que está
aprestado con un metal, preferiblemente en forma de un átomo
metálico y/o ion metálico, en el cual se producen primeramente por
medio de polimerización polímeros orgánicos que contienen carbono,
en los cuales se ha incorporado al menos un metal, preferiblemente
en forma de un átomo metálico y/o ion metálico, y en un paso
posterior los polímeros orgánicos que contienen carbono cargados con
metal producidos de este modo se someten a una carbonización y
activación posterior.
Debido al hecho de que ya las materias primas,
es decir los polímeros orgánicos que contienen carbono, durante su
producción se han aprestado con el metal deseado, se suprime una
impregnación compleja después de la producción del carbón activo.
Por la implementación ya de las materias primas polímeras con el
metal, puede conseguirse adicionalmente una carga más homogénea,
que es homogénea para todas las clases de poros (macro-, meso- y
microporos) del carbón activo, por lo que aumenta la actividad
catalítica.
Sorprendentemente, la solicitante ha encontrado
que la actividad frente a venenos biológicos y químicos - en
comparación con un carbón activo impregnado convencionalmente - es
elevada, dado que en el caso del carbón activo producido de acuerdo
con la invención se precisan menores cantidades de metal para la
misma actividad.
Adicionalmente, es sorprendente que los metales,
particularmente átomos metálicos y/o iones metálicos, en los
polímeros orgánicos de partida no afectan negativamente a la
carbonización y activación posteriores. Por el contrario, la
solicitante ha encontrado, sorprendentemente, que - de manera
totalmente inesperada - la presencia de los metales en los
compuestos de partida acelera el proceso posterior, en particular la
activación: la activación se completa en un periodo de tiempo más
breve en comparación con un carbón no cargado con metal. Esto no
era de esperar en modo alguno.
Con la incorporación de los metales durante la
polimerización, van asociadas ya por consiguiente múltiples
ventajas en los polímeros orgánicos de partida que contienen carbono
durante su producción, que se reflejan no sólo desde el punto de
vista de la técnica de aplicación, sino también en los productos,
como se ha ilustrado anteriormente (v.g. carga más homogénea y más
uniforme, así como actividad catalítica incrementada).
Polímeros orgánicos de partida que contienen
carbono apropiados de acuerdo con la invención pueden seleccionarse
del grupo de polímeros de poliestireno, particularmente copolímeros
poliestireno/acrilato y copolímeros poliestireno/divinilbenceno,
preferiblemente poliestirenos reticulados con divinilbenceno;
copolímeros formaldehído/resina fenólica, particularmente resinas
fenólicas reticuladas con formaldehído; celulosa, particularmente
celulosa perlada; así como mezclas de los compuestos mencionados
anteriormente.
Como polímeros orgánicos de partida que
contienen carbono son particularmente apropiados polímeros de
poliestireno, particularmente copolímeros
poliestireno-divinilbenceno, preferiblemente
poliestirenos reticulados con divinilbenceno. Los polímeros
empleados preferiblemente de acuerdo con la invención exhiben un
contenido de divinilbenceno de 1 a 20% en peso, preferiblemente 4 a
18% en peso, referido a los polímeros. Mientras que en el caso de
los poliestirenos reticulados con divinilbenceno de tipo gel se
prefiere como polímero de partida un contenido de divinilbenceno
relativamente pequeño de 2 a 6% en peso, particularmente 3 a 5% en
peso, por el contrario, en el caso de los poliestirenos
macroporosos reticulados con divinilbenceno como polímeros de
partida se prefiere un contenido de divinilbenceno relativamente
alto, de 15 a 20% en peso, particularmente 17 a 19% en peso.
De acuerdo con la invención, se prefiere que los
polímeros empleados se encuentren en forma granular, particularmente
en forma de bola. De este modo puede producirse carbón activo en
forma granular, particularmente en forma esférica. Preferiblemente,
los polímeros de partida empleados tienen diámetros medios
comprendidos en el intervalo de 0,01 a 2,0 mm, particularmente 0,05
a 1,5 mm, preferiblemente 0,1 a 1,0 mm - lo que conduce
luego a las partículas de carbón activo dimensionadas
convenientemente.
