DE69629979T2

DE69629979T2 - Vorrichtung zur Entfernung von Kontaminationen aus Fluidströmen

Info

Publication number: DE69629979T2
Application number: DE69629979T
Authority: DE
Inventors: Kishor Purushottam Gadkaree; Timothy Van Johnson
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2016-05-31
Also published as: KR970000312A; DE69629979D1; EP0745416A3; JPH08332330A; EP0745416B1; KR100486103B1; US5750026A; EP0745416A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernung von kontaminierenden Verbindungen aus einem Produktstrom und betrifft ein Verfahren, eine solche Vorrichtung herzustellen und zu verwenden. Sie ist insbesondere zum Herausfiltern von teilchenförmigem Material und zum Adsorbieren von flüchtigen organischen Verbindungen (volatile organic compounds = VOC's) aus Fluid- bzw. Flüssigkeitsströmen und zum Katalysieren chemischer Reaktionen bzw. Umsetzungen von Nutzen. Die Vorrichtung ist aus einem porösen Filter hergestellt, der Aktivkohle als kontinuierliche Beschichtung auf einem Substratfilter aufweist. Die Vorrichtung kann eine elektrisch leitende Einrichtung zur Hindurchleitung eines elektrischen Stromes aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
In vielen unterschiedlichen Situationen, wie beispielsweise der Filtration von Trinkwasser und der Entfernung von Kontaminanten bzw. verunreinigenden Stoffen aus industriellen Prozessströmen, der Filtration von in Automobil-Kabinen eintretender Luft etc. ist es wünschenswert, teilchenförmiges Material ebenso wie Dampfphasen-Kontaminanten, wie beispielsweise VOC's, aus einem Fluidstrom zu entfernen. Normalerweise wird dieses Ziel durch Verwendung zweier unterschiedlicher Vorrichtungen erreicht: Eines Teilchen-Entfernungsfilters und einer VOC-Entfernungsvorrichtung. Der Teilchenfilter besteht aus einer physikalischen bzw. physischen Bamere mit ausreichend kleinen Öffnungen, um zu vermeiden, dass Teilchen der bezeichneten Größe und größer dadurch hindurch strömen können. Eine solche Barriere ist typischerweise ein Sieb aus einem geeigneten Material. Dies kann eine Polymer-Membran oder ein gewebtes oder Vlies-Sieb sein. Um flüchtige Kontaminanten wie beispielsweise VOC's zu entfernen, wird ein gewisser Typ eines Adsorbers, wie beispielsweise Aktivkohle, in Form von Körnchen oder Pulvern verwendet. Der Kohlenstoff wird in ein Bett gepackt, durch den der Flüssigkeitsstrom fließt, und die Kontaminanten werden aus dem Strom durch Adsorption entfernt. Es ist teurer und schwieriger, die beiden unterschiedlichen Systeme zusammenzunehmen als eine Vorrichtung zu verwenden. Einige Vorrichtungen weisen einen Teilchenfilter und einen Aktivkohle-Filter kombiniert auf, jedoch wird die VOC-Entfernung durch einen Adsorber durchgeführt und die Entfernung von teilchenförmigem Material wird durch eine getrennte Schicht durchgeführt.
Die EP-A-0 608 539 offenbart ein Gemisch, das ein anorganisches Substrat mit einer Außenoberfläche, aus der sich Poren in das Substrat hinein erstrecken und eine Beschichtung einschließt, die sich über die Außenoberfläche des Substrats als eine im Wesentlichen ununterbrochene Kohlenstoffschicht erstreckt. Die Beschichtung dringt in die Poren des anorganischen Substrats ein. EP-A-0 608 539 offenbart eine kombinierte Vorrichtung, die die Wirkung der Aktivkohle und der Filtration bereitstellt. Jedoch ist eine Teilchen-Filtration in der EP-A-0 608 539 nicht offenbart. Die Vorrichtung der EP-A-0 608 539 ist ein Substrat- und nicht ein Wandströmungs-Filter.
Die EP-A-0 135 945 offenbart eine Vorrichtung zum Filtrieren festen teilchenförmigen Materials aus einer Suspension in Fluidströmen (insbesondere von teilchenförmigem Kohlenstoff-Material aus Abgasen von Diesel-Maschinen), umfassend einen Wabenfilter mit dünnen porösen Wänden, die sich dadurch hindurch erstreckende Zellen definieren. Die EP-A-0 135 945 lehrt eine am Ende verschlossene Wabe zum Herausfiltern von teilchenförmigem Material. Jedoch ist eine Beschichtung aus Aktivkohle zur Entfernung von VOC oder zur Unterstützung eines Katalysators hierin nicht offenbart.
Die vorliegende Erfindung stellt eine ökonomische Vorrichtung bereit, die sowohl einen Teilchenfilter als auch eine VOC-Entfernung einschließt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sie eine hohe geometrische Oberfläche pro Einheits-Volumen-Filtration bereitstellt. Ein noch weiterer Vorteil besteht darin, dass sie sich elektrisch durch Entfernung-adsorbierten VOC's und durch Eliminieren von Mikroorganismen, die auf Aktivkohle in feuchten Umgebungen wachsen können, regenerieren kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Reinigen eines Arbeits- bzw. Erzeugnisstromes bereitgestellt, die aus einem monolithischen porösen Teilchenfilter und aus einer kontinuierlichen ununterbrochenen Beschichtung aus Aktivkohle hergestellt ist, die über die Außenoberfläche und in den Poren des Filters verteilt ist. Der Filter ist vorzugsweise ein multizellulärer Monolith, der Einlass- und Auslassflächen und eine Matrix aus porösen Wänden aufweist, die eine Vielzahl von Zellen definieren, die sich in Längsrichtung und wechselseitig hierdurch hindurch zwischen den Einlass- und Auslassflächen erstrecken, wobei ein Anteil der Gesamtzahl der Zellen an der Einlassfläche verschlossen ist und der verbleibende Anteil der Gesamtzahl der Zellen an der Auslass-Endfläche des Filters verschlossen ist.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Entfernen von Kontaminanten aus einem Produktstrom bereitgestellt, das die Bereitstellung eines anorganischen monolithischen porösen Filters, die Imprägnierung der Poren des Filters mit einem Kohlenstoff-Vorläufer, das Härten des Kohlenstoff-Vorläufers, das Karbonisieren des gehärteten Kohlenstoff-Vorläufers zur Bildung einer gleichförmigen anhaftenden kontinuierlichen Beschichtung von Kohlenstoff auf dem Filter und das Aktivieren des Kohlenstoffs zur Bildung einer kontinuierlichen Beschichtung aus Aktivkohle auf dem Filter und zur Bildung einer Teilchen- und VOC-Entfernungs-Vorrichtung, bereitstellt.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Entfernung von Kontaminanten aus einem Produktstrom bereitgestellt, das ein Passieren bzw. Hindurchleiten des Produktstroms durch die oben beschriebene Vorrichtung einschließt.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung kann jede der oben beschriebenen Vorrichtungen zu einer regenerierbaren Vorrichtung gemacht werden, indem eine elektrisch leitende Einrichtung auf der Vorrichtung bereitgestellt wird. Die elektrisch leitende Einrichtung stellt für die Vorrichtung für Anwendungen Hitze bereit, die Hitze erfordern.
Gemäß eines weiteren Aspekts kann die Vorrichtung darauf einen Katalysator zum Katalysieren einer chemischen Reaktion aufweisen.
Die Vorrichtungen sind für mehrere Anwendungen geeignet, einschließlich der Entfernung von teilchenförmigem Material, der Wasserreinigung und für chemische Reaktions-Katalyse-Anwendungen etc.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die ein multizellulärer Filter mit einer Kohlenstoff-Beschichtung ist.
2 ist eine schematische Darstellung der Innenseite der Vorrichtung von 1, die die Zellen entlang ihrer Länge und den Verschluss einiger der Zellen darstellt.
3 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 1 mit elektrisch leitenden Mitteln.
4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die ein Formkörper aus Aktivkohle ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine einzelne Vorrichtung zur Entfernung von Kontaminanten aus einem flüssigen Produktstrom. Sie kann sowohl zum Filtern von teilchenförmigem Material als auch zur Entfernung von VOC's verwendet werden, beispielsweise von Toluol, Ethylbenzol, Methylenchlorid, Trichlorethylen etc. aus einem Produktstrom. Die Vorrichtung ist zur Verwendung in Wasserreinigungs-Anwendungen mit oder ohne Filtration geeignet. Eine Wasseraufreinigungs-Anwendung ist eine Kombination aus Kohlenwasserstoff/Feinteilchen-Filter in wohnbezogenen Anwendungen am Ort der Verwendung. Ebenfalls ist die Vorrichtung zur Verwendung in chemischen Reaktions-Katalyse-Anwendungen geeignet.
Die Vorrichtung kann aus einem porösen anorganischen monolithischen Filter für teilchenförmige Materialien hergestellt sein, der eine Beschichtung aus Aktivkohle aufweist, wobei der Filter als ein Substrat für die Aktivkohle-Beschichtung dient. Vorzugsweise ist die Beschichtung eine kontinuierliche anhaftende ununterbrochene Aktivkohle, die in die Poren des Filters imprägniert ist. Die Beschichtung kann ebenfalls über der Außenoberfläche des Filters verteilt sein.
Die Vorrichtung kann elektrisch leitende Mittel zum Hindurchleiten eines elektrischen Stroms aufweisen.
