WO2005016819A1 - Herstellung von aktivkohle - Google Patents

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WO2005016819A1
WO2005016819A1 PCT/EP2004/008314 EP2004008314W WO2005016819A1 WO 2005016819 A1 WO2005016819 A1 WO 2005016819A1 EP 2004008314 W EP2004008314 W EP 2004008314W WO 2005016819 A1 WO2005016819 A1 WO 2005016819A1
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starting material
temperature
smoldering
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activated carbon
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PCT/EP2004/008314
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Ernest De Ruiter
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BLüCHER GMBH
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    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/39—Apparatus for the preparation thereof

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of activated carbon, in particular in the form of granules ("granular carbon”), preferably in the form of spheres (“spherical carbon”), and to the activated carbon products produced in this way and their use for various applications, in particular for filters or for protective materials, such as for example protective suits.
  • granular carbon granules
  • spheres spheres
  • Activated carbon is the most widely used adsorbent due to its rather unspecific adsorptive properties. Legal requirements, but also the increasing awareness of responsibility for the environment, lead to an increasing need for activated carbon.
  • Activated carbon is generally obtained by smoldering (synonymously also referred to as “carbonization” or “pyrolysis”) and subsequent activation of carbon-containing compounds, preference being given to those starting compounds or starting materials which lead to economically reasonable yields because the weight losses due to the elimination of volatile constituents during Smoldering and due to the burn-up when activated are raised on loan.
  • activated carbon produced - fine or coarse-pored, solid or brittle - depends on the starting material.
  • Common starting materials are e.g. B. coconut shells, wood waste, peat, hard coal, pitches, but also special plastics, which play a certain role in the production of activated carbon fabrics.
  • Activated carbon is used in various forms: powdered coal, coal, granular coal, molded carbon and, since the end of the 1970s, spherical activated carbon ("spherical carbon”), as well as fibrous activated carbon ("fibrous carbon", e.g. in the form of knitted fabrics).
  • the spherical activated carbon has a number of advantages over other forms of activated carbon, such as powdered coal, broken coal, granular coal and the like, which makes it valuable or even indispensable for certain applications: it is free-flowing, extremely abrasion-resistant (dust-free) and very hard. Because of the high price However, their use is essentially restricted to protective suits and high-quality filters for pollutants in air flows.
  • Grain coal especially spherical coal
  • B. Area filters for protective suits against chemical poisons and filters for low concentrations of pollutants in large amounts of air, in great demand. For example, when loading reticulated, large-pore polyurethane foams with activated carbon. B. according to DE 38 13 563 AI only a free-flowing coal can be used, even if the inner layers of the foam material are to be optimally occupied.
  • protective suits against chemical poisons based on e.g.
  • DE 33 04 349 C3 for example, only highly abrasion-resistant coal can also be used, and only spherical coal fulfills this requirement.
  • Spherical coal is still mostly produced today by multi-stage and very complex processes.
  • the best-known process consists in the production of beads from coal tar pitch and suitable asphalt-like residues from petroleum chemistry, which are oxidized - so that they become infusible -, smoldered and activated.
  • the spherical carbon can also be produced from bitumen in a multi-stage process.
  • These multi-stage processes are very cost-intensive, and the associated high price of this spherical carbon prevents many applications in which the spherical carbon should actually be preferred due to its properties.
  • spherical carbon is known from the prior art by carbonization and subsequent activation of new or used ion exchangers which contain sulfonic acid groups, or by carbonization of ion exchange precursors in the presence of sulfuric acid and subsequent activation, the sulfonic acid groups or the sulfuric acid Have the function of a crosslinking agent, the yields - regardless of whether of finished cation exchange resins or unsulfonated ten precursors of ion exchangers - about 30 to 50%, based on organic or polymeric starting material.
  • Such processes are described for example in DE 43 28 219 AI and in DE 43 04 026 AI and in DE 196 00 237 AI including the German additional application DE 196 25 069 AI.
  • a disadvantage and problem with these processes are, in particular, the large amounts of sulfur dioxide released - about 1 kg of SO 2 per kg of end product - and the associated corrosion problems in the manufacturing apparatus.
  • used ion exchange resins in particular used cation exchange resins, as starting materials, there is also the problem that, despite washing with acid, they are contaminated with cations, which then accumulate in the end product, so that the production of large amounts of spherical carbon of consistent quality is consequently is very difficult.
  • ion exchange precursors - i.e. polymer beads without exchange groups (sulfonic acid groups) - large amounts of sulfuric acid and / or oleum are also required for crosslinking during the smoldering.
  • WO 98/07655 A1 describes a process for the production of activated carbon beads, in which a mixture comprising a distillation residue from diisocyanate production, a carbon-containing processing aid and optionally one or more other additives is first processed into giant beads and then the beads obtained in this way are swollen and then activated. In this process, too, large amounts of decomposition products are released intermittently during the smoldering, which is associated with the problems described above.
  • WO 01/83368 AI describes a process for producing spherical activated carbon by smoldering and activating polymer beads based on styrene and divinylbenzene, the chemical groups which lead to free radicals and thus to crosslinking during their thermal decomposition, in particular sulfonic acid groups, wherein the polymer beads are first continuously pre-chewed and then discontinuously swollen and activated.
  • the two-stage implementation of the Smoldering as pre- and post-smoldering is not always feasible, often due to equipment conditions.
  • the problem on which the present invention is based is to provide a method which enables efficient production of activated carbon, in particular in the form of granules or spheres.
  • the process is intended to enable activated carbon to be produced less expensively, in particular as little as possible.
  • the problem on which the present invention is based can be solved by starting with suitable carbon-containing polymers (for example organic polymers) as starting material, which is caused by welding, in the production of granular, in particular spherical, activated carbon - At least essentially carbon can be converted, the smoldering process step is effected by moving the starting material continuously through a smoldering device comprising several temperature zones (reaction zones) or a temperature gradient such that an at least substantially complete conversion of the starting material to ( elemental) carbon is effected.
  • suitable carbon-containing polymers for example organic polymers
  • the object of the present invention is thus a method according to claim 1.
  • the basic principle of the present invention is therefore to carry out the entire smoldering process with its various process stages or sections to be carried out at different temperatures in only one device, which for this purpose is proposed must have several temperature zones or a temperature gradient.
  • the smoldering process can be continuous, i. H. be carried out without interruption, in particular without changing the apparatus, which enables a not inconsiderable simplification and increase in efficiency when carrying out the process, combined with economic savings.
  • the temperature zones or the temperature gradient on the one hand and on the other hand the speed at which the starting material passes through the smoldering process. direction is moved, must be selected, in particular coordinated so that an at least substantially complete conversion of the carbonizable starting material to carbon is effected.
  • the starting material is conveyed according to the present invention in such a way that the starting material is continuously moved through the temperature zones and / or the temperature gradients of the smoldering device by means of a transport or conveyor device, in particular a moving conveyor or conveyor belt, that an at least substantially complete conversion of the starting material to carbon is effected.
  • the speed of the conveyor belt must be adapted to the temperature profile of the temperature zones or the temperature gradient and / or vice versa.
  • a continuously operating rotary tube or a continuously operating rotary tube furnace has proven successful; here the load, d. H. the carbonizable starting material is conveyed or transported by means of a suitable transport or conveying device through the rotary tube or through the rotary tube furnace, for. B. by suitable propulsion bodies, such as. B. a screw conveyor.
  • a suitable transport or conveying device through the rotary tube or through the rotary tube furnace, for. B.
  • suitable propulsion bodies such as. B. a screw conveyor.
  • it is possible to provide for the transport or conveyance of the load by appropriate inclination of the rotary tube or the rotary tube furnace. It is equally possible to provide a combination of the aforementioned measures for transporting or conveying the load through the rotary tube or through the rotary tube furnace.
  • a so-called belt furnace in particular a so-called oxidation belt furnace, has proven particularly useful for carrying out the method according to the invention as a smoldering device.
  • Such systems are sold by numerous companies, e.g. B. from Sarnes Ingenieure, Ostfildern, Germany, and generally include a combined unit from transport belt on the one hand and furnace / heating device on the other hand, the material to be treated in the furnace or in the heating device being able to be transported or conveyed through the interior of the furnace or the heating device via the transport / conveyor belt.
  • Suitable starting materials for the production of activated carbon according to the invention are (ver) smolderable or carbonizable polymers, i.e. H. carbon-containing polymers which can be converted at least essentially into elemental carbon by pyrolysis or smoldering.
  • the shape or shape of the polymeric starting material is generally at least substantially or largely retained during the smoldering (although the smoldering and possibly subsequent activation result in a reduction in the particle size or the particle diameter). Consequently, for the production of activated carbon in grain form, in particular in spherical form, also polymer granules or spheres, i. H. Polymers in the form of granules or spheres or approximately in the form of granules or spheres (in general, the polymer granules or spheres used according to the invention have diameters of up to approximately 2 mm, in particular of up to approximately 1.5 mm or less).
  • the particle size of the granular or spherical coal obtained also depends on the size of the granules or spheres in the starting material.
  • Commercially available starting products generally lead to activated carbon grains or spheres of approximately 0.1 mm to approximately 2.0 mm in diameter, in particular approximately 0.2 mm to approximately 1.0 mm, preferably approximately 0.3 mm to approximately 0.8 mm , with averages from about 0.4 mm to about 0.6 mm.
  • the polymeric starting material can, for example, be in a porous, in particular macroporous, and / or gel-like form.
  • gel-like starting materials microporous polymer particles are preferably used. Macroporous or microporous gel-like starting materials are preferred. Due to the fact that the shape or shape of the polymeric starting material is generally at least substantially or largely retained during the smoldering, the properties, in particular the morphology (e.g. porosity), of the smoldered products can be selected control or influence the starting material. For example, the porosity of the starting material also determines the porosity of the smoldered products.
  • Organic polymer granules or beads for example, can be used as starting materials which have a polymer skeleton consisting essentially of polystyrene, the polystyrene chains being able to be connected or crosslinked in places by means of a component having at least two vinyl groups per molecule, in particular divinylbenzene, and the polymer skeleton being functional chemical groups which, when thermally decomposed, can lead to free radicals and thus to crosslinking, in particular sulfonic acid groups.
  • the starting material used for the production of the granular or spherical activated carbon according to the invention is organic polymer granules or spheres based on crosslinked with divinylbenzene!
  • a comparable organic, in particular aromatic, organic compound with at least two crosslinking groups, in particular vinyl groups, per molecule, which is suitable for crosslinking polystyrene can also be used for crosslinking the polystyrene.
  • the weight ratio of polymers to their chemical decomposition to free radicals and thus to chemical groups leading to crosslinking can vary within wide limits; It is advantageously generally in the range from about 5: 1 to about 1: 1, in particular about 2: 1 to about 1: 1. However, it is possible to deviate from the values mentioned.
  • one possibility is that the chemical groups leading to crosslinking, in particular strongly acidic groups such as sulfonic acid groups, are already present in the starting material.
  • Non-limiting examples of polymeric starting materials in which the chemical functional groups leading to crosslinking during pyrolysis or pyrolysis, in particular sulfonic acid groups, are already present in the actual starting material are ion exchange resins, in particular strongly acidic cation exchange resins, such as cation exchange resins with sulfonic acid groups. These can be unused or used ion exchange resins. In the case of used cation exchangers, these can be contaminated with metal ions, which are then present in the end product as catalytic metal impregnation.
  • the present invention relates, as it were, to a process for the disposal of used or used ion exchangers.
  • the used ion exchangers to be disposed of can be converted into a useful product - activated carbon - which contributes to environmental protection through its property of adsorbing environmental toxins.
  • Acidic organic catalysts of the type described above, which can be porous and / or gel-like, are particularly preferred. The applicant has surprisingly found that, for example, the acidic organic catalysts which have become inactive in MTBE or bisphenol synthesis and have become inactive are a good starting material for the production of granular or spherical coal.
  • the granular or spherical catalyst material originating from the reactor for bisphenol or MTBE synthesis can then be swollen and optionally activated in the manner according to the invention, if appropriate after washing and drying. Phenol still adhering in the case of catalysts from the bisphenol synthesis is destroyed during the smoldering or pyrolysis or / and burned in the post-carbonization.
  • the yields of activated carbon granules or spheres are similar to those in the case of organic catalysts with cation exchangers. In contrast to used ion exchangers, no accumulation of cations in the coal has to be taken into account with used organic catalysts.
  • the used or exhausted, waste organic acid catalysts from MTBE synthesis or from the synthesis of bisphenol from phenol and acetone can thus be used as starting materials and disposed of in this way.
  • the present invention relates to a process for the disposal of used or catalysts that have become inert.
  • the waste to be disposed of can be converted into a useful product - activated carbon - which, through its property of adsorbing environmental toxins, contributes to environmental protection.
