SE515614C2 - Förfarande för framställning av avfuktningselement samt användning av en suspension för impregnering av papper vid förfarandet - Google Patents

Description

l0 15 20 25 30 515 614 2 torkas till bildning av hydratiserat vattenglas med en vattenhalt av 3 - 20 %. Den så bildade matrisen nedsänks därefter i syra så att silika-hydrogel bildas.

SE, B, 460 021 hänför sig också till ett avfuktningselement som består av ett laminat av ensidigt komigerade ark av keramiska fibrer med en papperstjocklek på 0,18 - 0,25 mm, en våglängd på 2,5 - 4,2 mm och en våghöjd på 1,5 - 2,3 mm. Detta lami- nat är impregnerat med en aktiv kiseldioxid-aluminiumoxid-aerogel som består av 97 - 85 % kiseldioxid och 3 - 15 % aluminiumoxid. Elementet framställs genom att keramiskt papper doppas i en vattenlösning av vattenglas varefter det torkas. Däref- ter neddoppas det i en vattenlösning av aluminiumsulfat och torkas på nytt. Även SE, B, 462 671 beskriver ett förfarande för framställning av ett avfuktnings- element där ett laminat av vågark och planskiktsark impregneras med en vattenlös- ning av vattenglas följt av torkning och uppvärmning till en vattenhalt av 5 - 45 % följt av neddoppning i en vattenlösning av ett metallsalt och till sist ytterligare tork- ning och uppvärmning.

SE, B, 469 976 redogör för ett förfarande för framställning av avfuktningselement, där pappersbanor med ett formbart material såsom glasfiber eller cellulosa indränks med koncentrerad vattenglaslösning och torkas till cirka 45 - 65 % torrhalt med av- seende på vattenglaset och wellas. Efter wellningen torkas det bildade laminatet till en torrhalt på cirka 60 - 95 %.

EP, B, 0,642,384 behandlar ett förfarande för behandling av avfuktningselement i syfte att påverka porstorleken hos kiselgelen. Detta sker genom behandling med syra, bas samt en stabiliseringslösning innehållande salter av zink, aluminium och fosfat. Även här anges att vattenglas påföres papperet och att detta vattenglas sedan torkas.

Alla dokument som anförts ovan anger ett impregneringssteg följt av torkning i samband med framställning av avfuktningselement bestående av en kiselgelmatris. l0 l5 20 25 30 51? 614 Torkningssteg är energikrävande och leder därigenom till högre kostnader. Vidare kan det vara svårt att påföra tillräckliga mängder vattenglas när lösningen har den låga koncentration som känd teknik kräver, vilket leder till att de framställda avfukt- ningselementen får begränsat med kiselgel och därmed ej optimal kapacitet. Det finns således ett behov av förbättrade förfaranden som leder till lägre produktions- kostnader och högre prestanda och kvalitet hos slutprodukten.

Vissa applikationer av avfukmingselement kräver att den avfuktade luften är mycket torr. Vid t ex torkning av plastgranulat för tillverkning av PET-produkter krävs en daggpunkt på under -40 °C, och ärmu lägre fuktinnehåll efterfrågas ibland vid av- fuktning av luft till provrum för fuktkänsliga produkter.

En rotor med kiselgel som fuktupptagande änme kan inte åstadkomma dessa till- stånd utan en orimligt hög energikonsumtion vid regenereringen. Det finns således även ett behov av nya avfuktningselement med förmåga att generera ännu torrare luft än vad som är möjligt att åstadkomma med ett kiselgelbaserat avfuktningsele- ment.

Sammandrag av unpfinnineen Det har nu visat sig att det är möjligt att helt eliminera torkningssteget efter ned- sänkningen av papper i vattenglaslösningen, samtidigt öka mängden påförd kisel- gelmatris, och slutligen framställa avfuktningselement med förmåga att torka luft till daggpunkter under -40 °C genom att utnyttja ett förfarande omfattande stegen: a) tillhandahållande av ett stycke papper, såsom planskiktspapper och/eller vågpap- Per; b) nedsänkning av nämnda papper i en högkoncentrerad vattenglaslösning, i vilken en molekylsikt suspenderats, vid en temperatur inom intervallet 45 - 95 °C, där nämnda suspension av högkoncentrerat vattenglas/molekylsikt har en viskositet på åtminstone 350 mPa.s vid en temperatur av 45 °C; och e. u. 10 15 20 25 30 . . . . _ . 515 614 4 c) kylning av det nedsänkta papperet med luft med en temperatur av högst 35 °C och företrädesvis högst 25 °C.