Der Filter kann irgend einer von solchen sein, die in der Technik bekannt sind. Die einzigen Anforderungen sind, dass der Filter eine ausreichende Festigkeit aufweist, um in der Anwendung zu funktionieren und Poren aufweist, die sich von seiner Außenoberfläche in den Filter hineinerstrecken und die dazu in der Lage sind, den Hitzebehandlungs-Temperaturen, die in dieser Umgebung auftreten, zu widerstehen.
Die gesamte Offenporigkeit des Filters kann von sehr wenig, beispielsweise 0,1 Vol.-% bis zu höher variieren. Es ist im Allgemeinen wünschenswert, dass die gesamte Offenporigkeit zumindest ungefähr 10%, vorzugsweise mehr als ungefähr 25% und am meisten bevorzugt mehr als ungefähr 40% beträgt. Für die meisten Zwecke ist der erwünschte Bereich der Porosität ungefähr 45 bis ungefähr 70%. Vorzugsweise erzeugen die Poren des Filtermaterials eine "verbindende Porosität", die durch Poren gekennzeichnet ist, die sich mit anderen Poren verbinden und/oder diese schneiden, um ein gewundenes Netzwerk einer Porosität innerhalb des Filters zu erzeugen.
Die Porengrößen können ebenfalls variieren. Typischerweise bewegt sich die mediane Porengröße, wie sie durch Quecksilber-Porosimetrie gemessen wird, von ungefähr 0,05 bis 50 und typischerweise ungefähr 0,5 bis 15 Mikrometer Durchmesser.
Poröse Filtermaterialen schließen sowohl elektrisch nicht-leitende als auch elektrisch leitende Materialien ein. Einige besonders geeignete Substrat-Materialien sind Keramik, Glas-Keramik, Glas, Metall und Kombinationen hiervon. Der Begriff Kombinationen bedeutet physikalische bzw. physische oder chemische Kombinationen, beispielsweise Gemische, Verbindungen oder Verbundstoffe. Molekular-Siebe, beispielsweise Zeolithe sind ebenfalls geeignete Filtermaterialien.
Einige Materialien, die für die Ausübung der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind, obwohl klar sein sollte, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sind solche, die aus Kordierit, Mullfit, Tonerde, Talkum, Zirkon, Zirkonoxid, Zirkonaten, Zirkonoxid-Spinell, Zeoliten, Magnesium-Aluminosilikaten, Spinell, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Silikaten, Boriden, Aluminosilikaten, beispielsweise Porzellanen, Lithiumaluminumsilikaten, Aluminiumoxid-Siliziumdioxid, Feldspat, Titandioxid, Quarzglas, Nitriden, Boriden, Karbiden, beispielsweise Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Gemischen von diesen hergestellt sind. Kordierit wird bevorzugt, weil dessen Wärmeausdehnungs-Koeffizient mit demjenigen von Kohlenstoff vergleichbar ist, wodurch die Stabilität des Aktivkohlekörpers gesteigert wird.
Die Erfindung ist zur Verwendung mit Metallfiltern geeignet. Diese Filter können aus irgendeinem sinterbaren Metall oder Metallzusammensetzung hergestellt sein. Besonders geeignet sind Eisengruppen-Metall, Chrom- und Aluminiumzusammensetzungen, wobei das bevorzugte Eisengruppen-Metall Eisen ist. Besonders bevorzugt ist Fe, Al und Cr. Beispielsweise sind Fe5-20A15-40Cr und Fe7-10A110-20Cr Pulver mit anderen geeigneten Zusätzen besonders geeignet. Einige typische Zusammensetzungen aus Metall-Pulvern sind im US-Patent Nr. 4 992 233, 4 758 272 und in der Europäischen Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 488 716A1 offenbart, die hierin durch Bezugnahme wie eingereicht mit aufgenommen sind. Das US-Patent Nr. 4 992 233 betrifft Verfahren zur Herstellung poröser Sinterkörper, die aus Metall-Pulver-Zusammensetzungen aus Fe und A1 unter optionalen Zusätzen von Sn, Cu und Cr hergestellt sind. Die Europäische Patentoffenlegung Nr. 488 716A1 betrifft poröse Sinterkörper, die eine Zusammensetzung aufweisen, die im Wesentlichen in Gewichtsprozent von ungefähr 5 bis ungefähr 40 Chrom, ungefähr 2 bis ungefähr 30 Aluminium, 0 bis ungefähr 5 Spezialmetall, 0 bis ungefähr 4 Seltenerdoxid-Additiv und der Rest Eisengruppen-Metall ist und nicht vermeidbare Verunreinigungen, wie beispielsweise Mn oder Mo, wobei das bevorzugte Eisengruppen-Metall Eisen ist. Wenn Seltenerdmetalloxid vorliegt, ist das Spezialmetall zumindest eines von Y, Lanthaniden, Zr, Hf, Ti, Si, Erdalkalimetall, B, Cu und Sn. Wenn kein Seltenerdmetalloxid vorliegt, ist das Spezialmetall zumindest eines von Y, Lanthaniden, Zr, Hf, Ti, Si und B unter optionalen Zusätzen von Erdalkalis, Cu und Sn.
Im Allgemeinen werden die Metall- und/oder Metall-Legierungspulver und wahlweise Seltenerdmetalloxid-Pulver in Mengen gemischt, die im Körper die erwünschte Zusammensetzung mit sich bringen. Die Ausgangsmaterial-Pulver sind Eisen, Kobalt, Nickel, Chrom, Aluminium-Metalle und Spezialmetall-Pulver, falls diese verwendet werden sollen. Das Metall kann entweder in unlegierter Form oder mit einem oder mehreren der anderen Metalle legiert oder teilweise unlegiert oder teilweise legiert zugeführt werden. Am typischsten jedoch liegt das Eisen, wenn es dem Rest zugefügt wird, in elementarer Form vor. Das Chrom kann elementar oder mit Aluminium oder Eisen legiert sein. Die Chrom-Aluminium-Legierung wird bevorzugt. Typischerweise wird das Aluminium mit Eisen und/oder Chrom zur Stabilität legiert. Einige typische Legierungspulver, die bei der Herstellung des Gemisches zur Gewinnung eines Körpers mit einer typischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sind Fe-Cr-Al- (Y, Lanthanid-Reihen-Elemente, Zr, Hf, oder Cu) Legierungspulver, Cr-Al- (Y, Lanthanid-Reihen-Elemente, Zr, Hf oder Cu), Legierungs-Pulver, Fe-B, Fe-Si-Pulver etc.
Der Filter liegt vorzugsweise in Form einer Wabe mit einer Matrix von dünnen porösen Wänden vor, die eine Vielzahl von Zellen oder Kanälen bilden, die sich zwischen den Enden der Wabe erstrecken. Solche Filter, die Durchfluss-Wände aufweisen, werden bevorzugt, weil diese höhere Durchfluss-Geschwindigkeiten ermöglichen.
Einige Beispiele für Waben, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden, obwohl zu verstehen sein sollte, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sind solche mit ungefähr 172 Zellen/cm² (1100 Zellen/in²), ungefähr 94 Zellen/cm² (600 Zellen/in²), ungefähr 62 Zellen/cm² (400 Zellen/in²) oder ungefähr 47 Zellen/cm² (300 Zellen/in²), solche mit ungefähr 31 Zellen/cm² (200 Zellen/in²) oder ungefähr 15 Zellen/cm² (100 Zellen/in²) oder ungefähr 2,5 Zellen/cm² (16 Zellen/in²) oder ungefähr 1,5 Zellen/cm² (9 Zellen/in²).
Die Wand-(Netz)-Dicken bewegen sich für die meisten Anwendungen typischerweise von ungefähr von 0,1 bis ungefähr 1,3 mm (ungefähr 4 bis ungefähr 50 mils), und es sollte ebenfalls verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf diese Dimensionen beschränkt ist. Die Außengröße und Form des Körpers wird durch die Anwendung gesteuert bzw. kontrolliert und ist nicht auf die oben beschriebenen beschränkt. Beispielsweise können andere Kombinationen der Zelldichten und der Wanddicken durchgeführt werden.
Der Filter kann auf vielen Wegen hergestellt werden. Beispielsweise wird eine keramische Wabe mit geraden Kanälen oder Zellen gemäß Verfahren hergestellt, die in der Technik wohlbekannt sind.
Ein Verfahren besteht darin, ein Gemisch aus Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise durch Extrusion gefolgt von Hitze-Behandlung zu formen. Die Wand-Porosität der Wabe wird durch die Ausgangsmaterialien bzw. Rohmaterialien kontrolliert, die während der Herstellung und den Verfahrensbedingungen während der Herstellung verwendet werden. Ein Ausbrennmittel wie beispielweise Graphit, Kohlenstoffpulver, Holzfasern, Zellulose etc. wird typischerweise während der Extrusion verwendet, das während der anschließenden Hochtemperatur-Verarbeitung ausbrennt und Poren der durch die Größe der Ausbrennmittel-Teilchen bestimmten Größe zurücklässt. Die Porosität kann ebenfalls durch Auswahl geeigneter Ausgangsmaterialien gesteuert werden, die während des Sinterns eine Porosität bilden. Eine solche Wabe wird dann mit einem Kohlenstoff-Vorläufer-Material imprägniert, das anschließend gehärtet, karbonisiert wird, und der Kohlenstoff wird aktiviert. Die alternierenden Kanäle werden durch Verschlüsse aus Keramik-Material, Polymeren etc. blockiert oder durch Verschlüsse, die durch den Vorläufer selbst gebildet werden. Diese Verschlussbildung kann vor der Vorläufer-Imprägnierung oder nach der Imprägnierung durchgeführt werden, jedoch vor der Karbonisierung oder nachdem die Karbonisierung und Aktivierung abgeschlossen ist.