  • a sulfonating agent before and / or during the smoldering process to start the starting material, in particular the ion exchange resins or the acidic organic catalysts , preferably S0 3 , preferably in the form of sulfuric acid and / or oleum, in particular in an amount of about 1 to about 30% by weight of S0 3 , in particular 5% by weight to about 25% by weight of S0 3 , based on contact the dry weight of the starting material; this additionally increases the number of free radicals formed during the smoldering and leads to increased crosslinking in the polymers, so that ultimately more stable or more compact, in particular more abrasion-resistant end products in the form of carbon grains or carbon beads result, and in particular also the yield of activated carbon is increased.
  • the yields of activated carbon can be increased with increasing acidity or sulfonic acid group content of the starting material.
  • starting materials in particular ion exchangers or catalysts, with a lower acid content can be mixed with some oleum and / or sulfuric acid to improve the yield.
  • the chemical groups which, when thermally decomposed, lead to free radicals and thus to crosslinking are introduced into the starting material only before and / or during the smoldering.
  • This can be done, for example, by sulfonation of the polymeric starting material, preferably by adding a sulfonating agent, in particular SO 3 , preferably in the form of oleum and / or sulfuric acid, particularly preferably in the form of oleum mixed with sulfuric acid.
  • a sulfonating agent in particular SO 3
  • the unsulfonated starting material is brought into contact with the aforementioned sulfonating agent, eg. B.
  • the polymeric starting material is brought into contact or mixed with the sulfonating agent as homogeneously and completely as possible, without “drying out” / Zones "(ie unwetted areas / zones) remain on the starting material. This can be ensured by using an excess of sulfonating agent so that a "wet mix” results in the manner of a homogeneous slurry, which then leads to sulfonation of the starting material at elevated temperatures.
  • the sulfonating agent especially oleum and / or sulfuric acid
  • the non-sulfonated polymeric starting material in particular a starting material in the form of polymer granules or beads, preferably based on polybenzene-crosslinked polystyrene
  • the sulfonating agent in this way before being introduced into the carbonization device it has been found that at least substantially complete wetting of the polymeric gangue material or the polymer granules or beads is guaranteed with the sulfonating agent; this is advantageously done by bringing the non-sulfonated polymeric starting material into contact with the sulfonating agent in a suitable mixing device with intensive mixing or thorough mixing, preferably in such a way that the polymeric starting material is at least substantially completely wetted, preferably in a twin-screw extruder, to which the polymeric starting material to be sulfonated and the sulfonating agent can be supplied in a suitable manner (for example via separate feed channels);
  • This particular embodiment has the advantage that a
  • the non-sulfonated polymeric starting material is preferably brought into contact with the sulfonating agent in a temperature range between room temperature (about 20 ° C.) and temperatures below the melting point or melting range of the polymeric starting material, preferably in the range from about 20 ° C. to about 100 to 150 ° C, preferably at room temperature.
  • Particularly suitable sulfonating agents are sulfuric acid, oleum and sulfuric acid / oleum mixtures; the preferred sulfuric acid used is concentrated sulfuric acid, preferably 90% to 100% sulfuric acid, particularly preferably in a mixture with oleum (oleum is a special form of concentrated sulfuric acid which contains varying amounts of sulfur trioxide S0 3 , for example contains 20% oleum 20% sulfur trioxide.).
  • the sulfonating agent in particular concentrated sulfuric acid and / or oleum
  • oleum in particular has proven itself for the sulfonation of the unsulfonated starting material.
  • the weight ratio polymer / oleum 20% / sulfuric acid can be about 1: 1: 0.5.
  • the sulfonation itself can be carried out as a separate process step outside the smoldering device (either continuously or discontinuously) or advantageously in the smoldering device itself, as will be described in detail below.
  • the latter possibility offers the decisive advantage of not only carrying out the entire smoldering process within a device and continuously, but also - in the case of unsulfonated starting products or starting products with low sulfonic acid group contents - also providing sulfonation as a process step preceding the smoldering in the same device.
  • This second embodiment in which starting materials are used in which the chemical groups which lead to free radicals during their thermal decomposition and thus to crosslinking (such as, for example, strongly acidic groups such as sulfonic acid groups), still before and / or during the Smoldering must be introduced into the starting material offers the advantage over the first embodiment that less expensive materials are used.
  • the chemical groups which lead to free radicals during their thermal decomposition and thus to crosslinking such as, for example, strongly acidic groups such as sulfonic acid groups
  • the precursors for ion exchangers can in principle be gel-like or macroporous. The latter are much more expensive, mainly because of their considerably higher divinylbenzene content.
  • the pore volume can be up to 90 to 95% as micropores.
  • the gel types often contain about 2 to about 8% divinylbenzene. But only weakly cross-linked types with a lower content of divinylbenzene (approx. 2 to 4% divinylbenzene) survive the strong swelling in the acid, so they do not burst or break into hemispheres. It has been shown that types with a very low divinylbenzene content are also suitable according to the invention.
  • the reason for this is as follows:
  • the macroporous precursors absorb a great deal of acid or oleum in their large pores - similar to a blotter - so that the mixture of polymer and acid is dry or sandy and a uniform distribution of the acid can hardly be achieved ,
  • the smoldering and activation of cation exchangers leads to comparable products, as if one starts from precursors and acid.
  • At least the following temperature zones are provided in the smoldering device for carrying out the method according to the invention, in the order given below: a) if appropriate, at least one first temperature zone (“sulfonation zone”), in which case that the starting material does not contain any groups which lead to free radicals and thus crosslinking during their thermal decomposition, in particular no strongly acidic groups such as sulfonic acid groups, or that such groups are to be additionally introduced into the starting material, these groups are introduced into the starting material , especially by sulfonation; b) at least one second temperature zone following the first temperature zone (also called “pre-heat zone” or "zone of acid gases”), preferably with a higher average temperature than that of the first temperature zone, the temperature range in the second temperature zone decomposition to free radicals and thus to groups leading to crosslinking, in particular strongly acidic groups such as sulfonic acid groups, are split off from the starting material, so that there is an onset of smoldering
  • first temperature zone also called "pre-
  • the method according to the invention thus offers the decisive advantage that the entire carbonization or carbonization process, i. H. Pre-welding and post-welding, and optionally also sulfonation, can be operated continuously in a single device or apparatus.
  • a first temperature zone a in the event that the starting material does not contain any groups which lead to free radicals and thus to crosslinking during their thermal decomposition, in particular no strongly acidic groups such as sulfonic acid groups, or such groups additionally in the Starting material to be introduced, the introduction of these groups into the starting material, in particular by sulfonation.
  • This zone is therefore also called the "sulfonation zone".
  • the sulfonation takes place in a manner known per se, as has been described above.
  • the first temperature zone is generally operated at temperatures from 50 to 200 ° C., in particular 75 to 175 ° C., preferably 100 to 150 ° C. However, this temperature zone is optional and can be omitted if, for.
  • starting material with a sufficient content of its thermal decomposition to free radicals and thus leading to crosslinking groups, in particular sulfonated starting material (for example strongly acidic cation exchanger with sulfonic acid groups), or else the sulfonation is carried out separately in a previously carried out step.
  • sulfonated starting material for example strongly acidic cation exchanger with sulfonic acid groups
  • the sulfonation is carried out separately in a previously carried out step.
  • an unsulfonated polymeric starting material it is advantageously brought into contact with the sulfonating agent before being introduced into the sulfonation zone, preferably in such a way that an at least substantially complete wetting of the polymeric starting material or the polymer granules or beads also occurs the sulfonating agent is guaranteed; for further details in this regard, reference can be made to the above statements.
  • the two subsequent temperature zones b) and c) then cause the sulfonated starting material to smolder, namely in two stages, namely pre-heat b) (second temperature zone or "pre-heat zone”) and post-carbonization c) (third temperature zone or "post-heat zone”) ).
  • pre-heat b) second temperature zone or "pre-heat zone”
  • post-carbonization c) third temperature zone or "post-heat zone”
  • acid gases mainly S0 2 , also small amounts of S0 3 , H 2 S0 4 and possibly also other acid gases
  • this zone is also called “ Acid Gas Zone ".
  • acidic gases are no longer released, but mainly carbon oxides, such as carbon monoxide and carbon dioxide, hydrocarbons, hydrogen and water.
  • the temperatures at which the second and third temperature zones b) and c) can be operated can vary within wide limits.
  • the second temperature zone b) can be operated at temperatures of 100 to 500 ° C., in particular 150 to 450 ° C.
  • the third temperature zone c) can be operated, for example, at temperatures above 400 ° C., in particular above 450 ° C. to 500 ° C., for. B. at temperatures from 400 to 1200 ° C, in particular 450 to 1000 ° C, preferably 500 ° C to 900 ° C, particularly preferably 550 to 850 ° C.
  • the carbon-containing starting material is converted to carbon, ie with in other words, the starting material is charred or carbonized.
  • the pyrolysis or smoldering is carried out under an inert atmosphere (eg nitrogen) or at most a slightly oxidizing atmosphere.
  • an inert atmosphere eg nitrogen
  • the individual temperature zones are advantageously controllable separately or independently of one another.
  • Extraction devices can be assigned to the individual temperature zones, whereby it can be advantageous to assign separate or independent extraction devices to the individual temperature zones, so that the process gases originating from the different temperature zones can be separated or collected (e.g. separate collection of acidic process gases).
  • the acidic or corrosive phase pre-welding, combined with S0 2 emissions
  • post-welding the high-temperature phase
  • At least one lock in the smoldering device in particular between individual, successive temperature zones and / or within individual temperature zones, preferably at least between the second and third temperature zones, so that at least essentially no mixing of from different temperature zones, between the process gases originating from the at least one lock are arranged;
  • the acidic process gases originating from the second temperature zone especially SO 2
  • the second temperature zone especially SO 2
  • the SO 2 continuously expelled, in particular during pre-heat can be regenerated, in particular converted to SO 3 and further to sulfuric acid and / or oleum via catalytic oxidation.
  • the presence of one or more locks also enables targeted gas addition to individual temperature zones (e.g. addition of smaller amounts of oxygen) or the maintenance of a certain gas composition in certain temperature or reaction zones or parts of temperature or reaction zones (e.g. B. inert atmosphere in parts of the pre-smoldering zone and slightly oxidizing atmosphere in parts of the post-smoldering zone).
  • the process control can be controlled by adjusting the temperature profile in the individual temperature zones and / or the temperature profile of the temperature gradient and / or by adjusting the speed at which the starting material is moved through the temperature zones and / or the temperature gradient of the smoldering device.
  • the total residence time of the starting material in the smoldering device is not critical and can vary within wide limits. In general, it is in the range from 0.1 to 5 hours, in particular 0.25 to 4 hours, preferably 0.5 to 3 hours.
  • Smoldering is generally followed by activation of the smoldered material. This is generally done under conditions known per se conditions.
  • the basic principle of activation is to selectively and selectively mine some of the carbon generated during the smoldering under suitable conditions. This creates numerous pores, gaps and cracks, and the surface area related to the unit of mass increases considerably.
  • the coal is burned in a targeted manner. Since carbon is broken down during activation, a substantial substance loss occurs in this process, which under optimal conditions is synonymous with an increase in porosity and an increase in the inner surface (pore volume). The activation therefore takes place under selective or controlled, oxidizing conditions.
  • Customary activation gases are generally oxygen, in particular in the form of air, water vapor and / or carbon dioxide, and mixtures of these activation gases. Since there is a danger with oxygen that the action is not only selective, but on the entire surface - which causes the coal to burn to a greater or lesser extent - water vapor and carbon dioxide are preferred. Steam is very particularly preferred, optionally in a mixture with an inert gas (for example nitrogen).
  • the activation is generally carried out at temperatures from approximately 700 ° C. to approximately 1200 ° C., in particular approximately 800 ° C. to approximately 1.1 ° C., preferably approximately 850 ° C. to approximately 1000 ° C.
  • the duration of the activation can vary within wide ranges and can be, for example, approximately 0.5 to approximately 6 hours, in particular approximately 1.5 to approximately 5 hours, preferably approximately 2 to approximately 3.5 hours.
  • the activation can in particular be carried out with a mixture of water vapor and nitrogen, in particular at temperatures from approximately 850 ° C. to approximately 960 ° C., preferably approximately 910 ° C. to approximately 930 ° C.
  • the residence times can be about 0.5 to about 20 hours, in particular about 2 hours to about 15 hours, preferably about 5 hours to about 10 hours.
  • the activation can in principle be carried out equally in the smoldering device. In general, however, the activation is carried out in a separate device, in particular spatially and temporally separate from the smoldering.
  • the single figure shows schematically a typical sequence of the method according to the invention according to a particular embodiment.