La producción de los polímeros de partida o la
polimerización se realiza de manera conocida en sí misma por los
expertos. A este fin, los monómeros de partida se polimerizan en
presencia de los metales, particularmente de los átomos metálicos
y/o iones metálicos, preferiblemente iones metálicos. El o los
átomos metálicos y/o iones metálicos se añaden para ello a la
mezcla de polimerización, preferiblemente en forma de un compuesto
metálico soluble o al menos dispersable en la mezcla de
polimerización; a continuación, la mezcla de partida a polimerizar
se pone en presencia del o de los metales para la polimerización.
Esto puede realizarse por ejemplo por polimerización en dispersión
o en emulsión, particularmente polimerización radical. De este modo,
por ejemplo, puede polimerizarse radicalmente en la producción de
poliestirenos reticulados con divinilbenceno una mezcla de partida
de poliestireno y divinilbenceno (p.ej. 1 a 10% en peso de
proporción de divinilbenceno con relación a la mezcla) y compuesto
metálico (p.ej. behenato o -(met)acrilato de cobre y/o
plata) en presencia de un iniciador de radicales y opcionalmente un
formador de poros de una manera conocida en sí misma, de con lo que
resultan los polímeros orgánicos de partida deseados cargados con
metal. De acuerdo con la invención, se prefieren como compuestos
metálicos, en presencia de los cuales se realiza la polimerización,
compuestos orgánicos de los metales correspondientes,
particularmente las sales metálicas de ácidos orgánicos (p.ej.
behenato, acrilato, metacrilato, etc.), dado que éstas pueden
incorporarse durante la polimerización de modo particularmente
homogéneo. Para detalles adicionales acerca de la producción de los
polímeros orgánicos de partida como tales puede remitirse por
ejemplo a los documentos
US-A-4040290 y
US-A-4382124, el contenido total de
cuya publicación se considera incluido en esta memoria por
referencia.
El metal, particularmente átomo metálico y/o ion
metálico, puede emplearse en cantidades variables. Particularmente
se emplea en tales cantidades que el polímero resultante contiene el
o los metales, particularmente átomos y/o iones metálicos, en
cantidades de 0,001 a 10% en peso, particularmente 0,005 a 5% en
peso, preferiblemente 0,01 a 3% en peso, referidas al polímero.
Como se ha descrito anteriormente, el polímero
orgánico que contiene carbono producido de este modo, que debe
someterse a continuación a carbonización y activación posterior
contiene al menos un metal, preferiblemente en forma de un átomo
metálico y/o ion metálico. Con la expresión "al menos un metal"
debe entenderse que el polímero orgánico que contiene carbono
contiene al menos una especie o al menos una clase de metal,
particularmente átomo metálico y/o ion metálico. De igual modo es
posible incorporar durante la polimerización metales diferentes
unos de otros, particularmente átomos metálicos y/o iones metálicos
(p.ej. mezclas de iones de cobre y de plata, etc.).
Por lo que concierne al metal, éste se
selecciona particularmente del grupo de cobre, plata, cadmio,
platino, paladio, rodio, cinc, mercurio, titanio, circonio y/o
aluminio y/o mezclas de los mismos, así como los iones y/o sales.
Se prefieren cobre y/o plata así como sus iones y/o sales.
Los polímeros orgánicos que contienen carbono
cargados con metal producidos de este modo se someten a continuación
a una carbonización y activación posterior. La carbonización y
activación se realizan de manera conocida en sí misma. A este
respecto, puede remitirse a las publicaciones mencionadas al
principio DE 43 28 219 A1, DE 43 04 026 A1, DE 196 00 237 A1, DE
196 25 069 A1 y WO 01/83368 A1, el contenido total de cuya
publicación se considera incluido a este respecto aquí por
referencia.