Detalierad beskrivning av uppfinningen En fuktadsorbent som gör det möjligt att torka luft ned till mycket låga fukthalter är molekylsikt. Adsobenten kallas även molsil, molekylsil eller zeolit. En molekylsikt enligt uppfinningen är ett högporöst kristallint aluminiumsilikat som i sin kristall- struktur innehåller en stor mängd mycket små porer med lika poröppningsdiameter.

Fukt attraheras till ytan och attraktionskraften, särskilt på porens insida, är hög. För att molekyler ska kunna fastna inuti poren måste de kunna ta sig igenom poröpp- ningen som för olika molekylsiktar har en diameter på mellan 3 och 10 Å. Vatten- molekylen är liten och tar sig in i dessa porer medan större molekyler inte kan tränga in utan passerar förbi molekylsikten.

Aluminiumsilikatbaserade molekylsiktar attraherar polära änmen såsom vatten mer eller mindre kraftigt. En sådan molekylsikt är alltså hydrofil. Om aluminiurninne- hållet minskas avtar denna attraktionskraft. Med lite eller inget aluminium blir sili- katkristallen hydrofob och kan användas för adsorption av hydrofoba ämnen, t ex organiska lösningsmedel. I samband med denna uppfinning är det således nödvän- digt att utnyttja hydrofila molekylsiktar, exempelvis alltså sådana med hög halt av aluminiumsilikat. Ångtrycket över en hydrofil molekylsikt med ett visst fuktirmehåll är mycket lägre än t ex över kiselgel med samma fuktinnehåll i ett område där nämnda fuktinnehåll är relativt lågt. Ett armat sätt att uttrycka samma sak är att en molekylsikt kan ta upp mer vatten än en kiselgel då den omgivande luften har en låg relativ fuktighet. Detta kan illustreras i en så kallad adsorptionsisoterm där fuktupptaget i vikt-% för en fuktfri adsorbent avsatts mot luftens relativa fuktighet vid jämvikt och vid en viss given temperatur. Exempel på sådana kurvor visas i figur 6. 10 15 20 25 5155614 Som en följd av dessa egenskaper kommer molekylsikt att ha bättre fuktupptag- ningsfönnåga vid förhöjda temperaturer då temperaturhöjningen sänker luftens rela- tiva fuktighet till det område där molekylsikten har bättre kapacitet. Ur isotennen kan man också utläsa att kiselgel har en överlägsen adsorptionskapacitet relativt molekylsikten i de fall då det inte är nödvändigt att erhålla luft med en mycket låg fukthalt.

Den här använda termen ”vattenglas” hänför sig till vattenlösningar av natriumsili- kat (”natronvattenglas”) eller kaliumsilikat (”ka1ivatteng1as”). Natronvattenglas re- spektive kalivattenglas betecknas ofta (N a2O)m(SiO2),, respektive (K2O)m(SiO2),,, och som synes kan molförhållandet mellan de båda oxiderna (n/m) variera. Vad gäller denna uppfinning är natronvattenglas med n/m inom intervallet 3,2 - 3,5 före- dragna, och vattenglas med n/m från 3,3 till 3,4 är särskilt föredragna.

Den här använda termen ”högkoncentrerat vattenglas” hänför sig till vattenglas med en viskositet vid 45°C på åtminstone 350 mPas. Den övre gränsen för viskositeten är 800 mPa.s vid 95°C. Viskositeten hos högkoncentrerat vattenglas vid rumstempe- ratur är så hög att det vid denna temperatur i praktiken är mycket svårt att föra ner papper i vattenglaset och få vattenglaset att väta papperet. Ett typiskt koncentrerat vattenglas enligt känd teknik har vid 20°C en viskositet på upp till 200 mPa.s. Hög- koncentrerat vattenglas har däremot en avsevärt högre viskositet vid 20°C och kan i sin minst koncentrerade form liknas vid kall sirap.

