DE102024107282A1 - Zeolitic shaped body, process for its preparation and its use as a sorption element - Google Patents

Zeolitic shaped body, process for its preparation and its use as a sorption element

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Abstract

Die Erfindung betrifft zeolithische Formkörper (10, 70, 80) auf Basis eines Zeolith-Materials (36) und eines Bindemittels (38). Der Formkörper weist Makroporen und/oder nano-/mikro-Kanäle auf, die den Formkörpern eine weitere Porosität verleihen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung der Formkörper (10, 70, 80), wobei Porenbildner (40) auf Basis organischer Materialien eingesetzt werden, um nach einer thermischen Behandlung eine weitere Porosität in den Formkörpern (10, 70, 80) zu erhalten.The invention relates to zeolitic molded bodies (10, 70, 80) based on a zeolite material (36) and a binder (38). The molded body has macropores and/or nano/microchannels that impart additional porosity to the molded bodies. The invention also relates to a method for producing the molded bodies (10, 70, 80), wherein pore formers (40) based on organic materials are used to obtain additional porosity in the molded bodies (10, 70, 80) after a thermal treatment.

Description

Die Erfindung betrifft Formkörper auf Basis von Zeolithen, insbesondere solche mit Faujasitstruktur. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers auf Basis von Zeolithen zur Verwendung als Sorptionselement in Adsorptionsprozessen, insbesondere zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft.The invention relates to shaped bodies based on zeolites, in particular those with a faujasite structure. Furthermore, the invention relates to a process for producing a shaped body based on zeolites for use as a sorption element in adsorption processes, in particular for separating carbon dioxide from the ambient air.

Direct Air Capture (DAC) ist ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenstoffdioxid (CO2) direkt aus der Umgebungsluft. Grundprinzip ist, dass Umgebungsluft durch einen Filter strömt, der einen Teil des CO2 entzieht. Ergebnis des Verfahrens ist reines CO2, das anschließend für verschiedene Zwecke verwendet werden kann. Nutzungsmöglichkeiten des CO2 sind die stoffliche Nutzung als Rohstoff, zum Beispiel für die Chemieindustrie, die Herstellung CO2-neutraler Brennstoffe (EE-Gas und E-Fuels) sowie die geologische Speicherung des Kohlendioxids, wodurch sich negative Emissionen erzielen lassen. Letzteres wird als Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS) bezeichnet und soll dazu dienen, der Atmosphäre aktiv Kohlendioxid zu entziehen und dauerhaft per CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) zu speichern, um damit der globalen Erwärmung entgegenzuwirken.Direct Air Capture (DAC) is a process for extracting carbon dioxide ( CO2 ) directly from the ambient air. The basic principle is that ambient air flows through a filter which removes some of the CO2 . The result of the process is pure CO2 , which can then be used for various purposes. Possible uses of CO2 include its use as a raw material, for example in the chemical industry, the production of CO2 -neutral fuels (renewable gas and e-fuels), and the geological storage of carbon dioxide, which can result in negative emissions. The latter is known as Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS) and is intended to actively remove carbon dioxide from the atmosphere and permanently store it using CO2 capture and storage (CCS) in order to counteract global warming.

Die meisten bekannten Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft arbeiten mit einem zyklischen Prozess unter Anwendung einer Kombination aus Druck und Temperaturwechseln. Dabei wird in der Atmosphärenluft befindliches Kohlenstoffdioxid in einem ersten Prozessschritt in einem Sorptionselement gebunden, wodurch der in der Atmosphärenluft befindliche Kohlenstoffdioxidanteil reduziert wird. Das in dem Sorptionselement gebundene Kohlenstoffdioxid kann in einem zweiten Prozessschritt wieder freigesetzt und entweder eingespeichert oder einem weiterem Verfahren zugeführt werden, in welchem das freigesetzte Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff benötigt wird. Durch die Entwicklung von geeigneten Adsorptionsmaterialien sowie deren technischer Umsetzung in entsprechenden Adsorptionsanlagen soll eine effiziente und energetisch effektive Abscheidung von Kohlenstoffdioxid ermöglicht werden.Most known processes for separating carbon dioxide from ambient air employ a cyclic process using a combination of pressure and temperature changes. In a first process step, carbon dioxide present in the atmospheric air is bound in a sorption element, thereby reducing the carbon dioxide content in the atmospheric air. The carbon dioxide bound in the sorption element can be released again in a second process step and either stored or fed into another process in which the released carbon dioxide is required as a feedstock. The development of suitable adsorption materials and their technical implementation in appropriate adsorption systems should enable efficient and energetically effective carbon dioxide capture.

Eine Herausforderung ist die Entwicklung von effizienten Adsorptionssystemen, bei denen die Sorptionselemente technisch so angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass zum einen die Adsorption und Desorption von Kohlenstoffdioxid optimal abläuft und zum anderen ein vergleichsweise kostengünstiges Anlagenkonzept umgesetzt werden kann. Dabei beeinflussen insbesondere die Aufheiz- und Abkühlphasen die Prozesskosten, während die Ausgestaltung des Sorptionselements und des Prozessraumes die Anlagenkosten beeinflussen. Anorganische Sorptionsmaterialien, auch Physisorbenten genannt, eignen sich aufgrund ihrer Robustheit besonders gut als Adsorber für die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid. Solche anorganischen Sorptionsmaterialen weisen jedoch vergleichsweise lange Aufheiz- und Abkühlphasen zwischen der Adsorption und der nachfolgenden Desorption des Kohlenstoffdioxids auf, führen somit zu einer verminderten Effektivität und verursachen einen erhöhten Energieverbrauch. Des Weiteren wird für die mechanischen Strukturen, welche die Adsorptionsmaterialien halten, viel Material benötigt, was zu hohen Anlagenkosten führt.One challenge is the development of efficient adsorption systems in which the sorption elements are technically arranged and/or designed in such a way that, on the one hand, the adsorption and desorption of carbon dioxide takes place optimally and, on the other hand, a comparatively cost-effective plant concept can be implemented. The heating and cooling phases in particular influence the process costs, while the design of the sorption element and the process chamber influence the plant costs. Inorganic sorption materials, also called physisorbents, are particularly well suited as adsorbers for the capture of carbon dioxide due to their robustness. However, such inorganic sorption materials have comparatively long heating and cooling phases between the adsorption and the subsequent desorption of the carbon dioxide, thus leading to reduced effectiveness and increased energy consumption. Furthermore, the mechanical structures that hold the adsorption materials require a lot of material, which leads to high plant costs.

Kern einer DAC-Anlage ist somit das Sorptionselement, das die Aufgabe hat den Kohlenstoff aus der Umgebungsluft zuerst zu fangen und zu binden in einem sogenannten Vorgang der Adsorption und danach die gefangene Menge entsprechend genau und kontrolliert aus dem Sorptionselement freizulassen (Desorption).The core of a DAC system is therefore the sorption element, which has the task of first capturing and binding the carbon from the ambient air in a so-called adsorption process and then releasing the captured amount from the sorption element in a precise and controlled manner (desorption).

Mittlerweile gibt es eine Anzahl von Materialien, die zur CO2 Aufnahme innerhalb einer DAC Anlage befähigt sind, allerdings nehmen die Materialien entweder relativ hohe CO2-Konzentrationen auf, dann ist die Desorption energieaufwendig, oder die selektive Bindung von CO2 an den Adsorber ist nicht sehr hoch, dann ist die Effizienz insgesamt niedrig und die Kosten für die CO2 Verringerung sind hoch.There are now a number of materials that are capable of absorbing CO2 within a DAC system. However, these materials either absorb relatively high CO2 concentrations, in which case desorption is energy-intensive, or the selective binding of CO2 to the adsorber is not very high, in which case the overall efficiency is low and the costs for CO2 reduction are high.

In der Offenlegungsschrift DE 2 016 838 wird beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von granulierten, abriebfesten, bindermittelfreien Molekularsiebzeolithen, die aus einem pulverförmigen Faujasit Zeolithen und einem Zeolithen Typ A bestehen, beschrieben.In the disclosure document DE 2 016 838 For example, a process is described for the production of granulated, abrasion-resistant, binder-free molecular sieve zeolites consisting of a powdered faujasite zeolite and a type A zeolite.

Die DE 10 2008 046 155 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Adsorptionsmittelgranulates auf der Basis von Zeolithen mit Faujasit-Struktur, wobei der Zeolith vom Typ X mit einem molaren SiO2/Al2O3-Verhältnis von 2,25 bis 2,5 als trockenes Pulver, Filterkuchen oder Slurry im Gewichtsverhältnis von 1:1 bis 5:1 mit einem thermisch behandelten Kaolin mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von < 10 µm, gemischt wird. Diese Mischung wird mit einer Mischung aus Natronlauge und Natriumsilikatlösung vermengt, die wiederum dann zu einem Granulat geformt wird. Das Granulat wird einer Trocknung unterworfen und anschließend mit vollentsalztem Wasser gewässert sowie mit einer Natriumaluminat-Lösung bei Temperaturen im Bereich von 70°C bis 90°C über einen Zeitraum von 8 bis 24 Stunden behandelt. Danach wird das so behandelte Granulat von der Lösung getrennt, gewaschen, getrocknet und getempert.The DE 10 2008 046 155 A1 describes a process for producing adsorbent granules based on zeolites with a faujasite structure, wherein the type X zeolite with a molar SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of 2.25 to 2.5 is mixed as a dry powder, filter cake or slurry in a weight ratio of 1:1 to 5:1 with a thermally treated kaolin having an average particle diameter in the range of < 10 µm. This mixture is mixed with a mixture of sodium hydroxide solution and sodium silicate solution, which in turn is then formed into granules. The granules are dried and then rinsed with demineralized water and treated with a sodium aluminate solution at temperatures in the range of 70°C to 90°C for a period of 8 to 24 hours. The treated granules are then separated from the solution, washed, dried and tempered.