Einige besonders geeignete Filter und/oder Filter-Materialien und Verfahren zur Herstellung von diesen sind in den US-Patenten Nr. 4 329 162, 4 411 856, 4 415 344 und 5 258 150 offenbart, die hierin durch Bezugnahme wie eingereicht mit aufgenommen sind.
Der typischste Filter ist eine Wabenstruktur mit einer Einlassfläche oder einer Auslassfläche, wie in 1 dargestellt. Ein Teil der Zellen auf der Einlassfläche ist verschlossen. Das Verschließen findet nur an den Enden der Zellen statt, das typischerweise ungefähr 9,5 bis 13 mm beträgt, obwohl dies variieren kann. Ein Anteil von Zellen an der Austrittsfläche, der jedoch von solchen auf der Eintrittsfläche verschieden ist, ist so verschlossen, dass jede Zelle nur an einer Endfläche verschlossen ist. Die bevorzugte Anordnung besteht darin, dass jede andere Zelle auf einer gegebenen Fläche wie in einem karierten Muster, dargestellt in 1, verschlossen ist. 1 ist eine schematische Darstellung eines Filters mit alternierenden Zellen, die verschlossen sind. 2 ist eine Ansicht der Innenseite des Filters, die mehrere Zellen entlang ihrer Gesamtlänge und deren Verschluss darstellt.
Ein Vorteil der multizellulären verschlossenen Filter besteht darin, dass die Verschluss-Konfiguration eine innigere Berührung zwischen Flüssigkeit und Produktstrom-Medium und dem Aktivkohle-Adsorbens erlaubt, insbesondere im Fall eines flüssigen Mediums. Beispielsweise ist diese Konfiguration insbesondere bei der Wasseraufreinigung und bei chemischen Reaktionskatalyse-Anwendungen von Vorteil.
Einige besonders bevorzugte Filter sind von Corning Inc. zu beziehen und sind üblicherweise als Diesel-Teilchenfilter bekannt.
Weitere geeignete Filter sind Kreuzstrom-Vorrichtungen, wie beispielsweise solche, die in den US-Patenten Nr. 4 781 831, 5 009 781 und 5 108 601 offenbart sind, die hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Der Begriff Kohlenstoff-Vorläufer bedeutet eine kohlenstoffhaltige Substanz, die Kohlenstoff nach Erhitzen zu einer kontinuierlichen Struktur umwandelt. Für die Zwecke dieser Erfindung liegt ein Kohlenstoff-Vorläufer in Form einer Lösung oder einer niederviskosen Flüssigkeit bei Umgebungstemperaturen vor oder ist dazu in der Lage, durch Erhitzen oder andere Mittel verflüssigt zu werden und ist dazu in der Lage, durch die Porosität des Substrat-Filters hindurch vorzudringen.
Ein Kohlenstoff-Vorläufer wird gegenüber Aktivkohle-Teilchen-Beschichtungen bevorzugt, weil als Ergebnis des Härtens, Karbonisierens und Aktivierens die Kohlenstoffatome in einer kontinuierlichen ununterbrochenen Struktur zufälliger dreidimensionaler Graphit-Plättchen angeordnet werden. Die Plättchen weisen Angström-Größen von typischerweise ungefähr 5 bis ungefähr 50 Angström zur Adsorption auf, im Vergleich zu Poren mit Mikrometergröße. Poren in einem Bereich von mehreren hundert Mikrometer Größe können in der Aktivkohle vorliegen, sie steuern jedoch nicht zur Adsorptions-Kapazität bei. Nach Härten und Karbonisieren wird eine Beschichtung erzeugt, die physikalisch mit der verbindenden Porosität des Substrates verzahnt ist. Ein Imprägnieren der Substrate mit einem Kohlenstoff-Vorläufer, gefolgt von Härten, Karbonisieren und Aktivieren ist in der EP-Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 608 539 beschrieben. Diese Offenlegung ist hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Kohlenstoff-Vorläufer, die in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von Nutzen sind, schließen alle flüssigen oder verflüssigbaren kohlenstoffartigen Substanzen ein. Beispiele für nützliche Kohlenstoff-Vorläufer schließen duroplastische Harze, thermoplastische Harze (beispielsweise Polyvinylidenchlorid, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol und dergleichen), Zuckerlösungen, Furfuryl-Alkohol und Steinkohle-Teer ein.
Kohlenstoff-Vorläufer mit niedriger Viskosität (beispielsweise duroplastische Harze) werden bevorzugt, weil ihre niedrige Viskosität eine größere Penetration des Kohlenstoff-Vorläufers in poröse anorganische Substrate erlaubt. Typische Viskositätsbereiche für Harz liegen von ungefähr 50 bis ungefähr 1000 cps. Phenolharze werden auf Grund ihrer geringen Viskosität, hohen Kohlenstoff-Ausbeute, hohem Grad an Vernetzung nach Härten bezüglich anderer Vorläufer und geringer Kosten am meisten bevorzugt. Die Kohlenstoff-Vorläufer-Flüssigkeit, die im vorliegenden Verfahren verwendet wird, kann ein einzelnes Vorläufer-Material oder ein Gemisch aus zwei oder mehreren Vorläufer-Materialien einschließen. Wahlweise kann die Aktivkohle der Kohlenstoff-Vorläufer-Flüssigkeit zugesetzt werden, um das Adsorptionsvermögen der Aktivkohle-Struktur zu erhöhen.
Jedes Harz mit hoher Kohlenstoff-Ausbeute kann verwendet werden. Eine hohe Kohlenstoff-Ausbeute bedeutet, dass mehr als ungefähr 10% des Ausgangsgewichtes des Harzes nach Karbonisierung zu Kohlenstoff umgewandelt werden. Phenol- und Furan-Harze sind am meisten geeignet. Ein besonders geeignetes Furan-Flüssigharz ist Furcarb-LP von QO Chemicals Inc. Ein weiteres geeignetes Harz ist phenolisches Resol-Harz, wie beispielsweise 43250 Polyphen-Harz von Occidental Chemical Corp.
Das In-Berührung-Bringen wird durch irgendein Verfahren durchgeführt, das dazu geeignet ist, den Kohlenstoff-Vorläufer mit dem anorganischen Substrat in innige Berührung zu bringen. Beispielhafte Verfahren zum In-Berührung-Bringen schließen ein Eintauchen des Substrats in die Vorläufer-Lösung (oder Flüssigkeit) oder ein Aufsprühen der Vorläufer-Lösung (oder Flüssigkeit) direkt auf das Substrat ein.
Die Kohlenstoff-Vorläufer-Flüssigkeit penetriert in die verbindende Porosität des Substrates. Beispielsweise liegt bei Waben die Beschichtung auf den Außenoberflächen ebenso wie auf den Netzen oder Wänden vor.
Die tatsächliche Quantität von Kohlenstoff, der auf dem Substrat gebildet wird, hängt von der Menge des Kohlenstoff-Vorläufers ab, der vom Substrat zurückgehalten wird. Die Menge an Kohlenstoff-Vorläufern, die durch das Substrat gehalten wird, kann beispielsweise durch mehr als einmaliges In-Berührung-Bringen des Substrates mit dem Vorläufer und durch Trocknen lassen des Substrats zwischen den In-Berührung-Bring-Schritten, erhöht werden. Zusätzlich kann die durch das Substrat zurückgehaltene Vorläufer-Menge in porösen Substraten gesteuert werden, indem die Gesamt-Porosität des Substrates in einfacher Weise modifiziert wird (beispielsweise wird eine Zunahme der Porosität die Vorläufer-Menge, die vom Substrat zurückgehalten wird, erhöhen und wiederum die darauf gebildete Kohlenstoffmenge).
Das Substrat und der Kohlenstoff-Vorläufer werden dann Hitzebehandlungen unterworfen, um den Vorläufer zu härten, und danach wird der Vorläufer zu kontinuierlichem Kohlenstoff umgewandelt (karbonisiert). Das sich ergebende Kohlenstoff-beschichtete Substrat wird dann hitzebehandelt, um den Kohlenstoff zu aktivieren und um eine Aktivkohle-Struktur zu erzeugen.
Die Härtung wird typischerweise durch Erhitzen des beschichteten Substrats auf Temperaturen von ungefähr 100°C bis ungefähr 200°C für ungefähr 0,5 bis ungefähr 5,0 Stunden erreicht. Das Härten wird typischerweise in Luft bei atmosphärischen Drücken durchgeführt. Wenn bestimmte Vorläufer verwendet werden (beispielsweise Furfuryl-Alkohol) kann das Härten durch Zusetzen eines sauren Katalysators bei Raumtemperatur erreicht werden.
Die Härtungskatalysatoren können aus irgendwelchen in der Technik bekannten Katalysatoren bestehen. Ein typischer Härtungskatalysator ist Ammoniumchlorid, Ammoniumnitrat, Zinkchlorid, Citronensäure und Paratoluolsulfonsäure (PTSA) oder Kombinationen von diesen. Die bevorzugten Katalysatoren sind Zinkchlorid und PTSA, weil sich herausgestellt hat, dass diese die höchste Menge an Aktivkohle in der Struktur zur Folge haben, wenn alle anderen Faktoren konstant sind.