  • the swellable or carbonizable starting material 4a is provided, for example polymer beads based on divinylbenzene-crosslinked polystyrene, ie unsulfonated starting material.
  • the unsulfonated starting material 4a is then brought into contact with a suitable sulfonating agent, in particular sulfur trioxide, preferably in the form of an oleum / sulfuric acid mixture, and then introduced in portions into reaction vessels 5 provided for this purpose, which are conveyed via a suitable transport or conveying device 6, in particular a moving conveyor or conveyor belt, through the smoldering device 2, in particular a belt furnace, are continuously moved in the direction r.
  • a suitable sulfonating agent in particular sulfur trioxide, preferably in the form of an oleum / sulfuric acid mixture
  • the smoldering device comprises three temperature zones, each of which is separated from one another by locks 7a, 7b, so that at least essentially no mixing of process gases originating from different temperature zones takes place, between which a lock 7a, 7b is arranged , in particular the acidic process gases originating from the second temperature zone, cannot be mixed with the other process gases and can be collected separately.
  • the starting material 4b brought into contact with the sulfonating agent is first sulfonated in the first temperature zone of the carbonization device 2 and then introduced into a second temperature zone for pre-melting, in which the sulfonic acid groups are split off from the starting material, so that the carbonization begins Networking of the radicals formed is coming.
  • the material 4c which has been pre-smoldered in this way is transported via the transport or conveying device 6 to a third temperature zone, where a further smoldering finally takes place to the carbonized product 4d. This can then be fed to an activation 3 so that carbonized and activated activated carbon is obtained in spherical form.
  • Another object of the present invention are also the products produced or producible by the process according to the invention, ie activated carbon in the form of grains or spheres.
  • activated carbon in the form of grains or spheres.
  • the particle size of the granular or spherical coal obtained depends on the starting material.
  • Commercial starting products generally lead to activated carbon grains or spheres with diameters of up to approximately 2 mm, in particular of up to approximately 1.5 mm or less, for example in the range of approximately 0.1 mm to approximately 1.0 mm, in particular approximately 0.2 mm to about 0.8 mm in diameter, with mean values of about 0.4 mm to about 0.5 mm.
  • the spherical shape of the starting materials is retained during smoldering and activation. I.e. the shape of the starting materials allows the particle size of the end product to be controlled and determined, which is a further advantage of the process according to the invention.
  • the diameter of the activated carbon grains or spheres produced in this way is approximately 0.1 mm smaller than that of the starting polymers, so that the diameter of the spherical carbon can be controlled if the starting material is selected accordingly.
  • the activation enables inner surfaces of approximately 800 m 2 / g to approximately 1,500 m 2 / g to be achieved, preferably approximately 900 m 2 / g to approximately 1,200 m 2 / g.
  • the burst pressure for a single activated carbon granule or pellet is generally about 5 Newtons to about 20 Newtons.
  • the vibrating weight is about 400 g / 1 to about 800 g / 1, preferably about 500 g / 1 to about 750 g / 1.
  • the granular or spherical coal obtained according to the invention is very abrasion-resistant, free-flowing, dust-free and very pressure-resistant.
  • the present invention likewise relates to activated carbon granules or spheres of high strength, in particular abrasion resistance, which can be produced by the method according to the invention.
  • the pores of the activated carbon play an important role in the activity of the spherical carbon, in particular the micropores with a diameter of up to approximately
  • pore volume, pore diameter and pore distribution vary depending on the degree of activation and that the pore system and the pore structure, in particular the pore diameter, and the surface structure of the end product can be influenced in a targeted manner by temperature and activation, so that reference is made to the relevant specialist literature in this regard can be.
  • the activated carbon granules or spheres produced by the process according to the invention show good to excellent adsorption properties. There is also the possibility of improving the adsorption properties of the activated carbon granules or spheres by impregnation with catalysts (enzymes, metals such as copper, silver, platinum, chromium, zinc, mercury, palladium, cadmium, iron etc., and compounds of these metals) to influence or modify.
  • the activated carbon product obtained according to the manufacturing process according to the invention can thus comprise a catalytically active component, preferably a compound of a catalytically active metal.
  • activated carbon with catalysts is known per se to a person skilled in the art, so that reference can be made to the relevant specialist literature in this regard.
  • the activated carbon grains or spheres produced by the process according to the invention can be used for a wide variety of applications.
  • Coal grains or spheres can be used, for example, for the production of adsorption materials such as adsorption (surface) filters, filter mats, odor filters, surface filters for protective suits, in particular for the civil and / or military sector, filters for indoor air cleaning, gas mask filters and adsorbable carrier structures or for protective materials , in particular protective suits against chemical poisons such as warfare agents, or for filters, in particular filters for removing harmful, poisonous and / or odorous substances from air or gas streams.
  • adsorption materials such as adsorption (surface) filters, filter mats, odor filters, surface filters for protective suits, in particular for the civil and / or military sector, filters for indoor air cleaning, gas mask filters and adsorbable carrier structures or for protective materials , in particular protective suits against chemical poisons such as warfare agents, or for filters, in particular filters for removing harmful, poisonous and / or odorous substances from air or gas streams.
  • the present invention thus also relates to the adsorbent materials or activated carbon granules produced according to the invention, in particular filters of all types such as adsorption (surface) filters, filter mats, odor filters, surface filters for protective suits, in particular for the civil and / or military sector, such as protective suits against chemical toxins - Te such as warfare agents, filters for indoor air cleaning as well as protective suits made from them, gas mask filters, filters for removing harmful, poisonous and / or odorous substances from air or gas streams and support structures capable of adsorption.
  • filters of all types such as adsorption (surface) filters, filter mats, odor filters, surface filters for protective suits, in particular for the civil and / or military sector, such as protective suits against chemical toxins - Te such as warfare agents, filters for indoor air cleaning as well as protective suits made from them, gas mask filters, filters for removing harmful, poisonous and / or odorous substances from air or gas streams and support structures capable of adsorption.
  • filters of all types such as

Abstract

Beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung komförmiger, insbesondere kugel­ förmiger Aktivkohle durch Schwelung von geeigneten kohlenstoffhaltigen Po­ lymeren in Form von Polymerkörnern, insbesondere Polymerkügelchen, welche durch Schwelung zumindest im wesentlichen zu Kohlenstoff umgesetzt werden können, als Ausgangsmaterial, wobei die Polymerkömer, insbesondere Polymer­kügelchen, kontinuierlich durch eine mehrere Temperaturzonen und/oder einen Temperaturgradienten umfassende Schwelvorrichtung bewegt werden, so daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung des Ausgangsmaterials zu Kohlenstoff bewirkt wird.

Description

Herstellung von Aktivkohle
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aktivkohle, insbesondere in Kornform ("Kornkohle), vorzugsweise in Kugelform ("Kugelkohle"), sowie die auf diese Weise hergestellten Aktivkohleprodukte und ihre Verwendung für verschiedene Anwendungen, insbesondere für Filter oder für Schutzmaterialien, wie beispielsweise Schutzanzüge.
Aktivkohle ist aufgrund ihrer recht unspezifischen adsorptiven Eigenschaften das am meisten angewandte Adsorbens. Gesetzliche Auflagen, aber auch das steigende Bewußtsein der Verantwortung für die Umwelt, fuhren zu einem steigenden Bedarf an Aktivkohle.
Aktivkohle wird im allgemeinen durch Schwelung (synonym auch als "Carbonisierung" oder "Pyrolyse" bezeichnet) und anschließende Aktivierung kohlenstoffhaltiger Verbindungen erhalten, wobei solche Ausgangsverbindungen bzw. Edukte bevorzugt werden, die zu ökonomisch vernünftigen Ausbeuten führen, denn die Gewichtsverluste durch Abspalten flüchtiger Bestandteile beim Schwelen und durch den Abbrand beim Aktivieren sind erheb- lieh. Für weitere Einzelheiten der Aktivkohleherstellung kann beispielsweise verwiesen werden auf H. v. Kienle und E. Bäder, Aktivkohle und ihre industrielle Anwendung, Erike Verlag Stuttgart, 1980.
Aber auch die Beschaffenheit der erzeugten Aktivkohle - fein- oder grobpo- rig, fest oder brüchig - hängt vom Ausgangsmaterial ab. Übliche Ausgangsmaterialien sind z. B. Kokosnußschalen, Holzabfälle, Torf, Steinkohle, Peche, aber auch besondere Kunststoffe, die unter anderem bei der Herstellung von Aktivkohlegeweben eine gewisse Rolle spielen. Aktivkohle wird in verschiedenen Formen verwendet: Pulverkohle, Splitterkohle, Kornkohle, Formkohle und seit Ende der siebziger Jahre auch kugelförmige Aktivkohle ("Kugelkohle"), daneben auch als faserförmige Aktivkohle ("Faserkohle", z. B. in Form von Gewirken). Insbesondere die kugelförmige Aktivkohle hat gegenüber anderen Formen von Aktivkohle, wie Pul- ver-, Splitter-, Kornkohle und dergleichen, eine Reihe von Vorteilen, die sie für bestimmte Applikationen wertvoll oder sogar unverzichtbar macht: Sie ist rieselfähig, enorm abriebfest (staubfrei) und sehr hart. Wegen des hohen Prei- ses beschränkt sich aber ihr Einsatz im wesentlichen auf Schutzanzüge und hochwertige Filter für Schadstoffe in Luftströmen.
Kornkohle, insbesondere Kugelkohle, ist wegen ihrer speziellen Form, aber auch wegen der extrem hohen Abriebfestigkeit, beispielsweise für besondere Einsatzgebiete, wie z. B. Flächenfilter für Schutzanzüge gegen chemische Gifte und Filter für niedrige Schadstoffkonzentrationen in großen Luftmengen, sehr gefragt. So kann beispielsweise bei der Beladung von retikulierten, großporigen Polyurethanschäumen mit Aktivkohle z. B. gemäß der DE 38 13 563 AI nur eine gut rieselfahige Kohle eingesetzt werden, wenn auch die inneren Schichten des Schaumstoffmaterials optimal belegt werden sollen. Bei der Herstellung von Schutzanzügen gegen chemische Gifte in Anlehnung z. B. an die DE 33 04 349 C3 beispielsweise kann ebenfalls nur eine hoch abriebfeste Kohle eingesetzt werden, und nur Kugelkohle erfüllt diese Anforde- rung.
Kugelkohle wird heute noch meist durch mehrstufige und sehr aufwendige Verfahren hergestellt. Das bekannteste Verfahren besteht in der Herstellung von Kügelchen aus Steinkohlenteerpech und geeigneten asphaltartigen Rück- ständen der Erdölchemie, welche oxidiert - damit sie unschmelzbar werden -, geschwelt und aktiviert werden. Beispielsweise kann die Kugelkohle auch in einem mehrstufigen Verfahren ausgehend von Bitumen hergestellt werden. Diese mehrstufigen Verfahren sind sehr kostenintensiv, und der damit verbundene hohe Preis dieser Kugelkohle verhindert viele Anwendungen, bei de- nen die Kugelkohle aufgrund ihrer Eigenschaften eigentlich bevorzugt werden müßte.
Folglich wurde auf verschiedenste Art und Weise versucht, hochwertige Kugelkohle auf anderem Wege herzustellen:
Aus dem Stand der Technik bekannt ist die Herstellung von Kugelkohle durch Schwelung und anschließende Aktivierung von neuen oder gebrauchten Ionenaustauschern, die Sulfonsäuregruppen enthalten, bzw. durch Schwelung von Ionenaustauschervorstufen in Gegenwart von Schwefelsäure und an- schließende Aktivierung, wobei die Sulfonsäuregruppen bzw. die Schwefelsäure die Funktion eines Vernetzers haben, wobei die Ausbeuten - unabhängig davon, ob von fertigen Kationenaustauscherharzen oder von unsulfonier- ten Ionenaustauschervorstufen ausgegangen wird - etwa 30 bis 50 % betragen, bezogen auf organisches bzw. polymeres Ausgangsmaterial. Solche Verfahren sind beispielsweise in der DE 43 28 219 A I und in der DE 43 04 026 AI sowie in der DE 196 00 237 A I einschließlich der deutschen Zusatzanmel- düng DE 196 25 069 AI beschrieben. Nachteilig und problematisch bei diesen Verfahren sind aber insbesondere die großen Mengen an freigesetztem Schwefeldioxid - pro kg Endprodukt etwa 1 kg S02 - sowie die damit unter anderem verbundenen Korrosionsprobleme in den Herstellapparaturen. Bei der Verwendung gebrauchter Ionenaustauscherharze, insbesondere gebrauchter Kationenaustauscherharze, als Ausgangsmaterialien besteht zudem das Problem, daß diese - trotz einer Wäsche mit Säure - mit Kationen, die sich dann im Endprodukt anreichern, verunreinigt sind, so daß die Herstellung größerer Mengen Kugelkohle in gleichbleibender Qualität folglich sehr schwierig ist. Bei der Verwendung von Ionenaustauschervorstufen - also Polymerkügelchen ohne Austauschergruppen (Sulfonsäuregruppen) - sind zudem große Mengen von Schwefelsäure und/oder Oleum für die Vernetzung während der Schwelung erforderlich.
