DAWOUD, Belal (Nuhnestrasse 2, Winterberg, 59955, DE)
CHMIELEWSKI, Stefanie (Steubergasse 11, Frankenberg, 35066, DE)
VAN HEYDEN, Hendrik (Ravensburger Strasse 36, Augsburg, 86150, DE)
KLASCHINSKY, Heike (Berndorfer Strasse 11, Cölbe, 35091, DE)
NANOSCAPE AG (Am Klopferspitz 19, Planegg-Martinsried, 82152, DE)
SAUER, Jürgen (Dall'Armi Str. 44, München, 80638, DE)
DAWOUD, Belal (Nuhnestrasse 2, Winterberg, 59955, DE)
CHMIELEWSKI, Stefanie (Steubergasse 11, Frankenberg, 35066, DE)
VAN HEYDEN, Hendrik (Ravensburger Strasse 36, Augsburg, 86150, DE)
KLASCHINSKY, Heike (Berndorfer Strasse 11, Cölbe, 35091, DE)
| Patentansprüche 1. Adsorberelement , umfassend ein Trägermaterial (1) auf dem mit einem Bindermaterial (2) Adsorbentpartikel (3) als Ad- sorberschicht angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , dass die als Suspension aufgebrachte Adsorberschicht anorganische Fasern (4) enthält und das Bindermaterial (2) kolloidal ausgebildet ist. 2. Adsorberelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das kolloidale Bindermaterial (2) aus einem anorganischen, inerten Stoff gebildet ist. 3. Adsorberelement nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass das kolloidale Bindermaterial (2) wahlweise aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid besteht. 4. Adsorberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass als Adsorbentpartikel (3) wahlweise Zeolith, Silika- gel , Alumina oder Aktivkohle verwendet wird. 5. Adsorberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Adsorberschicht eine Dicke von 300 bis 500 Mikrometer aufweist. 6. Adsorberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Adsorberschicht einen Masseanteil an Adsorbentpar- tikeln (3) von mehr als 50%, vorzugsweise 70%, besonders bevorzugt 80% bis 85%, aufweist. 7. Adsorberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die als Suspension aufgebrachte Adsorberschicht einen Gasbildner enthält. 8. Adsorberelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass der Gasbildner wahlweise aus einer reaktiven und/oder flüchtigen Substanz gebildet ist. 9. Adsorberelement einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Fasern (4) aus einem inerten Stoff gebildet sind. 10. Adsorberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn z e i chne t , dass die Fasern (4) unterschiedlich lang ausgebildet sind. 11. Adsorberelement einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Fasern (4) eine Länge von 80 bis 120 Mikrometern aufweisen. 12. Adsorberelement einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Fasern (4) einen Durchmesser von bis zu 12 Mikrometern aufweisen. 13. Adsorbereiement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass die Fasern (4) gut wärmeleitend, vorzugsweise als Kohle- oder Glasfasern oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ausgebildet sind. 14. Adsorberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , dass das Trägermaterial (1) aus Metall, insbesondere aus Aluminium, gebildet ist. 15. Verfahren zur Herstellung eines Adsorberelements , wobei auf ein Trägermaterial (1) mit einem Bindermaterial (2) Adsor- bentpartikel (3) als Adsorberschicht aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet , dass die Adsorberschicht als zu trocknende Suspension aus dem kolloidal ausgebildeten Bindermaterial (2), den Adsor- bentpartikel (3) und anorganischen Fasern (4) auf das Trägermaterial (1) aufgebracht wird. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass die Suspension auf das Trägermaterial (1) wahlweise aufgesprüht, aufgestrichen oder durch Eintauchen aufgebracht wird. 17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet , dass der Suspension Wasserstoffperoxid und ein Wasserstoffperoxid zersetzender Katalysator zugesetzt wird. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadur ch gekenn z e i chne t , dass der Suspension in homogener Verteilung und in einem Massenanteil von wenigen Prozent Carbon Nanotubes zugesetzt werden . |
Adsorberelements
Die Erfindung betrifft ein Adsorberelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Adsoberelements gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.