Das Karbonisieren ist die thermische Zersetzung bzw. Abbau des kohlenstoffartigen Materials, wodurch Niedermolekulargewichts-Spezies eliminiert werden (beispielsweise Kohlendioxid, Wasser etc.) und wodurch eine fixierte Kohlenstoffmasse und eine rudimentäre Porenstruktur im Kohlenstoff erzeugt wird.
Eine solche Umwandlung oder Karbonisierung des gehärteten Kohlenstoff-Vorläufers wird typischerweise durch Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 600°C bis ungefähr 1000°C für ungefähr 1 bis ungefähr 10 Stunden in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre erreicht (beispielsweise Stickstoff, Argon etc.).
Ein Härten und Karbonisieren des Kohlenstoff-Vorläufers auf dem Substrat hat eine Struktur zur Folge, mit einer Beschichtung, die sich über die gesamte Oberfläche des Substrats in Form einer im Wesentlichen ununterbrochenen Schicht aus Kohlenstoff erstreckt. Diese Kohlenstoff-Beschichtung wird in der Porosität des Substrates verankert und ist als Ergebnis hochanhaftend. Die obere Oberfläche der Kohlenstoff-Beschichtung ist eine ununterbrochene Schicht aus Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen.
Wie oben diskutiert wird, wenn eine verbindende Porosität im Substrat vorliegt, ein verzahntes Netzwerk an Kohlenstoff innerhalb der Zusammensetzung gebildet werden, was eine noch stärker anhaftende Kohlenstoff-Beschichtung zur Folge hat. Die Beschichtung aus ununterbrochenem Kohlenstoff, die sich über die äußere Oberfläche des gebildeten Substrats erstreckt, stellt eine Struktur mit den Vorteilen eines hohen Adsorptionsvermögens trotz eines relativ geringen Kohlenstoffgehaltes, hohe Festigkeit und hohe Anwendungstemperaturen bereit. Strukturen können gebildet werden, die Kohlenstoff in einer Menge von weniger als und bis zu ungefähr 50% und oftmals weniger als und bis zu ungefähr 30% des Gesamtgewichts des Substrates und des Kohlenstoffs enthalten.
Das Aktivieren wird durchgeführt, um das Volumen wesentlich zu vergrößern und um den Durchmesser der Mikroporen, die während der Karbonisierung gebildet werden, zu vergrößern, ebenso wie um eine neue Porosität zu erzeugen. Die Aktivierung erzeugt eine hohe Oberflächen-Fläche und verleiht der Struktur wiederum ein hohes Adsorptionsvermögen. Eine Aktivierung wird durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise Exponieren der Struktur gegenüber einem Oxidationsmittel, wie beispielsweise Dampf, Kohlendioxid, Metallchlorid (beispielsweise Zinkchlorid), Phosphorsäure oder Kaliumsulfid bei höheren Temperaturen (beispielsweise ungefähr 600° C bis 1000°C) durchgeführt.
Die Aktivkohle-Beschichtung der oben beschriebenen Aktivkohle-Struktur ist gegenüber einem Absplittern und Abblättern gegenüber hoch resistent, zeigt eine hohe Festigkeit und ist gegenüber hohen Temperaturen im Vergleich mit Kohlenstoff-Beschichtungen, die durch Eintauchen eines Substrats in einer Aufschlemmung von Aktivkohle und Bindemittel erzeugt wird, hoch resistent. Zusätzlich zeigen diese Kohlenstoffbeschichteten Strukturen höhere Adsorptionsfähigkeiten als extrudierte Kohlenstoff-Strukturen oder beschichtete Substrate, bei denen die Beschichtung direkt aus Kohlenstoff hergestellt wird. Die 1 und 2 zeigen einen Filter mit einer Kohlenstoffbeschichtung.
1 zeigt einen Filter (10) in Form einer Wabe mit Zellen (12), die wechselseitig bzw. alternierend in einem schachbrettartigen Muster verschlossen sind, wobei die Verschlüsse als (16) dargestellt sind. Die Beschichtung in der Porosität der Zellwände ist als (14) dargestellt.
2 ist eine Ansicht der Innenseite der Vorrichtung von 1, die die Zellen entlang ihrer Länge und den Verschluss einiger der Zellen darstellt.
Wegen dieser Eigenschaften sind die kontinuierlich beschichteten Filter und am vorteilhaftesten, die nicht-elektrisch leitenden Filter, ausgezeichnete Kandidaten zur Aufnahme von elektrisch leitenden Mitteln und zum Hindurchleiten eines gleichförmigen Stroms. 3 zeigt einen beschichteten Filter (10a) mit einer elektrisch leitenden Vorrichtung (18) zum Leiten von Strom durch die Vorrichtung.
In einer anderen Ausführungsform kann die Aktivkohle-Beschichtung durch die herkömmliche Technik aufgebracht werden, eine Aufschlemmung aus Aktivkohle-Teilchen und Bindemitteln, wie beispielsweise thermoplastischen oder duroplastischen Harz-Bindemittel mit dem Substrat in Berührung zu bringen. Diese Bindemittel können karbonisiert werden, um eine kontinuierliche Kohlenstoff-Beschichtung zu erzielen. Die Bindemittel müssen in einem solchen Anteil vorliegen, dass die Leitfähigkeit des Kohlenstoffs nicht beeinträchtigt wird. Zuviel Bindemittel kann die Teilchen aus Kohlenstoff beschichten und falls das Bindemittel-System eine höhere Beständigkeit gegenüber Elektrizität aufweist, kann es Hot-Spot-Probleme verursachen. Typischerweise sollte das Bindemittel weniger als ungefähr 15 Gew.-% des Kohlenstoffgewichtes und vorzugsweise weniger als ungefähr 10% hiervon betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung aus einer porösen anorganischen, beispielsweise keramischen Wabenstruktur hergestellt. Die Wände der Wabenstruktur sind porös und bilden das Teilchen-Filtrationsmedium. Die alternierenden Kanäle der Wabenstruktur werden derart blockiert, dass die Strömung durch die offenen Kanäle auf der Eintrittsfläche eintritt und durch die Wände der Wabe gezwungen wird und durch die offenen Kanäle auf der Austrittsfläche austritt. Die keramische, beispielsweise Kordierit- und/oder Mullit-Wabenstruktur wird mit Aktivkohle imprägniert. Die Aktivkohle adsorbiert kontaminierende Stoffe, beispielsweise organische Verbindungen im Durchflussstrom, während zur selben Zeit die kontrollierte Größe der Poren in der Waben-Substratwand eine Teilchenfiltration erreichen kann.
Ein Katalysator oder Katalysator-Vorläufer kann auf die Oberflächen zusammen mit der Aktivkohle oder Aktivkohle-Vorläufer beschichtet werden. US-Patentanmeldung SN 08/289 434, eingereicht am 12. August 1994, beschreibt einige bevorzugte Verfahren der Aufbringung von Katalysator-Metallen auf ein Substrat mit einem Kohlenstoff-Vorläufer. Diese Anwendung ist hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Der Vorteil eines Katalysators mit Aktivkohle besteht darin, dass man einen fertigen Reaktor für kontinuierliche Durchfluss-Reaktionen hat. Der Katalysator ist auf der Aktivkohle-Beschichtung in hohem Maße dispergiert. Ein Katalysator-Vorläufer ist typischerweise eine Verbindung, beispielsweise ein organisches oder anorganisches Salz eines Katalysator-Metalls, das sich bei Erhitzen zum Katalysator-Metall oder Katalysator-Metalloxid abbaut. Anorganische Verbindungen können beispielsweise Oxide, Salze, wie beispielsweise Chloride, Nitrate, Karbonate, Sulfate, komplexe Ammoniumsalze etc. sein. Organische Verbindungen können beispielsweise organometallische Halogenide des geeigneten Typs sein.
Typische Katalysator-Metalle sind Übergangs-Metall, Alkali-Metall, Erdalkali oder Kombinationen von diesen. Am nützlichsten sind die Edelmetalle, unedle Metalle oder irgend eine Kombination von diesen. In vorteilhafter Weise sind die Katalysator-Metalle Pt, Pd, Rh, Ag, Au, Fe, Co, Cr, Ni, Mn, Cu, Li, Mg, Ba, Mo, Ru, Os, Ir oder Kombinationen von diesen. Einige Beispiele für Katalysator-Metalle, obwohl diese Liste nicht allumfassend ist, sind V, Co, Cu, Ni oder Fe-Oxide, zur NO_x- und SO_x-Umwandlung, Edelmetalle und Cu, Zn, Co, Ni, Mn, Cr, Fe für eine Vielzahl chemischer Reaktionen etc.
Ein Katalysator-Metall, das besonders nützlich ist, ist Platin. Wenn Platin verwendet wird, wird es vorzugsweise mit dem Kohlenstoff-Vorläufer in Form eines komplexen Ammoniumsalz-Vorläufers wie beispielsweise Ammoniumchlorplatinat (NH₄)₂PtCl₄ kombiniert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Aktivkohle-Filter, das heißt ein Aktivkohle-beschichteter, nicht-elektrisch leitender Substratfilter mit oder ohne Katalysator mit einer elektrisch leitenden Einrichtung ausgestattet sein. US-Patentanmeldung SN 08/249 897, eingereicht am 26. Mai 1994, beschreibt einige bevorzugte Verfahren und Materialien, dies mit nicht-leitenden Filtern durchzuführen. Die Anmeldung ist hierin durch Bezugnahme wie eingereicht mit aufgenommen. In dieser Ausführungsform wird ein Vorteil aus den leitenden Eigenschaften des Kohlenstoffs gezogen. Mit der Passage eines elektrischen Stroms durch den Kohlenstoff erhitzt sich der Kohlenstoff auf eine vorher bestimmte Temperatur, abhängig vom Widerstand des Körpers und der angelegten Spannung.