Den här använda termen ”papper” hänför sig till ark framställda av organiska fibrer, såsom cellulosa, eller oorganiska fibrer, såsom keramiska fibrer, glasfibrer, slaggfib- rer, kolfibrer och mineralfibrer, samt blandningar av dessa. Oorganiska fibrer är fö- redragna. Det är även föredraget att använda glasfibrer och/eller mineralfibrer med en inblandning av upp till 20 % cellulosafibrer eller konstfibrer. Papperets tjocklek uppgår typiskt till 0,1 - 0,3 mm. Vågpapperets våghöjd uppgår typiskt till 1 - 5 mm H .u lO l5 20 25 . . i . .- 515 614 6 och dess våglängd uppgår typiskt till 1,5 - 7 mm. Papperets vikt uppgår typiskt till 20 - 50 g/m? Som tidigare nämnts utgår uppfmningen från ett förfarande för framställning av av- fuktningselement bestående av en matris av papper som impregnerats med molekyl- siktinnehållande vattenglas för senare omvandling till kiselgel. Istället för att ut- nyttja koncentrerat vattenglas som råvara för kiselgelen används högkoncentrerat vattenglas. Denna är så högviskös att man inte praktiskt kan impregnera ett papper med den vid rumstemperatur. Om det högkoncentrerade vattenglaset värms upp till 45 - 95 °C blir det emellertid lättflytande och fungerar som koncentrerat vattenglas.

Molekylsikten suspenderas i detta uppvärmda överkoncentrerade vattenglas. Det papper som skall impregneras förs alltså ned i det varma vattenglaset innehållande molekylsikt och kyls därefter med luft av högst 35 °C, företrädesvis högst 25 °C.

Någon torkning behöver inte ske. Det kylda impregnerade papperet har dessutom bra klistringsegenskaper och kan lätt sammanfogas.

Högkoncentrerat vattenglas kan exempelvis framställas genom att indunsta en del av vattnet i koncentrerat vattenglas före tillverkningen.

Vid konventionell impregnering med vattenglas torkas det impregnerade papperet med värme. I samband med detta blir vattenglaset lättflytande och börjar rinna. I processen enligt uppfinningen finns ingen risk för detta eftersom det högkoncentre- rade vattenglaset stelnar vid kylningssteget.

Beroende på vilka slutliga egenskaper som man eftersträvar hos avfuktningsele- mentet kan efterföljande s k gelningssteg utföras på olika sätt.

Genom att doppa det impregnerade vattenglaset i en koncentrerad vattenlösning av metallsalt (exempel på lämpliga metallsalter kan hämtas ur SE, B, 462 671) om- vandlas vattenglaset till en kiselgel som binder molekylsiktspulvret. Om saltet utgörs u. .q- 10 20 ¶_fi 515 614 7 av t ex aluminiumsulfat, aluminiumfosfat, aluminíumnitrat eller magnesiumsulfat får gelen relativt god fuktupptagriingsförrnåga vid fuktiga och medelfuktiga lufttillstånd och rotom kommer att få en blandning av kiselgelens och molekylsiktens egenska- per. Dock kommer molekylsíktens djuptorkningsförrnåga till viss del att vara out- nyttjad eftersom mycket energi i den uppvärmda regenereringsluften förbrukas till att driva av mer lättregenererat vatten som adsorberats í kiselgelen.

Ett altemativt sätt att omvandla vattenglaset till en bra bärare för molekylsikten är att exponera det impregnerade papperet för en atmosfär av koldioxid. Koldioxiden omvandlar vattenglaset till en mekaniskt mycket stabil gel som själv har relativt då- lig adsorptionskapacitet för vattenånga. Avfuktningselementet får på detta sätt mer utpräglade molekylslktsegenskaper.

Efter detta steg tvättas den erhållna matrisen med vatten och torkas till färdig pro- dukt.

Det finns många fördelar med denna process. Det högkoncentrerade vattenglaset ger ett mekaniskt starkare avfuktningselement eftersom den slutliga gel/molekylsiktsbeläggningen blir högre. Av samma skäl blir avfuktningskapaciteten högre. Energiförbrukningen, och därmed produktionskostnaden blir lägre eftersom ingen torkning behöver ske efter impregneringen. Att torka ett blött papper förbrukar stora mängder energi eftersom man i detta fall måste utnyttja varmluft eller IR- lampor. Ingen dyrbar torkningsutrustning behöver heller anskaffas. Slutligen får produkten bättre egenskaper eftersom det inte finns någon risk att vatten- glas/molekylsiktsblandningen börjar rinna efter impregneringen.