In der Patentschrift US 4,818,508 wird ein Verfahren zur Herstellung von Molekularsieben vom Zeolith-Typ offenbart, allerdings wird hier die Verwendung eines Porenbildners wie Kaolinbasierter Ton, beschrieben, um eine möglichst vollständige Umsetzung zur Herstellung von binderfreien Zeolith-Materialien gewährleisten zu können.In the patent specification US$4,818,508 A process for producing zeolite-type molecular sieves is disclosed, but the use of a pore former such as kaolin-based clay is described here in order to ensure the most complete conversion possible for the production of binder-free zeolite materials.

Aus der DE 699 17 041 T2 sowie der EP 0 940 174 A2 sind Adsorptions-Materialien bekannt, welche ein SiO2/ Al2O3-Verhältnis im Bereich von 1,8 bis 2,2 bzw. 1,9 bis 2,1 aufweisen. Es handelt sich um Zeolithe mit einem niedrigen Siliciumdioxid-Gehalt.From the DE 699 17 041 T2 and the EP 0 940 174 A2 Adsorption materials are known that have a SiO 2 / Al 2 O 3 ratio in the range of 1.8 to 2.2 or 1.9 to 2.1. These are zeolites with a low silicon dioxide content.

In der DE 30 11 834 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung feinteiliger, zeolithischer Natriumaluminiumsilicate beschrieben, bei welchem während einer diskontinuierlichen Kristallisation Wasserdampf eingeleitet und gleichzeitig mit mehrstufigen Rührwerken hoher Scherwirkung gerührt wird.In the DE 30 11 834 A1 A process for the production of finely divided, zeolitic sodium aluminum silicates is described, in which steam is introduced during a discontinuous crystallization and simultaneously stirred with multi-stage high-shear agitators.

In der Patentschrift US 3,516,786 wird ein Verfahren beschrieben, das durch Zusätze von 0,1 bis 20 % eines organischen Lösungsmittels, wie Methanol oder Dimethylsulfoxid, zu einem Aluminiumsilicatgel vor der Kristallisation, besonders kleine Teilchen hervorbringt. Die Aufarbeitung der Prozesslaugen bedingt wegen der Giftigkeit der genannten Lösungsmittel besondere Vorkehrungen.In the patent specification US$3,516,786 A process is described that produces particularly small particles by adding 0.1 to 20% of an organic solvent, such as methanol or dimethyl sulfoxide, to an aluminum silicate gel prior to crystallization. Due to the toxicity of these solvents, the processing of the process liquors requires special precautions.

Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls Molekularsieb-Adsorbentien mit verbesserten Adsorptionskapazitäten, insbesondere für die Entfernung von Kohlendioxid aus Gasgemischen, bekannt. Beispielsweise offenbart die Patentschrift US 2,882,244 eine Vielzahl von kristallinen Aluminiumsilicaten, die zur CO2-Adsorption geeignet sind. Die Patentschrift US 3,078,639 beschreibt einen Zeolith X, der zur Adsorption von Kohlendioxid aus einem Gasstrom eingesetzt werden kann. Die Patentschrift US 3,865,924 beschreibt ein Kohlendioxid-Adsorbens, bestehend aus einem mechanischen Gemisch von aktiviertem Aluminiumoxid und Alkalimetallcarbonaten. Aus der Patentschrift US 4,433,981 ist ein Adsorbens bekannt, das hergestellt wird durch Imprägnierung von Aluminiumoxid mit einem Alkali- oder Erdalkalimetalloxid oder -Salz, das bei der Calcinierung zersetzt werden kann. Die Patentschrift US 4,493,715 beschreibt ein Adsorbens für die Entfernung von Kohlendioxid aus Olefinen, enthaltend Alkalimetalloxide, -hydroxide, -nitrate, -acetate usw., die auf aktiviertem Aluminiumoxid aufgebracht sind.Molecular sieve adsorbents with improved adsorption capacities, particularly for the removal of carbon dioxide from gas mixtures, are also known from the prior art. For example, the patent specification US$2,882,244 a variety of crystalline aluminum silicates suitable for CO 2 adsorption. The patent US 3,078,639 describes a zeolite X that can be used to adsorb carbon dioxide from a gas stream. The patent US$3,865,924 describes a carbon dioxide adsorbent consisting of a mechanical mixture of activated aluminum oxide and alkali metal carbonates. From the patent US$4,433,981 An adsorbent is known which is produced by impregnating aluminum oxide with an alkali or alkaline earth metal oxide or salt which can be decomposed upon calcination. The patent specification US$4,493,715 describes an adsorbent for the removal of carbon dioxide from olefins containing alkali metal oxides, hydroxides, nitrates, acetates, etc., supported on activated alumina.

Die im Stand der Technik beschriebenen Adsorbentien weisen jedoch eine niedrige Betriebsverlässlichkeit und kurze Lebensdauer, aufgrund der Tendenz der aktiven Bestandteile zu sintern, auf. Des Weiteren ist die Zeit bis zum Durchbruch des Wassers bei den bereits bekannten Adsorbentien geringer als die Zeit bis zum Durchbruch des Kohlendioxids. Dies wird im Stand der Technik durch zusätzliche Entwässerungsbetten gelöst. Darüber hinaus können Basen-enthaltende Adsorbentien in Einheiten des Druckwechselverfahrens (PSA-Typ) nicht eingesetzt werden, da diese Verbindungen mit CO2 bilden, die bei vermindertem Druck nicht regeneriert werden können.However, the adsorbents described in the prior art exhibit low operational reliability and a short service life due to the tendency of the active components to sinter. Furthermore, the time to water breakthrough in the previously known adsorbents is shorter than the time to carbon dioxide breakthrough. This is solved in the prior art by additional dewatering beds. Furthermore, base-containing adsorbents cannot be used in pressure swing adsorbent (PSA-type) units because they form compounds with CO2 that cannot be regenerated at reduced pressure.

Sorptionselemente, die über Physiosorption binden, sind in der Regel besonders empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Das bedeutet, dass das Sorptionselement in der Lage ist, die Restfeuchte aus der getrockneten Luft in die poröse Mikrostruktur aufzunehmen, was direkt zu einer Reduzierung der CO2-Aufnahmefähigkeit führt. Dies hat zur Folge, dass der Prozess ineffizienter wird, da eine viel geringere Ausbeute von CO2 bei gleichem Energieprozessverbrauch erzielt werden kann. Diesen Effekt wird beispielsweises begegnet, indem eine Regeneration der Sorptionselemente im Prozess eingeführt wird, was jedoch die energetische Bilanz verschlechtert.Sorption elements that bind via physiosorption are generally particularly sensitive to moisture. This means that the sorption element is capable of absorbing residual moisture from the dried air into the porous microstructure, which directly leads to a reduction in CO2 absorption capacity. This results in the process becoming less efficient, as a much lower CO2 yield can be achieved with the same energy consumption. This effect can be counteracted, for example, by introducing regeneration of the sorption elements into the process, which, however, worsens the energy balance.

Üblicherweise wird das Sorptionselement über Wärmetauscher auf die gewünschte Temperatur temperiert. Da die bekannten Sorptionselemente jedoch über eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit verfügen, wirkt sich dies hinsichtlich der Energiekosten, besonders während der Desorption, negativ aus. Insgesamt sind die bisher eingesetzten Prozesse mit hohen Energiekosten verbunden. Ebenfalls zeigen die bisher verwendeten Sorptionselemente hinsichtlich ihrer Festigkeit in Bezug auf Arbeitszyklen Verbesserungsbedarf, um die Haltedauer des Materials zu erhöhen.Typically, the sorption element is heated to the desired temperature using heat exchangers. However, since the existing sorption elements have very poor thermal conductivity, this has a negative impact on energy costs, especially during desorption. Overall, the processes used to date are associated with high energy costs. The sorption elements used to date also show room for improvement in terms of their strength with respect to operating cycles in order to increase the material's durability.