In der WO 98/07655 A I wird ein Verfahren zur Herstellung von Aktivkohle- kügelchen beschrieben, bei dem zunächst eine Mischung, die einen aus der Diisocyanatherstellung stammenden Destillationsrückstand, einen kohlenstoffhaltigen Verarbeitungshilfsstoff und gegebenenfalls einen oder mehrere weitere Zusatzstoffe umfaßt, zu rieseiförmigen Kügelchen verarbeitet wird und anschließend die auf diese Weise erhaltenen Kügelchen geschwelt und dann aktiviert werden. Auch bei diesem Verfahren werden bei der Schwelung stoßweise große Mengen an Zersetzungsprodukten freigesetzt, was mit den zuvor geschilderten Problemen verbunden ist.
Die WO 01/83368 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Aktivkohle durch Schwelung und Aktivierung von Polymerkügelchen auf Basis von Styrol und Divinylbenzol, die chemische Gruppen, welche bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen fuhren, insbesondere Sulfonsäuregruppen, enthalten, wobei die Polymerkügelchen zunächst kontinuierlich vorgeschwelt und anschließend diskontinuierlich nachgeschwelt und aktiviert werden. Die zweistufige Durchführung der Schwelung als Vor- und Nachschwelung ist, oftmals bedingt durch apparative Gegebenheiten, nicht immer realisierbar.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht in der Be- reitstellung eines Verfahrens, welches eine effiziente Herstellung von Aktivkohle, insbesondere in Korn- bzw. Kugelform, ermöglicht. Dabei soll das Verfahren eine weniger aufwendige, insbesondere eine möglichst wenig kostenintensive Herstellung von Aktivkohle ermöglichen.
Die Anmelderin hat nun überraschenderweise herausgefunden, daß das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem gelöst werden kann, indem man die bei der Herstellung von kornförmiger, insbesondere kugelförmiger Aktivkohle ausgehend von geeigneten kohlenstoffhaltigen Polymeren (z. B. organischen Polymeren) als Ausgangsmaterial, welche durch Schwe- lung zumindest im wesentlichen zu Kohlenstoff umgesetzt werden können, den Verfahrensschritt der Schwelung dadurch bewirkt, daß man das Ausgangsmaterial kontinuierlich durch eine mehrere Temperaturzonen (Reaktionszonen) bzw. einen Temperaturgradienten umfassende Schwelvorrichtung bewegt derart, daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung des Ausgangsmaterials zu (elementarem) Kohlenstoff bewirkt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren nach Anspruch 1. Das grundlegendes Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den gesamten Schwelvorgang mit seinen verschiedenen, bei unterschiedlichen Temperaturen durchzuführenden Verfahrensstufen bzw. -abschnitten in nur einer einzigen Vorrichtung durchzuführen, welche zu diesem Zweck vorschlagsgemäß mehrere Temperaturzonen bzw. einen Temperaturgradienten aufweisen muß. Auf diese Weise kann der Schwelvorgang kontinuierlich, d. h. ohne Unterbrechung, insbesondere ohne einen Wechsel der Apparatur, durchgeführt werden, was eine nicht unwesentliche Vereinfachung und Effizienzsteigerung bei der Verfahrensdurchführung ermöglicht, verbunden mit ökonomischen Einsparungen.
Die Temperaturzonen bzw. der Temperaturgradient einerseits und andererseits die Geschwindigkeit, mit der das Ausgangsmaterial durch die Schwelvor- richtung bewegt wird, müssen derart ausgewählt, insbesondere derart aufeinander abgestimmt sein, daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung des carbonsierbaren Ausgangsmaterials zu Kohlenstoff bewirkt wird. Durch die Anordnung und Auswahl der Beschaffenheit der Temperaturzonen bzw. des Temperaturgradienten im Zusammenspiel mit der Geschwindigkeit, mit der das Ausgangsmaterial durch die Schwelvorrichtung bewegt wird, läßt sich der erfindungsgemäße Verfahrensablauf gezielt steuern bzw. beeinflussen.
Im allgemeinen erfolgt die Beförderung des Ausgangsmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung in der Weise, daß das Ausgangsmaterial kontinuierlich mittels einer Transport- oder Fördereinrichtung, insbesondere eines bewegten Transport- oder Förderbandes, durch die Temperaturzonen und/oder den Temperaturgradienten der Schwelvorrichtung bewegt wird in der Art, daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung des Ausgangsmaterials zu Kohlenstoff bewirkt wird. Dabei muß die Geschwindigkeit des Förderbandes dem Temperaturprofil der Temperaturzonen bzw. des Temperaturgradienten angepaßt werden und/oder umgekehrt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Schwelvorrichtung bewährt hat sich beispielsweise ein kontinuierlich arbeitendes Drehrohr bzw. ein kontinuierlich arbeitender Drehrohrofen; hier kann das Beladungsgut, d. h. das carbonisierbare Ausgangsmaterial, mittels einer geeigneten Transportoder Fördereinrichtung durch das Drehrohr bzw. durch den Drehrohrofen be- fördert bzw. transportiert werden, z. B. durch geeignete Vortriebskörper, wie z. B. eine Förderschnecke. Gleichermaßen ist es möglich, den Transport bzw. die Förderung des Beladungsgutes durch entsprechende Neigung des Drehrohres bzw. des Drehrohrofens vorzusehen. Gleichermaßen ist es möglich, eine Kombination der vorgenannten Maßnahmen zum Transport bzw. zur Förde- rung des Beladungsgutes durch das Drehrohr bzw. durch den Drehrohrofen vorzusehen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Schwelvorrichtung besonders bewährt hat sich ein sogenannter Bandofen, insbesondere ein soge- nannter Oxidationsbandofen. Derartige Systeme werden von zahlreichen Firmen vertrieben, z. B. von der Fa. Sarnes Ingenieure, Ostfildern, Deutschland, und umfassen im allgemeinen eine kombinierte Einheit aus Transpor Förder- band einerseits und Ofen/Heizvorrichtung andererseits, wobei das im Ofen bzw. in der Heizeinrichtung zu behandelnde Material über das Transport-/För- derband durch das Innere das Ofens bzw. der Heizeinrichtung transportiert bzw. gefördert werden kann.
Als Ausgangsmaterialien für die erfindungsgemäße Herstellung von Aktivkohle eignen sich (ver)schwelbare bzw. carbonisierbare Polymere, d. h. kohlenstoffhaltige Polymere, die sich durch Pyrolyse bzw. Schwelung zumindest im wesentlichen zu elementarem Kohlenstoff umsetzen lassen.
Die Form bzw. Gestalt des polymeren Ausgangsmaterials bleibt im allgemeinen bei der Schwelung zumindest im wesentlichen bzw. weitgehend erhalten (wobei allerdings durch die Schwelung und gegebenenfalls nachfolgende Aktivierung eine Reduzierung der Teilchengröße bzw. des Teilchendurchmessers eintritt). Folglich muß zur Herstellung von Aktivkohle in Kornform, insbesondere in Kugelform, auch von Polymerkörnern bzw. -kügelchen, d. h. Polymeren in Korn- oder Kugelform bzw. annähernd in Korn- oder Kugelform, ausgegangen werden (Im allgemeinen besitzen die erfindungsgemäß eingesetzten Polymerkörner bzw. -kügelchen Durchmesser von bis zu etwa 2 mm, insbesondere von bis zu etwa 1 ,5 mm oder weniger.). Auch die Teilchengröße der erhaltenen Korn- bzw. Kugelkohle hängt von der Größe der Körnchen bzw. Kügelchen im Ausgangsmaterial ab. Handelsübliche Ausgangsprodukte führen im allgemeinen zu Aktivkohlekörnern bzw. -kügelchen von etwa 0, 1 mm bis etwa 2,0 mm Durchmesser, insbesondere etwa 0,2 mm bis etwa 1 ,0 mm, vorzugsweise etwa 0,3 mm bis etwa 0,8 mm, mit Mittelwerten von etwa 0,4 mm bis etwa 0,6 mm.
Das polymere Ausgangsmaterial kann beispielsweise in poröser, insbesondere makroporöser, und/oder gelförmiger Form vorliegen. Im Falle von gelförmi- gen Ausgangsmaterialien werden mikroporöse Polymerteilchen bevorzugt eingesetzt. Bevorzugt werden makroporöse oder mikroporöse gelförmige Ausgangsmaterialien. Aufgrund der Tatsache, daß die Form bzw. Gestalt des polymeren Ausgangsmaterials im allgemeinen bei der Schwelung zumindest im wesentlichen bzw. weitgehend erhalten bleibt, lassen sich die Eigenschaften, insbesondere die Morphologie (z. B. Porosität), der geschwelten Produkte durch die gezielte Auswahl des Ausgangsmaterials steuern bzw. beeinflussen. So bestimmt beispielsweise die Porosität des Ausgangsmaterials auch die Porosität der geschwelten Produkte.
Als Ausgangsmaterialien können beispielsweise organische Polymerkörnchen bzw. -kügelchen verwendet werden, die ein im wesentlichen aus Polystyrol bestehendes Polymerskelett besitzen, wobei die Polystyrolketten mittels einer Komponente mit mindestens zwei Vinylgruppen pro Molekül, insbesondere Divinylbenzol, stellenweise verbunden bzw. vernetzt sein können und das Polymerskelett funktionelle chemische Gruppen, die bei ihrer thermischen Zer- setzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führen, insbesondere Sulfonsäuregruppen, enthalten können. Insbesondere handelt es sich bei dem für die erfindungsgemäße Herstellung der körn- bzw. kugelförmigen Aktivkohle verwendeten Ausgangsmaterial um organische Polymerkörnchen bzw. -kügelchen auf Basis von mit Divinylbenzol vernetzten! Polystyrol, die funk- tionelle chemische Gruppen, insbesondere saure Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, welche bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen fuhren, enthalten; dabei kann der Divinylbenzolgehalt, bezogen auf die Polymerkügelchen, bis zu etwa 20 Gew.-%, insbesondere bis zu etwa 15 Gew.-%, vorzugsweise bis zu etwa 10 Gew.-%, betragen. Anstelle von Divinylbenzol kann zur Vernetzung des Polystyrols aber auch eine vergleichbare, zur Vernetzung von Polystyrol geeignete, organische, insbesondere aromatische organische Verbindung mit mindestens zwei vernetzenden Gruppen, insbesondere Vinylgruppen, pro Molekül eingesetzt werden. Das Gewichtsverhältnis von Polymeren zu bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden chemischen Gruppen, insbesondere das Gewichtsverhältnis von Polymeren zu Sulfonsäuregruppen, kann dabei in weiten Grenzen variieren; vorteilhafterweise liegt es im allgemeinen im Bereich von etwa 5 : 1 bis etwa 1 : 1 , insbesondere etwa 2 : 1 bis etwa 1 : 1. Dennoch ist es möglich von den genannten Werten abzuweichen.
Gemäß einer ersten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht eine Möglichkeit darin, daß die zu Vernetzungen führenden chemischen Gruppen, insbesondere stark sauren Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, bereits im Ausgangsmaterial vorhanden sind. Nichtbeschränkende Beispiele für polymere Ausgangsmaterialien, bei denen die bei der Schwelung bzw. Pyrolyse zu Vernetzungen führenden, chemischen funktioneilen Gruppen, insbesondere Sulfonsäuregruppen, bereits im eigentlichen Ausgangsmaterial vorhanden sind, sind Ionenaustauscherharze, insbe- sondere stark saure Kationenaustauscherharze, wie Kationenaustauscherharze mit Sulfonsäuregruppen. Dabei kann es sich um ungebrauchte oder aber auch gebrauchte Ionenaustauscherharze handeln. Im Falle gebrauchter Kationenaustauscher können diese mit Metallionen verunreinigt sein, die dann im Endprodukt als katalytische Metallimprägnierung vorhanden sind. Für den Fall, daß von gebrauchten bzw. verbrauchten Ionenaustauschern ausgegangen wird, betrifft die vorliegende Erfindung gleichsam ein Verfahren zur Entsorgung gebrauchter bzw. verbrauchter Ionenaustauscher. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nämlich die zu entsorgenden, gebrauchten Ionenaustauscher in ein nützliches Produkt - Aktivkohle - umgesetzt werden, welches durch seine Eigenschaft, Umweltgifte zu adsorbieren, zum Umweltschutz beiträgt.
