DE102015004154A1

DE102015004154A1 - Verfahren zur Herstellung von dotierten katalytisch aktiven Formaktivkohlen

Info

Publication number: DE102015004154A1
Application number: DE102015004154.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dotierten katalytisch aktiven Formaktivkohlen. Die erfindungsgemäß hergestellte Formaktivkohle wird erhalten, indem aus einem mit Dotierungsreagenzien in-situ-angereicherten und vermahlenen Kohlenstoffträger und einem Bindemittel, welches ebenfalls mit einem mit Dotierungsstoffen versetztes und somit in-situ-funktionalisiertes Bindemittel zur pressfähigen Masse vermischt wird, die verpresst, getrocknet, karbonisiert und anschließend mittels eines Aktivierungsgases aktiviert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dotierung von Formaktivkohlen zur Herstellung von chemisorptiven und katalytisch wirksamen Formaktivkohlen zur Reinigung von Gasen.
Aktivkohlen, insbesondere mikroporöse Aktivkohlen mit einem Porenanteil von > 30% an Poren < 2 nm werden häufig zur Gasreinigung eingesetzt. Dabei ist die Aktivkohle ein Adsorbens und der Prozess der Bindung von Stoffen oder Stoffgruppen die Adsorption. Es ist bekannt, dass adsorptive Prozesse nur mit unpolaren Stoffen einhergehen. Polare Stoffe oder Verbindungen werden nicht oder nur schlecht durch Adsorption gebunden. Letztere können oftmals durch die Ein- bzw. Aufbringung von katalytischen Substanzen (Dotierung oder Imprägnierung) chemisorptiv, also durch Stoffumwandlung in dem Porensystem der Aktivkohlen gefasst werden. Klassisches Beispiel dafür ist die Entfernung von Schwefelwasserstoff aus technischen Gasströmen mittels katalytischer Aktivkohle.
Innerhalb der Technologie der Imprägnierung werden fertige Formaktivkohlen von Außen mit einem Imprägnierungreagenz versehen, somit wird ein Teil der durch das Porensystem bereitgestellten inneren Oberfläche beschichtet. Diese Beschichtung stellt die Grundlage für eine Chemisorption von polaren Stoffen (z. B. Schwefelwasserstoff) dar. ( US 5,024,682 , US 4,075,282 sowie US 5,540,759 )
Mittels einer Dotierung von Formaktivkohlen werden vor der Formgebung der Vorprodukte Dotierungsreagenzien zu dem Kohlenstoffträgen und dem Bindemittel dazu gegeben. Die Dotierungsreagenzien können in fester oder flüssiger Form beigegeben werden. Es werden keine Mikroporen verschlossen. ( DE 10 2006 025 450 A1 )
Bei dem Verfahren der nachträglichen Imrägnierung von Formaktivkohlen wird ein Teil der Mikroporen verschlossen und steht nicht mehr für die Sorptionsprozesse zur Verfügung. Die Imprägnierung kann nur mittels flüssiger oder gasförmiger (Sublimation) Imprägnierungsstoffe erfolgen. Das gesamte bestehende Porensystem steht demnach nicht zur katalytischen Chemisorption zur Verfügung.
Die Herstellung von dotierter Aktivkohle beinhaltet explizit die Vermischung von vermahlenen Kohlenstoffträger, einem Bindemittel und einem Dotierungsreagenz. Dabei kann das Dotierungsreagenz flüssig (in gelöster Form) oder fest in Pulverform, beigegeben werden. Dabei gibt es Grenzen derart, welche die Verdrängung des Kohlenstoffträgers, die Konzentration oder die Dispersität der Dotierungsstoffe und die absolute Menge einhergehend mit sich verschlechternden physikalischen Eigenschaften beinhalten. Diese Bedingungen setzen dieser Technologie natürliche Grenzen in der Anwendung. Insbesondere ist die Neigung zur Selbstentzündung von herkömmlich dotierten Formaktivkohlen durch die physisch große Menge von bestimmten Dotierungsreagenzien einhergehend.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Dotierungsverfahren für Formaktivkohlen derart bereitzustellen, dass der Anteil der chemisorptiven Substanzen in der Formaktivkohle innerhalb des Kohlenstoffgerüstes verringert wird, wobei die Leistungsfähigkeit der Formaktivkohle für die Chemisorption dadurch nicht vermindert, sowie die Selbstentzündungsneigung deutlich gesenkt werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine verbesserte Dotierung der Aktivkohle erreicht, wenn die Dotierungsstoffe nicht zusätzlich zu der Mischung beigegeben werden. Dabei kann der Kohlenstoffträger selbst bereits auf natürlichem Wege einen hohen Anteil an Dotierungsstoffen beibringen. Die Dotierungsreagenzien sind Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle aus der 1. und/oder 2. Hauptgruppe, sowie deren chemische Verbindungen.