Ein Adsorberelement der eingangs genannten Art wird zum Beispiel bei Wärmepumpen auf so genannter Adsorbentbasis (zum Beispiel: Silikagal, Aktivkohle oder auch Zeolith [dann Molekularsiebbasis geannt] ) verwendet. Solche Adsorbente (Molekularsiebe) zeichnen sich zumeist dadurch aus, dass sie Kältemittel (zum Beispiel Wasser) in einer reversiblen Reaktion aufnehmen und bei Wärmezufuhr wieder abgeben. Dies liegt an der ausgeprägten Porenstrukur dieser Materialklasse, zu der auch die Zeolithe gerechnet werden. Bei der Kältemittelaufnahme wird Wärme abgegeben und zur Kältemittelabgabe wird umgekehrt Wärme benötigt. Die Wärmetönung der jeweiligen Reaktion, Kältemitteladsorption (Adsorbent gibt Wärme ab) oder Kältemit- teldesorption (Adsorbent nimmt Wärme auf), kann, wie erwähnt, in Wärmepumpen ausgenutzt werden. Hierzu ist es notwendig, dass Wärme effizient zum oder vom Adsorbent transportiert werden kann. Ebenso muss der Adsorbent Kältemittelmolekülen zugänglich sein, d. h. seine Porenstruktur darf nicht verstopft oder blockiert sein.
Adsorbente sind im Allgemeinen kristalline Festörper, deren Partikelgröße meist im Bereich einiger Mikrometer liegt. Vorteilhaft für den Einsatz in einer Wärmepumpe ist eine gute Anbindung dieser Adsorbentpartikel an ein Material sehr guter Wärmeleitfähigkeit, wie es zum Beispiel Aluminium oder Kupfer darstellt. Da Adsorbentpartikel im allgemeinen nicht auf Me- tall haften, ist der Einsatz von Haftvermittlern (Bindermate- rialien) , welche die Partikel untereinander und mit dem Metall verkleben, notwendig. Diese Haftvermittler müssen zwei Kriterien erfüllen. Sie sollten die Adsorption vom Kältemittel in den Adsorbent nicht behindern und dürfen allgemeiner die Funktion der Wärmepumpe nicht behindern. Sie sollen zudem aus umweltverträglichen und wirtschaftlich durchsetzbaren Materialien bestehen.
Die Wärmepumpe arbeitet unter reinem Kältemitteldampfdruck bei unterschiedlichen Temperaturen. Erhöhung des in der Wärmepumpe vorhandenen Drucks führt durch das Vorhandensein von Inertgasen zu einer Leistungsminderung der Wärmepumpe bis hin zu einem völligen Versagen. Aus diesem Grund darf die Adsorbent- schicht keinerlei Gase während einer angestrebten Lebensdauer von 15 Jahren freisetzen, d. h. insbesondere der eingesetzte Haftvermittler (Bindermaterial) darf keinerlei Gase freisetzen.
Um Adsorbentschichten auf Metall aufzubringen, ist gemäß der DE 33 47 700 C2 die Anwendung von Metallgewirken (Metallwollen) zur Darstellung von Zeolithformkörpern vorgesehen. Zeo- lithsuspensionen werden mit einem Bindemittel in Metallgewirke gegossen und getrocknet, wobei die Metallgewirke an Metallwandungen, zum Beispiel von einer Wärmepumpe, befestigt sein können. Die Methode wird allerdings in der DE 44 05 669 Al vom selben Anmelder als unzureichend beschrieben. So löst sich das Metallgewirk mit Zeolith bei zyklischen Beanspruchungen von den Metallwandungen.
In der DE 44 05 669 Al wird eine Methode zur Beschichtung von Metallen mit Zeolithsuspensionen beschrieben, wobei als Bindermaterial kommerzielle Hochtemperaturbindermaterialien wie zum Beispiel "GunGum" der Firma Holst zum Einsatz kommen. Dieser Ansatz weist mindestens drei Nachteile auf: "GunGum" ist ein Material auf Wasserglasbasis, einem Alkalisilikat. Dem Fachmann ist aber bekannt, dass die Wasserbeständigkeit von Alkalisilikaten schlecht ist. Bei einer Langzeitbelastung, bei der zyklisch Wasser am Bindematerial bzw. dem Alkalisilikat kondensiert und Hitze einwirkt, kommt es zu einer Hydrolyse des Alkalisilikats. Damit geht eine Abnahme der Festigkeit, eine Versprödung des Silikats einher, so dass die Bindefähigkeit abnimmt und es zu einer Degradation der Adsorbentschicht kommen kann. Ein weiteres Problem liegt in der Alkalinität von Alkalisilikaten, da viele Adsorbente, unter ihnen seien die Familien der Alumophosphate, der Silicoalumophosphate und der siliziumreichen Zeolithe genannt, von alkalischen Stoffen angegriffen bzw. aufgelöst werden. Insbesondere das Molekular- sieb (Adsorbent) mit der Bezeichnung "FAM" der Firma Mitsubishi, welches sich besonders gut für den Einsatz in einer Wärmepumpe eignet, wird von alkalischen Stoffen und somit auch von "GunGum" angegriffen. Das dritte Problem beim Einsatz von "GunGum" oder von anderen Alkalisilikaten als Bindematerial sind schließlich die in diesen Materialien häufig auftretenden Carbonatverunreinigungen. Diese rühren daher, dass alkalische Stoffe bei Luftkontakt das in der Luft in geringen Mengen vorhanden Kohlendioxid absorbieren und sich bei diesem Prozess das entsprechende Alkalicarbonat bildet. Bei einer Langzeitbelastung einer mit einem solchen Binder hergestellten Schicht kann es dann zu einer Abspaltung von Kohlendioxid aus den gebildeten Alkalicarbonaten kommen, welches den Druck innerhalb der Wärmepumpe erhöht und somit zu einer Leistungsverminderung führt .
