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Herstellung von Aktivkohlen gleicher Eigenschaften aus verschiedenen
kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen, insbesondere für die Adsorption kleinmolekularer
Gase und niedrigkonzentrierter Dämpfe Im Schrifttum sind zahlreiche Verfahren zur
Herstellung von Aktivkohlen aus den verschiedensten kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen
mit den verschiedensten Aktivierungsmitteln beschrieben. Je nach der Art des zu
verarbeitenden Ausgangsstoffes wird hierbei ein bestimmtes Aktivierungsmittel in
bestimmter Menge angewendet; entsprechend wird nach den bekannten Verfahren auch
je nach der Art der zu erzeugenden Aktivkohle ein bestimmter Ausgangsstoff mit einer
bestimmten Menge eines AktivierungsmittAls umgesetzt.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man aus verschiedenen
kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen mit Hilfe von Kalium und Schwefel enthaltenden
Chemikalien Aktivkohlen gleicher Eigenschaften dadurch erhält, daß auf zoo Gewichtsteile
Kohlenstoff des Ausgangsstoffes berechnet 25 bis 56 Gewichtsteile, vorzugsweise
35 bis 46 Gewichtsteile Kalium eingesetzt werden.
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Diese grundsätzlich neue Erkenntnis ist von großer Bedeutung für die
Herstellung von Aktivkohlen, da nunmehr bei wechselnden Ausgangsstoffen stets eine
gleiche Kohle erzeugt werden kann; bedeutungsvoll ist das Verfahren weiterhin für
die Herstellung solcher Kohlen, für die bisher ein besonderer Ausgangsstoff, wie
Kokosnußschalen, Mandelschalen usw., für unbedingt allein verwendbar angesehen wurde.
Weiterhin bringt das neue Verfahren große Ersparnisse an Aktivierungschemikalien,
da festgestellt wurde, daß in den meisten Fällen bisher ein unnötig hoher Chemikalienverbrauch
erfolgte.
Die neue hochaktive Kohle eignet sich in hervorragender Weise für Adsorption kleinmolekularer
Gase und niedrig konzentrierter Dämpfe. _ Beispiel 1 25o Gewichtsteile Torf (Wassergehalt
= 30%, Kohlenstoffgehalt, auf Trockensubstanz bezogen, = 54 0/0) werden mit 38,5
Gewichtsteilen Kalium (als Kalilauge bzw. Kaliumsulfid oder Polysulfid aus der zurückgewonnenen
Lauge) und 19,25 Gewichtsteilen Schwefel (entweder als elementarer Schwefel oder
als Polysulfid- bzw. Sulfidschwefel aus der zurückgewonnenen Lauge) angemaischt.
Dann wird mittels einer hydraulischen Presse geformt und die Formlinge bei 4oo bis
6oo° verschwelt. Das Gut wird bei 7oo bis looo° in Abwesenheit von Luftsauerstoff-geglüht,
unter Luftabschluß abgekühlt, gelaugt und mit Wasser bzw. Säure und Wasser gewaschen.
Dann wird, möglichst unter Luftabschluß, das Gut mit Wasserdampf bei 5oo bis 550°
1 bis 2 Stunden behandelt. Beispiel 2 187,5 Gewichtsteile mit Schwefelsäure vorbehandeltes
Sägemehl (Wassergehalt = 2o 0/0, Kohlenstoffgehalt, auf Trockensubstanz bezogen,
= 63 0/0) werden, wie im Beispiel 1 beschrieben, mit den gleichen Mengen Aktivierungsmitteln
in der beschriebenen Weise behandelt. Beispiel 3 156 Gewichtsteile entaschter Braunkohle
(Wassergehalt = 110/0, Kohlenstoffgehalt, auf Trockensubstanz bezogen, = 68 0/0)
werden, wie im Beispiel x beschrieben, mit den gleichen Mengen Aktivierungsmitteln
in der beschriebenen Weise behandelt. Beispiel 4 118 Gewichtsteile Holzkohle (Wassergehalt
= 6 0/0, Kohlenstoffgehalt, auf Trockensubstanz bezogen, = 85 0/0) werden, wie im
Beispiel 1 beschrieben; mit" den gleichen Mengen Aktivierungsmittel in der beschriebenen
Weise behandelt. -Nach vorstehenden Beispielen erhält man Kohlen, die innerhalb
der Versuchsfehlergrenzen übereinstimmende Eigenschaften besitzen und im weiteren
als neue Kohle bezeichnet werden.
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Nachstehend werden Vergleiche einiger der wichtigsten Eigenschaften
der neuen Kohlen mit bekannten Kohlen gegeben, welche die Überlegenheit der neuen
Kohle eindeutig dartun.
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Kleinmolekulare Gase und niedrigkonzentrierte Dämpfe werden vorwiegend
durch reine Oberflächenadsorption in der Kohle zurückgehalten. Für diesen Anwendungszweck
ist eine Kohle mit möglichst großer innerer Oberfläche erwünscht, also eine möglichst
feinporige Kohle.
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Bisher war es zwar möglich, nach den verschiedenen bekannten Verfahren
durch Änderung der Arbeitsbedingungen die Porenweite der erzeugten Aktivkohle in
gewissem Umfang zu beeinflussen, doch waren diese Möglichkeiten sehr begrenzt, man
war zum Teil auf ganz bestimmtes, schwer zugängliches Ausgangsmaterial (Kokosnußschalen,
Mandelschalen usw.) angewiesen und konnte feinporige Kohlen mit sehr hoher Wirksamkeit
nicht herstellen.