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, durch Verfahren wie z. B. Kalzinierung, Dotierungsstoffe in den noch nicht vermahlenen Kohlenstoffträger hoch dispers einzubringen. Dabei bekommt man zusätzlich ein besser ausgeprägtes Primärporensystem im Kohlenstoffgerüst, welches zu einer weiteren Leistungssteigerung der Aktivkohle führt. Entsprechend werden die wichtigen Dotierungsstoffe natürlich oder technisch derart in das Kohlenstoffgerüst verbracht, so das diese hoch dispers, also ,in-situ' vorliegen.
Nutzt man ergänzend oder separat dazu ein mit Dotierungsstoffen versetztes und somit funktionalisiertes Bindemittel, erhält man in Art und Menge der Einbringung hochgradig verteilte katalytische Zentren in der Aktivkohlematrix. Dabei wird die Menge des absoluten Kohlenstoffes in der Mischung derart positiv beeinflusst, da weiterhin keine Zusatzstoffe in die Mischung verbracht werden. Somit wird der Anteil an fixen Kohlenstoff in der Aktivkohle und damit die Adsorptionsleistung in der Folge größer. Da das funktionalisierte Bindemittel direkt über dem Weg der Karbonisierung während des Herstellungsprozesses der Aktivkohle zur Kohlenstoffmatrix übergeht, kann man hier ebenfalls von einer ,in-situ' Einbringung der Dotierungsstoffe in die Kohlenstoffmatrix sprechen.
Es wurde erkannt, dass eine in-situ-Dotierung wie beschrieben zu vergleichbaren oder höheren Ergebnissen in der katalytischen Entfernung von polaren Spurenelementen in Gasen führt. Dabei kann man völlig auf die aufwändige zusätzliche Beibringung von Dotierungsreagenzien im Herstellungsprozess von Formaktivkohlen verzichten. Das Herstellungsverfahren wird vereinfacht. Die Wirkweise und Vorteile einer Dotierung bleiben erhalten oder werden verstärkt. Dabei führt diese in-situ-Dotierung zu einer erheblich höheren Dispersität und noch besseren Verteilung der Dotierungsstoffe in der Kohlenstoffmatrix der Aktivkohle, einem höheren Kohlenstoffanteil (C-Fix) und größeren Porenvolumina in der Aktivkohle.
Die Selbstentzündungsneigung konnte deutlich durch die beschriebene in-situ-Dotierung vermindert werden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachfolgend mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei wird ein natürlicher Kohlenstoffträger mit einem bereits deutlich erhöhten Anteil von etwa 2% von Elementen der Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle aus der 1. und/oder 2. Hauptgruppe verwendet.
Dieser natürliche Kohlenstoffanteil wird mit einem mit Natriumhydroxid funktionalisierten mineralischen Bindemittel im Verhältnis 1:3 mit dem Kohlenstoff auf übliche Weise vermischt und in Form von Pellet mit einem Durchmesser von 4 mm verpresst. Anschließend wurden diese Pellets karbonisiert und mittels Wasserdampf aktiviert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5024682 [0003]
US 4075282 [0003]
US 5540759 [0003]
DE 102006025450 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung von dotierten katalytisch aktiven Formaktivkohlen, herstellbar aus einer pressfähigen Masse die aus einem vermahlenen kohlenstoffhaltigen Material und einem Bindemittel besteht, die verpresst, getrocknet, karbonisiert und anschließend mittels eines Aktivierungsgases aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem mit Dotierungsreagenzien in-situ-angereicherten vermahlenen Kohlenstoffträger und einem Bindemittel, welches ebenfalls mit einem mit Dotierungsstoffen versetztes und somit in-situ-funktionalisiertes Bindemittel vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsreagenzien sind Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle aus der 1. und/oder 2. Hauptgruppe, sowie deren chemische Verbindungen.
Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass die in-situ-Dotierung des Kohlenstoffträgers und des Bindemittel durch einen natürlichen oder technischen Prozess herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass die in-situ-Dotierung entweder durch den Kohlenstoffträger oder das Bindemittel herbeigeführt wird.