Uppfinningen kommer nu närmare att beskrivas med hänvisning till bifogade figu- rer, där Figur l visar en principskiss över en process för framställning av ett avfuktnings- element enligt uppfinningen; l0 15 20 25 . . « . , a 51? 614 Figur 2 visar ett diagram med jämviktskurvor för material för avfuktningselement utan molekylsikt. Fuktkvoten (g absorberat vatten/ 100 g tont material) är avsatt som funktion av den relativa fuktigheten för dels ett material framställt med högkoncent- rerat vattenglas (A) och dels ett material enligt känd teknik (B); Figur 3 visar ett laminat av planskiktspapper och vågpapper som utnyttjas vid fram- ställning av rotom i en luftavfuktare; Figur 4 visar en delsektor av den färdiga avfuktarrotorn. Rotorn är uppbyggd av ett larninat såsom det som visas i figur 3, och vid framställningen av rotom har detta laminat virats runt en axel; Figur 5 visar den princip enligt vilken avfuktningselementet arbetar. Den luft som skall avfuktas får passera i en ström genom kanaler i ett roterande avfuktningsele- ment. Uppvärmd luft får samtidigt passera i motström genom en arman sektor av det roterande avfuktningselementet; Figur 6 visar två adsorptionsisotermer för kiselgel (K) respektive molekylsikt (M).

En adsorptionsisoterrn visar fuktadsorptionen i vikt-% för en fuktfri adsorbent som funktion av luftens relativa fuktighet vid jämvikt och en viss given temperatur; och Figur 7 visar fuktupptagningsförmågan hos ett avfuktningselement enligt uppfin- ningen (med molekylsikt)(M) och ett avfuktningselement utan molekylsikt (K).

Fuktupptagningsförrnågan anges som vikt-% vatten räknat på torrt avfuktningsele- ment som funktion av omgivande lufts temperatur. Luftens fuktinnehåll var konstant l den i figur 1 visade anläggningen betecknar 10 och 28 rullar av en pappersbana.

Från pappersrullen 10 avlindas pappersbanan och leds över en brytrulle l2 ned i ett kar 14 som innehåller uppvärmt högkoncentrerat vattenglas. Data för typiska hög- 10 15 20 25 515 614 9 koncentrerade vattenglas som är lämpliga för framställning av avfuktningselement utan molekylsikt (ej enligt uppfmningen) framgår ur tabell 1 nedan: Tabell 1: Exempel på data för högkoncentrerade vattenglaslösningar Molförhållande SiOz/NazO 3,3 - 3,4 Densitet (kg/auf) 1,41 - 1,45 Användbar inom intervallet 45 ~ 90 °C optimal densitet (kg/auf) 1,43 Optimal temperatur 70 °C Tabell 2 nedan anger två exempel på högkoncentrerade vattenglaslösningar enligt tabell 1 och deras viskositeter. Lösningarna är valda så att de ligger nära de gränser för viskositeten som gäller för högkoncentrerade vattenglaslösningar enligt uppfin- ningen.

Tabell 2: Exempel på data för två högkoncentrerade vattenglaslösningar Exempel A Exempel B Molförhållande SiO2/Na2O 3,35 3,35 Densitet (kg/dm3) 1,425 1,450 Viskositet 377 mPa.s vid 45°C 800 mPa.s vid 90°C Pappersbanan 18 leds ner under nivån för den högkoncentrerade varma (med en temperatur från 45 - 95 °C) vattenglaslösningen i karet 14 med hjälp av en rulle 16 som är nedsänkt i lösningen. Vid passagen genom karet 14 indränks pappersbanan 18 med högkoncentrerad vattenglaslösning så att pappersbanan mattas med lösning- en. Efter indränkningen passerar pappersbanan uppåt genom kylkarnmare 20 där luft av rumstemperatur blåses mot pappersbanan 18. Via brytrullar 22 och 24 tillföres därefter pappersbanan 18 en wellningsvals 26 för bildning av vågpapper med ett stort antal små veck i pappersbanan. Typiskt har det bildade vågpapperet som tidiga- re nämnts en våghöjd på 1 - 5 mm och en våglängd på 1,5 - 7 mm. Från pappersrul- len 28 avlindas en andra pappersbana 36 och tillföres via en brytrulle 30 ett kar 32 10 l5 20 25 30 515 614 10 som innehåller uppvärmd högkoncentrerad vattenglaslösning och i vilken pappers- banan 36 förs ned via en rulle 34. Pappersbanan 36 indränks och får passera uppåt genom kylkammare 38 där luft av rumstemperatur blåses mot pappersbanan 36.