Es besteht somit nach wie vor Bedarf an effizienten Formkörpern, die als Sorptionselemente verwendet werden und die zur Adsorption und Desorption, insbesondere für CO2 geeignet sind um somit die DAC Technologie zur Herstellung von CO2 für die E-Fuel-Herstellung weiter zu optimieren und die Produktionskosten zu reduzieren. Dabei steht insbesondere die Entwicklung von effizienten Sorptionselemente, bei denen die Adsorption und Desorption von Kohlenstoffdioxid reproduzierbar mit geringerem Energieaufwand abläuft und zum anderen ein vergleichsweise kostengünstiges Anlagenkonzept umgesetzt werden kann, im Vordergrund. There is therefore still a need for efficient molded bodies used as sorption elements and suitable for adsorption and desorption, particularly for CO2 , in order to further optimize DAC technology for the production of CO2 for e-fuel production and reduce production costs. The focus is particularly on the development of efficient sorption elements that allow for reproducible adsorption and desorption of carbon dioxide with lower energy consumption and, on the other hand, a comparatively cost-effective plant concept.

Dabei beeinflussen insbesondere die Aufheiz- und Abkühlphasen und auch die Regeneration die Prozesskosten.In particular, the heating and cooling phases and also the regeneration influence the process costs.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Kohlenstoffdioxid auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Art und Weise aus der Umgebungsluft abzuscheiden und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.The invention is based on the object of separating carbon dioxide from the ambient air in a comparatively simple and cost-effective manner and of to overcome known disadvantages of the state of the art.

Diese Aufgabe ist bei der vorliegenden Erfindung zunächst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass Formkörper bereitgestellt werden, die auf einem Zeolith-Material und einem Bindemittel basieren. Die erfindungsgemäßen Formkörper weisen i) Makroporen mit einem Durchmesser von größer 200 nm, gemessen beispielsweise mittels Quecksilberhochdruckporosimetrie, oder ii) Kanäle mit einer Länge von größer 300 nm, gemessen beispielsweise mittels optischer Mikroskopie, SEM, TEM oder CT, bevorzugt optischer Mikroskopie, oder iii) eine Kombination aus i) und ii) auf.This object is achieved in the present invention, first of all, by the features of patent claim 1. It is provided that shaped bodies are provided that are based on a zeolite material and a binder. The shaped bodies according to the invention have i) macropores with a diameter of greater than 200 nm, measured, for example, by means of high-pressure mercury porosimetry, or ii) channels with a length of greater than 300 nm, measured, for example, by means of optical microscopy, SEM, TEM, or CT, preferably optical microscopy, or iii) a combination of i) and ii).

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines zeolithischen Formkörpers, umfassend

  • - Bereitstellung eines Zeolith-Materials, eines Bindemittels und eines Porenbildners, wobei der Porenbildner ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
    1. a) organischen Pulvern mit einer Teilchenverteilung von 5 bis 2000 µm,
    2. b) organischen Fasermaterialien mit einer Teilchenverteilung von 5 bis 2000 µm,
    3. c) Lösungen oder Gele polymerer Materialien
  • - Vermischen des Zeolith-Materials mit dem Bindemittel und dem Porenbildner, gegebenenfalls unter Zugabe von Wasser, zu einem formbaren Stoffgemisch,
  • - Verarbeitung des formbaren Stoffgemischs zu einem Formkörper,
  • - Trocknen und Calcinieren des.
The above object is further achieved by a process for producing a zeolitic shaped body, comprising
  • - Providing a zeolite material, a binder and a pore former, wherein the pore former is selected from the group consisting of
    1. a) organic powders with a particle distribution of 5 to 2000 µm,
    2. b) organic fibre materials with a particle distribution of 5 to 2000 µm,
    3. c) Solutions or gels of polymeric materials
  • - Mixing the zeolite material with the binder and the pore former, if necessary with the addition of water, to form a moldable mixture,
  • - processing the moldable mixture into a molded body,
  • - Drying and calcining the.

Die Makroporen des Formkörpers weisen einen Durchmesser von mindestens 200 nm auf, vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 500 nm bis 500 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 1000 nm bis 300 µm. Bei dem Durchmesser der Makroporen handelt es sich um einen durchschnittlichen Durchmesser, der volumenbezogen ist.The macropores of the molded body have a diameter of at least 200 nm, preferably a diameter in the range of 500 nm to 500 µm, particularly preferably in the range of 1000 nm to 300 µm. The diameter of the macropores is an average diameter that is volume-related.

Die Kanäle des Formkörpers weisen eine Länge von mindestens 300 nm auf, vorzugsweise eine Länge im Bereich von 500 nm bis 1000 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 1000 nm bis 800 µm. Bei der Länge der Kanäle handelt es sich um eine durchschnittliche Länge. The channels of the shaped body have a length of at least 300 nm, preferably a length in the range of 500 nm to 1000 µm, particularly preferably in the range of 1000 nm to 800 µm. The length of the channels is an average length.

Beispielhafte Ausführungsformen des Zeolith-Materials sind Zeolithe mit Faujasit- oder Linde Typ A-Struktur, wie 3A, 4A, 5A, oder Gemische beider Zeolith-Typen. Bevorzugt sind Zeolithe mit einer Faujasit-Struktur. Besonders bevorzugt ist der Zeolith-Typ 13X.Exemplary embodiments of the zeolite material are zeolites with a faujasite or Linde type A structure, such as 3A, 4A, 5A, or mixtures of both zeolite types. Zeolites with a faujasite structure are preferred. Zeolite type 13X is particularly preferred.

Beispielhafte Ausführungsformen des Bindemittels sind mineralische oder synthetische Materialien, wie Ton (beispielsweise Kaolinit, Bentonit, Montmorillonit, Attapulgit), Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumhydrat (Pseudoboehmit), Aluminiumtrihydrat, Alumosilicat, Zement oder anderen vergleichbare Materialien. Bevorzugt ist Bentonit.Exemplary embodiments of the binder are mineral or synthetic materials, such as clay (e.g., kaolinite, bentonite, montmorillonite, attapulgite), silicon dioxide, aluminum oxide, aluminum hydrate (pseudoboehmite), aluminum trihydrate, aluminosilicate, cement, or other comparable materials. Bentonite is preferred.

Geeignete Porenbildner sind beispielsweise a) organische Pulver mit einer Teilchenverteilung von 5 bis 2000 µm, b) organische Fasermaterialien mit einer Teilchenverteilung von 5 bis 2000 µm oder c) Lösungen oder Gele polymerer Materialien oder deren Mischungen. Bevorzugt sind a) organische Pulver ausgewählt aus Tannin, Polyester, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Acrylnitril-Butadien-Styrol oder Cellulose-basierte natürliche Materialien, besonders bevorzugt ist Tannin. Bevorzugte b) organische Fasermaterialien sind ausgewählt aus Pflanzenfasern, wie beispielsweise Baumwolle, Jute, Flachs, Hanf oder Tannin, oder tierischen Fasern, wie beispielsweise Wolle, Haare oder Federn, besonders bevorzugt ist Flachs. Die Länge der organischen Fasermaterialien beträgt bevorzugt 200µm bis 3mm. Bevorzugte c) Lösungen oder Gele polymerer Materialien sind ausgewählt aus der Gruppe Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohole, Polyethylenglycole, Polyacrylamide oder Polyacrylsäure-Copolymere.Suitable pore formers are, for example, a) organic powders with a particle distribution of 5 to 2000 µm, b) organic fiber materials with a particle distribution of 5 to 2000 µm, or c) solutions or gels of polymeric materials or mixtures thereof. Preferred a) organic powders are selected from tannin, polyester, polypropylene, polyvinyl chloride, acrylonitrile-butadiene-styrene, or cellulose-based natural materials, with particular preference being given to tannin. Preferred b) organic fiber materials are selected from plant fibers, such as cotton, jute, flax, hemp, or tannin, or animal fibers, such as wool, hair, or feathers, with particular preference being given to flax. The length of the organic fiber materials is preferably 200 µm to 3 mm. Preferred c) solutions or gels of polymeric materials are selected from the group consisting of carboxymethylcellulose, polyvinyl alcohols, polyethylene glycols, polyacrylamides, or polyacrylic acid copolymers.

Durch Einsatz der Porenbildner im erfindungsgemäßen Verfahren werden zeolithische Formkörper erhalten, die i) Makroporen mit einem mittleren Durchmesser von größer 200 nm, bevorzugt 1000 nm bis 300 µm, oder ii) Kanäle bzw. Vertiefungen mit einer Länge von größer 300 nm, bevorzugt 1000 nm bis 800 µm, oder eine Kombination aus i) und ii) aufweisen.By using the pore formers in the process according to the invention, zeolitic shaped bodies are obtained which have i) macropores with an average diameter of greater than 200 nm, preferably 1000 nm to 300 µm, or ii) channels or depressions with a length of greater than 300 nm, preferably 1000 nm to 800 µm, or a combination of i) and ii).