Werden andere, nicht auf Alkalisilikaten aufgebauten Hochtemperaturbinder verwendet, treten andere Probleme auf. So enthält zum Beispiel der Hochtemperaturbinder Sauereisenzement Typ 8 der Firma SeppZeug GmbH keine Alkalisilikate, sondern Magnesiumoxid, Magnesiumphospat und Zirkonsilikat . Wird jedoch dieses Material als Bindemittel eingesetzt, so treten massiv Schwundrisse auf. Schwundrisse haben allgemein ihre Ursache in der Volumenabnahme der erstarrenden Suspension durch das Verdampfen von Flüssigkeit, sie können zum Beispiel häufig bei eingetrockneten, lehmigen Flussufern beobachtet werden. Die Adsorbentschicht haftet sehr instabil auf Aluminiumblech und fällt bei leichten Erschütterungen sofort ab. Das gleiche Problem tritt bei dem Hochtemperaturbinder Ceramabond der Firma Kager GmbH auf. Dieser Binder enthält ebenso wie der Sauereisenzement Typ 8 keine Alkalisilikate, sondern insbesondere Korund in feiner Partikelgröße. Versuche zeigen, dass mit diesem Binder hergestellte Adsorbentschichten ebenfalls zahlreiche Schwundrisse besitzen und bei einer Temperaturbelastung (16O 0 C) sofort vom Metall abplatzen.
Prinzipiell kann die Performance, und das heißt vor allem die Stabilität von Molekularsiebschichten durch den Einsatz von Glaswollevliesen wie ebenfalls in DE 44 05 669 Al beschrieben, verbessert werden. Hierzu wird ein Glaswollevlies direkt auf Metall aufgebracht und dann mit der Molekularsieb/Binder Suspension verklebt. Nachteilig bei diesem Ansatz ist, dass ein solches Glaswollevlies nur bei gut zugänglichen Geometrien des Metallkörpers angewendet werden kann.
Weitere Patente und Veröffentlichungen beschäftigen sich mit der Darstellung von Zeolithschichten auf unterschiedlichen Substraten, wobei organische Haftvermittler eingesetzt werden, oder die Zeolithschicht in einem langwierigen Prozess auf einem Substrat aufwächst.
Organische Haftvermittler haben den inhärenten Nachteil, dass durch Abbaureaktionen der organischen Stoffe innerhalb der Wärmepumpe über lange Zeiträume Ausgasungen auftreten können, welche dann die Funktion der Wärmepumpe beeinträchtigen. Dies geschieht vor dem Hintergrund, dass die Schichten im zyklischen Betrieb der Wärmepumpe Temperaturen von über 150 0 C aus- gesetzt werden und organische Stoffe bei diesen Temperaturen zur Zersetzung neigen.
Gemäß der WO 2002/045847 A2 ist zum Beispiel eine unter dem Einsatz von organischen Polymerbindern dargestellte Zeolith- schicht vorgesehen.
In JP 63291809 A, JP 59213615 A, DE 693 20 195 T2 und DE 103 09 009 Al werden Methoden beschrieben, mit denen Zeolithe direkt auf Substraten aufwachsen. Hierzu werden zum Beispiel Aluminiumoxidsubstrate (JP 63291809 A) , Glas (JP 59213615 A) , Keramik (DE 103 09 009 Al) oder auch Metalle oder Metalllegierungen wie Aluminium oder Stahl (DE 693 20 195 T2 ) in eine reaktive Syntheselösung gebracht bei der es zu einem teilweisen Auflösen der Substrate kommen kann. Das aufgelöste Substrat kann dann in entstehenden Zeolithkristallen inkorporiert werden, welche direkt auf dem noch nicht aufgelösten Substrat haften bleiben.