A fin de obtener altos rendimientos en la
producción del carbón activo, se emplean ventajosamente polímeros
de partida tales que contienen grupos químicos que, durante su
descomposición química, particularmente en condiciones de
carbonización, conducen a radicales libres y por consiguiente a
reticulaciones, particularmente grupos ácido sulfónico y/o
isocianato, preferiblemente grupos ácido sulfónico. Tales grupos
químicos, particularmente los grupos ácido sulfónico, pueden estar
presentes ya en los polímeros de partida empleados, con tal que se
emplean para la polimerización monómeros sulfonados de partida, o
que los polímeros de partida producidos se sulfonen después de su
polimerización. No obstante, de acuerdo con la invención se prefiere
que estos grupos químicos, particularmente los grupos ácido
sulfónico, se introduzcan primeramente antes y/o durante la
carbonización. Estos se realiza por adición de un reactivo de
sulfonación, preferiblemente SO_{3}, a los polímeros de
partida (p.ej. por impregnación, inmersión o humectación).
Preferiblemente se emplea el SO_{3} en forma de ácido sulfúrico
particularmente concentrado y/u óleum, de modo particularmente
preferible en forma de una mezcla de ácido sulfónico concentrado y
óleum. Esto es conocido como tal por los expertos. A modo de
ejemplo, puede remitirse en este contexto a los documentos
mencionados anteriormente WO 01/83368 A1, DE 196 25 069 A1 y DE 196
00 237 A1, el contenido total de cuya publicación se considera
incluido aquí a este respecto.
Como se ha mencionado anteriormente, la
carbonización y activación se realizan de manera conocida en sí
misma. Durante la carbonización, tiene lugar la transformación de
la materia prima polímera que contiene carbono esencialmente en
carbono, es decir que, dicho de otro modo, el materia prima polímero
se carboniza. Durante la carbonización de las bolitas orgánicas del
polímero descritas anteriormente, basadas particularmente en
estireno y divinilbenceno, los grupos químicos funcionales, que en
su descomposición térmica conducen a radicales libres y por tanto a
reticulaciones, contienen particularmente grupos ácido sulfónico, se
descomponen - con disociación de componentes volátiles,
particularmente de SO_{2} - y se forman radicales libres, que
provocan una fuerte reticulación - sin la cual no se aportaría ya,
por supuesto, residuo de pirólisis alguno. Por regla general, la
carbonización se realiza en atmósfera al menos predominantemente
inerte (p.ej. nitrógeno) o en todo caso ligeramente oxidante. Por
regla general la carbonización se realiza a temperaturas de 200 a
900ºC, preferiblemente 250 a 850ºC. Como se ha descrito
anteriormente, la carbonización tiene lugar en atmósfera
predominantemente inerte o en todo caso ligeramente oxidante; para
ello puede ser ventajoso añadir a la atmósfera predominantemente
inerte durante la carbonización particularmente a temperaturas más
altas (p.ej. en el campo de aproximadamente 500 a aproximadamente
600ºC) una pequeña cantidad de oxígeno, particularmente en forma de
aire (p.ej. 1 a 5%), a fin de provocar una oxidación del esqueleto
del polímero carbonizado. De este modo se facilita la activación
posterior.
La carbonización va seguida por la activación.
Esta se realiza de igual modo en condiciones conocidas en sí
mismas. El principio básico de la activación radica en que una parte
del carbono generado por la carbonización se degrada selectivamente
en condiciones apropiadas. Con ello se forman numerosos poros,
fisuras y grietas, y la superficie referida a la unidad de masa
aumenta considerablemente. Durante la activación tiene lugar por
tanto una pérdida controlada por combustión del carbón producido
previamente en la carbonización. Dado que en la carbonización se
degrada carbono, durante este procedimiento tiene lugar una pérdida
parcial de sustancia considerable, que en condiciones óptimas es
equivalente a un aumento de la porosidad y aumento de la superficie
interna y del volumen de poros. La activación tiene lugar por tanto
en condiciones oxidantes de modo selectivo o controlado. Gases de
activación habituales son por regla general oxígeno, particularmente
en forma de aire, vapor de agua y/o dióxido de carbono, así como
mezclas de estos gases activadores. Dado que en el caso del oxígeno
existe el riesgo de que el efecto no se realice sólo de modo
selectivo, sino en la superficie total - con lo cual el carbón se
quema más o menos intensamente -, se da preferencia a vapor de agua
y dióxido de carbono. Es preferible muy particularmente el vapor de
agua, opcionalmente en mezcla con un gas inerte (p.ej. nitrógeno).