Die Summe der i) Makroporen und/oder ii) Kanäle beziehungsweise Vertiefungen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung als eine sekundäre Porosität bezeichnet. Die zeolithischen Formkörper der vorliegenden Erfindung weisen neben der sekundären Porosität ebenfalls eine primäre Porosität auf, die durch Mesoporen mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 50 nm bedingt ist. Die Makroporen und nano- oder µ-Kanäle dienen zur Verbesserung (zum Beispiel Erhöhung) der Effektivität, besonders bei dynamischen Adsorptions- und Desorptionsprozessen. Durch die Anwesenheit der Makroporen und/oder Kanäle wird die Kontaktfläche des Formkörpers enorm vergrößert und damit ein besserer Gas- oder Luftaustausch mit dem Sorptionsmaterial ermöglicht. Die i) Makroporen und ii) Kanäle liegen bevorzugt als Kombination (Gemisch) in den erfindungsgemäßen Formkörpern vor.The sum of the i) macropores and/or ii) channels or depressions is referred to as secondary porosity within the meaning of the present invention. In addition to secondary porosity, the zeolitic molded bodies of the present invention also exhibit primary porosity, which is determined by mesopores with an average diameter of 2 to 50 nm. The macropores and nano- or µ-channels serve to improve (e.g., increase) effectiveness, particularly in dynamic adsorption and desorption processes. The presence of the macropores and/or channels enormously increases the contact area of the molded body, thus enabling better gas or air exchange with the sorption material. The i) macropores and ii) channels are preferably present as a combination (mixture) in the molded bodies according to the invention.

Der erfindungsgemäße Formkörper ermöglicht somit eine verbesserter Adsorptionskapazität. Gleichzeitig verfügen die erfindungsgemäßen Formkörper über eine gute Performance für eine Adsorption bei Raumtemperaturen und niedrigen Partialdrücken. Insgesamt lassen sich durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Formkörper als Sorptionselemente die Gesamtkosten (zum Beispiel Anlage, Prozesszeit) zur Herstellung von CO2 durch geringere Desorptions- und Regenerationszeiten senken. Darüber hinaus verfügen die erfindungsgemäßen Formkörper über eine verbesserte Adsorptionskinetik und Adsorptionsdynamik für sowohl Temperaturschaukelverfahren als auch Über- und Unterdruckschaukelverfahren oder Kombinationen der Verfahren.The shaped body according to the invention thus enables improved adsorption capacity. At the same time, the shaped bodies according to the invention exhibit good adsorption performance at room temperatures and low partial pressures. Overall, the use of the shaped bodies according to the invention as sorption elements allows the overall costs (e.g., plant costs, process time) for CO2 production to be reduced by shorter desorption and regeneration times. Furthermore, the shaped bodies according to the invention exhibit improved adsorption kinetics and adsorption dynamics for both temperature swing processes and positive and negative pressure swing processes, or combinations of these processes.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention emerge from the remaining features mentioned in the subclaims.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Formkörper ist vorgesehen, dass das Zeolith-Material X-Zeolithe mit einem SiO2/Al2O3 Verhältnis von kleiner 3,0 sind, bevorzugt ist der 13X-Zeolithtyp mit einem niedrigen Siliciumdioxidgehalt mit einem SiO2/Al2O3 Verhältnis von 1,8 bis 2,5, bevorzugt 1,8 bis 2,1, besonders bevorzugt 1,8 bis 2,0.In an advantageous embodiment of the shaped bodies, it is provided that the zeolite material is X-zeolite with a SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of less than 3.0, preferably the 13X zeolite type with a low silicon dioxide content with a SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of 1.8 to 2.5, preferably 1.8 to 2.1, particularly preferably 1.8 to 2.0.

Durch Verwendung eines Zeolith-Materials mit einer Faujasit-Struktur und einem molaren SiO2/Al2O3-Verhältnis von 1,8 bis 2,5 kann ein Formkörper hergestellt werden, der ein optimales Transportporensystem und einen maximalen Gehalt an aktiver Zeolith-Materie mit Faujasit-Struktur aufweist. Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass die Kohlendioxid-Adsorptionskapazität des Faujasit X-Zeolith-Typs mit niedrigem Siliciumdioxidgehalt signifikant höher ist.By using a zeolite material with a faujasite structure and a molar SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of 1.8 to 2.5, a molded body can be produced that exhibits an optimal transport pore system and a maximum content of active zeolite material with a faujasite structure. It has also been shown that the carbon dioxide adsorption capacity of the low-silica Faujasite X zeolite type is significantly higher.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Formkörpers ist vorgesehen, dass dieser zusätzlich ein oder mehrere anorganische Additive oder Armierungsmaterialien umfasst, ausgewählt aus anorganischen Pulvern mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 1000 µm, anorganischen Fasern mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 5000 µm, Metall-Splitter mit einer Teilchenverteilung von 10 bis 2000 µm, oder einer Kombination. Bevorzugt sind anorganische Fasern mit einer Länge von 200 µm bis 50 mm, besonders bevorzugt von 200 µm bis 3 mm. Als beispielhafte Pulver seien genannt: Calciumsilikat, Aluminiumoxide (α-Al2O3, γ- Al2O3, η- Al2O3, und δ- Al2O3) mit einer Teilchenverteilung wie beispielsweise von 1 bis 1000 µm.In an advantageous embodiment of the shaped body, it is provided that it additionally comprises one or more inorganic additives or reinforcing materials, selected from inorganic powders with a particle distribution of 1 to 1000 µm, inorganic fibers with a particle distribution of 1 to 5000 µm, metal splinters with a particle distribution of 10 to 2000 µm, or a combination. Preference is given to inorganic fibers with a length of 200 µm to 50 mm, particularly preferably from 200 µm to 3 mm. Exemplary powders include: calcium silicate, aluminum oxides (α-Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 , η-Al 2 O 3 , and δ-Al 2 O 3 ) with a particle distribution such as from 1 to 1000 µm.

Geeignete Fasern sind zum Beispiel amorphe Fasern (Glasfasern, Steinwolle), polykristalline Fasern (Aluminiumfasern, Kohlefasern) oder monokristalline Fasern (Wollastonite) mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 1500 µm. Bevorzugt sind Glasfasern mit einer Länge von 1 bis 4 mm. Beispiele für Metallsplitter sind Sägespänne aus Aluminium, Eisen, Kupfer oder anderen Metalle mit einer Teilchenverteilung von 10 bis 2000 µm.Suitable fibers include amorphous fibers (glass fibers, rock wool), polycrystalline fibers (aluminum fibers, carbon fibers), or monocrystalline fibers (wollastonite) with a particle size distribution of 1 to 1500 µm. Glass fibers with a length of 1 to 4 mm are preferred. Examples of metal splinters include sawdust made of aluminum, iron, copper, or other metals with a particle size distribution of 10 to 2000 µm.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Formkörper ist vorgesehen, dass die Formkörper als kompakte Formkörper in Form einer Platte, eines Rohrs, einer Quadratwabe, Dreieckwabe oder Sechseckwabe vorliegen.In an advantageous embodiment of the shaped bodies, it is provided that the shaped bodies are present as compact shaped bodies in the form of a plate, a tube, a square honeycomb, a triangular honeycomb or a hexagonal honeycomb.

Zeolithische Formkörper in Form einer Platte, eines Rohrs, eines Vollzylinders oder als Wabenstruktur (zum Beispiel Quadratwabe, Sechseckwabe, Dreieckwabe) sind beispielsweise kompakte Formkörper, die in ihrer Verwendung als solche eingesetzt werden.Zeolitic shaped bodies in the form of a plate, a tube, a solid cylinder or as a honeycomb structure (for example square honeycomb, hexagonal honeycomb, triangular honeycomb) are, for example, compact shaped bodies that are used as such.

In einer alternativen Ausführungsform liegen die zeolithischen Formkörper beispielsweise als Granulate, irreguläres Teilchen, Kugeln, Perlen, Zylinder, Pellets, Ringe, Extrudate (wie extrudierte Pellets oder extrudierte Hülsen) vor. Bevorzugt liegen diese in Form einer Schüttung einer Vielzahl von Körpern vor, die insgesamt die Eigenschaften einer Schüttung aufweisen.In an alternative embodiment, the zeolitic shaped bodies are present, for example, as granules, irregular particles, spheres, beads, cylinders, pellets, rings, or extrudates (such as extruded pellets or extruded sleeves). These are preferably in the form of a bed of a plurality of bodies, which collectively exhibit the properties of a bed.

Liegen die Formkörper in einer kompakten Form einer Platte, eines Rohrs, eines Vollzylinders oder als Wabenstruktur vor, weisen diese eine hohe Raumausfüllung bei gleichzeitig vergleichsweise sehr guter Durchströmbarkeit auf, was beispielsweise bei einer Wabenform mit breiten Stegen und schmalen Kanälen gegeben ist. Bedingt durch eine höhere Raumausfüllung der so geformten Formkörper (mehr aktives Material pro Volumen) wird die Effektivität der entsprechenden Prozesse erhöht.If the molded bodies are in a compact form such as a plate, tube, solid cylinder, or honeycomb structure, they exhibit a high volumetric fill rate while simultaneously offering comparatively excellent flow throughput, as is the case, for example, with a honeycomb shape with wide webs and narrow channels. Due to the higher volumetric fill rate of the molded bodies formed in this way (more active material per volume), the effectiveness of the corresponding processes is increased.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung der Formkörper ist vorgesehen, dass dem formbaren Stoffgemisch zusätzlich ein oder mehrere anorganische Additive oder Armierungsmaterialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus d) anorganische Pulver mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 1000 µm, e) anorganische Fasern mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 5000 µm oder f) Metall-Splitter mit einer Teilchenverteilung von 10 bis 2000 µm, zugesetzt werden.In an advantageous embodiment of the method for producing the shaped bodies, it is provided that one or more inorganic additives or reinforcing materials selected from the group consisting of d) inorganic powders with a particle distribution of 1 to 1000 µm, e) inorganic fibers with a particle distribution of 1 to 5000 µm or f) metal splinters with a particle distribution of 10 to 2000 µm are additionally added to the moldable substance mixture.