Mit diesen Methoden werden sehr gut haftende, dünne Zeolith- schichten erhalten. Der Nachteil liegt darin, dass die Herstellungsmethode nicht generell bei allen Substratmaterialien angewandt werden kann und sehr aufwändig ist. So müssen zu beschichtende Formkörper (die Substrate) in Reaktoren eingebracht werden und typischerweise über einen Zeitraum von mehreren Tagen bei hohen Drücken und Temperaturen gehalten werden. Gerade unbehandeltes und reaktives Aluminium, wie es für diese Herstellungsmethode sehr vorteilhaft ist, ist aber in Wärmepumpen unerwünscht, weil es über einen längeren Zeitraum zur sogenannten Wasserstoffkorrosion kommen kann. Bei dieser Korrosionart reagiert Wasser mit Aluminium unter Bildung von Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumoxidhydroxid und/oder Aluminiumoxid und Wasserstoff. Die Bildung von Wasserstoff ist aber in einer Wärmepumpe höchst unerwünscht, da durch dieses Gas der Betriebsdruck der Wärmepumpe erhöht wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Adsorberelement bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines Adsorberelements der eingangs beschriebenen Art zu verbessern.
Diese Aufgabe ist mit einem Adsorberelement der eingangs genannten Art gegenständlich gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Verfahrensmäßig lösen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 14 diese Aufgabe
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, beliebig geformte Körper (insbesondere Metallkörper) mit Adsorbentpar- tikeln dauerhaft und stabil zu beschichten. Es kann aufgrund der eingesetzten Bindermaterialien zu keinerlei Ausgasungen während des Wärmepumpenbetriebs kommen.
Erfindungsgemäß werden insbesondere Metallkörper durch das Aufbringen einer flüssigen, bevorzugt wässrigen Suspension und einem anschließenden Trocknungsvorgang beschichtet. Dabei enthält die Suspension neben der flüssigen Phase Adsorbentparti- kel, Fasern und ein kolloidales Bindemittel.
Als Kolloide (von griechisch kolla "Leim" und eidos "Form, Aussehen") werden dabei Teilchen oder Tröpfchen bezeichnet, die in einem anderen Medium (Feststoff, Gas oder Flüssigkeit), dem Dispersionsmedium, fein verteilt sind. Das einzelne Kolloid ist typischerweise zwischen 1 Nanometer und 10 Mikrometer groß. Sind sie beweglich (z. B. in einem flüssigen Dispersionsmedium) , so zeigen Kolloide meist Brownsche Bewegung.
Sowohl die Fasern als auch das kolloidale Bindemittel werden aus der Klasse der anorganischen, inerten oder weitgehend inerten Stoffe ausgewählt, so dass es zu keinerlei chemischen Reaktionen und/oder Ausgasungen während des Wärmepumpenbetriebs kommen kann. AIs kolloidale Bindemittel für das Verkleben von Adsorbent- partikeln werden dabei zum Beispiel kolloidale Siliziumoxide oder kolloidale Aluminiumoxide/hydroxide verwendet.
Fasern werden eingesetzt, um der Schicht Elastizität und Festigkeit zu verleihen und um Schwundrisse zu vermeiden, da solche insbesondere beim Trocknen der Suspension entstehen können.
Da die Schicht fortwährend Temperaturänderungen ausgesetzt ist, kommt es zu Spannungen zwischen den verschiedenen vorhandenen Materialien, d. h. Metall, Haftvermittlern, Fasern und Adsorbent. Diese Stoffe besitzen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und erfahren deshalb bei Erwärmung unterschiedliche Volumen- und Längenänderungen, woraus die erwähnten Spannungen resultieren. Um eine dauerhafte Festigkeit der Schicht zu erzielen, ergibt sich daraus, dass die Schicht in Grenzen elastisch sein muss - sie muss "atmen" können. Um mit relativ spröden Materialien wie zum Beispiel Glas ein gewisses Relaxationsvermögen der Schicht zu erhalten, wird das jeweilige eingesetzte Bindermaterial bevorzugt in Faserform eingesetzt .