A fin de conseguir una velocidad de reacción técnicamente aceptable,
la activación se realiza por regla general a temperaturas de
aproximadamente 800 a 1200ºC, en particular 850 a 950ºC.
La conducción de la reacción durante la
carbonización y activación es conocida como tal por los expertos,
por lo que no se considera necesario proporcionar aquí detalles
adicionales.
La carbonización y/o activación pueden
realizarse en un tubo rotativo o bien en un lecho fluidizado,
particularmente un lecho turbulento. Esto es conocido de igual
manera por los expertos.
Otro objeto de la presente invención es el
carbón activo que se obtiene según el proceso correspondiente a la
invención, particularmente en forma granular, preferiblemente en
forma de bolitas. El carbón activo producido de acuerdo con la
invención se caracteriza por una carga homogénea y uniforme con el
metal de impregnación o metal de impurificación deseado, y ello
homogéneamente en todas las clases de poros (macro-, meso- y
microporos). Particularmente, se incrementa la actividad
catalítica, en particular el efecto frente a las sustancias tóxicas
químicas y biológicas, en comparación con un carbón activo
impregnado convencionalmente.
De acuerdo con la invención, se prefiere un
carbón activo obtenido según el proceso correspondiente a la
invención, que tiene una gran superficie interna (BET),
particularmente de al menos 500 g/m^{2}, preferiblemente al menos
750 g/m^{2}, de modo particularmente preferible al menos 1000
g/m^{2}, y de modo muy particularmente preferible al menos 1200
g/m^{2}. Ventajosamente, la superficie específica (superficie BET)
del carbón activo producido de acuerdo con la invención está
comprendida en el intervalo de 500 a 2500 g/m^{2}, particularmente
750 a 2250 g/m^{2}, preferiblemente 900 a 2000 g/m^{2}, y de
modo particularmente preferible 1000 a 1750 g/m^{2}.
En el caso de la utilización de polímeros
orgánicos de partida en forma granular, especialmente en forma
esférica, se obtiene un carbón activo con una presión de estallido
alta. Ésta alcanza al menos 2 Newton, en particular al menos 5
Newton, por partícula de carbón activo, particularmente grano de
carbón activo o bolitas de carbón activo, y está comprendida
ventajosamente en el intervalo de 2 Newton a 20 Newton,
preferiblemente 5 Newton a 20 Newton.
El carbón activo producido de acuerdo con la
invención puede utilizarse en un gran número de aplicaciones, por
ejemplo para la producción de materiales adsorbentes, como filtros
(planos) adsorbentes, mallas filtrantes, filtros de olores, filtros
planos para prendas de vestir de protección o trajes protectores,
particularmente para el campo civil y/o militar, filtros para la
purificación del aire ambiente, filtros para máscaras de gas y
estructuras de soporte con capacidad adsorbente.
Particularmente, el carbón activo producido de
acuerdo con la invención puede emplearse para la producción de
materiales de protección de todo tipo, particularmente de trajes
protectores u otras prendas de vestir de protección (p.ej. guantes,
prendas de cabeza, calzado, calcetines, ropa interior, etc.) frente
a venenos biológicos y/o químicos, como gases de guerra, o bien
para filtros, particularmente filtros para eliminación de
sustancias nocivas, venenos y/o sustancias olorosas de corrientes de
aire o gas.