Die elektrisch leitende Einrichtung ist so positioniert, dass sie dazu in der Lage ist, einen elektrischen Strom durch die Vorrichtung oder insbesondere durch den Kohlenstoff zu leiten, um den Kohlenstoff gleichförmig zu erhitzen. Die tatsächliche Positionierung der leitenden Einrichtung hängt vom Typ der Mittel und von der Gestaltung der Vorrichtung ab, und die Erfindung ist nicht auf einen speziellen Typ einer Leitvorrichtung oder Gestaltung eingeschränkt, solange der Strom eine gleichförmige Erhitzung der Vorrichtung ohne Hot-Spots erzeugt.
Im Allgemeinen muss die leitende Einrichtung einen spezifischen Widerstand von zumindest ungefähr 0,001 Ohm·cm, jedoch typischerweise zumindest ungefähr 0,01 Ohm und am typischten zumindest ungefähr 0,10 Ohm·cm bereitstellen. Für die meisten Zwecke der vorliegenden Anwendung ist der spezifische Widerstand zwischen ungefähr 0,10 Ohm·cm und 25 Ohm·cm.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der spezifische Widerstand des Körpers durch die Formel
definiert, wobei p der spezifische Widerstand in Ohm·cm ist, R der Widerstand in Ohm ist, A die Fläche einer leitenden Oberfläche in cm² ist und L die Distanz zwischen zwei leitenden Oberflächen in cm darstellt.
Die Spannungs- und Strom-Erfordernisse variieren abhängig von der Anwendung, und der spezifische Widerstand kann wie erwünscht gemäß der obigen Gleichung eingestellt werden. Wenn die Vorrichtung beispielsweise in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erhitzt werden soll, wie beispielsweise Luft für Automobil-Anwendungen, sollte die Spannung und der Strom bzw. die Stromstärke derart sein, dass die Temperatur so erhöht wird, so dass diese keinen Hot-Spot im Körper von mehr als ungefähr 350°Celsius mit sich bringt. Wenn die Vorrichtung in einer inerten oder nicht-reagierenden Atmosphäre erhitzt werden soll, beispielsweise in N₂, sollte die Spannung und die Stromstärke so sein, dass die Anhebung der Temperatur keinen Spot im Körper von mehr als ungefähr 1000° Celsius mit sich bringt.
Einige besonders bevorzugte leitende Materialien sind Metalle wie Kupfer, Silber, Aluminium, Zink, Nickel, Blei, Zinn und deren Legierungen, wobei Kupfer wegen dessen hoher Leitfähigkeit bevorzugt wird, die den Widerstand minimiert und weil es preiswert ist.
Die leitende Einrichtung liegt typischerweise entweder in Form eines Streifens des leitenden Materials oder in Form einer Elektrode oder einer Beschichtung eines leitenden Materials auf dem Monolithen-Filter vor. In dieser Erfindung betrifft der Begriff "leitende Beschichtung" die Beschichtung, die auf die Gesamtvorrichtung aufgebracht wird und wird dadurch von der Kohlenstoff-Beschichtung der Kohlenstoff-beschichteten Filter unterschieden.
Wenn eine Elektrode verwendet wird, kann diese durch Druckkontakt, beispielsweise durch eine Feder, aufgebracht werden. Oder ein Streifen eines leitenden Materiales kann verwendet und auf den Filter durch einen elektrisch leitenden Kleber befestigt werden, wie beispielsweise Silber enthaltende Epoxid-Harze, wie beispielsweise E-Solder #3012 und #3021 von Acme Chemicals und Insulation Corp.
Eine leitende Beschichtung ist kosteneffektiv und ergibt einen gleichförmigen Widerstandsweg, um Hot-Spots zu vermeiden.
Eine besonders geeignete Gestaltung besteht darin, das leitende Metall auf gegenüberliegende Oberflächen des Filters aufzubringen. Gegenüberliegende Oberflächen bedeutet Oberflächen, die gemäß der Gestaltung des Körpers so beabstandet sind, dass die Passage von Strom zwischen den leitenden Oberflächen einen Strom erzeugt, der den Kohlenstoff gleichförmig erhitzt.
Metallfilter können mit Elektroden, wie es üblicherweise in der Technik bekannt ist, für elektrisch erhitzte katalytische Vorrichtungen (EHC's) ausgestattet werden.
Die Vorrichtung kann mit einem Widerstand und einer Spannung versehen sein, die zur Erhöhung der Temperatur der Struktur abhängig von der für die spezielle Anwendung erforderlichen Hitze geeignet ist. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit der elektrisch leitenden Einrichtung kann in Anwendungen Verwendung finden, bei denen das Desorbieren adsorbierter Spezies stattfindet und somit die Vorrichtung zur Wiederverwendung regeneriert wird. In Adsorptions-Desorptions-Anwendungen kann die Temperatur-signifikant über die Desorptions-Temperatur der adsorbierten Spezies erhöht werden. Deswegen kann abhängig von der adsorbierten Spezies die Temperatur in einer solchen Weise gesteuert werden, dass sie eine Desorption der adsorbierten Spezies verursacht.
Diese Vorrichtung ist ebenfalls in Anwendungen von Nutzen, in denen Hitze bzw. Wärme die Leistung der Vorrichtung verbessert, wie bei der chemischen Reaktions-Katalyse oder bei denen elektrischer Strom die Leistung erhöht, wie bei der Abtötung von Mikroorganismen während der Wasserreinigung.
Die Vorrichtung kann bei mikrobiologischen Remediations-Anwendungen wie beispielsweise zur Haushaltswasser-Reinigung am Punkt des Eintrittes und bei leichten kommerziellen/industriellen Wasseranwendungen von Nutzen sein. Beispielsweise können Mikroorganismen im Wasser aus dem Wasser entfernt und in den Poren des Filters gehalten werden. Sie werden dann durch Leiten eines elektrischen Stromes durch die Vorrichtung abgetötet. Die Aktivkohle adsorbiert VOC's. Die VOC's werden durch elektrisches Heizen verflüchtigt, um die Aktivkohle zu regenerieren. Die hohe Kontaktoberfläche, kompakte Größe, hohe Durchflussgeschwindigkeiten, Vermögen, Elektrizität durch die Vorrichtung zu leiten, wenn sie in Betrieb ist, und das Vermögen diese zu regenerieren, sind alle wünschenswerte Merkmale der elektrisch heizbaren Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einem Katalysator mit der Aktivkohle und einer elektrisch leitenden Einrichtung findet Anwendung in der Entfernung von VOC und organischen Stäuben und bei der Katalyse und/oder Verbrennung und Desorbierung und/oder Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in chemischen Verfahren, in der chemischen Verfahrens-Katalyse über Erhitzen und in VOC-Verringerungs-Anwendungen.
Eine Vorrichtung kann aus einem multizellulären Aktivkohle-Körper hergestellt werden, der eine Eintritts- und Austritts-Oberfläche aufweist, wobei ein Teil der Gesamtzahl der Zellen an der Eintritts-Endfläche und der verbleibende Teil der Gesamtzahl der Zellen an der Austritts-Endfläche verschlossen ist. Hier ist, ebenfalls wie bei den Kohlenstoffbeschichteten Filtern, die bevorzugte Anordnung eine mit alternierenden Zellen, die auf einer gegebenen Endfläche verschlossen sind. Eine solche Vorrichtung ist in 4 als (20) dargestellt, die verschlossene und unverschlossene Zellen (22) aufweist und die die Verschlüsse als (24) darstellt.
Die multizellulären Aktivkohlekörper können irgendwelche von solchen sein, die in der Technik bekannt sind, und die Erfindung ist nicht auf solche beschränkt. Die bevorzugten Aktivkohlekörper sind Waben, vorzugsweise Waben, die aus Ausgangsmaterial-Gemischen von Aktivkohle oder Aktivkohle-Vorläufern extrudiert wurden, wie beispielsweise aus duroplastischen Harzen des vorher beschriebenen Typs.
Bei einem Verfahren der Herstellung eines Aktivkohle-Filters wird der Aktivkohlekörper zuerst aus einem Kohlenstoff-Vorläufer, wie beispielsweise einem duroplastischen Harz wie Phenol-Harz gebildet. Dies kann durch Bilden eines Gemisches des Harzes und von Bindemitteln durch Ausformung, beispielsweise Extrudieren zu einem Formkörper, durch Verschließen der ausgewählten Zellen mit Harz, gefolgt von Karbonisieren und Aktivieren gemäß wohlbekannter Verfahren durchgeführt werden. Alternativ kann das Verschließen nach dem Aktivieren durchgeführt werden.