Die maximal mögliche Biegung einer Faser bis zum Bruch ist entscheidend von dem Durchmesser der Faser abhängig. Je dünner eine Faser ist, desto stärker kann sie gebogen werden ohne zu brechen und desto elastischer verhält sich eine Schicht als Ganzes, in die diese Fasern eingebettet sind. D. h. auch mit spröden, oxidischen Materialien wie zum Beispiel Glas lassen sich in Maßen elastische, biegsame Materialien herstellen, wenn sie als Fasern verarbeitet werden. So ist zum Beispiel ein Trinkwasserglas ein spröder, zerbrechlicher Gegenstand, Glaswolle dagegen besitzt eine recht hohe Biegsamkeit. Ein einzelner Glaswollefaden kann zum Beispiel auf eine Rolle gewickelt werden, ohne dass er bricht.
Erfindungsgemäß können besonders vorteilhaft Fasern verschiedener Größenordnungen verwendet werden. Größere Fasern vermitteln über große Entfernungen der Schicht Stabilität und Elastizität, während kleinere Fasern über kleine Entfernungen die einzelnen Adsorbentpartikel untereinander und mit den größeren Fasern und dem Substrat verbinden (siehe auch Figur 1, die schematisch den Aufbau einer solchen Schicht zeigt) .
Der Einsatz von Fasermaterialien bietet zwei weitere Vorteile. Einmal ist eine in sich durch Fasern vernetzte Schicht wenig störanfällig. Löst sich zum Beispiel an einer Stelle durch starke mechanische Beanspruchung die Schicht vom Metall ab, bleibt sie doch im Ganzen auf der Substratfläche haften, da andere Stellen noch für genügend Haftung sorgen können.
Der zweite Vorteil liegt in der Wärmeleitfähigkeit der Schicht. Diese ist neben der Haftung und Elastizität entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung des Gesamtkonzepts . Werden Fasern mit einer guten Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, wird die Wärmeleitfähigkeit der gesamten Schicht erhöht.
Ein kolloidaler Binder ist als Klebstoff notwendig, um Fasern, Adsorbentpartikel und Substrat bzw. Metalloberfläche auf molekularer Ebene miteinander zu verbinden. Er besitzt gegenüber gängigen Klebstoffen den Vorteil, dass er weder organisch sein muss - im Handel erhältliche Klebstoffe wie zum Beispiel Uhu, Epoxidharz, Pattex etc. -bestehen aus organischen Stoffen mit den erwähnten Nachteilen - noch, dass er die Poren des Adsor- bents komplett oder auch teilweise verkleben kann. Eine vollständige Verklebung der Adsorbentporen ist bei Anwendung in einer Wärmepumpe zu vermeiden, weil so der Adsorbent daran gehindert wird, Kältemittel zu ad- oder desorbieren. Ein möglicher Nachteil der aufgezeigten Technik mit Hilfe von Fasern eine teilelastische Schicht zu erstellen, ist die eventuell erzeugte bevorzugte Orientierung von Fasern durch gerichtete Scherkräfte während des Auftragungsprozesses . Eine solche bevorzugte Orientierung kann dazu führen, dass Schwundrisse während des Trocknungsvorgangs der Suspension auftreten. Generell kann die mechanische Verstärkung der Adsorbentschicht nur in Richtung der Längsachse der Fasern erfolgen. Da die Schicht aber während thermischer Belastung anisotrop - in allen Raumrichtungen - Belastungen unterworfen wird, ist eine statistische Verteilung der Fasern vorzuziehen. Eine solche statistische Verteilung kann weitgehend dadurch erreicht werden, dass die Suspension auf das jeweilige Substrat gesprüht wird, was zu unregelmäßig wirkenden, schwachen Scherkräften führt. Fasern können sich so nicht mehr gerichtet orientieren. Ein zweiter Weg liegt in der Zugabe eines Gasbildners, welcher der Suspension zugesetzt wird, und welcher während des Trocknungsvorgangs der Suspension homogen verteilt in der Schicht vorliegt und durch Gasblasenbildung zu einer statistisch verteilten Orientierung der Fasern führt. Treten aus der noch flüssigen Suspension vor dem Trocknen Gasblasen aus, führen diese zu einer unregelmäßigen und statistisch verteilten Ver- wirbelung der Suspension, wodurch sich die vorhandenen Fasern wie gewünscht unregelmäßig verteilen. Die Gasblasenbildung führt zusätzlich zu einer Auflockerung der getrockneten Schicht, sich bildende Kavitäten und Kanäle erleichtern die Diffusion von Wassermolekülen, erschweren aber auf der anderen Seite den Wärmetransport innerhalb der Schicht.