Generalmente, son un objeto adicional de la
presente invención materiales adsorbentes, particularmente filtros
de todo tipo, como filtros planos de adsorción, filtros de olores,
filtros planos para vestidos de protección, particularmente para el
campo civil o militar, como trajes protectores o prendas de vestir
de protección frente a venenos biológicos y/o químicos, filtros
para la purificación del aire ambiente, filtros para máscaras de
gas, filtros para eliminación de sustancias nocivas, venenos y/o
sustancias olorosas de corrientes de aire o gas, mallas de
filtración y estructuras de soporte con poder adsorbente, que
contienen un carbón activo producido de acuerdo con la
invención.
Otras realizaciones, modificaciones y
variaciones de la presente invención pueden ser ideadas y
realizables sin más por un experto después de la lectura de la
descripción, sin que el mismo se salga del marco de la presente
invención.
La presente invención se ilustra con ayuda de
los ejemplos de realización siguientes, que no deben limitar en
modo alguno la presente invención.
- a)
- De acuerdo con la invención, para la carbonización y activación posterior de un materia prima polímero utilizable, se opera de acuerdo con el documento de patente US 4.382.142 por polimerización de estireno y divinilbenceno en presencia de peróxido de benzoílo, un formador de poros y behenato de plata en dispersión acuosa. Se obtiene un polímero de partida poroso impurificado con iones plata basado en estireno reticulado con divinilbenceno en forma de partículas de forma esférica con diámetros de 0,1 a 1,5 mm (fracción total) con un contenido de iones plata de aprox. 1%, referido a los polímeros.
- Como material de comparación se polimeriza de igual manera una mezcla sin behenato de plata. Resultan los polímeros respectivos sin la incorporación de iones plata durante la polimerización.
- b)
- Los polímeros de estireno reticulados con divinilbenceno producidos de este modo se someten a continuación a una carbonización y activación posterior. Para ello se trata 1 kg de las bolitas de polímero cargadas con plata producidas anteriormente (invención) o 1 kg de las bolitas de polímero no cargadas con iones plata producidas anteriormente (comparación) con una mezcla en cada caso de 1 kg de óleum (25%) y ½ kg de ácido sulfúrico concentrado (96%) y se someten en un horno rotativo tubular estable a los ácidos de la firma Plec (Colonia) a un tratamiento térmico en atmósfera de nitrógeno para la carbonización, y de hecho al tratamiento térmico de acuerdo con lo siguiente:
- -
- calentamiento a 200ºC con 2ºC/minuto y 20 minutos de tiempo de residencia
- -
- calentamiento a 300ºC con 3ºC/minuto y 10 minutos de tiempo de residencia
- -
- calentamiento a 400ºC con 5ºC/minuto y 10 minutos de tiempo de residencia
- -
- calentamiento a 800ºC con 3ºC/minuto y 20 minutos de tiempo de residencia
- -
- calentamiento a 900ºC con 3ºC/minuto y 10 minutos de tiempo de residencia.
De ello resultan en cada caso un material
carbonizado, en el cual la pérdida de peso, referida a la sustancia
seca, es respectivamente aprox. 10% (tanto en el caso de la
invención como en el ensayo de comparación).
- c)
- El material carbonizado de este modo se gasifica luego en todos los casos en el mismo horno rotativo tubular a 800 hasta 900ºC con una mezcla de 75% de nitrógeno y 25% de vapor de agua a fines de activación y una vez terminada la activación se enfría en el horno. Mientras que en el caso de las materias primas carbonizadas cargadas con iones plata empleadas de acuerdo con la invención la duración de activación se acorta hasta un total de sólo 1 hora y ½, la misma, en el caso de la materia prima de comparación carbonizada, que no contiene iones plata, tiene una duración superior a 3 horas y ½. Esto constituye una ventaja adicional de la carga con iones plata de la materia prima en lo que respecta a la realización de la producción de carbón activo, particularmente la activación.