Die oben genannten anorganischen Additive dienen der Armierung beziehungsweise Verstärkung des Sorptionsmaterials, mit der sich die Betriebshaltbarkeit erhöhen lässt. Insbesondere kann damit die Festigkeit und Funktionalität von 3 D-Kompaktformen gesteigert werden, was auf eine Abriebreduzierung während des Betriebes zurückgeführt werden kann. Die so verstärkten Formkörper haben somit neben einer hohen CO2-Adsorptionskapazität auch eine erhöhte Materialfestigkeit. Diese sind dadurch bei einer zyklischen Prozessbeanspruchung robuster und reproduzierbar, was sich wiederum positiv auf die Qualität und die Prozesskosten auswirkt.The above-mentioned inorganic additives serve to reinforce or strengthen the sorption material, thereby increasing its operational durability. In particular, they can increase the strength and functionality of 3D compact molds, which can be attributed to a reduction in abrasion during operation. The molded bodies reinforced in this way therefore have not only a high CO2 adsorption capacity but also increased material strength. They are therefore robust under cyclic process stress. faster and reproducible, which in turn has a positive effect on quality and process costs.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Verarbeitung des formbaren Stoffgemisches die Beschichtung mindestens einer Oberflächenseite, bevorzugt beider Oberflächenseiten, eines Basisformkörpers, der bevorzugt ein plattenförmiger Formkörper ist, mit dem formbaren Stoffgemisch, umfasst.. Bevorzugt umfasst der Basisformkörper ein Zeolith-Material und ein Bindemittel, besonders bevorzugt umfasst der Basisformkörper zusätzlich ein oder mehrere anorganische Additive oder Armierungsmaterialien. Der Basisformkörper selbst weist bevorzugt keine sekundäre Porosität auf. Die Beschichtung des Basisformkörpers auf Basis des formbaren Stoffgemischs verleiht dem so hergestellten Formkörper die selektive Porosität.In a further advantageous embodiment of the method, the processing of the moldable mixture of materials comprises coating at least one surface side, preferably both surface sides, of a base molded body, which is preferably a plate-shaped molded body, with the moldable mixture of materials. The base molded body preferably comprises a zeolite material and a binder; particularly preferably, the base molded body additionally comprises one or more inorganic additives or reinforcing materials. The base molded body itself preferably has no secondary porosity. The coating of the base molded body based on the moldable mixture of materials imparts the selective porosity to the molded body thus produced.

Somit wird ein Formkörper erhalten, der selektiv auf seiner Umgebungsoberfläche die sekundäre Porosität aufweist. Die sekundäre Porosität stellt die Summe der Poren und/oder Kanäle dar, die die innere Grundstruktur des Formkörpers mit dem Umgebungsmedium beziehungsweise mit Luft verbindet. Damit wird ein effizienter Austausch besonders bei dynamischen Vorgängen (Adsorption, Desorption und Regeneration) ermöglicht.This results in a molded body that selectively exhibits secondary porosity on its surrounding surface. Secondary porosity represents the sum of the pores and/or channels that connect the inner basic structure of the molded body to the surrounding medium or air. This enables efficient exchange, especially during dynamic processes (adsorption, desorption, and regeneration).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Verarbeitung das Aufbringen einer Folie auf einer Oberflächenseite eines Basisformkörpers, der bevorzugt ein plattenförmiger Formkörper ist, mit dem formbaren Stoffgemisch umfasst. Die Folie ist beispielsweise ein Komposit-Material, welches ein Trägermaterial und das formbare Stoffgemisch umfasst. Bevorzugt wird als Trägermaterial ein Material verwendet, welches beim Kalzinieren thermisch nahezu vollständig abgebaut wird. Besonders bevorzugt ist das Trägermaterial eine Polymermatrix.In a further advantageous embodiment of the method, the processing comprises applying a film to one surface side of a base molded body, which is preferably a plate-shaped molded body, with the moldable material mixture. The film is, for example, a composite material comprising a carrier material and the moldable material mixture. Preferably, the carrier material used is a material that is almost completely thermally degraded upon calcination. Particularly preferably, the carrier material is a polymer matrix.

Durch den Einsatz einer Folie kann selektiv eine Seite des Formkörpers mit einer bestimmten Menge an formbarem Stoffgemisch versehen werden und erlaubt die getrennte Herstellung des Basisformkörpers und der Folie.By using a film, one side of the molded body can be selectively provided with a specific amount of moldable material mixture and allows the separate production of the base molded body and the film.

Ein weiterer Teilaspekt ist die Verwendung des zeolithischen Formkörpers, die in den vorstehenden Abschnitten beschrieben sind, als Sorptionselemente in technischen Adsorptionsprozessen, insbesondere zur Adsorption oder Desorption von CO2 oder H2O, bevorzugt im DAC-Verfahren. Jedoch ist auch eine Verwendung in allen technischen Bereichen möglich, wo beispielsweise eine Gastrennung, Gasseparation, Gasreinigung oder Gasentfeuchtung durchgeführt wird.A further aspect is the use of the zeolitic shaped bodies described in the preceding sections as sorption elements in technical adsorption processes, in particular for the adsorption or desorption of CO2 or H2O , preferably in the DAC process. However, use is also possible in all technical fields where, for example, gas separation, gas purification, or gas dehumidification is carried out.

Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless otherwise stated in the individual case.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1a, 1b zwei mögliche Anlagen zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,
  • 2a eine bekannte Kristallstruktur eines Adsorptionsmaterials auf Basis eines Faujasit-Zeoliths 13X,
  • 2b eine bekannte Kristallstruktur eines Adsorptionsmaterials auf Basis eines Faujasit-Zeoliths 13X mit Mesoporen ,
  • 2c eine konkrete Ausführungsform der Kristallstruktur der erfindungsgemäßen Formkörper,
  • 3a eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Formkörpers als Sphären-Granulat mit sekundärer Porosität,
  • 3b eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Formkörpers als Sphären-Granulat mit sekundärer Porosität und mit anorganischen Fasern,
  • 4a verschiedene Ausführungsformen möglicher Herstellungsformen der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörper als Schüttung,
  • 4b verschiedene Ausführungsformen möglicher Herstellungsformen der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörper als kompakte Formkörper,
  • 5 ein erstes Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines zeolithischen Formkörpers zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,
  • 6 ein zweites Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörper,
  • 7 ein drittes Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer weiteren konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörper.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. They show:
  • 1a , 1b two possible plants for separating carbon dioxide from the ambient air,
  • 2a a known crystal structure of an adsorption material based on a faujasite zeolite 13X,
  • 2b a known crystal structure of an adsorption material based on a faujasite zeolite 13X with mesopores,
  • 2c a concrete embodiment of the crystal structure of the shaped bodies according to the invention,
  • 3a a simplified representation of a shaped body according to the invention as spherical granulate with secondary porosity,
  • 3b a simplified representation of a molded body according to the invention as spherical granulate with secondary porosity and with inorganic fibers,
  • 4a various embodiments of possible production forms of the zeolitic shaped bodies according to the invention as a bed,
  • 4b various embodiments of possible production forms of the zeolitic shaped bodies according to the invention as compact shaped bodies,
  • 5 a first flow diagram for carrying out a process according to the invention for producing a zeolitic shaped body for separating carbon dioxide from the ambient air,
  • 6 a second flow diagram for carrying out a process according to the invention for producing a specific embodiment of the zeolitic shaped bodies according to the invention,
  • 7 a third flow diagram for carrying out a process according to the invention for producing a further concrete embodiment of the zeolitic shaped bodies according to the invention.

Die 1a und 1b zeigen jeweils eine schematische Darstellung zweier Ausführungsformen einer Anlage 100 und 110 zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus einer Umgebungsluft.The 1a and 1b each show a schematic representation of two embodiments of a system 100 and 110 for separating carbon dioxide from ambient air.

1a zeigt eine Anlage 100, die zwei Prozesskammern 11 und 12 umfasst. Prozesskammer 11 ist als Trocknungsstufe vorgesehen, wo Gas entfeuchtet wird. In der Prozesskammer 12 erfolgt die Adsorption/Desorption. Beide Kammern 11 und 12 umfassen die erfindungsgemäßen Formkörper als Sorptionselemente 14, 15, die für die Trocknung oder das Adsorbieren von Gasen verantwortlich sind. Die Prozesskammern 11 und 12 sind miteinander technisch durch diverse Leitungen, Klappen, Ventile 13 etc. verbunden. Nach der Desorption wird gezielt das gesammelte Gas technisch mit der Leitungsarmatur 16 zum Hauptspeicher 17 weitergeleitet. 1a shows a system 100 comprising two process chambers 11 and 12. Process chamber 11 is provided as a drying stage, where gas is dehumidified. Adsorption/desorption takes place in process chamber 12. Both chambers 11 and 12 contain the shaped bodies according to the invention as sorption elements 14, 15, which are responsible for drying or adsorbing gases. The process chambers 11 and 12 are technically connected to each other by various lines, flaps, valves 13, etc. After desorption, the collected gas is technically forwarded to the main storage unit 17 via the line fitting 16.