Der Gasbildner ist aus der Gruppe der reaktiven und/oder flüchtigen Substanzen auszuwählen, so dass nach dem Trock- nungsprozess der Suspension kein Gas mehr gebildet wird, welches die Funktion der Wärmepumpe beeinflussen könnte. Weitere Vorteile und Details der Erfindung sind:
1. Fest haftende Schichten können dadurch erhalten werden, dass gemahlene Fasern einer mittleren Länge von etwa 100 Mikrometern und einem Durchmesser von 5-12 Mikrometern mit Adsorbentpulver innig vermischt werden und ein kolloidaler Binder auf Aluminiumoxid/Siliciumoxidbasis hinzugegeben wird. Die entstandene, wässrige Suspension wird nochmals innig durchmischt und dann auf ein beliebiges Substrat aufgetragen. Nach einem Trocknungsvorganghaften diese Schichten auf unterschiedlichen Materialien mit einer hydrophilen Oberfläche wie zum Beispiel Kupfer, Glas, Aluminium, Porzellan.
2. Fest haftende Schichten mit einer gesteigerten Porosität können wie unter 1. beschrieben erhalten werden, wenn der Suspension, welche Fasern, Adsorbentpartikel und kolloidalen Binder enthält, etwas Wasserstoffperoxid und ein das Wasserstoffperoxid zersetzender Katalysator, wie zum Beispiel Eisen (III) chlorid hinzugesetzt wird. Wasserstoffperoxid zersetzt sich gemäß der nachfolgenden Gleichung
H 2 O 2 -> H 2 O + 1/2 O 2
Der entstehende Sauerstoff entweicht und führt beim Trocknen der Schicht zu Poren, welche etwa 50 Mikrometer groß sind.
Eisen (III) chlorid ist hier nur als Beispiel für einen das Wasserstoffperoxid zersetzenden Katalysator angegeben, es existieren eine Vielzahl weiterer geeigneter Katalysatoren, welche je nach Begebenheit ausgewählt werden können. Als weitere Beispiele seien genannt: MnO 2 , kolloidales MnO 2 , MnCl 2 , Fe(OH) 2 , Fe(OH) 3 , kollidales Fe(OH) 3 . Beson- ders die Anwendung kolloidaler Formen von bestimmten Übergangsmetallhydroxiden/Oxiden kann vorteilhaft sein, weil diese für die Zersetzung von H 2 O 2 eine hohe kataly- tische Aktivität besitzen, also nur in sehr geringen Mengen zugegeben werden müssen, und weil sie bei genügender Größe der Katalysatorpartikel nicht in die Adsorbentporen eindringen können, was zu einer Leistungsminderung führen könnte .
3. Fest haftende Schichten mit einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit können wie unter 1. beschrieben erhalten werden, wenn als Fasern gut wärmeleitende Fasern wie zum Beispiel Kohlefasern eingesetzt werden.
4. Fest haftende Schichten mit einer weiter verbesserten Wärmeleitfähigkeit können wie unter 1. beschrieben dadurch erhalten werden, wenn Carbon Nanotubes (bzw. Kohlenstoff-Nanoröhrchen) in einem Masseanteil von wenigen Prozent hinzugefügt und homogen in der Suspension verteilt werden. Bevorzugt werden hydrophilisierte Multiwall CNTs (Carbon Nanotubes) eingesetzt.
5. Fest haftende Schichten mit einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit und mit einer erhöhten Porosität können wie unter 4. hergestellt werden, wenn zusätzlich zur Suspension etwas Wasserstoffperoxid und etwas Eisen ( III ) chlorid als Zersetzungskatalysator zur Suspension gegeben wird, wobei Eisen (III) chlorid nur ein Beispiel für einen derartigen Zersetzungskatalysator ist (siehe auch Punkt 2) .
Der Vollständigkeit halber wird noch auf folgenden, weiter abliegenden Stand der Technik hingewiesen:
Aus der DE 10 2006 028 372 Al ist ein Wärmeübertrager bekannt, bei dem eine Vielzahl von Fasern mit einem wärmeleitenden Haftfilm auf einer Wand befestigt werden. Gemäß einer Ausfüh- rungsform sind dabei die einzelnen Fasern mit einem Sorptionsmittel belegt. Ein Adsorberelement bzw. ein Verfahren, bei dem die Adsorberschicht in Form einer Suspension aufgebracht wird, ist in dieser Schrift nicht offenbart.