Beispielsweise kann der Aktivkohle-Filter durch Formen, beispielsweise von Extrusionsgemischen aus Aktivkohle-Teilchen mit geeigneten Bindemitteln, wie beispielsweise verschiedenen Tonerden wie solchen hergestellt werden, die im US-Patent 4 518 704 offenbart sind oder durch Extrudieren einer Knetmasse, die ein duroplastisches Harz, ein wasserlösliches duroplastisches harzartiges Additiv als ein Bindemittel und eine Extrusionshilfe enthält, gefolgt von Trocknen und Hitzebehandlung, wie im US-Patent 4 399 052 offenbart, welche beiden US-Patente hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Der Aktivkohle-Filter kann ebenfalls durch Extrudieren eines Gemisches eines duroplastischen Harzes hergestellt werden, der entweder ein Feststoff ist, wie beispielsweise ein phenolisches Novolak oder eine Flüssigkeit wie beispielsweise ein phenolisches Resol, das eine hohe Viskosität, beispielsweise 100–1000 cps, hydrophile Füllmittel, temporäre organische Binder, beispielsweise Methylzellulose und/oder deren Derivate und wahlweise Extrusionshilfen, beispielsweise Natriumstearat, Trocknen der geformten Form und Härten des Harzes und Karbonisieren und Aktivieren des Kohlenstoffs zur Bildung des Filters hergestellt werden kann. Diese Ausführungsformen sind in der US-Anmeldung SN 08/395 224 offenbart, eingereicht am 27. Februar 1995 und sind hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Sowohl für flüssige als auch feste Harzsysteme muss das Füllmittel hydrophil sein, um für die Flüssigkeiten im System leicht befeuchtbar zu sein. Die Füllmittel sind am typischsten eine Sauerstoff enthaltende, beispielsweise Oxid-Substanz und sind deswegen relativ preiswert.
Die Füllmittel können faserförmig sein. Faserförmige Füllmittel ergeben typischerweise eine höhere Festigkeit und Steilheit für eine Struktur im Vergleich zu einer teilchenförmigen Struktur. Gemäß dieser Erfindung bedeutet faserförmig bzw. faserig eine Länge von bis zu 1 cm und vorzugsweise bis zu ungefähr 500 Mikrometer. Der Durchmesser ist bis zu ungefähr 500 Mikrometer, vorzugsweise bis zu ungefähr 100 Mikrometer und am meisten bevorzugt bis zu ungefähr 10 Mikrometer.
Abhängig davon, ob das Harz flüssig oder fest ist, werden die Typen an Füllmittel, die verwendet werden müssen, variieren.
Die Verwendung entweder flüssiger oder fester Harze alleine präsentierte bestimmte Probleme, die gelöst werden mussten.
Beispielsweise weist ein Flüssigharz eine sehr geringe Viskosität auf und erfordert einen gewissen Typ an Füllmittel, der extrudierbar sein muss.
Elementare Kohlenstoff-Füllmittel können zur Bildung eines extrudierbaren Ansatzes verwendet werden, jedoch weisen solche Strukturen bei der Karbonisierung eine schlechte Festigkeit auf, weil das Kohlenstoff-Füllmittel nicht an das Harz bindet.
Für flüssige Harz-Systeme wurde herausgefunden, dass der Zusatz eines hydrophilen karbonisierbaren (im Wesentlichen organischen) Füllmittels, mit oder ohne hydrophobem organischem Füllmittel (vorzugsweise faserig) notwendig ist, um eine gute Waben-Extrusion zu bilden. Ein hydrophiles organisches faserförmiges Füllmittel ermöglicht es dem flüssigen Harz, die faserige Struktur in hohen Beschickungsniveaus zu infiltrieren. Das Gemisch weist eine gute Starrheit auf und wird einfach in Wabenform extrudiert und hält die Form beim Karbonisieren aufrecht. Anorganische hydrophile Füllmittel, vorzugsweise mit einer faserartigen Morphologie, können ebenfalls mit flüssigen Harzen zusätzlich zum karbonisierbaren Füllmittel verwendet werden. Gemische an organischen und anorganischen Füllmitteln haben eine optimierte Festigkeit und Starrheit des endgültigen Kohlenstoffproduktes zur Folge, ebenso wie eine Minimierung der Kosten. Anorganische Füllmittel minimieren ebenfalls eine Schrumpfung und ein Verziehen.
Sowohl natürliche als auch synthetische karbonisierbare Füllmittel können verwendet werden. Einige natürliche Materialien sind Weichhölzer, beispielsweise Kiefer, Fichte, Redwood etc., Harthölzer, beispielsweise Esche, Buche, Birke, Ahorn, Eiche etc., Sägespäne, Schalenfasern, beispielsweise gemahlene Mandelschale, Kokosnuss-Schale, Aprikosen-Kernschale, Erdnuss-Schale, Pekan-Schale, Walnuss-Schale etc., Baumwollfasern, beispielsweise Baumwollflocken, Baumwollfasern, Zellulosefasern, Baumwollsamenfasern, gehackte pflanzliche Fasern, beispielsweise Hanf, Kokosnussfaser, Jute, Sisal und andere Materialien wie beispielsweise Maiskolben, Zitruspulpe (getrocknet), Sojamehl, Torfmoos, Weizenstroh, Wollfasern, Mais, Kartoffeln, Reis und Tapioca etc. Einige synthetische Materialien sind regenerierte Zellulose, Seidenfasern, Zellophan etc.
Einige Beispiele für karbonisierbare Füllmittel, die besonders für Flüssigharze geeignet sind, sind Zellulose, Baumwolle, Holz und Sisal oder Kombinationen von diesen, die alle vorzugsweise in Form von Fasern vorliegen.
Ein besonders geeignetes karbonisierbares Faserfüllmittel ist Zellulosefaser, wie sie von der Iriternational Filler Corporation, North Tonowanda, N.Y., vertrieben wird. Dieses Material weist die nachfolgende Sieb-Analyse auf: 1–2% auf 40 Mesh (420 Mikrometer), 90–95% durch 100 Mesh (149 Mikrometer) und 55–60% durch 200 Mesh (74 Mikrometer).
Einige anorganische Füllmittel, die verwendet werden können, sind Sauerstoff enthaltende Mineralien, wie beispielsweise Tonerden, Zeolyte, Talkum etc., Karbonate, wie beispielsweise Calciumkarbonat, Aluminosilikate, wie beispielsweise Kaolin (eine Aluminosilikat-Tonerde), Flugasche (eine Aluminosilikat-Asche, die nach Kohleverfeuerung in Fabriken gewonnen wurde), Silikate, beispielsweise Wollastonit (Calciummetasilikat), Titanate, Zirkonate, Zirkoniumoxid, Zirkoniumoxid-Spinell, Magnesiumaluminium-Silikate, Mullit, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidtrihydrat, Spinell, Feldspat, Attapulgite und Aluminium-Silikatfasern, Kordierit-Pulver etc.
Einige Beispiele für besonders geeignete anorganische Füllmittel sind Kordierit-Pulver, Talk, Tonerde und Aluminosilikat-Fasern, wie sie beispielsweise von Carborundum Corp. Niagara Falls, N.Y., unter dem Namen Fiberfax vertrieben werden und Kombinationen von diesen. Fiberfax Aluminosilikat-Fasern messen ungefähr 2–6 Mikrometer Durchmesser und ungefähr 20–50 Mikrometer Länge.
Hydrophobe organische Füllmittel stellen eine zusätzliche Stütze für die Formstruktur bereit und erbringen bei Karbonisierung eine Wandporosität, weil sie im Allgemeinen einen sehr geringen Kohlenstoff-Rückstand zurücklassen. Einige hydrophobe organische Füllmittel sind Polyacrylonitril-Fasern, Polyester-Fasern (Flocken), Nylon-Fasern, Polypropylen-Fasern (Flocken) oder Pulver, Acrylfasern oder Pulver, Aramid-Fasern, Polyvinyl-Alkohol etc.
Im Allgemeinen muss die Teilchen- oder Fasergröße der Füllmittel derart sein, dass sie dazu in der Lage sind, durch die jeweilige Düse beim Formen von dünnwandigen Strukturen, wie beispielsweise Waben, hindurchzupassen. Beispielsweise wurde herausgefunden, dass zur Extrusion einer 0,15 mm (6 mil) Wandwabe durch eine Düse, die 152 Mikrometer Öffnungen aufweist, bis zu ungefähr 420 Mikrometer lange Zellulose-Fasern gut arbeiten. Dieses Beispiel ist lediglich veranschaulichend, und es sollte verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf die Füllmittel mit spezifischer Größe für spezifische Größenstrukturen beschränkt ist.
Für sowohl feste als auch flüssige Harze macht das Füllmittel bis ungefähr 10 bis 85 Gew.-% des Gemisches aus (einschließlich jedes zugesetzten Wassers). Das Gewichtsverhältnis von Füllmittel zu Harz ist im Allgemeinen ungefähr 0,2 bis 4,0.
Ein Flüssigharz-Gemisch, das für die vorliegende Erfindung geeignet ist, besteht im Wesentlichen aus in Gew.-% ungefähr 2 bis 50% Zellulosefasern, ungefähr 4 bis 10% organischem Bindemittel, das typischerweise Methylzellulose ist und/oder aus Methylzellulose-Derivaten, 0 bis ungefähr 15% hydrophobem organischen Füllmittel, wie beispielsweise Polyesterflocken, Polypropylenflocken oder -Pulver, Acrylfasern oder – Pulver etc., 0 bis ungefähr 2% Gleitmittel, beispielsweise Seife, wobei der Rest Phenol-Resol ist.
Besonders vorteilhaft besteht des Flüssigharzgemisch im Wesentlichen aus in Gew.-% ungefähr 20 bis 35% Zellulosefasern, ungefähr 4 bis 10% und besonders typischerweise ungefähr 3 bis 7% organisches Bindemittel, das Methylzellulose sein kann und/oder dessen Derivate, 0 bis ungefähr 2,0% Gleitmittel, beispielsweise Seife und der Rest ist Phenol-Resol.