En el caso de los materias primas
correspondientes a la invención resultan aprox. 510 g de carbón
activo que está cargado con iones plata, que con aprox. 1,0% (por
ciento en peso) de iones plata, calculado como plata y referido al
carbón activo (diámetro medio: aprox. 0,6 mm, BET: aprox. 1450
g/m^{2}, presión de estallido: > 5 Newton/bolita).
En el caso del material de comparación resultan
aprox. 440 g de carbón activo, que se someten a continuación además
a una impregnación con solución de nitrato de plata y secado
posterior, de tal modo que en el caso del carbón activo de
comparación resulta un carbón activo cargado con aprox. 2% (por
ciento en peso) de iones plata, calculado como plata y referido al
carbón activo (diámetro medio: aprox. 0,6 mm, BET: aprox. 1300
g/m^{2}, presión de estallido: > 5 Newton/bolita), es decir
que el contenido de iones plata es aproximadamente el doble que en
el caso del carbón activo producido de acuerdo con la invención.
Ejemplo de
aplicación
Se produce un material de filtración adsorbente
con el carbón activo producido de acuerdo con la invención: a este
fin, se trata una capa de soporte con un peso por unidad de
superficie de 25 g/m^{2} (0,3 mm de espesor) y una permeabilidad
al aire para una resistencia al flujo para 127 Pascal de 4250
l\cdotm^{-2}\cdots^{-2} con las bolitas de carbón activo
producidas de acuerdo con la invención que tienen una cantidad de
recubrimiento de 180 g/m^{2} por unión adhesiva, y la capa de
adsorción por la cara alejada de la capa de soporte se provee de
una segunda capa de soporte. De ello resulta un material de
filtración adsorbente con un peso total por unidad de superficie de
355 g/m^{2} y un espesor total (sección transversal) de 0,9 mm y
con una permeabilidad al aire y una resistencia al flujo para 127
Pascal de 680 l\cdotm^{-2}\cdots^{-2}.
Como material de comparación sirve un material
de filtración adsorbente construido idénticamente con la diferencia
de que la capa de adsorción está formada por el carbón activo de
comparación impregnado posteriormente, cuyo contenido de iones
plata es el doble que en el caso del carbón activo producido de
acuerdo con la invención.
En el caso del material filtrante de adsorción
producido con el carbón activo correspondiente a la invención por
una parte y el material filtrante de adsorción comparativo con el
carbón activo impregnado posteriormente por otra parte se
determinan los efectos de barrera respectivos frente al gas mostaza
y soman de acuerdo con el método 2.2 del documento
CRDEC-ST-84010 en el contexto del
denominado test de corriente convectiva (convection flow
test). A este fin puede operarse, para una resistencia constante
al flujo con una velocidad de flujo de aprox. 0,45 cm/s de una
corriente de aire que contiene gas mostaza o soman actuar sobre el
material del filtro de adsorción y se determina la cantidad de
penetración referida a la superficie al cabo de 16 horas (80% de
humedad relativa del aire, 32ºC, 10\cdot1 \mul HD/12,56 cm^{2}
o 12\cdot1 \mul GD/12,56 cm^{2}).
En el caso del material filtrante de adsorción
que contiene el carbón activo producido de acuerdo con la invención
se determina una penetración en lo que respecta al gas mostaza de
solamente 1,55 \mug/cm^{2} o 1,98 \mug/cm^{2}, y en lo que
respecta a soman de sólo 1,85 \mug/cm^{2} o 1,66
\mug/cm^{2}, mientras que en el caso del material filtrante de
adsorción comparativo que contiene el carbón activo impregnado
posteriormente, los valores de la determinación son claramente
mayores y tanto en el caso de gas mostaza como en el caso de soman
son superiores a 5 \mug/cm^{2} y por consiguiente no son
aceptables.