Aus der DE 10 2005 000 022 Al ist ein sorbierender Formkörper sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung bekannt. Das verwendete Pulver bzw. die verwendeten Granalien sind bei dieser Lösung aber nicht in Form einer Schicht, sondern als so genanntes Haufwerk (Gemisch aus festen Partikeln, die lose vermengt oder fest miteinander verpresst oder verbacken sind) innerhalb eines Käfigs angeordnet.
Das erfindungsgemäße Adsorberelement sowie das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Adsorberelements wird nachfolgend anhand einiger Beispiele näher erläutert.
Beispiele :
Alle Substrate wurden vor Beschichtung sorgfältig gereinigt und entfettet. Bei Aluminiumsubstraten wurde mit Beizentfetter entfettet .
Alle in den Beispielen a) bis e) dargestellten Adsorbent- Schichten haften fest auf den verwendeten Aluminiumblechen und lösen sich auch bei thermischer Belastung nicht von den Blechen. Zur ersten Überprüfung der jeweils erreichten Festigkeit wurden die beschichteten Bleche mehrmals thermischen Schocks unterworfen. Sie wurden hierzu in einem Ofen auf etwa 160 0 C gebracht und umgehend in einen Eimer gefüllt mit Eiswasser gegeben. Danach wurde die Prozedur bis zu dreimal wiederholt. In weiteren Experimenten wurden die Schichten mit Hilfe eines speziellen Testaufbaus auf 120 0 C und nach 10 Minuten auf 2O 0 C gebracht. Beim Aufheizen wurde trockene Luft und beim Abkühlen feuchte Luft über die Proben geströmt. Nach 15.000 Zyklen dieser Art wiesen die Proben keinerlei Stabilitätsprobleme auf.
Die mittlere Schichtdicke der erstellten Schichten liegt bei etwa 350 bis 450 Mikrometern.
Der Adsorbentanteil liegt bei allen in den Beispielen einschließlich der Vergleichsbeispiele dargestellten Schichten bei 70% (Masseanteil) bezogen auf vollständig hydratisierten Adsorbent .
a) Darstellung einer fest haftenden Molekularsiebschicht auf Aluminiumblech unter Einsatz von FAM-Molekularsieb der Firma Mitsubishi: Neun Gramm des hydratisierten FAM-MoIe- kularsiebs wurden mit 2,5g gemahlenen Kohlefasern mit einem Durchmesser von ~7 Mikrometern (=μm) und einer mittleren Länge von etwa 100 Mikrometern innig verschmischt . Es wurden 4g deionisiertes Wasser hinzugegeben. Nach Zugabe von 4,3g wässrigem, kolloidalem, mit Aluminiumoxid beschichtetem Siliciumoxid mit einem Feststoffgehalt von 30% (Gew.%) wurde die pastöse Mischung durch Verreiben homogenisiert. Die entstandene Suspension wurde auf Aluminiumblech verstrichen. Die Suspension wurde bei Raumtemperatur getrocknet. Die getrocknete Schicht wurde bei 150 0 C in einem Ofen für 6 bis 12 Minuten getempert.
b) Darstellung einer fest haftenden Molekularsiebschicht auf Aluminiumblech unter Einsatz von Molekularsieb DDZ-70 von UOP: Es wurde wie unter a) beschrieben verfahren. Es wurde statt FAM-Molekularsieb der Firma Mitsubishi das Molekularsieb DDZ-70 der Firma UOP eingesetzt.
c) Darstellung einer fest haftenden Molekularsiebschicht unter Einsatz von Molekularsieb FAM der Firma Mitsubishi und Glasfasern auf Aluminiumblech: Es wurde wie unter a) be- schrieben verfahren, allerdings wurden statt Kohlefasern gemahlene Glasfasern mit einem Durchmesser von 6 Mikrometern und einer Länge von etwa 100 Mikrometern verwendet.
d) Darstellung einer fest haftenden Molekularsiebschicht unter Einsatz von Molekularsieb FAM der Firma Mitsubishi und Kohlefasern mit einer erhöhten Porosität auf Aluminiumblech: Es wurde wie unter a) beschrieben vorgegangen, mit dem Unterschied, dass vor dem Auftragen auf Aluminiumblech genug Wasserstoffperoxid und Molare Eisen (III) chlorid Lösung beigemischt wurden, so dass die fertige Schicht eine hinreichende Porosität aufweist und dass nach dem Beimischen von Wasserstoffperoxid die Suspension innerhalb von 10 Minuten verstrichen wurde.