Die obigen Zusammensetzungen können zusätzlich ungefähr 5 bis 60% oder besonders vorteilhafterweise ungefähr 10 bis 30% Kordierit-Pulver-Füllmittel einschließen.
Ein weiteres nützliches Flüssigharzgemisch besteht im Wesentlichen aus in Gewichtsprozent ungefähr 2 bis 50% Zellulosefasern, ungefähr 30 bis 45% anorganischem Füllmittel, das irgend eines einer Kombination aus Kordierit-Pulver, Tonerde und Talk sein kann, ungefähr 4 bis 10% organischem Bindemittel, das Methylzellulose sein kann und/oder aus dessen Derivaten, 0 bis ungefähr 2% Gleitmittel, beispielsweise Seife, wobei der Rest Phenol-Resol ist.
Die Zusammensetzung besteht vorteilhafterweise im Wesentlichen in Gew.-% aus ungefähr 9 bis 25% und am typischsten ungefähr 10 bis 15% Zellulosefasern, ungefähr 30 bis 45% anorganischem Füllmaterial, das Tonerde sein kann, beispielsweise Hydrit-Tonerde, Talkum oder Kordierit-Pulver oder Kombinationen von diesen, ungefähr 4 bis 10% organischem Bindemittel, das Methylzellulose und/oder dessen Derivate sein kann, ungefähr 0 bis 2,0%, beispielsweise Seife, und der Rest ist phenolisches Resol.
Solche Zusammensetzungen sind für Flüssigharz-Systeme von Vorteil, weil die karbonisierbaren hydrophilen Materialien wie beispielsweise Zellulosefasern das Flüssigharz einsaugen und einen steifen Ansatz bilden, der extrudiert werden kann. Zusätzlich erzielen sie bei Karbonisierung Kohlenstoff, was eine zusätzliche Adsorptionskapazität nach sich zieht. Das anorganische Füllmittel reduziert die Schrumpfung bei Karbonisierung und verleiht Festigkeit und Steifheit und reduziert die Ansatzkosten.
Festes Phenolharz (Novolak) ist bei Raumtemperatur fest, schmilzt jedoch bei ungefähr 60 bis 75°C. Die Härtungstemperatur ist jedoch ungefähr 150°C. Wenn das extrudierte Produkt erhitzt wird, um das Harz bei ungefähr 150°C zu härten, kollabiert die Struktur bei ungefähr 75°C.
Für feste Systeme versteift das Füllmittel die Struktur während der Erweichung des Harzes vor dem Härten. Das Füllmittel kann entweder karbonisierbar oder ein anorganisches Material sein. Eine Kombination aus anorganischem und karbonisierbarem Material wird bevorzugt. Hydrophobe organische Füllmittel sind ebenfalls in festen Harzgemischen erwünscht. Die Vorteile von karbonisierbaren und hydrophoben organischen Füllmitteln wurden bereits an früherer Stelle diskutiert.
Das bevorzugte feste Harz ist Novolak.
Die karbonisierbaren und anorganischen Füllmittel sind dieselben, wie sie oben für die Flüssigharze beschrieben wurden. Für feste Harze sind faserförmige anorganische Füllmittel besonders bevorzugt.
Eine nützliche feste Harzgemisch-Zusammensetzung besteht im Wesentlichen aus in Gewichtsprozent ungefähr 2 bis 50% Zellulosefaser, ungefähr 5 bis 50% anorganischem Füllmittel, das Kordierit-Pulver, Talkum oder Kombinationen von diesen sein kann, ungefähr 5 bis 10% organisches Bindemittel, das Methylzellulose und/oder dessen Derivate sein kann, 0 bis ungefähr 15% hydrophobes organisches Füllmittel, wie beispielsweise Polyester-Flocken, Polypropylen-Flocken oder Pulver, Acrylfasern oder -Pulver etc., 0 bis ungefähr 2% Gleitmittel, beispielsweise Seife, und der Rest ist Novolak.
Die feste Harzgemisch-Zusammensetzung besteht besonders vorteilhaft im Wesentlichen aus in Gew.-% ungefähr 8 bis 22% und typischerweise ungefähr 8 bis 12% Zellulosefaser, ungefähr 15 bis 30% anorganisches Füllmittel, das Kordierit-Pulver und/oder Talkum sein kann, ungefähr 5 bis 10% organisches Bindemittel, das Methylzellulose und/oder seine Derivate sein kann, 0 bis 3% und typischerweise ungefähr 0,5 bis ungefähr 2% Gleitmittel, beispielsweise Seife, wobei der Rest Novolak ist.
Eine weitere nützliche feste Harzgemisch-Zusammensetzung besteht im Wesentlichen aus in Gew.-% ungefähr 5 bis 50% Aluminosilikat-Faser, ungefähr 5 bis 50% karbonisierbares Füllmittel, ungefähr 4 bis 10% organisches Bindemittel, das Methylzellulose und/oder seine Derivate sein kann, ungefähr 1 bis ungefähr 3% Gleitmittel, wobei der Rest Novolak ist.
Besonders vorteilhaft besteht die Mischungszusammensetzung im Wesentlichen aus in Gew.-% ungefähr 8 bis 15% Aluminosilikat-Faser, ungefähr 5 bis 20% hydrophobes organisches Füllmittel, beispielsweise Polyesterflocken, ungefähr 4 bis 10% organisches Bindemittel, das Methylzellulose und/oder seine Derivate sein kann, ungefähr 1 bis ungefähr 3% Gleitmittel, beispielsweise Seife, und der Rest ist Novolak.
Die Gemisch-Bestandteile werden gemischt. Am typischsten werden Trockenbestandteile vermischt, nachdem diese mit den flüssigen Bestandteilen in einem Müller-Mischer vermischt wurden. Wasser wird zugesetzt falls notwendig, um das Gemisch zur Extrusion behandelbar zu machen. Das Gemisch wird dann extrudiert. Eine herkömmliche Extrusions-Vorrichtung kann verwendet werden. Beispielsweise kann die Extrusion unter Verwendung einer hydraulischen RAM-Extrusionspresse oder eines zweistufigen entlüftenden Einbohrer-Extruders oder eines Zweischrauben-Mischers mit einer Düsenvorrichtung, die am Ausstoß-Ende angebracht ist, durchgeführt werden. Beim letzteren werden die geeigneten Schraubenelemente gemäß dem Material und anderer Prozessbedingungen ausgewählt, um einen ausreichenden Druck aufzubauen, um das Chargen-Material durch die Düse zu drücken.
Die Formkörper werden dann getrocknet. Das Trocknen kann in Luft bei Raumtemperatur bis 80°C oder in dielektrischen oder Mikrowellen-Trocknern durchgeführt werden.
Die getrockneten Körper werden dann in der geformten Form durch Erhitzen unter den speziellen Temperaturen und Zeitbedingungen, die für das spezielle Harz erforderlich sind, gehärtet. Das Härten kann dann in einem konventionellen Ofen durchgeführt werden. Standard-Härtungsbedingungen sind in der Literatur des Herstellers zu finden. Beispielsweise wird für das phenolische Resol 43290 von Occidental Chemical Corp. der Körper in Luft auf ungefähr 140–155°C erhitzt. Die Endtemperatur wird langsam erreicht, so dass der Körper sich nicht verzieht. Beispielsweise wird der Körper zuerst auf ungefähr 90–100°C, dann auf ungefähr 120–130°C erhitzt und bei dieser Temperatur für ungefähr 1–2 Stunden gehalten. Er wird dann auf ungefähr 140–155°C erhitzt und für ungefähr 30 Minuten bis 2 Stunden zum End-Härten gehalten. Das Härten kann ebenfalls in einem dielektrischen- oder Mikrowellen-Ofen durchgeführt werden.
Die Karbonisierung wird durch Erhitzen des Körpers in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon oder Formiergas durchgeführt. Formiergas ist ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff. Typische Gemische pro Volumen sind 92 : 8 oder 94 : 6 N₂ : H₂, obwohl jedes Gemisch verwendet werden kann. Die Karbonisierungs-Temperaturen sind ungefähr 600°C bis 1000°C oder besonders typisch ungefähr 700 bis 1000°C für eine Zeitspanne von üblicherweise ungefähr 1–20 Stunden. Während der Körper sich in einem Temperaturbereich von ungefähr 300–600°C befindet, verdampfen die flüchtigen Materialien. Während der Karbonisierung trennen sich Verbindungen mit niederem Molekulargewicht und Kohlenstoff-Atome aus den Graphit-Strukturen ab. Beispielsweise wird für das phenolische Resol-Harz 43290 von Occidental Chemical Corp. und für Furan Furcarb Resin von QO Chemicals eine Karbonisierung durch Erhitzen in einer Geschwindigkeit von ungefähr 150°C/Stunde in N₂ durchgeführt. Die Temperatur wird bei ungefähr 900°C für ungefähr 6–10 Stunden gehalten, um die Karbonisierung abzuschließen. Die Temperatur wird dann auf 25°C bei einer Abkühlgeschwindigkeit von ungefähr 150°C/Stunde reduziert. Bei der Karbonisierung enthält der Körper zufällige dreidimensional orientierte Graphit-Plättchen mit amorphem Kohlenstoff zwischen den Plättchen.