En las investigaciones del material filtrante de
adsorción con el carbón activo producido de acuerdo con la
invención en lo que respecta a las eficacias protectoras frente a
microorganismos se obtienen de igual manera resultados excelentes:
en los ensayos para la comprobación de las propiedades biostáticas
según ASTM E2149-01 con Klebsiella
pneumoniae o Staphylococcus aureus (en todos los casos
1,5-3,0\cdot10,5 CFU (unidades formadoras de
colonias)/ml) la reducción porcentual en lo que se refiere a estos
agentes patógenos al cabo de 24 horas en el caso del material
filtrante de adsorción que contiene el carbón activo producido de
acuerdo con la invención es en ambos casos superior a 99%, mientras
que en el caso del material de comparación que contiene el carbón
activo impregnado posteriormente estos valores son sólo 70% o 75%.
Esto indica que también la función de protección biológica debida a
la presencia del carbón activo producido de acuerdo con la invención
es mejor.
Los tests que anteceden documentan la eficiencia
mejorada del carbón activo producido de acuerdo con la invención
que contiene el componente catalíticamente activo frente a un carbón
activo de comparación impregnado posteriormente. Se obtienen
resultados comparables con carbones activos producidos de acuerdo
con la invención, en los cuales en lugar de un compuesto de plata
se ha empleado un compuesto de cobre (metacrilato de cobre) o una
mezcla de compuestos de cobre y plata (behenato de plata y
metacrilato de cobre).
Claims (11)
1. Proceso para la producción de carbón activo
con actividad catalítica por carbonización y activación posterior
de polímeros orgánicos que contienen carbono,
caracterizado porque
polímeros orgánicos que contienen carbono, en
los cuales se ha incorporado durante la polimerización para su
producción al menos un metal, preferiblemente en forma de un átomo
metálico y/o ion metálico, se someten a una carbonización y
activación posterior, de tal manera que resulta un carbón activo
cargado con el metal, particularmente átomo metálico y/o ion
metálico, donde el metal, particularmente átomo metálico y/o ion
metálico, se añade a la mezcla de polimerización y la
polimerización se realiza en presencia del metal, particularmente
átomo metálico y/o ion metálico.
2. Proceso según la reivindicación 1,
caracterizado porque los polímeros empleados se encuentran en
forma granular, particularmente forma esférica, preferiblemente con
diámetros medios de partícula comprendidos en el intervalo de 0,01
a 2,0 mm, particularmente 0,05 a 1,5 mm, y preferiblemente 0,1 a 1,0
mm.
3. Proceso según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque los polímeros se seleccionan del grupo
de polímeros de poliestireno, particularmente copolímeros
poliestireno/acrilato y copolímeros
poliestireno/divinil-benceno, preferiblemente
poliestirenos reticulados con divinilbenceno; copolímeros de resina
formaldehído/fenol, particularmente resinas fenólicas reticuladas
con formaldehído; celulosa, particularmente celulosa perlada; y
mezclas de los mismos, y/o porque como polímeros se emplean
polímeros de poliestireno, particularmente copolímeros
poliestireno/divinilbenceno, preferiblemente poliestirenos
reticulados con divinilbenceno, particularmente con un contenido de
divinilbenceno de 1 a 20% en peso, preferiblemente 4 a 18% en peso,
referido a los polímeros.
4. Proceso según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el o los
metales, particularmente el o los átomos metálicos y/o iones
metálicos, preferiblemente el o los iones metálicos, se añaden a la
mezcla de polimerización en forma de un compuesto metálico soluble
o al menos dispersable en la mezcla de polimerización,
preferiblemente un compuesto orgánico del o de los metales
respectivos, particularmente sales metálicas de ácidos orgánicos,
y/o porque el polímero contiene el o los metales, particularmente
átomos metálicos y/o iones metálicos, en cantidades de 0,001 a 10%
en peso, particularmente 0,005 a 5% en peso, y preferiblemente 0,01
a 3% en peso, referido al polímero.
5. Proceso según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el polímero
se produce por polimerización en dispersión o emulsión,
particularmente polimerización radical y/o porque el metal,
particularmente átomo metálico y/o ion metálico, se selecciona del
grupo de cobre, plata, cadmio, platino, paladio, rodio, cinc,
mercurio, titanio, circonio y/o aluminio así como sus iones y/o
sales, preferiblemente cobre y plata así como sus iones y/o
sales.