e) Darstellung einer fest haftenden Molekularsiebschicht unter Einsatz von Molekularsieb FAM der Firma Mitsubishi und Kohlefasern sowie Carbonnanotubes auf Aluminiumblech: Zur Darstellung dieser Schichten wurde wie unter a) beschrieben verfahren, es wurden aber statt 0,4g Wasser 0,4g einer Carbonnanotube (CNT) haltigen, wässrigen Lösung zugesetzt. Hierzu wurden die CNTs hydrophil isiert .
f) Darstellung einer fest haftenden Molekularsiebschicht unter Einsatz von FAM-Molekularsieb der Firma Mitsubishi auf den Substraten Glas, Kupfer und Porzellan: Es wurde wie unter a) verfahren, allerdings wurden folgende Substrate beschichtet: Standard-Objektträger für die Mikroskopie, Kupferblech und Porzellan. Die Beschichtungen haften fest auf den jeweiligen Substraten und lassen sich nur unter starker mechanischer Einwirkung ablösen (zum Beispiel mit einem Meißel) . Sie lösen sich auch bei thermischer Schockbelastung nicht von den Substraten. So konnten die dargestellten Schichten auf Kupferblech auf 160 0 C gebracht werden und danach in Eiswasser getaucht werden, ohne das es zu einer sichtbaren Veränderung der Schichten kam. Bei Glas und Porzellansubstraten kam es bei dieser Behandlung teilweise zu einem Springen dieser keramischen Gegenstände. Die Molekularsiebschicht blieb allerdings auf den Bruchstücken haften.
g) Vergleichendes Beispiel, Verwendung von Molekularsieb DDZ- 70 der Firma UOP und Hochtemperaturbinder Sauereisenzement Nr. 8 der Firma SeppZeug GmbH. Es wurden 4,25g Molekularsieb DDZ-70 und 1,83g Sauereisenzementpulver und 5ml deionisiertes Wasser innig miteinander vermischt und 4,4g dieser Mischung auf ein entfettetes Aluminiumblech mit der Fläche von 50cm 2 gestrichen. Bei dieser Schicht ergeben sich zahlreiche, deutlich erkennbare Schwundrisse in der Schicht.
h) Vergleichendes Beispiel, Verwendung von Molekularsieb FAM der Firma Mitsubishi und Hochtemperaturbinder Sauereisenzement Nr. 8 der Firma SeppZeug GmbH. Es wurde wie unter g) verfahren, allerdings wurde statt dem Molekularsieb DDZ-70 das Molekularsieb FAM eingesetzt. Es ergeben sich ebenfalls zahlreiche, deutlich erkennbare Schwundrisse in der Schicht.
i) Vergleichendes Beispiel, Verwendung von Molekularsieb DDZ- 70 der Firma UOP und Hochtemperaturbinder Ceramabond 569 der Firma Kager Industrietechnik GmbH. Bei diesem Binder handelt es sich um eine Paste. Um in der zu erstellenden Schicht einen Binderanteil von 30% zu erreichen, wurde der Feststoffanteil des Binders durch Wägung vor und nach dem Abbindevorgang ermittelt. Er wurde zu 83% bestimmt. Zur Darstellung einer Schicht wurden 4,25g Molekularsieb DDZ- 70 mit etwa Ig Wasser angefeuchtet und mit 2,19g Ceramabond 569 in einer Reibschale innig vermischt. 4,4g dieser Mischung wurden auf eine Fläche von etwa 50 cm 2 Alumini- umblech gebracht. Nach Trocknung sind zahlreiche Schwundrisse zu erkennen, nach einer leichten Erschütterung fällt die Schicht teilweise vom Blech ab.
Vergleichendes Beispiel, Verwendung von Molekularsieb FAM der Firma Mitsubishi und Hochtemperaturbinder Ceramabond 569 der Firma Kager Industrietechnik GmbH. Es wurde wie in Beispiel h) verfahren. Schwundrisse sind im Gegensatz zu Beispiel i) nur mit einer Lupe erkennbar, die Schicht ist aber nur unwesentlich stabiler als die in Beispiel i) erstellte, und fällt nach einer leichten Erschütterung ab.
Bezugszeichenliste
1 Trägermaterial
2 Bindermaterial
3 Adsorbentpartikel
4 anorganische Fasern
4.1 "lange" Fasern (etwa 100 Mikrometer Länge)
4.2 "kurze" Fasern (unter 10 Mikrometer Länge)