1b zeigt eine Anlage 110, die nur die Prozesskammer 12 umfasst. Prozesskammer 12 dient zur Adsorption/Desorption, wobei eine separate Trocknungsstufe entfällt. Die erfindungsgemäßen Formkörper als Sorptionselemente 15 sind in der Kammer 12 entsprechend verbaut, beispielsweise sind diese horizontal oder vertikal eingebaut. Die Prozesskammer 15 ist technisch durch diverse Leitungen, Klappen, Ventile 13 etc. verbunden. Nach der Desorption wird gezielt das gesammelte Gas technisch zum Hauptspeicher 18 weitergeleitet. 1b shows a system 110 comprising only the process chamber 12. Process chamber 12 serves for adsorption/desorption, eliminating the need for a separate drying stage. The molded bodies according to the invention, as sorption elements 15, are installed accordingly in the chamber 12, for example, they are installed horizontally or vertically. The process chamber 15 is technically connected by various lines, flaps, valves 13, etc. After desorption, the collected gas is technically forwarded to the main storage unit 18.

2a zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Kristallstruktur 20 eines Adsorptionsmaterials auf Basis eines Faujasit-Zeoliths 13X mit einem Durchmesser von 1,8 bis 2 mm mit sogenanntem Faujasit-Porensystem 22, das eine Porengröße von beispielsweise 7,4Å aufweist und deren Poren kreuzend aufgebaut sind. 2a shows a crystal structure 20 of an adsorption material based on a faujasite zeolite 13X with a diameter of 1.8 to 2 mm and a so-called faujasite pore system 22, which has a pore size of, for example, 7.4Å and whose pores are arranged in a crossing manner.

2b ist eine detaillierte Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannte Kristallstruktur 20. Wenn die Kristallstruktur 20 mit Umgebungsluft in Berührung kommt, steigt der partielle Druck an der Oberfläche des Sorptionsmaterials. Die CO2-Moleküle 23 aus der Luft gelangen durch die porösen Zwischenkanäle 24 in das Kristall-Porensystem 22. Dort werden die CO2-Moleküle 23 über eine Interaktion mit Na+ Kationen 26 gebunden (Adsorption). Die Zwischenkanäle 24 oder auch Mesoporen, stellen die primäre Porosität des Adsorbens dar und sind für die Adsorption von CO2-Molekülen 23 an der Gesamtoberfläche verantwortlich. Die Zwischenkanäle 24 können jedoch teilweise oder ganz mit H2O-Molekülen aus der Luft belegt und damit geschlossen sein. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, dass freie Zwischenkanäle 24 mit Restfeuchte nach der Trocknung belegt sind, wodurch eine CO2-Adsorption stark reduziert wird beziehungsweise keine gute Aufnahmekapazität mehr vorhanden ist. 2b is a detailed representation of the crystal structure 20 known from the prior art. When the crystal structure 20 comes into contact with ambient air, the partial pressure at the surface of the sorption material increases. The CO2 molecules 23 from the air pass through the porous intermediate channels 24 into the crystal pore system 22. There, the CO2 molecules 23 are bound via an interaction with Na + cations 26 (adsorption). The intermediate channels 24, or mesopores, represent the primary porosity of the adsorbent and are responsible for the adsorption of CO2 molecules 23 on the entire surface. However, the intermediate channels 24 can be partially or completely occupied with H2O molecules from the air and thus closed. It is also possible that free intermediate channels 24 are occupied by residual moisture after drying, which greatly reduces CO2 adsorption or no longer has a good absorption capacity.

In 2c ist eine konkrete Ausführungsform der Kristallstruktur 21 der erfindungsgemäßen Formkörper dargestellt. Die Kristallstruktur 21 umfasst eine weitere sekundäre Porosität 25, die die vorhandenen Zwischenkanäle 24 der primären Porosität erweitert (ausweitet) und die beiden Porensysteme miteinander verbindet. Damit wird beispielsweise die Desorption und die Adsorbens-Regeneration unterstützt und somit effizienter, vollständig und reproduzierbar ermöglicht. Die Integration (Einbau) der sekundären Porosität 25 kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden und wird durch die weiteren Figuren erläutert. Beispielsweise lässt sich sekundäre Porosität durch die Binder-Zusammensetzung entsprechend einstellen. Eine weitere Möglichkeit die sekundäre Porosität in der Kristallstruktur 21 auszubilden, besteht durch Zufügen von Porenbildner, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus a) organischen Pulvern mit einer Teilchenverteilung von 5 bis 2000 µm, b) organischen Fasermaterialien mit einer Teilchenverteilung von 5 bis 2000 µm oder c) Lösungen oder Gele polymerer Materialien oder deren Gemische. Die Porenmittelbildner werden bevorzugt so ausgewählt, dass sie während des Kalzinierens bei einer Temperatur von 350 °C bis 800 °C, bevorzugt von 400 °C bis 650 °C, besonders bevorzugt von 450 °C bis 550 °C, insbesondere bei 500 °C vollständig aus der Kristallstruktur 21 des Zeoliths thermisch abgebaut werden. Während der thermischen Behandlung werden die organische Bestandteile abgebaut beziehungsweise zersetzt und somit gasförmig aus dem Sorptionsmaterial entfernt. Die Kristallstruktur 21 der erfindungsgemäßen Formkörper weisen neben einer primären auch eine sekundäre Porosität auf. Die so hergestellten Formkörper verfügen über eine hohe CO2-Adsorption sowie über eine erhöhte Materialfestigkeit, wodurch diese bei einer zyklischen Prozessbeanspruchung robuster und reproduzierbar (für Serie geeignet) sind, was wiederum einen positiven Einfluss auf Qualität und Prozesskosten hat.In 2c A specific embodiment of the crystal structure 21 of the molded bodies according to the invention is shown. The crystal structure 21 comprises a further secondary porosity 25, which expands (widens) the existing intermediate channels 24 of the primary porosity and connects the two pore systems. This supports, for example, desorption and adsorbent regeneration and thus enables more efficient, complete, and reproducible processes. The integration (incorporation) of the secondary porosity 25 can be produced in different ways and is explained in the further figures. For example, secondary porosity can be adjusted accordingly by the binder composition. Another possibility for forming the secondary porosity in the crystal structure 21 is by adding pore formers selected from the group consisting of a) organic powders with a particle distribution of 5 to 2000 µm, b) organic fiber materials with a particle distribution of 5 to 2000 µm, or c) solutions or gels of polymeric materials or mixtures thereof. The pore-forming agents are preferably selected such that they are completely thermally degraded from the crystal structure 21 of the zeolite during calcination at a temperature of 350°C to 800°C, preferably from 400°C to 650°C, particularly preferably from 450°C to 550°C, in particular at 500°C. During the thermal treatment, the organic constituents are degraded or decomposed and thus removed in gaseous form from the sorption material. The crystal structure 21 of the shaped bodies according to the invention has not only primary but also secondary porosity. The shaped bodies produced in this way have high CO2 adsorption and increased material strength, making them more robust and reproducible (suitable for series production) under cyclic process stress, which in turn has a positive influence on quality and process costs.

3a zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Sphären-Granulats 30, dessen Gefüge 31 neben einer primärer Porosität 32 auch eine sekundäre Porosität 33 umfasst. Die erfindungsgemäßen Formkörper weisen Makroporen 33 mit einem Durchmesser von größer 200 nm als Transportporensystem auf. Die Makroporen des Formkörpers weisen einen Durchmesser von mindestens 200 nm auf, vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 500 nm bis 500 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 1000 nm bis 300 µm. Bei dem Durchmesser der Makroporen handelt es sich um einen durchschnittlichen Durchmesser, der volumenbezogen ist. Beispielsweise sind bei einem dB90<500 nm 90% der Poren kleiner als 500 nm. Ein Formkörper mit einem Volumen von 1 dm3 weist beispielsweise nach dem Kalzinieren Poren auf, die im Volumen des Formkörpers verteilt sind. Beispielsweise werden bei einem Anteil von 2 Gew % an Porenbildner, die sich während des Kalzinierens zersetzen, ein Gesamtporenvolumen von ca 2% auf 1dm3 erreicht, die sich auf die Porengrößen aufteilen. 3a shows a simplified representation of a spherical granulate 30, the structure 31 of which comprises not only a primary porosity 32 but also a secondary porosity 33. The shaped bodies according to the invention have macropores 33 with a diameter of greater than 200 nm as a transport pore system. The macropores of the shaped body have a diameter of at least 200 nm, preferably a diameter in the range from 500 nm to 500 µm, particularly preferably in the range from 1000 nm to 300 µm. The diameter of the macropores is an average diameter that is volume-related. For example, with a dB90<500 nm, 90% of the pores are smaller than 500 nm. A shaped body with a volume of 1 dm3 , for example, has pores after calcination that are distributed throughout the volume of the shaped body. For example, with a proportion of 2 wt% of pore formers that decompose during calcination, a total pore volume of approximately 2% per 1dm3 is achieved, which is divided into the pore sizes.