Die Aktivierung wird durch teilweises Oxidieren in einem geeigneten Oxidationsmittel wie beispielsweise CO₂, Dampf, Luft oder in einer Kombination von diesen etc. durchgeführt. Die Aktivierung kann bei Temperaturen zwischen ungefähr 700°C bis 1000°C durchgeführt werden. Die Aktivierungsbedingungen hängen vom Typ und der Menge des Harzes, der Strömungsgeschwindigkeit des Gases etc. ab. Beispielsweise sind für phenolisches Resol und Furcab-Harze die Aktivierungsbedingungen bei ungefähr 900° Celsius für eine Stunde in CO₂ bei einer Durchflussgeschwindigkeit von ungefähr 14,2 Uhr (ungefähr 0,5 CFH (ft.³/Stunde)). Die Teiloxidation während der Aktivierung verursacht die Entfernung des amorphen Kohlenstoffs und die Bildung einer Porosität von Molekulargröße zwischen den Graphit-Plättchen. Diese Porosität und die Graphit-Plättchen verleihen dem sich ergebenden Aktivkohle-Körper die Adsorptions-Eigenschaften.
Der multizelluläre Aktivkohlekörper wird dann durch Verschließen ausgewählter Zellen an den Eintritts- und Austrittsflächen in der Weise hergestellt, die bereits früher für den anorganischen Filter beschrieben wurde. Es wird hier ebenfalls bevorzugt, dass die Zellen, wie vorher beschrieben, alternierend verschlossen werden.
Das Verschlussmaterial kann irgend ein Material sein, das an der Aktivkohle anhaften wird, wie beispielsweise Polymermaterialien, Harz etc. Das Verschließen kann durch bekannte Techniken der Maskierung der Zellen, die offen sein sollen und durch Aufbringen des Verschlussmaterials auf die Zellen, die verschlossen werden sollen, durchgeführt werden. Der Harzverschluss wird ebenfalls karbonisiert und aktiviert und bildet einen stabil anhaftenden Verschluss.
Bei der Herstellung der Aktivkohlefilter kann Katalysator-Material dem Formungsgemisch zugesetzt werden oder es kann auf dem Körper nach der Aktivierung waschbeschichtet werden, um einen katalysierten Aktivkohlefilter-Körper zu bilden.
Weiterhin kann der Aktivkohlekörper katalysiert oder unkatalysiert, wie vorher beschrieben, für Aktivkohle-beschichtete anorganische Filter elektrisch leitend gemacht werden. 4 zeigt einen Aktivkohlefilter mit einer elektrisch leitenden Einrichtung (26) zum Hindurchleiten eines elektrischen Stromes.
Um die Erfindung vollständiger zu veranschaulichen, werden die nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiele präsentiert. Alle Teile, Anteile und Prozentsätze sind auf Gewichtsbasis, soweit nichts anderes angegeben ist.
Beispiel 1
Eine Kordierit-Wabe mit ungefähr 15 Zellen/cm² (ungefähr 100 Zellen/in²) und ungefähr eine 0,5 mm (20 mil) Wanddicke mit einer Wand-Offenporigkeit von ungefähr 47% wurde mit alternierenden Kanälen erzeugt, die an den beiden Enden blockiert waren. Die Enden wurden mit Kordierit-Zement blockiert und die Wabe wurde gebrannt, um starke Verschlüsse am Ende der Kanäle zu erzielen. Die Wabe wurde dann in phenolisches Resol-Harz mit einer Viskosität von ungefähr 100 cps eingetaucht. Das Harz beschichtete die gesamte Struktur. Die sich ergebende beschichtete oder imprägnierte Wabe wurde dann bezüglich überschüssigem Harz ablaufen gelassen und darauf bei ungefähr 80°C getrocknet und dann bei ungefähr 150°C gehärtet, um das Harz zu verfestigen. Diese Wabe wurde dann einer Karbonisierung bei ungefähr 900°C in Stickstoff für ungefähr 5 Stunden unterworfen. Das Harz karbonisiert mit ungefähr 50% Kohlenstoffausbeute. Der Kohlenstoff wurde dann bei ungefähr 900°C mit Kohlendioxid aktiviert.
Ein Wasserstrom wurde vom einen Ende der Struktur her eingebracht und strömte durch die Wände und trat durch das andere Ende über die offenen Kanäle aus. Eine beträchtliche Wasserströmung wurde bei niedrigem (12,7 cm oder 5'' Wasser) Druckabfall erzielt.
Beispiel 2
Ein Experiment wurde mit einem repräsentativen Gemisch eines Alkans, Alkens, aromatischen Kohlenwasserstoffs und chlorierten Kohlenwasserstoffs durchgeführt, um die Effizienz bzw. Leistungsfähigkeit zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen zu zeigen. Eine Wasserlösung, die ungefähr 12 ppm von jeweils Chloroform, Trichlorethan, Trichlorethylen und Toluol enthielt, wurde mit der in Beispiel 1 beschriebenen Wabe in Berührung gebracht. Im sich ergebenden behandelten Wasser fiel die Konzentration jeder der obigen Verbindungen unter das Nachweislimit der GC/MS-Einheit (3 ppm) ab. Dieses Experiment beweist, dass eine Vielzahl organischer Verbindungen durch den Filter entfernt werden kann.
Beispiel 3
Kordierit-Waben verschiedener Zusammensetzungen wurden hergestellt und ihre gesamte Wand-Porosität (Vol.-%) ebenso wie die mediane Porengröße wurde über Quecksilber-Porosimetrie gemessen.
Die Daten sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
TABELLE
Das Beispiel zeigt, dass Waben mit Porengrößen hergestellt werden können, die von ungefähr 0,5 Mikrometer bis 15 Mikrometer variieren. Falls dies erwünscht ist, können Waben mit Porengrößen von ungefähr 0,05 bis 50 Mikrometer hergestellt werden.
Die obigen Beispiele zeigen, dass die Teilchen- und VOC-Filtrations-Vorrichtung mit Eigenschaften hergestellt werden kann, dass sie zu jeder speziellen Anwendung passt.

Claims

Vorrichtung zum Erzielen einer kombinierten Filtration von teilchenförmigem Material und Entfernung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC), wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: einen anorganischen monolithischen porösen Teilchenfilter (10), der einen vielzelligen Monolithen mit Eintritts- und Austrittsflächen und eine Matrix aus porösen Wänden umfasst, die eine Vielzahl von Zellen (12) definieren, die sich in Längsrichtung und wechselseitig dadurch hindurch zwischen den Eintritts- und Austrittsflächen erstrecken, wobei ein Teil der Gesamtzahl der Zellen an der Eintrittsendfläche verschlossen ist und der verbleibende Teil der Gesamtzahl der Zellen an der Austrittsendfläche des Monolithen verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (10) eine kontinuierliche ununterbrochene Beschichtung aus Aktivköhle (14) umfasst, die über der Außenoberfläche und in den Poren des Filters verteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Filter aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Filter aus einem Material hergestellt ist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Cordierit, Mullit und Kombinationen hiervon besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin elektrisch leitende Mittel (26) auf dem Filter zur Leitung eines elektrischen Stromes durch die Vorrichtung umfasst.
Vorrichtung zur Herstellung einer Vorrichtung zum Erzielen einer kombinierten Filtration von teilchenförmigem Material und Entfernung von VOC, wobei das Verfahren folgendes umfasst: a) Bereitstellen eines anorganischen monolithischen Filters (10), der eine multizelluläre Struktur mit Eintritts- und Austrittsendflächen und eine Matrix aus porösen Wänden um fasst, die eine Vielzahl von Zellen (12) definieren, die sich in Längsrichtung und wechselseitig parallel dadurch hindurch zwischen den Eintritts- und Austrittsendflächen erstrecken, wobei ein Teil der Gesamtzahl der Zellen an der Eintrittsendfläche verschlossen ist und der verbleibende Teil der Gesamtzahl der Zellen an der Austrittsendfläche des Monolithen verschlossen ist; b) Imprägnieren der Poren des Filters mit einem Kohlenstoff-Vorprodukt; c) Härten des Kohlenstoff-Vorprodukts; d) Karbonisieren des gehärteten Kohlenstoff-Vorprodukts zur Bildung einer gleichförmigen anhaftenden kontinuierlichen Beschichtung aus Kohlenstoff auf dem Filter; und e) Aktivieren des Kohlenstoffs zur Bildung einer kontinuierlichen Beschichtung aus Aktivkohle (14) auf dem Filter und Ausbilden der Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Kohlenstoff-Vorprodukt ein Phenol-Resol oder ein anderes Duroplast ist.
Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen aus einem Arbeitsstrom, der durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 strömt, umfassend die folgenden Schritte: a) Leiten des Arbeitsstromes in die offenen Zellen der Vorrichtung an der Eintrittsfläche und durch die porösen Wände, so daß eine Entfernung von Verunreinigungen aus dem Arbeitsstrom verursacht wird; und danach b) Leiten des sich ergebenden gereinigten Arbeitsstromes durch die offenen Zellen an der Austrittsfläche aus der Vorrichtung heraus.
Verfahren nach Anspruch 7, das den weiteren Schritt umfasst, die Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der Vorrichtung in ausreichender Weise zu erhitzen, um flüchtige Verunreinigungen zu desorbieren, wobei die flüchtigen Verunreinigungen durch die offenen Zellen der Austrittsfläche aus der Vorrichtung heraustreten und die Vorrichtung zur Wiederverwendung regeneriert wird.
Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion, wobei das Verfahren ein Durchleiten eines Arbeitsstromes, der Reaktanten enthält, durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst, die darauf einen Katalysator zum Umsetzen der Reaktanten aufweist.