Ein weiteres Beispiel für polymere Ausgangsmaterialien, bei denen die bei der Schwelung bzw. Pyrolyse zu Vernetzungen führenden, chemischen funktio- nellen Gruppen, insbesondere Sulfonsäuregruppen, bereits im eigentlichen Ausgangsmaterial vorhanden sind, sind saure organische Katalysatoren, beispielsweise Katalysatoren für die Bisphenolsynthese oder für die MTBE- Synthese (MTBE = Methyl-tert.-Butylether), vorzugsweise Sulfonsäuregruppen enthaltende organische Katalysatoren. Besonders bevorzugt werden saure organische Katalysatoren der zuvor beschriebenen Art, welche porös und/oder gelförmig sein können. Die Anmelderin hat nämlich überraschenderweise herausgefunden, daß beispielsweise die bei der MTBE- oder Bisphenolsynthese anfallenden, inaktiv gewordenen, sauren organischen Katalysatoren ein gutes Ausgangsmaterial für die Herstellung von Korn- bzw. Kugelkohle sind. Das aus dem Reaktor zur Bisphenol- oder zur MTBE-Synthese stammende korn- bzw. kugelförmige Katalysatormaterial kann dann - gegebenenfalls nach Wäsche und Trocknung - in erfindungsgemäßer Weise geschwelt und gegebenenfalls aktiviert werden. Noch anhaftendes Phenol im Fall von Katalysatoren aus der Bisphenolsynthese wird bei der Schwelung bzw. Pyrolyse zerstört oder/und in der Nachschwelung verbrannt. Die Ausbeuten an Aktivkohlekörnchen bzw. -kügelchen sind im Fall der organischen Katalysatoren ähnlich wie bei Kationenaustauschern. Im Gegensatz zu gebrauchten Ionenaustauschern ist aber bei gebrauchten organischen Katalysatoren keine Anreicherung von Kationen in der Kohle zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß lassen sich als Ausgangsmaterialien also ohne weiteres die verbrauchten bzw. erschöpften, als Abfall anfallenden, sauren organischen Katalysatoren aus der MTBE-Syn- these oder aus der Synthese von Bisphenol aus Phenol und Aceton einsetzen und auf diese Weise entsorgen. Für den Fall, daß von verbrauchten bzw. inaktiv gewordenen, sauren, polymeren organischen Katalysatoren auf Basis von Styrol und Divinylbenzol, insbesondere aus der MTBE- oder aus der Bisphe- nolsynthese, ausgegangen wird, betrifft die vorliegende Erfindung gleichsam ein Verfahren zur Entsorgung verbrauchter bzw. inert gewordener Katalysatoren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die zu entsorgende Abfälle in ein nützliches Produkt - Aktivkohle - umgesetzt werden, welches durch seine Eigenschaft, Umweltgifte zu adsorbieren, zum Umweltschutz beiträgt.
Auch wenn die zu Vernetzungen führenden chemischen Gruppen, insbesondere stark sauren Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, bereits im Ausgangsmaterial vorhanden sind, kann es vorteilhaft sein, das Ausgangsmaterial, insbesondere die Ionenaustauscherharze bzw. die sauren organischen Katalysatoren, vor und/oder während der Schwelung mit einem Sulfonierungsmittel, vorzugsweise S03, bevorzugt in Form von Schwefelsäure und/oder Oleum, insbesondere in einer Menge von etwa 1 bis etwa 30 Gew.-% S03, insbesondere 5 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% S03, bezogen auf das Trockengewicht des Ausgangsmaterials, in Kontakt zu bringen; dies erhöht die Anzahl der bei der Schwelung gebildeten freien Radikale noch zusätzlich und führt zu vermehrten Vernetzungen in den Polymeren, so daß schließlich stabilere bzw. kompaktere, insbesondere abriebfestere Endprodukte in Form von Kohlekörnern bzw. Kohle- kügelchen resultieren und insbesondere auch die Ausbeute an Aktivkohle erhöht wird. Neben einer Steigerung der Ausbeute an Endprodukt bzw. Aktiv- kohle können hierdurch auch die Zeiten für die Schwelung deutlich verkürzt werden. Denn, wie die Anmelderin herausgefunden hat, lassen sich die Ausbeuten an Aktivkohle mit steigendem Säuregehalt bzw. Sulfonsäuregruppen- gehalt des Ausgangsmaterials erhöhen. Beispielsweise können auf diese Weise Ausgangsmaterialien, insbesondere Ionenaustauscher bzw. Katalysatoren, mit niedrigerem Säuregehalt zur Verbesserung der Ausbeute mit etwas Oleum und/oder Schwefelsäure versetzt werden. Normalerweise genügen beispiels- weise etwa 1 bis etwa 30 Gew.-% gebundenes oder freies S0 , bezogen auf Polymeranteil im Ausgangsmaterial. Die Einführung zusätzlicher Sulfonsäuregruppen mittels Sulfonierung kann entweder als separater Verfahrensschritt außerhalb der Schwelvorrichtung durchgeführt werden (und zwar entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich) oder aber vorteilhafterweise in der Schwelvorrichtung selbst, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben. Dies bietet den entscheidenden Vorteil, daß nicht nur den gesamten Schwelprozeß innerhalb einer Vorrichtung kontinuierlich durchgeführt werden kann, sondern auch noch die zusätzliche Sulfonierung als ein der Schwelung vorgeschalteter Verfahrensschritt in derselben Vorrichtung ablaufen können.
Gemäß einer weiteren, alternativen Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die chemischen Gruppen, welche bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führen, insbeson- dere stark saure Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, erst vor und/oder während der Schwelung in das Ausgangsmaterial eingeführt. Dies kann beispielsweise durch Sulfonierung des polymeren Ausgangsmaterials, vorzugsweise durch Zugabe eines Sulfonierungsmittels, insbesondere S03, bevorzugterweise in Form von Oleum und/oder Schwefelsäure, besonders bevorzugt in Form von mit Schwefelsäure vermischtem Oleum, erfolgen. Hierbei wird das unsulfo- nierte Ausgangsmaterial mit dem vorgenannten Sulfonierungsmittel in Kontakt gebracht, z. B. durch Mischen der Polymerkörner bzw. -kügelchen mit dem Sulfonierungsmittel, insbesondere Oleum und/oder Schwefelsäure, wobei darauf geachtet werden sollte, daß das polymere Ausgangsmaterial möglichst homogen und vollständig mit dem Sulfonierungsmittel in Kontakt gebracht bzw. gemischt werden, ohne daß "Trockenstellen/-zonen" (d. h. unbenetzte Stellen/Zonen) auf dem Ausgangsmaterial zurückbleiben. Dies kann dadurch gewährleistet werden, daß ein Überschuß an Sulfonierungsmittel eingesetzt wird, so daß eine "Naßmischung" in der Art eines homogenen Breis resultiert, welche dann unter erhöhten Temperaturen schließlich zur Sulfonierung des Ausgangsmaterials führt. Besonders bevorzugt ist es aber, wenn das nichtsul- fonierte polymere Ausgangsmaterial (insbesondere ein Ausgangsmaterial in Form von Polymerkörnern bzw. -kügelchen, vorzugsweise auf Basis von divi- nylbenzolvernetztem Polystyrol) vor der Einbringung in die Schwelvorrich- tung mit dem Sulfonierungsmittel derart in Kontakt gebracht worden ist, daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Benetzung des polymeren Aus- gangsmaterials bzw. der Polymerkörner bzw. -kügelchen mit dem Sulfonierungsmittel gewährleistet ist; dies geschieht vorteilhafterweise dadurch, daß das nichtsulfonierte polymere Ausgangsmaterial mit dem Sulfonierungsmittel in einer geeigneten Mischeinrichtung unter intensivem Mischen bzw. Durch- mischen in Kontakt gebracht wird, vorzugsweise derart, daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Benetzung des polymeren Ausgangsmaterials erfolgt, bevorzugt in einem Doppelschneckenextruder, dem das zu sulfonie- rende polymere Ausgangsmaterial und das Sulfonierungsmittel in geeigneter Weise (z. B. über getrennte Zufuhrkanäle) zugeführt werden können; diese besondere Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine homogene, gleichmäßige und im wesentlichen vollständige Benetzung des polymeren Ausgangsmaterials mit dem Sulfonierungsmittel erreicht wird und zum anderen - aufgrund der intensiven Durchmischung - günstige Mengenverhältnisse, insbesondere relativ geringe Mengen an Sulfonierungsmittel, eingesetzt werden können, d. h. nicht mit einem (großen) Überschuß an Sulfonierungsmittel verfahren werden muß; des weiteren ermöglicht die vorgenannte besondere Ausführungsform, welche eine Mischeinrichtung einsetzt, die eine intensive Durchmischung des Sulfonierungsmittels mit dem zu sulfonierenden polymeren Ausgangsmaterials ermöglicht bzw. gewährleistet, relativ kurze Verweilzei- ten, was in bezug auf den Verfahrensablauf günstig ist, da hohe Durchsätze erreicht werden können. Vorzugsweise erfolgt das Inkontaktbringen des nicht- sulfonierten polymeren Ausgangsmaterials mit dem Sulfonierungsmittel in einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur (ca. 20 °C) und Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts bzw. Schmelzbereichs des polymeren Ausgangsmaterials, vorzugsweise im Bereich von etwa 20 °C bis etwa 100 bis 150 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur. Als Sulfonierungsmittel eignen sich insbesondere Schwefelsäure, Oleum und Schwefelsäure/Oleum-Gemi- sche; als Schwefelsäure wird bevorzugt konzentrierte Schwefelsäure, vorzugsweise 90%ige bis 100%ige Schwefelsäure eingesetzt, besonders bevorzugt in Mischung mit Oleum (Oleum ist eine besondere Form der konzentrierten Schwefelsäure, die wechselnde Mengen an Schwefeltrioxid S03 enthält, z. B. enthält 20%iges Oleum 20 % Schwefeltrioxid.). Im allgemeinen wird das Sulfonierungsmittel (insbesondere konzentrierte Schwefelsäure und/oder Oleum) in bezug auf das zu sulfonierende polymere Ausgangsmaterial in gewichtsbe- zogenen Mengenverhältnissen Sulfonierungsmittel/polymeres Ausgangsmaterial im Bereich von 0,2 : 1 bis 2 : 1 , insbesondere 0,4 : l bis 1 ,5 : 1 , eingesetzt. In der Praxis bewährt für die Sulfonierung des unsulfonierten Ausgangsmaterials haben sich insbesondere Oleum, wobei z. B. das Gewichtsverhältnis Po- lymer/Oleum 20 % bis zu etwa 1 : 1 oder mehr betragen kann, oder aber Oleum/Schwefelsäure-Gemische, wobei z. B. das Gewichtsverhältnis Poly- mer/Oleum 20 %/ Schwefelsäure etwa 1 : 1 : 0,5 betragen kann.
Die Sulfonierung selbst kann als dabei als separater Verfahrensschritt außerhalb der Schwelvorrichtung durchgeführt werden (und zwar entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich) oder aber vorteilhafterweise in der Schwel- Vorrichtung selbst, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben. Die letztgenannte Möglichkeit bietet den entscheidenden Vorteil, nicht nur den gesamten Schwelprozeß innerhalb einer Vorrichtung und kontinuierlich durchzuführen, sondern - im Fall von unsulfonierten Ausgangsprodukten oder Ausgangsprodukten mit geringen Sulfonsäuregruppengehalten - auch noch die Sulfonie- rung als einen der Schwelung vorgeschalteten Verfahrensschritt in derselben Vorrichtung vorzusehen.
Diese zweite Aus ührungs form, bei der Ausgangsmaterialien zum Einsatz kommen, bei denen die bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden chemischen Gruppen (wie z. B. stark saure Gruppen wie Sulfonsäuregruppen), noch vor und/oder während der Schwelung in das Ausgangsmaterial eingeführt werden müssen, bietet gegenüber der ersten Ausführungsform den Vorteil, daß kostengünstigere Materialien zum Einsatz kommen.