Från kylkarnrnaren 38 tillföres pappersbanan 36 via en brytrulle 40 sarnmanfog- ningsvals 42 där de båda pappersbanoma 18 och 36 sarnrnanfogas till en impregne- rad wellpappmatris. Inget lirn behöver därvid tillföras då de impregnerade pappers- banoma 18 och 36 efter kylsteget lätt kan vidhäfta till varandra.

Processen leder fram till en matris som innehåller 10 - 25 % mer kiselgel än matri- ser gjorda med känd teknik om man utgår från samma papperstyp, lägger på samma volym vattenglas samt skapar geometriskt och dimensionsmässigt samma typ av matris. Detta illustreras i figur 2, vilken figur visar två jämviktskurvor för material i avfuktningselement. Kun/a A hänför sig till ett material framställt med högkoncent- rerat vattenglas, medan kurva B representerar ett material framställt enligt SE 469 976. Varken A eller B hänför sig till material med molekylsikt. A och B förutsätts framställt med identiska fiberpapper som utgångsmaterial vilket belagts med lika tjocka skikt med högkoncentrerat vattenglas för kurva A och vanligt koncentrerat vattenglas för kurva B.

Framställning av ett avfuktriingselement enligt uppfinningen (med molekylsikt) Vid framställning av ett avfuktningselement enligt uppfinningen används ett hög- koncentrerat vattenglas med en sammansättning enligt tabell 3: Tabell 3: Exempel på data för högkoncentrerade vattenglaslösningar vid frarnställ- ning av avfuktningselement med molekylsikt Molförhållande SiOg/NagO 3,3 - 3,4 Densitet (kg/dmß) 1,39 - 1,43 Användbar inom intervallet 45 - 90 °C Optimal densitet (kg/dm3) 1,41 Optimal temperatur 70 °C 10 15 20 25 30 - - » » f. 515 614 11 Eftersom tillsats av molekylsikten ökar viskositeten bör det högkoncentrerade vat- tenglaset ha en något lägre viskositet än i normalfallet.

Pulverforrnig molekylsikt av hydrofil typ och med poröppningsdiametrar mellan 3 och 10 Å sättes till varmt högkoncentrerat vattenglas av den typ som anges i tabell 3, och blandas till en homogen suspension. Den resulterande blandningens samman- sättning kan variera från 5 till 40 kg molekylsikt per 100 kg högkoncentrerat vatten- glas beroende på hur kraftig molekylsiktskaraktär (djuptorkningsförmåga) man vill att slutprodukten skall få. En molekylsikthalt över 40 kg per 100 kg högkoncentrerat vattenglas ger en suspension med ohanterligt hög viskositet. Om molekylsiktshalten understiger 5 kg per 100 kg högkoncentrerat vattenglas blir adsorptionsbidraget från molekylsikt lågt i det färdiga avfuktningselementet. l denna blandning doppas papper som sedan kyls, wellas samt rullas eller blockläggs till en matris på det sätt som beskrivits ovan.

Matrisen får därefter ligga i en atmosfär av koldioxid (C02) eller doppas i en kon- centrerad metallsaltlösning varvid vattenglaset omvandlas till en fast vattenolöslig gel. Slutligen tvättas reaktionsproduktema från gelningen ur med vatten och matri- sen torkas till färdig produkt.

Ett sålunda framställt avfuktningselement får egenskaper som är en kombination av gelens goda förmåga att ta upp fukt vid hög relativ fuktighet och molekylsiktens goda förmåga att ta upp fukt vid låga relativa fuktigheter. Som tidigare nänmts är en stor fördel att inget energikrävande och svårkontrollerat torksteg samt torkutrustning behövs.