6. Proceso según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el polímero
contiene grupos químicos, que durante su descomposición química,
particularmente en condiciones de carbonización, conducen a
radicales libres y por consiguiente a reticulaciones,
particularmente grupos ácido sulfónico y/o isocianato,
preferiblemente grupos ácido sulfónico, particularmente donde los
grupos químicos, particularmente grupos ácido sulfónico, se
incorporan sólo antes y/o durante la carbonización, particularmente
por adición de un reactivo de sulfonación, preferiblemente
SO_{3}, preferentemente en forma de ácido sulfúrico concentrado
especialmente y/u óleum, y de modo particularmente preferible en
forma de una mezcla de ácido sulfúrico concentrado y óleum.
7. Proceso según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
carbonización y la activación se realizan en todos los casos de una
manera conocida per se, especialmente donde la carbonización
se realiza a temperaturas de 200 a 900ºC, preferiblemente 250 a
850ºC, y en particular en una atmósfera predominantemente inerte,
y/o particularmente donde la activación se realiza a temperaturas de
800 a 1200ºC, particularmente 850 a 950ºC, y especialmente en
atmósfera inerte o ligeramente oxidante, preferiblemente en
presencia de vapor de agua.
8. Carbón activo, particularmente en forma
granular, preferiblemente en forma de bolitas, que se obtiene según
el proceso de acuerdo con una o más de las reivindicaciones
anteriores.
9. Carbón activo según la reivindicación 8,
caracterizado por una superficie interna (superficie BET) de
al menos 500 m^{2}/g, particularmente al menos 750 m^{2}/g,
preferiblemente al menos 1000 m^{2}/g, de modo particularmente
preferible al menos 1200 m^{2}/g, especialmente en el intervalo de
500 a 2500 m^{2}/g, particularmente 750 a 2250 m^{2}/g,
preferiblemente 900 a 2000 m^{2}/g, de modo particularmente
preferible 1000 a 1750 m^{2}/g, y/o caracterizado por una
presión de estallido de al menos 2 Newton, particularmente al menos
5 Newton, especialmente en el intervalo de 2 Newton a 20 Newton,
preferiblemente 5 Newton a 20 Newton, por partícula de carbón
activo, en particular grano de carbón activo o bolita de carbón
activo.
10. Utilización de un carbón activo, que puede
obtenerse según el proceso de acuerdo con una o más de las
reivindicaciones 1 a 7, o de un carbón activo de acuerdo con las
reivindicaciones 8 y 9 para la producción de materiales adsorbentes
como filtros (superficies) de adsorción, mallas filtrantes, filtros
para olores, filtros planos para trajes protectores,
particularmente para el campo civil y/o militar, filtros para la
purificación del aire ambiente, filtros para máscaras de gas, y
estructuras soporte con poder adsorbente, y/o para materiales de
protección, particularmente trajes protectores u otras prendas de
vestir protectoras frente a venenos biológicos y/o químicos, como
gases de guerra, o para filtros, particularmente filtros para la
eliminación de sustancias nocivas, venenos y/o sustancias olorosas
de corrientes de aire o de gas.
11. Materiales adsorbentes, particularmente
filtros de todo tipo, como filtros (planos) de adsorción, filtros
para olores, filtros planos para trajes protectores, particularmente
para el campo civil o militar, como trajes protectores u otros
vestidos de protección contra venenos biológicos y/o químicos,
filtros para la purificación del aire ambiente, filtros para
máscaras de gas, filtros para la eliminación de sustancias tóxicas,
venenos y/o sustancias olorosas de corrientes de aire o gas, mallas
filtrantes y estructuras de soporte adsorbentes, que contienen
carbón activo, que se obtiene según el proceso de acuerdo con una de
las reivindicaciones 1 a 7, o que contienen un carbón activo de
acuerdo con las reivindicaciones 8 y 9.
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