Beispiele für erfindungsgemäß geeignete Ausgangsmaterialien gemäß der zweiten Ausfiihrungsform, bei denen die bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden chemischen Gruppen (wie z. B. stark saure Gruppen wie Sulfonsäuregruppen), erst vor und/oder während der Schwelung in das Ausgangsmaterial eingeführt werden, sind beispielsweise Polymerkörnchen, insbesondere Polymerkügelchen, auf Basis von Styrol und Divinylbenzol, so z. B. Vorstufen von Ionenaustauscherharzen, wie sie zuvor beschrieben worden sind. Die Vorstufen für Ionenaustauscher können prinzipiell gelförmig oder makroporös sein. Letztere sind wesentlich teu- rer, hauptsächlich wegen ihres beträchtlich höheren Divinylbenzolgehalts. Ihre zahlreichen Mesoporen bleiben während der Umsetzung in Aktivkohle voll erhalten, was für manche Anwendungen sinnvoll ist. Die Geltypen führen hingegen zu ausgesprochen mikroporösen Kohlen: Das Porenvolumen kann bis zu 90 bis 95 % als Mikroporen vorliegen. Die Geltypen enthalten oft etwa 2 bis etwa 8 % Divinylbenzol. Aber auch nur schwach vernetzte Typen mit geringerem Gehalt an Divinylbenzol (circa 2 bis 4 % Divinylbenzol) überste- hen die starke Quellung in der Säure, platzen also nicht bzw. zerbrechen nicht zu Halbkugeln. Es hat sich gezeigt, daß auch Typen mit sehr niedrigem Divi- nylbenzolgehalt erfindungsgemäß gut geeignet sind. Viel wichtiger ist die Sulfonierung, die so vollständig wie möglich sein muß, denn bei der Zersetzung der Sulfonsäuregruppen entstehen jene freien Radikale, die zu den für die Ausbeute verantwortlichen Vernetzungen führen. Während ausgehend von Kationenaustauschern sowohl makroporöse als auch Geltypen eingesetzt werden können und die Wahl eher eine Frage der Wirtschaftlichkeit ist, werden allerdings Geltypen bevorzugt, wenn Vorstufen von Ionenaustauschern (= reine Polymere) eingesetzt werden. Der Grund ist folgender: Die makroporösen Vorstufen nehmen in ihren großen Poren - ähnlich einem Löschblatt - sehr viel Säure bzw. Oleum auf, so daß die Mischung aus Polymer und Säure trok- ken bzw. sandig ist und eine gleichmäßige Verteilung der Säure kaum erreicht wird. Abgesehen davon, f hrt jedoch das Schwelen und Aktivieren von Kationenaustauschern zu vergleichbaren Produkten, als wenn von Vorstufen und Säure ausgegangen wird.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Schwelvorrichtung mindestens die folgenden Temperaturzonen in der nachfolgend wie- dergegebenen Reihenfolge vorgesehen: a) gegebenenfalls mindestens eine erste Temperaturzone ("Sulfonierungszo- ne"), in der für den Fall, daß das Ausgangsmaterial keine bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden Gruppen, insbesondere keine stark saure Gruppen wie Sulfonsäure- gruppen, enthält oder aber solche Gruppen noch zusätzlich in das Ausgangsmaterial eingeführt werden sollen, diese Gruppen in das Ausgangsmaterial eingeführt werden, insbesondere durch Sulfonierung; b) mindestens eine auf die erste Temperaturzone folgende zweite Temperaturzone (auch "Vorschwelzone" oder "Zone saurer Gase" genannt), vor- zugsweise mit einer höheren mittleren Temperatur als die der ersten Temperaturzone, wobei in der zweiten Temperaturzone die bei ihrer thermi- schen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden Gruppen, insbesondere stark saure Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, vom Ausgangsmaterial abgespalten werden, so daß es zu einem Einsetzen der Schwelung und oder einer thermischen Zersetzung des Ausgangsma- terials, vorzugsweise unter Vernetzung der Polymeren und/oder Bildung von Kohlenstoff, kommt; c) mindestens eine auf die zweite Temperaturzone folgende dritte Temperaturzone ("Nachschwelzone"), vorzugsweise mit einer höheren mittleren Temperatur als die der zweiten Temperaturzone, wobei in der dritten Temperaturzone eine weitergehende Schwelung des aus der zweiten Temperaturzone stammenden Ausgangsmaterials durchgeführt wird, so daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung des Ausgangsmaterials zu Kohlenstoff bewirkt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet also den entscheidenden Vorteil, daß der gesamte Schwel- bzw. Carbonisierungsvorgang, d. h. Vorschwelung wie Nachschwelung, und gegebenenfalls zusätzlich auch die Sulfonierung, kontinuierlich in einer einzigen Vorrichtung bzw. Apparatur betrieben werden können.
Wie zuvor beschrieben, kann in einer ersten Temperaturzone a) für den Fall, daß das Ausgangsmaterial keine bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden Gruppen, insbesondere keine stark saure Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, enthält oder aber solche Gruppen noch zusätzlich in das Ausgangsmaterial eingeführt werden sollen, die Einführung dieser Gruppen in das Ausgangsmaterial, insbesondere durch Sulfonierung, erfolgen. Deshalb wird diese Zone auch "Sulfonierungszone" genannt. Die Sulfonierung erfolgt in an sich bekannter Weise, wie dies zuvor beschrieben worden ist. Im allgemeinen wird zu diesem Zweck die erste Tem- peraturzone bei Temperaturen von 50 bis 200 °C, insbesondere 75 bis 175 °C, vorzugsweise 100 bis 150 °C, betrieben. Diese Temperaturzone ist jedoch fakultativ und kann entfallen, wenn z. B. Ausgangsmaterial mit einem ausreichendem Gehalt an bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden Gruppen, insbesondere sulfoniertes Aus- gangsmaterial (z. B. stark saure Kationenaustauscher mit Sulfonsäuregruppen), eingesetzt wird oder aber die Sulfonierung getrennt in einem vorgela- gertem Schritt durchgeführt wird. Vorteilhafterweise wird für den Fall, daß von einem unsulfonierten polymeren Ausgangsmaterial ausgegangen wird, dieses vor Einbringen in die Sulfonierungszone mit dem Sulfonierungsmittel in Kontakt gebracht, vorzugsweise derart, daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Benetzung des polymeren Ausgangsmaterials bzw. der Polymerkörner bzw. -kügelchen mit dem Sulfonierungsmittel gewährleistet ist; für weitere diesbezügliche Einzelheiten kann auf obige Ausführungen verwiesen werden.
In den beiden sich anschließenden Temperaturzonen b) und c) erfolgt dann die Schwelung des sulfonierten Ausgangsmaterials, und zwar in zwei Stufen, nämlich Vorschwelung b) (zweite Temperaturzone bzw. "Vorschwelzone") und Nachschwelung c) (dritte Temperaturzone bzw. "Nachschwelzone"). Da bei der Vorschwelung b) in der zweiten Temperaturzone durch die gezielte Zersetzung des Ausgangsmaterials saure Gase (hauptsächlich S02, daneben auch geringen Mengen S03, H2S04 und gegebenenfalls auch anderer saurer Gase) freigesetzt werden, wird diese Zone auch als "Zone saurer Gase" bezeichnet. In der dritten Temperaturzone bzw. Nachschwelzone c) dagegen werden keine sauren Gase mehr freigesetzt, sondern überwiegend Kohlen- stoffoxide, wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Wasser.
Die Temperaturen, bei denen die zweite und die dritte Temperaturzone b) und c) betrieben werden können, können in weiten Bereichen variieren. Bei- spielsweise kann die zweite Temperaturzone b) bei Temperaturen von 100 bis 500 °C, insbesondere 150 bis 450 °C, gefahren werden. Die dritte Temperaturzone c) kann beispielsweise bei Temperaturen oberhalb von 400 ° C, insbesondere oberhalb von 450 °C bis 500 °C, gefahren werden, z. B. bei Temperaturen von 400 bis 1.200 °C, insbesondere 450 bis 1 .000 °C, vorzugsweise 500 °C bis 900 °C, besonders bevorzugt 550 bis 850 °C.
Bei der Schwelung - synonym auch als "Carbonisierung" oder "Pyrolyse" bezeichnet und im Fall der vorliegenden Erfindung bestehend aus Vorschwelung b) (zweite Temperaturzone und Nachschwelung) (dritte Temperaturzone) - er- folgt die Umwandlung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials zu Kohlenstoff, d. h. mit anderen Worten wird das Ausgangsmaterial verkohlt bzw. car- bonisiert. Bei der Schwelung werden - unter Abspaltung flüchtiger Bestand- teile wie insbesondere S02 - die funktionellen chemischen Gruppen, insbesondere Sulfonsäuregruppen, zerstört, und es bilden sich freie Radikale, die eine starke Vernetzung bewirken, ohne die es keinen Pyrolyserückstand (= Kohlenstoff) gäbe. Im allgemeinen wird die Pyrolyse bzw. Schwelung un- ter inerter Atmosphäre (z. B. Stickstoff) oder allenfalls leicht oxidierender Atmosphäre durchgeführt. Gleichermaßen kann es vorteilhaft sein, während der Schwelung, insbesondere bei höheren Temperaturen (z. B. im Bereich von etwa 500 °C bis 650 °C), zu der Inertatmosphäre eine kleinere Menge an Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft (z. B. 1 bis 5 %), zuzugeben, um eine Oxidation des carbonisierten Polymerskeletts zu bewirken und auf diese Weise die Aktivierung zu erleichtern.
Vorteilhafterweise sind die einzelnen Temperaturzonen getrennt bzw. unabhängig voneinander steuerbar. Den einzelnen Temperaturzonen können je- weils Abzugseinrichtungen zugeordnet sein, wobei es vorteilhaft sein kann, den einzelnen Temperaturzonen getrennte bzw. unabhängige Abzugseinrichtungen zuzuordnen, so daß eine Trennung bzw. ein getrenntes Auffangen der aus den unterschiedlichen Temperaturzonen stammenden Prozeßgase erfolgen kann (z. B. getrenntes Auffangen der sauren Prozeßgase). Auf diese Weise kann beispielsweise die saure bzw. korrosive Phase (Vorschwelung, verbunden mit S02-Ausstoß) von der Hochtemperatur- Phase (Nachschwelung) getrennt werden. Die Anmelderin hat nämlich gefunden, daß vorgeschweltes Ausgangsmaterial bei weiterer Temperaturerhöhung keine sauren bzw. korrosiven Stoffe mehr freisetzt.
Gleichermaßen kann es vorteilhaft sein, in der Schwelvorrichtung mindestens eine Schleuse vorzusehen, insbesondere zwischen einzelnen, aufeinanderfolgenden Temperaturzonen und/oder innerhalb einzelner Temperaturzonen, vorzugsweise zumindest zwischen zweiter und dritter Temperaturzone, so daß zu- mindest im wesentlichen keine Durchmischung von aus unterschiedlichen Temperaturzonen, zwischen den mindestens eine Schleuse angeordnet ist, stammenden Prozeßgasen erfolgt; auf diese Weise kann verhindert werden, daß beispielsweise die aus der zweiten Temperaturzone stammenden sauren Prozeßgase (vor allem S02) nicht mit den übrigen Prozeßgasen durchmischt werden, sondern separat aufgefangen werden können, gegebenenfalls gefolgt von einer Entsorgung oder einer Wiederaufbereitung mit nachfolgender Re- zyklierung. So kann beispielsweise das insbesondere während der Vorschwelung kontinuierlich ausgetriebene S02 regeneriert werden, insbesondere über eine katalytische Oxidation zu S03 und weiter zu Schwefelsäure und/oder Oleum umgesetzt werden. Das Vorhandensein einer oder mehrerer Schleusen ermöglicht gleichermaßen eine gezielte Gaszugabe zu einzelnen Temperaturzonen (z. B. Zugabe kleinerer Mengen an Sauerstoff) bzw. das Aufrechterhalten einer bestimmten Gaszusammensetzung in bestimmten Temperatur- bzw. Reaktionszonen oder Teilen von Temperatur- bzw. Reaktionszonen (z. B. inerte Atmosphäre in Teilen der Vorschwelzone und leicht oxidierende Atmo- Sphäre in Teilen der Nachschwelzone).
Vorteilhaft und in bezug auf die Verfahrensführung empfehlenswert ist es, zwischen den einzelnen Temperaturzonen, aber auch innerhalb einer einzelnen Temperaturzone kontinuierliche Temperaturübergänge vorzusehen und große Temperaturdifferenzen ("Temperatursprünge") zu vermeiden. Auf diese Weise lassen sich qualitativ besonders gute Produkte erhalten, da insbesondere ein Bersten oder Zerspringen der Ausgangsmaterialien, wie es bei großen Temperatursprüngen vorkommen kann, vermieden wird. Daher ist es gleichermaßen vorteilhaft und in bezug auf die Verfahrensfuhrung empfehlenswert, auch in- nerhalb einer einzelnen Temperatur- bzw. Reaktionszone einen Temperaturgradienten vorzusehen, vorzugsweise derart, daß der Übergang zur nächsten Temperatur- bzw. Reaktionszone zumindest im wesentlichen kontinuierlich, d. h. nicht sprunghaft ist. Die Verfahrenssteuerung läßt sich durch Einstellung des Tempera turprofils in den einzelnen Temperaturzonen und/oder des Temperaturprofils des Temperaturgradienten und/oder durch Einstellung der Geschwindigkeit, mit der das Ausgangsmaterial durch die Temperaturzonen und/oder den Temperaturgradienten der Schwelvorrichtung bewegt wird, gezielt steuern.