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Zur Prüfung der Aktivkohlen, die zur Adsorption von Gasen und Dämpfen
und zur Wiedergewinnung von Lösemitteln verwendet werden, ermittelt man das Adsorptionsvermögen
der Kohle für Benzoldampfgemische von 289 g, 32 g, 3,2 g und 0,32
g pro Kubikmeter bei 2o°, entsprechend 9/i0, 1/l0, 1/100 und 1/100o Sättigung des
Benzoldampfes.
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Der Verlauf der Isotherme gibt den Anteil und die Porenverteilung
in der untersuchten Aktivkohle wieder. Die Beladungen bei hohen Sättigungsgraden
sind ein Maß für den Anteil an relativ groben Poren, die für Kapillarkondensation
maßgebend sind, und die Beladungen bei niedrigen Sättigungsgraden sind ein Maß für
den Anteil an Mikroporen und der gesamten inneren'aktiven Oberfläche, die für die
reine Oberflächenadsorption maßgebend ist.
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In der Zeichnung ist die 1/1o00 Benzolbeladung in Abhängigkeit vom
Maischverhältnis, bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des Ausgangsmaterials, dargestellt.
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In der Tabelle I sind die Benzohsothermen zweier üblicher Industrie-Aktivkohlen
mit der neuen Kohle verglichen.
| Tabelle I |
| Kohle A Kohle B Neue |
| Kohle |
| g C,H"/xoo ccm Kohle |
| Litergewicht ......... 300 400 420 |
| Benzolsättigungskon- |
| zentration 9/10 ....... 2o,o 20,0 24,0 |
| desgl. 1/1o . . . . . . 13,5 16,o 20,0 |
| desgl. 1/1o0 ...... 6,5 10,0 16,o |
| desgl. 1/10a0 ...... 3,5 4,5 12,0 |
Kohle A ist eine handelsübliche grobporige Kohle zur Adsorption großmolekularer
Stoffe bei relativ hohen Konzentrationen. Kohle B ist eine handelsübliche feinporige
Kohle zur Adsorption von kleinmolekularen Stoffen und niedrigkonzentrierten Dämpfen.
Man sieht aus der Benzolbeladung bei 1/""Dämpfsättigung die große Überlegenheit
(fast dreifach) der neuen Kohle gegenüber der handelsüblichen Kohle B.
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Bei der industriellen Anwendung gestatteten die bisher hergestellten
Aktivkohlen die wirtschaftliche Gewinnung oder Rückgewinnung von Kohlenwasserstoffen
mit bis zu 4, allenfalls 3 Kohlenstoffatomen und bis zu einer relativ hohen Mindestkonzentration.
Die nach dem neuen Verfahren hergestellten feinporigen Aktivkohlen gestatten eine
wirtschaftliche Gewinnung auch von Kohlenwasserstoffen mit 2 und -1 Kohlenstoffatom
und außerdem bis zu weit niedrigeren Mindestkonzentrationen. Auch für die Gewinnung
von Edelgasen sind die neuen Kohlen vorzüglich geeignet.
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Aus der Tabelle II ist die Überlegenheit der neuen Kohle bei der Wiedergewinnung
von C.H4 (als Beispiel eines kleinmolekularen Gases) aus verschieden konzentrierten
Gasgemischen klar ersichtlich.
| Tabelle II |
| Vol.-Konz. Kohle B I Neue Kohle I Faktor |
| C.H4 g C.H"/ioo ccm Kohle |
| I o/o. . . . . 0,240 o,6o9 2,5 |
| 20 /0...... 0352 o,861 2,5 |
| 5% ...... 0,52 0 1,765 2,6 |
| 100/ ....... 0,800 2,079 2,6 |
| 150/0 ....... 1,020 2,625 2,6 |
Für dieses kleinmolekulare Gas ist die neue Kohle der handelsüblichen Kohle B um
etwa das 2,6fache überlegen.
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Von einer guten Gasmaskenkohle muß eine feinporige Struktur und eine
möglichst große innere Oberfläche verlangt werden, da die in Frage kommenden Kampfgaskonzentrationen
sehr gering sind, eine Reihe von Kampfstoffen kleinmolekular ist und außerdem das
Rückhaltsvermögen durch die Feinporigkeit der Aktivkohle bedingt ist.
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In der Tabelle III sind die Benzolisothermen einer bekannten guten
Gasmaskenkohle C mit der nach dem neuen Verfahren hergestellten Gasmaskenkohle verglichen.
| Tabelle III |
| Kohle C I Neue Kohle |
| Beladung in |
| g CeH./ioo ccm Kohle |
| Litergewicht ............ 420 425 |
| Benzolsättigungskonzen- |
| tration 9/l0 ........... 22,5 22,5 |
| desgl. 1/1a ........... 19,5 19,5 |
| desgl. 1/l00 ............ 13,5 16,5 |
| desgl. 1/l000 ........... 7,5 13,0 |
Auch hieraus geht die Überlegenheit der neuen Kohle bei niedrigen Sättigungsgraden
deutlich hervor.
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In der Tabelle IV ist diese Überlegenheit bei der Prüfung mit Chlorpikrin
niedriger Konzentration wiedergegeben. Beide Kohlen wurden unter gleichen Bedingungen
geprüft.
| Tabelle IV |
| Kohle C I Neue Kohle |
| Resistenzzeit . . . . . . . . . . 25 Minuten 58 Minuten |
| Chlorpikrinrückhalte- |
| vermögen .......... 12 Minuten 25 Minuten |
Man sieht aus diesen Beispielen deutlich die Bedeutung des Anteiles an Mikroporen
bzw. der inneren aktiven Oberfläche, die durch die Beladung bei 1/iooo Benzolsättigung
gekennzeichnet ist.