Alternativ oder zusätzlich weisen die erfindungsgemäßen Formkörper nano- bezierhungsweise µ-Kanäle mit einer Länge von größer 300 nm auf. Die Kanäle des Formkörpers weisen eine Länge von mindestens 300 nm auf, vorzugsweise eine Länge im Bereich von 500 nm bis 1000 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 1000 nm bis 800 µm. Bei der Länge der Kanäle handelt es sich um eine durchschnittliche Länge. Durch die Makroporen 33 und/oder Kanäle wird die Effektivität besonders bei dynamischen Adsorptions- und Desorptionsprozessen erhöht.Alternatively or additionally, the shaped bodies according to the invention have nano- or μ-channels with a length greater than 300 nm. The channels of the shaped body have a length of at least 300 nm, preferably a length in the range of 500 nm to 1000 μm, particularly preferably in the range of 1000 nm to 800 μm. The length of the channels is an average length. The macropores 33 and/or channels increase the effectiveness, particularly in dynamic adsorption and desorption processes.

3b zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Sphären-Granulats 30, dessen Gefüge 31 neben einer primärer Porosität 32, eine sekundäre Porosität 33 sowie anorganische Additive oder Armierungsmaterialien 34, hier als Fasern abgebildet, die beispielsweise der Verstärkung dienen, umfasst. Damit wird beispielsweise neben einer gesteigerten (erhöhten) Effektivität, besonders bei dynamischen Adsorptions- und Desorptionsprozessen, gleichzeitig auch eine höhere Festigkeit des Materialgefüges 31, erreicht. 3b shows a simplified representation of a spherical granulate 30, whose structure 31 comprises, in addition to a primary porosity 32, a secondary porosity 33, as well as inorganic additives or reinforcing materials 34, depicted here as fibers, which serve, for example, for reinforcement. This achieves, for example, not only increased effectiveness, especially in dynamic adsorption and desorption processes, but also a higher strength of the material structure 31.

In 4a sind verschiedene Ausführungsformen möglicher Formen 40 der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörper 10 als Schüttung dargestellt, wie beispielsweise Granulate als Sphären 42, irreguläres Teilchen 44, extrudierte Pellets 46 sowie extrudierte Hülsen 48. Der Durchmesser d der Sphären-Granulate 42 oder der extrudierten Pellets 46 liegt bevorzugt zwischen 0,3 und 8 mm. Bei rechteckigen, Dreieck-förmigen oder Sechseck-förmigen Extrudaten 46, liegen die Kantenlängen (a, b, c) bevorzugt zwischen 0,3 bis 5 mm. Extrudierte Hülsen 48 sind beispielsweise in ihrem Querschnitt d rund, rechteckig, Dreieck-förmig oder Sechseck-förmig und weisen beispielsweise einen Durchmesser von bevorzugt 0,3 bis 5 mm und Kantenlängen (a, b, c) von bevorzugt 0,3 bis 5 mm auf. Der innere Hohlraum der extrudierten Hülsen 48 hat einen Durchmesser d von bevorzugt 0,3 bis 5 mm.In 4a Various embodiments of possible shapes 40 of the zeolitic shaped bodies 10 according to the invention are shown as a bed, such as granules in the form of spheres 42, irregular particles 44, extruded pellets 46 and extruded sleeves 48. The diameter d of the spherical granules 42 or the extruded pellets 46 is preferably between 0.3 and 8 mm. In the case of rectangular, triangular or hexagonal extrudates 46, the edge lengths (a, b, c) are preferably between 0.3 and 5 mm. Extruded sleeves 48 are, for example, round, rectangular, triangular or hexagonal in their cross-section d and have, for example, a diameter of preferably 0.3 to 5 mm and edge lengths (a, b, c) of preferably 0.3 to 5 mm. The inner cavity of the extruded sleeves 48 has a diameter d of preferably 0.3 to 5 mm.

4b zeigt Ausführungsformen der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörper 10 als kompakte Formkörper wie beispielsweise als Platte 52, Rohr oder Mehrkanalrohr 54, Quadratwabe 46 mit diversen Längen, sowie weitere diverse Querschnitte wie Dreieckwabe oder Sechseckwabe 58 mit unterschiedlichem Verhältnis Kanalweite/Stegbreite. Die erfindungsgemäßen kompakten Formkörper enthalten eine maximale Menge an Zeolith-Material pro Volumen, dicke Wände und eine geringe Porosität, was eine hohe Kapazität und gute mechanische Eigenschaften ermöglicht. Die kompakten Formkörper weisen beispielsweise eine Raumausfüllung von >85 % auf, wohingegen beispielsweise die Raumausfüllung der Kugelschüttung 74 % beträgt. Die Schüttungsdichte von Kügelchen liegt beispielsweise zwischen 600 kg/m3 bis 1000 kg/m3. 4b shows embodiments of the zeolitic shaped bodies 10 according to the invention as compact shaped bodies, such as, for example, a plate 52, a tube or multi-channel tube 54, a square honeycomb 46 with various lengths, as well as various other cross-sections such as a triangular honeycomb or hexagonal honeycomb 58 with different channel width/web width ratios. The compact shaped bodies according to the invention contain a maximum amount of zeolite material per volume, thick walls, and low porosity, which enables high capacity and good mechanical properties. The compact shaped bodies have, for example, a space filling of >85%, whereas, for example, the space filling of the sphere bed is 74%. The bulk density of spheres is, for example, between 600 kg/m 3 and 1000 kg/m 3 .

In 5 ist ein erstes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines zeolithischen Formkörpers 10 für eine Anlage 100 oder 110 dargestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen <100> eines Kohlenstoffdioxid bindenden Zeolith-Materials 36, welches vorzugsweise als ein Zeolith-Material mit eine Faujasit-Struktur und einem molaren SiO2/Al2O3-Verhältnis von 1,8 bis 2,5 ausgebildet ist sowie das Bereitstellen eines Bindemittels 38. Das Zeolith-Material 36 und das Bindemittel 38 sowie ein oder mehrere Porenbildner 39 werden in einem Verfahrensschritt <110> zu einem formbaren Stoffgemisch 73 vermischt, wobei eine möglichst homogene Vermischung der Komponenten 36, 38, 40 angestrebt wird. Bevorzugt werden zusätzlich ein oder mehrere anorganische Additive oder Armierungsmaterialien 34, bevorzugt Fasern, dem Stoffgemisch 73 zugefügt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt <120> erfolgt die Herstellung eines Formkörpers, welche insbesondere ein Extrudieren, Granulieren, Pulverspritzgießen, Spritzgießen sowie weitere Verfahrensschritte umfassen kann. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt <130> können die Formkörper getrocknet werden. An die Trocknung schließt sich eine Wärmebehandlung <140> an, welche insbesondere einen Sinterprozess zur stoffschlüssigen Verbindung des Stoffgemischs 73 umfasst und so der erfindungsgemäße Formkörper 10 erhalten wird.In 5 A first example of a method according to the invention for producing a zeolitic shaped body 10 for a plant 100 or 110 is shown. The method comprises the provision <100> of a carbon dioxide-binding zeolite material 36, which is preferably designed as a zeolite material with a faujasite structure and a molar SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of 1.8 to 2.5, and the provision of a binder 38. The zeolite material 36 and the binder 38 as well as one or more pore formers 39 are mixed in a method step <110> to form a moldable material mixture 73, wherein the aim is to achieve the most homogeneous mixing possible of the components 36, 38, 40. Preferably, one or more inorganic additives or reinforcing materials 34, preferably fibers, are additionally added to the material mixture 73. In a subsequent process step <120>, a shaped body is produced, which may include, in particular, extrusion, granulation, powder injection molding, injection molding, and other process steps. In a subsequent process step <130>, the shaped bodies can be dried. Drying is followed by a heat treatment <140>, which, in particular, includes a sintering process for the cohesive bonding of the substance mixture 73, thus obtaining the shaped body 10 according to the invention.