Die Gesamtverweildauer des Ausgangsmaterials in der Schwelvorrichtung ist nicht kritisch und kann in weiten Grenzen variieren. Im allgemeinen liegt sie im Bereich von 0, 1 bis 5 Stunden, insbesondere 0,25 bis 4 Stunden, vorzugsweise 0,5 bis 3 Stunden.
Der Schwelung schließt sich im allgemeinen eine Aktivierung des geschwelten Materials an. Diese erfolgt im allgemeinen unter an sich bekannten Bedin- gungen. Das Grundprinzip der Aktivierung besteht darin, einen Teil des bei der Schwelung generierten Kohlenstoffs selektiv und gezielt unter geeigneten Bedingungen abzubauen. Hierdurch entstehen zahlreiche Poren, Spalten und Risse, und die auf die Masseneinheit bezogene Oberfläche nimmt erheblich zu. Bei der Aktivierung wird also ein gezielter Abbrand der Kohle vorgenommen. Da bei der Aktivierung Kohlenstoff abgebaut wird, tritt bei diesem Vorgang ein zum Teil erheblicher Substanzverlust ein, welcher unter optimalen Bedingungen gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Porosität ist und Zunahme der inneren Oberfläche (Porenvolumen) ist. Die Aktivierung erfolgt daher unter selektiven bzw. kontrollierten, oxidierenden Bedingungen. Übliche Aktivierungsgase sind im allgemeinen Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid sowie Gemische dieser Aktivierungsgase. Da bei Sauerstoff die Gefahr besteht, daß die Einwirkung nicht nur selektiv, sondern an der Gesamtoberfläche erfolgt - wodurch die Kohle mehr oder weniger stark abbrennt -, gibt man Wasserdampf und Kohlendioxid den Vorzug. Ganz besonders bevorzugt ist Wasserdampf, gegebenenfalls in Mischung mit einem Inertgas (z. B. Stickstoff). Um eine technisch ausreichend hohe Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen, wird die Aktivierung im allgemeinen bei Temperaturen von etwa 700 °C bis etwa 1.200 °C, insbeson- dere etwa 800 °C bis etwa 1.1 10 °C, vorzugsweise etwa 850 °C bis etwa 1.000 °C, besonders bevorzugt etwa 900 °C bis etwa 975 °C durchgeführt. Die Dauer der Aktivierung kann dabei in weiten Bereichen variieren und beispielsweise etwa 0,5 bis etwa 6 Stunden, insbesondere etwa 1 ,5 bis etwa 5 Stunden, vorzugsweise etwa 2 bis etwa 3,5 Stunden, betragen.
Erfindungsgemäß kann die Aktivierung insbesondere mit einem Gemisch aus Wasserdampf und Stickstoff, insbesondere bei Temperaturen von etwa 850 °C bis etwa 960 °C, vorzugsweise etwa 910 °C bis etwa 930 °C, durchgeführt werden. Die Verweilzeiten können dabei etwa 0,5 bis etwa 20 Stunden, insbe- sondere etwa 2 Stunden bis etwa 15 Stunden, vorzugsweise etwa 5 Stunden bis etwa 10 Stunden, betragen.
Die Aktivierung kann prinzipiell gleichermaßen in der Schwelvorrichtung durchgeführt werden. Im allgemeinen wird aber daß die Aktivierung in einer separaten Vorrichtung, insbesondere räumlich und zeitlich getrennt von der Schwelung, durchgeführt. Die einzige Figur zeigt schematisch einen typischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer besonderen Ausführungsform. In 1 wird das verschwelbare bzw. carbonisierbare Ausgangsmaterial 4a bereitgestellt, beispielsweise Polymerkügelchen auf Basis von divinylbenzolvernetztem Poly- styrol, also unsulfoniertes Ausgangsmaterial. Das unsulfonierte Ausgangsmaterial 4a wird dann mit einem geeigneten Sulfonierungsmittel, insbesondere Schwefeltrioxid, vorzugsweise in Form eines Oleum/Schwefelsäure-Gemi- sches, in Kontakt gebracht und anschließend portionsweise in dafür vorgesehene Reaktionsgefaße 5 eingebracht, die über eine geeignete Transport- oder Fördereinrichtung 6, insbesondere ein bewegtes Transport- oder Förderband, durch die Schwelvorrichtung 2, insbesondere einen Bandofen, kontinuierlich in die Richtung r bewegt werden. Die Schwelvorrichtung umfaßt im Fall des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels drei Temperaturzonen, die jeweils durch Schleusen 7a, 7b voneinander getrennt sind, so daß zumindest im wesentlichen keine Durchmischung von aus unterschiedlichen Temperaturzonen, zwischen denen eine Schleuse 7a, 7b angeordnet ist, stammenden Prozeßgasen erfolgt, insbesondere die aus der zweiten Temperaturzone stammenden sauren Prozeßgase nicht mit den übrigen Prozeßgasen durchmischt werden und separat aufgefangen werden können. Das mit dem Sulfonie- rungsmittel in Kontakt gebrachte Ausgangsmaterial 4b wird in der ersten Temperaturzone der Schwelvorrichtung 2 zunächst sulfoniert und anschließend in eine zweite Temperaturzone zur Vorschwelung eingebracht, im Rahmen derer die Sulfonsäuregruppen vom Ausgangsmaterial abgespalten werden, so daß es zu einem Einsetzen der Schwelung unter Vernetzung der gebil- deten Radikale kommt. Schließlich wird das auf diese Weise vorgeschwelte Material 4c über die Transport- oder Fördereinrichtung 6 in eine dritte Temperaturzone transportiert, wo schließlich eine weitergehende Schwelung zu dem carbonisierten Produkt 4d erfolgt. Dieses kann anschließend noch einer Aktivierung 3 zugeführt werden, so daß carbonisierte und aktivierte Aktivkohle in Kugelform erhalten wird.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten bzw. herstellbaren Produkte, d. h. Aktivkohle in Korn- bzw. Kugelform. Aufgrund der kontinuierlichen Verfah- rensführung, bei der die Ausgangspolymere kontinuierlich, d. h. ohne Unterbrechung, insbesondere ohne Abkühlung der vorgeschwelten Zwischenpro- dukte, einer Schwelung unterzogen werden, erhält man Aktivkohle mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere mit verbesserten mechanischen wie ad- sorptiven Eigenschaften. Denn die Anmelderin hat herausgefunden, daß eine diskontinuierliche Verfahrensführung bei der Schwelung mit Trennung zwi- sehen Vorschwelung und Nachschwelung, wie sie im Stand der Technik üblich ist, insbesondere unter Isolierung der vorgeschwelten Produkte mit zwischenzeitlicher Abkühlung, abträglich in bezug auf die Endprodukte ist. Dies wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aber gerade vermieden.
Wie zuvor erwähnt, hängt die Teilchengröße der erhaltenen Korn- bzw. Kugelkohle vom Ausgangsmaterial ab. Handelsübliche Ausgangsprodukte führen im allgemeinen zu Aktivkohlekörnern bzw. -kügelchen mit Durchmessern von bis zu etwa 2 mm, insbesondere von bis zu etwa 1 ,5 mm oder weniger, beispielsweise im Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 1 ,0 mm, insbesondere etwa 0,2 mm bis etwa 0,8 mm Durchmesser, mit Mittelwerten um etwa 0,4 mm bis etwa 0,5 mm. Während der Schwelung und Aktivierung bleibt die Kugelform der Ausgangsmaterialien erhalten. D. h. durch die Form der Ausgangsmaterialien läßt sich gezielt die Teilchengröße des Endproduktes steuern und bestimmen, was einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. Der Durchmesser der auf diese Weise hergestellten Aktivkohlekörner bzw. -kügelchen ist um circa 0, 1 mm kleiner als jene der Ausgangspolymere, so daß bei entsprechender Auswahl des Ausgangsmaterials der Durchmesser der Kugelkohle gesteuert werden kann. Für die meisten Anwendungen sind Kugeldurchmesser von etwa 0,2 mm bis etwa 1 ,0 mm, insbesondere etwa 0,3 mm bis etwa 0,8 mm, mit Mittelwerten von etwa 0,4 mm bis etwa 0,6 mm, besonders geeignet.
Durch die Aktivierung lassen sich innere Oberflächen von etwa 800 m2/g bis etwa 1.500 m2/g erzielen, bevorzugt etwa 900 m2/g bis etwa 1.200 m2/g. Der Berstdruck für ein einzelnes Aktivkohlekörnchen bzw. -kügelchen beträgt im allgemeinen circa 5 Newton bis circa 20 Newton. Das Rüttelgewicht liegt bei etwa 400 g/1 bis etwa 800 g/1, vorzugsweise bei etwa 500 g/1 bis etwa 750 g/1.
Die erfindungsgemäß erhaltene Korn- bzw. Kugelkohle ist sehr abriebfest, rieselfähig, staubfrei und sehr druckfest. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind gleichermaßen Aktivkohlekörner bzw. -kügelchen hoher Festigkeit, insbesondere Abriebfestigkeit, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können.
Eine wichtige Rolle für die Aktivität der Kugelkohle spielen die Poren der Aktivkohle, insbesondere die Mikroporen mit einem Durchmesser bis zu etwa
20 A, da diese in der Größenordnung der meisten zu adsorbierenden Moleküle liegt. Auf die Mikroporen ist im allgemeinen auch der Hauptanteil der inneren Oberfläche der Aktivkohle zurückzuführen. Daneben sind auch die sogenannten Mesoporen - bisweilen auch als Übergangs- oder Zuleitungsporen bezeichnet - mit Durchmessern von etwa 20 bis etwa 500 A von Bedeutung. Weiterhin gibt es auch noch einen Anteil an noch größeren Makroporen. Durch die Auswahl der Rohstoffe und die Verfahrensführung bei der Aktivierung lassen sich die Eigenschaften der Endprodukte gezielt steuern. Gewünscht ist ein hoher Anteil an Mikroporen.
Dem Fachmann ist bekannt, daß Porenvolumen, Porendurchmesser und Porenverteilung je nach Aktivierungsgrad variieren und das Porensystem und die Porenstruktur, insbesondere der Porendurchmesser, sowie die Oberflächenstruktur des Endproduktes durch Temperatur und Aktivierung gezielt beein- flußt werden können, so daß diesbezüglich auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen werden kann.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aktivkohlekörner bzw. -kügelchen zeigen gute bis ausgezeichnete Adsorptionseigenschaften. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Adsorptionseigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Aktivkohlekörner bzw. -kügelchen durch Imprägnierung mit Katalysatoren (Enzyme, Metalle wie z. B. Kupfer, Silber, Platin, Chrom, Zink, Quecksilber, Palladium, Cadmium, Eisen etc. sowie Verbindungen dieser Metalle) zu beeinflussen bzw. zu modifizieren. Das gemäß dem er- fmdungsgemäßen Herstellungsprozeß erhaltene Aktivkohleprodukt kann also eine katalytisch wirksame Komponente, vorzugsweise eine Verbindung eines katalytisch aktiven Metalls, umfassen. Die Imprägnierung von Aktivkohle mit Katalysatoren ist dem Fachmann an sich geläufig, so daß diesbezüglich auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen werden kann. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aktivkohlekörner bzw. -kügelchen können für die unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aktiv- kohlekörner bzw. -kügelchen können beispielsweise Verwendung finden zur Herstellung von Adsorptionsmaterialien wie Adsorptions(flächen)filtern, Filtermatten, Geruchsfiltern, Flächenfiltem für Schutzanzüge insbesondere für den zivilen und/oder militärischen Bereich, Filtern für die Raumluftreinigung, Gasmaskenfiltern und adsorptionsfähigen Trägerstrukturen oder aber für Schutzmaterialien, insbesondere Schutzanzüge gegen chemische Gifte wie Kampfstoffe, oder für Filter, insbesondere Filter zur Entfernung von Schad-, Gift- und/oder Geruchsstoffen aus Luft- bzw. Gasströmen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind somit auch die erfindungsgemäß hergestellten Aktivkohlekörner bzw. -kügelchen enthaltende Adsorptionsmaterialien, insbesondere Filter aller Art wie Adsorptions(flächen)filter, Filtermatten, Geruchsfilter, Flächenfilter für Schutzanzüge insbesondere für den zivilen und/oder militärischen Bereich wie Schutzanzüge gegen chemische Gif- te wie Kampfstoffe, Filter für die Raumluftreinigung sowie hieraus hergestellte Schutzanzüge, Gasmaskenfilter, Filter zur Entfernung von Schad-, Gift- und/oder Geruchsstoffen aus Luft- bzw. Gasströmen und adsoφtionsfahige Trägerstrukturen. Dem Fachmann werden beim Lesen der Beschreibung zahlreiche weitere Ausgestaltungen, Variationen oder Abwandlungen der vorliegenden Erfindung denkbar erscheinen, ohne daß er dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung verläßt.