Exempel Till 100 kg högkoncentrerat vattenglas av typen natronvattenglas med ett molför- hållande SiOz/NazO på 3,35, med en densitet av 1,40 kg/dms och med en temperatur fn n. 10 l5 » - - . in 515 614 12 av 70 °C sattes 16 kg molekylsikt av typ 4A (Sylosiv A4, GRACE Davison, US) (poröppningsdiameter: ~ 4 Å). Denna blandning användes sedan för att tillverka ett fuktutbyteselement enligt uppfinningen. Ett referenselement utan molekylsikt fram- ställdes också.

Elementens fuktupptagningsförmåga vid jämvikt mättes sedan och resultatet visas i figur 7. Fuktupptagningsfönnågan anges som vikt-% vatten räknat på tont avfukt- ningselement som funktion av omgivande lufts temperatur. Luftens fuktinnehåll var konstant 7,5 g/kg. Kurvan motsvarande elementet enligt uppfinningen betecknas (M) medan referenselementets kurva betecknas (K). Kurvorna visar tydligt att mole- kylsiktselementet enligt uppfinningen har bättre fuktupptagningsförrnåga vid låga relativa fuktigheter - högre temperaturer, medan det förhåller sig tvärtom vid högre relativa fuktigheter. Kurvoma korsar varandra strax över 20 % relativ fuktighet (vid 7,5 g vatten/kg luft svarar det mot ca 32 °C i exemplet). n. u.

Claims (12)

5155014 Patentkrav

1. l. Förfarande för impregnering av papper med vattenglas, såsom natronvattenglas eller kalivattenglas, vilket impregnerade papper kan användas som avfuktningselement, och vilket förfarande omfattande stegen: a) tillhandahållande av ett stycke papper, såsom planskiktspapper och/eller vågpapper; b) nedsänkning av nämnda papper i en högkoncentrerad vattenglaslösning, i vilken en molekylsikt suspenderats, vid en temperatur inom intervallet 45 - 95 °C, där nämnda suspension av högkoncentrerat vattenglas/molekylsikt har en viskositet på åtminstone 350 mPa.s vid en temperatur av 45 °C; och c) kylning av det nedsänkta papperet med luft med en temperatur av högst 35 OC och företrädesvis högst 25 °C.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att suspensionen innehåller 5 - 40 kg molekylsikt suspenderat i 100 kg högkoncentrerat vattenglas.

3. Förfarande enligt krav 1 eller krav 2, kännetecknat av att den högkoncentrerade suspensionen har en viskositet av högst 800 mPa.s vid en temperatur av 95 °C.

4. Förfarande enligt något av krav l - 3, kännetecknat av att vattenglaset är ett natronvattenglas.

5. Förfarande enligt krav 4, kännetecknat av att molförhållandet mellan SiOz och NazO i natronvattenglaset är 3,2 - 3,5.

6. Förfarande enligt krav 5, kännetecknat av att molförhållandet mellan SiOz och NagO i natronvattenglaset är 3,3 - 3,4.

7. Förfarande enligt något av krav l - 6, kännetecknat av att papperet är framställt av oorganiska fibrer, såsom keramiska fibrer, glasfibrer, slaggfibrer, kolfibrer och mineralfibrer, med en inblandning av 0 - 20 % cellulosafibrer eller konstfibrer. IW 515 614

8. Förfarande enligt krav 7, kännetecknat av att papperets vikt uppgår till 20 - 50 g/mz.

9. Förfarande enligt något av krav 1 - 8, kännetecknat av att papperet efter steg c) doppas i en vattenlösning av ett metallsalt, såsom aluminiumsulfat, magnesiumsulfat, primärt aluminiumfosfat (AlzOg . 9P2O5), magnesiumklorid eller aluminiumnitrat, och en syra såsom svavelsyra, fosforsyra, saltsyra eller salpetersyra.

10. Förfarande enligt något av krav 1 _ 8, kännetecknat av att papperet efter steg c) placeras i en atmosfär av koldioxid.

11. Användning av en suspension av ett högkoncentrerad vattenglas och en molekylsikt, där suspensionen har en viskositet på åtminstone 350 mPa.s vid en temperatur av 45 °C, för impregnering av papper i samband med framställning av avfuktningselement.

12. Användning enligt krav 11, kännetecknad av att suspensionen har en viskositet av högst 800 mPa.s vid en temperatur av 95 °C.