Claims

Patentansprüche:
Verfahren zur Herstellung kernförmiger, insbesondere kugelförmiger Aktivkohle durch Schwelung von geeigneten kohlenstoffhaltigen Polymeren in Form von Polymerkörnern, insbesondere Polymerkügelchen, welche durch Schwelung zumindest im wesentlichen zu Kohlenstoff umgesetzt werden können, als Ausgangsmaterial, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Polymerkörner, insbesondere Polymerkügelchen, kontinuierlich durch eine mehrere Temperaturzonen und/oder einen Temperaturgradienten umfassende Schwelvorrichtung bewegt werden, so daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung des Ausgangsmaterials zu Koh- lensto ff bewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Schwelvorrichtung ein kontinuierlich arbeitendes Drehrohr bzw. ein kontinuierlich arbeitender Drehrohrofen eingesetzt wird oder aber daß als Schwelvor- richtung ein Bandofen, insbesondere ein Oxidationsbandofen, eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerkörner, insbesondere Polymerkügelchen, kontinuierlich mittels einer Transport- oder Fördereinrichtung, insbesondere eines bewegten Transport- oder Förderbandes, durch die Temperaturzonen und/oder den Temperaturgradienten der Schwelvorrichtung, insbesondere des Bandofens, bewegt werden in der Art, daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung des Ausgangsmaterials zu Kohlenstoff bewirkt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Polymere in Form von Polymerkörnchen, insbesondere Polymerkügelchen, auf Basis von Styrol und Divinylbenzol eingesetzt werden, die chemische Gruppen, welche bei ihrer ther- mischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führen, insbesondere stark saure Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, enthalten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu Vernetzungen führenden chemischen Gruppen, insbesondere stark sauren Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, bereits im Ausgangsmaterial vorhanden sind und/oder daß das Gewichtsverhältnis Polymere/Sulfonsäuregruppen etwa 5 : 1 bis etwa 1 : 1 , insbesondere etwa 2 : 1 bis etwa 1 : 1 , beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Ionenaustauscherharze, insbesondere vorzugsweise stark saure Kationenaustauscherharze, insbesondere Ionenaustau- scherharze mit Sulfonsäuregruppen, und/oder saure organische Katalysatoren, wie Katalysatoren für die Bisphenolsynthese oder für die MTBE- Synthese, eingesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangs- material, insbesondere den Ionenaustauscherharzen und/oder den sauren organischen Katalysatoren, vor und/oder während der Schwelung ein Sulfonierungsmittel, vorzugsweise S03, bevorzugt in Form von Schwefelsäure und/oder Oleum, insbesondere in einer Menge von etwa 1 bis etwa 30 Gew.-% S03, insbesondere 5 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% S0 , bezo- gen auf das Trockengewicht des Ausgangsmaterials, zugegeben wird.
8. Verfahren nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die chemischen Gruppen, welche bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führen, insbesondere stark saure Gruppen wie Sulfonsäure- gruppen, erst vor und/oder während der Schwelung in das Ausgangsmaterial eingeführt werden, insbesondere durch Sulfonierung, vorzugsweise durch Zugabe eines Sulfonierungsmittels, insbesondere S03, bevorzugterweise in Form von Oleum und/oder Schwefelsäure, besonders bevorzugt in Form von mit Schwefelsäure vermischtem Oleum, insbesondere wobei das nichtsulfonierte polymere Ausgangsmaterial vor seiner Einbringung in die Schwelvorrichtung mit dem Sulfonierungsmittel in Kontakt gebracht wird, vorzugsweise derart, daß eine zumindest im wesentlichen vollständige Benetzung des polymeren Ausgangsmaterials Sulfonierungsmittel erfolgt.
. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sulfonierungsmittel, insbesondere konzentrierte Schwefelsäure und/oder Oleum, in bezug auf das zu sulfonierende polymere Ausgangsmaterial in gewichtsbezogenen Mengenverhältnissen Sulfonierungsmittel/polymeres Ausgangsmaterial im Bereich von 0,2 : 1 bis 2 : 1 , insbesondere 0,4 : 1 bis 1 ,5 : 1 , eingesetzt wird und/oder daß das Gewichtsverhältnis Poly- mer/Oleum 20 % bis zu etwa 1 : 1 oder mehr beträgt und/oder daß das Gewichtsverhältnis Polymer/Oleum 20 %/Schwefelsäure etwa 1 : 1 : 0,5 beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Polymerkörnchen, insbesondere Polymerkügelchen, auf Basis von Styrol und Divinylbenzol, eingesetzt werden und/oder daß als Ausgangsmaterial Vorstufen von Ionenaustauscherharzen eingesetzt werden.
1 1. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerkörnchen, insbesondere Polymerkügelchen porös, insbesondere makroporös, und/oder gelförmig sind.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwel Vorrichtung mindestens die folgenden Temperaturzonen in der nachfolgend wiedergegebenen Reihenfolge umfaßt: a) gegebenenfalls eine erste Temperaturzone ("Sulfonierungszone"), in der für den Fall, daß das Ausgangsmaterial keine bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden Gruppen, insbesondere keine stark sauren Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, enthält oder aber solche Gruppen noch zusätzlich in das Ausgangsmaterial eingeführt werden sollen, diese Gruppen in das Ausgangsmaterial eingeführt werden, insbesondere durch Sulfonierung; b) eine zweite Temperaturzone ("Vorschwelzone" oder "Zone saurer Gase"), vorzugsweise mit einer höheren mittleren Temperatur als die der ersten Temperaturzone, wobei in der zweiten Temperaturzone die bei ihrer thermischen Zersetzung zu freien Radikalen und somit zu Vernetzungen führenden Gruppen, insbesondere stark saure Gruppen wie Sulfonsäuregruppen, vom Ausgangsmaterial abgespalten werden, so daß es zu einem Einsetzen der Schwelung und/oder einer thermischen Zersetzung des Ausgangsmaterials, vorzugsweise unter Vernetzung der Polymeren und/oder Bildung von Kohlenstoff, kommt; c) eine dritte Temperaturzone ("Nachschwelzone"), vorzugsweise mit einer höheren mittleren Temperatur als die der zweiten Temperaturzone, wobei in der dritten Temperaturzone eine weitergehende Schwelung des aus der zweiten Temperaturzone stammenden Ausgangsmaterials durchgeführt wird, so daß eine zumindest im wesent- liehen vollständige Umsetzung des Ausgangsmaterials zu Kohlenstoff bewirkt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Temperaturzonen getrennt und oder unabhän- gig voneinander steuerbar sind und oder daß den einzelnen Temperaturzonen getrennte und/oder unabhängige Abzugseinrichtungen zugeordnet sind, so daß eine Trennung und oder ein getrenntes Auffangen der aus den unterschiedlichen Temperaturzonen stammenden Prozeßgase erfolgt und/ oder daß in der Schwelvorrichtung mindestens eine Schleuse, insbesonde- re zwischen einzelnen, aufeinanderfolgenden Temperaturzonen und/oder innerhalb einzelner Temperaturzonen, vorzugsweise zumindest zwischen zweiter und dritter Temperaturzone, vorgesehen ist, so daß zumindest im wesentlichen keine Durchmischung von aus unterschiedlichen Temperaturzonen, zwischen den mindestens eine Schleuse angeordnet ist, stammenden Prozeßgasen erfolgt und/oder so daß die aus der zweiten Temperaturzone stammenden sauren Prozeßgase nicht mit den übrigen Prozeßgasen durchmischt werden und separat aufgefangen werden können, gegebenenfalls gefolgt von einer Entsorgung oder einer Wiederaufbereitung mit nachfolgender Rezyklierung.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrenssteuerung durch Einstellung des Temperaturprofils in den einzelnen Temperaturzonen und/oder des Temperatuφrofils des Temperaturgradienten und/oder durch Einstellung der Geschwindig- keit, mit der das Ausgangsmaterial durch die Temperaturzonen und/oder den Temperaturgradienten der Schwelvorrichtung bewegt wird, gesteuert wird und/oder daß die gesamte Verweildauer des Ausgangsmaterials in der Schwelvorrichtung 0,1 bis 5 Stunden, insbesondere 0,25 bis 4 Stunden, vorzugsweise 0,5 bis 3 Stunden, beträgt.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß die erste Temperaturzone bei Temperaturen von 50 bis 200 °C, insbesondere 75 bis 175 °C, vorzugsweise 100 bis 150 °C, gefahren wird und/oder daß die zweite Temperaturzone bei Temperaturen von 100 bis 500 °C, insbesondere 150 bis 450 °C, gefahren wird und/oder daß die dritte Temperaturzone bei Temperaturen oberhalb von 400 ° C, insbe- sondere oberhalb von 450 °C bis 500 °C, gefahren wird und/oder daß die dritte Temperaturzone bei Temperaturen von 400 bis 1.200 °C, insbesondere 450 bis 1.000 °C, vorzugsweise 500 °C bis 900 °C, besonders bevorzugt 550 bis 850 °C, gefahren wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geschwelte Material anschließend einer Aktivierung unterzogen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivie- rung gleichermaßen in der Schwelvorrichtung durchgeführt wird oder aber daß die Aktivierung in einer separaten Vorrichtung und/oder räumlich und/oder zeitlich getrennt von der Schwelung durchgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung in an sich üblicher Weise durchgeführt wird, insbesondere wobei die Aktivierung in Gegenwart an sich für diese Zwecke üblicher Aktivierungsgase, wie Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid oder Gemischen dieser Aktivierungsgase, vorzugsweise im Gegenwart eines Gemisches aus Wasserdampf und Stickstoff, durchgeführt wird und/oder insbesondere wobei die Aktivierung bei Temperaturen von etwa 700 bis 1.200 °C, insbesondere etwa 800 °C bis etwa 1.100 °C, vorzugsweise etwa 850 °C bis etwa 1.000 °C, besonders bevorzugt etwa 900 bis etwa 975 °C, durchgeführt wird und/ oder insbesondere wobei die Dauer der Aktivierung etwa 0,5 bis etwa 20 Stunden, insbesondere etwa 2 Stunden bis etwa 15 Stunden, vorzugsweise etwa 5 Stunden bis etwa 10 Stunden, beträgt.
19. Aktivkohlekömer, insbesondere Aktivkohlekügelchen, herstellbar gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18.
20. Aktivkohlekömer nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine innere Oberfläche von etwa 800 m2/g bis etwa 1.500 m2/g, vorzugsweise etwa 900 m2/g bis etwa 1.200 m2/g, und/oder durch einen mittleren Durchmesser von etwa 0, 1 mm bis etwa 2,0 mm, vorzugsweise etwa 0,2 mm mit etwa 0,8 mm, mit Mittelwerten von etwa 0,4 mm bis etwa 0,6 mm, und/oder durch einen Berstdruck von etwa 5 Newton bis etwa 20 Newton pro Kom oder Kügelchen und/oder durch ein Rüttelgewicht von etwa 400 bis etwa 800 g/1, vorzugsweise von etwa 500 bis etwa 750 g/1.
21. Verwendung von Aktivkohlekömem, insbesondere Aktivkohlekügelchen, herstellbar gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprü- ehe 1 bis 18, zur Herstellung von Adsoφtionsmaterialien wie Adsoφti- ons(flächen)fιltern, Filtermatten, Geruchsfiltern, Flächenfiltem für Schutzanzüge insbesondere für den zivilen und/oder militärischen Bereich, Filtern für die Raumluftreinigung, Gasmaskenfiltern und adsoφ- tionsfahigen Trägerstrukturen.
22. Verwendung von Aktivkohlekömem, insbesondere Aktivkohlekügelchen, herstellbar gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, für Schutzmaterialien, insbesondere Schutzanzüge gegen chemische Gifte wie Kampfstoffe, oder für Filter, insbesondere Filter zur Entfernung von Schad-, Gift- und/oder Geruchsstoffen aus Luft- bzw. Gasströmen.
23. Adsoφtionsmaterialien, insbesondere Filter aller Art wie Adsoφtions(flä- chen)filter, Geruchsfilter, Flächenfilter für Schutzanzüge insbesondere für den zivilen und/oder militärischen Bereich wie Schutzanzüge gegen chemische Gifte wie Kampfstoffe, Filter für die Raumluftreinigung sowie hieraus hergestellte Schutzanzüge, Gasmaskenfilter, Filter zur Entfernung von Schad-, Gift- und/oder Geruchsstoffen aus Luft- bzw. Gasströmen, Filtermatten und adsoφtionsfähigen Trägerstrukturen, enthaltend Aktiv- kohlekömer, insbesondere Aktivkohlekügelchen, herstellbar gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
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