6 zeigt ein zweites Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörper 70 in Form eines plattenförmigen zeolithischen Formkörpers mit beidseitiger sekundärer Porosität. Bei der Herstellung des zeolithischen Formkörpers 70 wird zunächst ein Basisformkörper 71, bevorzugt ausgebildet als plattenförmiger Formkörper, bereitgestellt. Der Basisformkörper 71 enthält eine Grundmaterialmischung, die ein Zeolith-Material 36 und ein Bindemittel 38 umfasst. Ebenfalls möglich ist, dass die Grundmaterialmischung zusätzlich ein oder mehrere anorganische Additive oder Armierungsmaterialien 34, bevorzugt Fasern, enthält. Der Basisformkörper 71 wird im Schritt <200> hergestellt und weist eine Materialdicke d von beispielsweise 1 mm bis 20 mm, bevorzugt von 3 mm bis 8 mm, besonders bevorzugt 4 mm bis 6 mm, auf. Die Herstellung des Basisformkörpers 71 erfolgt beispielsweise durch unterschiedliche Fertigungsverfahren, wobei das halb-nass-Pressen oder Gießen bevorzugt ist. Ebenfalls geeignet für den Schritt <200> sind Verfahren, die pastöse Massen verarbeiten können. Der so hergestellte Basisformkörper 71 wird im Schritt <210> auf beiden Oberflächenseiten 72 mittels einer Schüttpulvermischung 73 bedeckt oder mit einer Schüttpulvermischung 73 bestreut. Die Schüttpulvermischung 73 umfasst das Zeolith-Material 36 und das Bindemittel 38 (bilden die Grundmaterialmischung) sowie ein oder mehrere Porenbildner 39. Bevorzugt enthält die Schüttpulvermischung 73 ebenfalls ein oder mehrere anorganische Additive oder Armierungsmaterialien 34, besonders bevorzugt sind Fasern. Das Verhältnis von Grundmaterialmischung des Basisformkörpers 71 zur Schüttpulvermischung 73 ist beispielsweise in Vol%: 10 % bis 95 % oder 95 % bis 10 %, wobei die Zusammensetzung der Schüttpulvermischung 73 ebenfalls sehr breite Variationen von eigenen Anteilen aufweisen kann. Die Aufgabe der Schüttpulvermischung 73 ist es, sich auf der halb-nassen Oberflächenseite 72 der Platte homogen zu verteilen und durch eine Kraftwirkung auf der Gesamtoberfläche mit dem Material des Basisformkörpers 71 zu verbinden. In Schritt <220> erfolgt beispielsweise ein Pressvorgang, durch welchen der Formkörper 70 eine gewünschte Stärke erreichen kann. Die Schüttpulvermischung 73 wird bevorzugt an der Oberfläche 72 eingepresst, so dass diverse Dicken entstehen können. Nach dem Vorgang des Kalzinierens (Wärmebehandlung) (<230>) findet eine leichte, kontrollierte Volumenschwindung statt. Die Schüttpulvermischung 73 wird somit vollständig mit dem Material des Basisformkörpers 71 durch den Vorgang des Kalzinierens vereint (quasi vorgesintert) und es entsteht der erfindungsgemäße kompakte, plattenförmige Formkörper 70. Darüber hinaus werden die Porenbildner 39 der Schüttpulvermischung 73 bei höheren Temperaturen thermisch vollständig abgebaut. Das Ergebnis ist die Bildung einer sekundären Porosität 74, die kontrolliert an der Oberfläche des Formkörpers 70 abgebildet wird. Die sekundäre Porosität 74 stellt eine Summe von zahlreichen Makroporen und/oder Kanälen dar, die die innere Grundstruktur 75 des Formkörpers 70 mit dem Umgebungsmedium 76 beziehungsweise mit Luft verbindet. Damit wird ein effizienter Austausch, insbesondere bei dynamischen Vorgängen (Adsorption, Desorption und Regeneration) ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Formkörper 70 besteht darin, dass sich Anteile (zum Beispiel in Gew.%) der Schüttpulvermischung 73 und deren Pulverpartikelverteilung mit der Grundmaterialmischung des Basisformkörpers 71 (zum Beispiel in Gew.%) und deren Pulverpartikelverteilung sehr breit kombinieren lassen. Dadurch können nach thermischen Zersetzungen der Porenbildner 39 während des Kalzinierens (<230>) an der Oberfläche unterschiedliche Formen von Porenöffnungen, wie beispielsweise Makroporen mit einem Durchmesser von größer 200 nm, bevorzugt 1000 nm bis 300 µm und/oder nano- oder µ-Kanäle mit einer Länge von größer 300 nm, bevorzugt 1000 nm bis 800 µm, oder nano- oder µ-Vertiefungen gebildet werden, die dann die Kontaktfläche des Formkörpers enorm vergrößern und damit ein besserem Gas- oder Luftaustausch mit dem Adsorbensmaterial stattfinden kann. 6 shows a second flow diagram for carrying out a method according to the invention for producing a specific embodiment of the zeolitic shaped body 70 according to the invention in the form of a plate-shaped zeolitic shaped body with secondary porosity on both sides. In the production of the zeolitic shaped body 70, a base shaped body 71, preferably designed as a plate-shaped shaped body, is first provided. The base shaped body 71 contains a base material mixture comprising a zeolite material 36 and a binder 38. It is also possible for the base material mixture to additionally contain one or more inorganic additives or reinforcing materials 34, preferably fibers. The base shaped body 71 is produced in step <200> and has a material thickness d of, for example, 1 mm to 20 mm, preferably 3 mm to 8 mm, particularly preferably 4 mm to 6 mm. The base shaped body 71 is produced, for example, by various manufacturing processes, with semi-wet pressing or casting being preferred. Also suitable for step <200> are processes that can process pasty masses. The base molded body 71 thus produced is covered on both surface sides 72 by means of a bulk powder mixture 73 in step <210> or coated with a Bulk powder mixture 73 is sprinkled. The bulk powder mixture 73 comprises the zeolite material 36 and the binder 38 (forming the base material mixture) as well as one or more pore formers 39. The bulk powder mixture 73 preferably also contains one or more inorganic additives or reinforcing materials 34, particularly preferred being fibers. The ratio of the base material mixture of the base molded body 71 to the bulk powder mixture 73 is, for example, in vol%: 10% to 95% or 95% to 10%, whereby the composition of the bulk powder mixture 73 can also have very wide variations in its own proportions. The task of the bulk powder mixture 73 is to distribute itself homogeneously on the semi-wet surface side 72 of the plate and to bond with the material of the base molded body 71 by applying force over the entire surface. In step <220>, for example, a pressing process takes place, through which the molded body 70 can achieve a desired thickness. The bulk powder mixture 73 is preferably pressed onto the surface 72, allowing various thicknesses to be created. After the calcination process (heat treatment) (<230>), a slight, controlled volume shrinkage occurs. The bulk powder mixture 73 is thus completely combined with the material of the base molded body 71 through the calcination process (virtually pre-sintered), and the compact, plate-shaped molded body 70 according to the invention is created. Furthermore, the pore-forming agents 39 of the bulk powder mixture 73 are completely thermally degraded at higher temperatures. The result is the formation of a secondary porosity 74, which is mapped in a controlled manner onto the surface of the molded body 70. The secondary porosity 74 represents the sum of numerous macropores and/or channels that connect the inner basic structure 75 of the molded body 70 with the ambient medium 76 or with air. This enables efficient exchange, particularly during dynamic processes (adsorption, desorption, and regeneration). A further advantage of the molded bodies 70 according to the invention is that proportions (e.g., in wt. %) of the bulk powder mixture 73 and its powder particle distribution can be very broadly combined with the base material mixture of the base molded body 71 (e.g., in wt. %) and its powder particle distribution. As a result, after thermal decomposition of the pore formers 39 during calcination (<230>), different forms of pore openings can be formed on the surface, such as macropores with a diameter of greater than 200 nm, preferably 1000 nm to 300 µm and/or nano- or µ-channels with a length of greater than 300 nm, preferably 1000 nm to 800 µm, or nano- or µ-depressions, which then enormously increase the contact area of the shaped body and thus enable better gas or air exchange with the adsorbent material.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die Schüttpulvermischung 73 ein oder mehrere anorganische Fasern oder Armierungsmaterialien 34, bevorzugt anorganische Fasern. Diese sind thermisch stabil und unterliegen während des Kalzinierens keinen Veränderungen, und leisten somit beispielsweise einen Beitrag zur Festigkeitserhöhung der Oberfläche (Armierung). Eine vereinfachte schematische Darstellung ist in Detail „D“ der 6 ersichtlich.In a further embodiment, the bulk powder mixture 73 contains one or more inorganic fibers or reinforcing materials 34, preferably inorganic fibers. These are thermally stable and do not undergo any changes during calcination, thus contributing, for example, to increasing the strength of the surface (reinforcement). A simplified schematic representation is shown in detail "D" of the 6 visible.

7 zeigt ein drittes Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer weiteren konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörper 80 in Form eines plattenförmigen zeolithischen Formkörpers mit einseitiger sekundärer Porosität. Bei der Herstellung des Formkörpers 80 wird beispielsweise auf einem Basisformkörper 83, der eine Grundmaterialmischung aus Zeolith-Material 36 und Bindemittel 38 enthält, eine Folie 81 entlang der Oberflächenseite 82 des Basisformkörper 83 angebracht und verpresst (<300>). Bevorzugt ist die Folie 81 ein Komposit-Material aus einem Trägermaterial und einem Stoffgemisch, das eine gleiche oder ähnliche Zusammensetzung wie die Schüttpulvermischung 73 aufweist, wobei hier die Pulvermischung auf einem Träger aufgebracht worden ist. Als Trägermaterial ist beispielsweise eine Polymermatrix geeignet, die die Funktion hat, die Pulverschüttung während der Handhabung zu halten (<310>). Nach Einpressen in den Basisformkörper 83 während des Kalzinierens (<320>) verschwindet die Folie 81 vollständig aus dem Gefüge des resultierenden Formkörpers 80. Die Position „D“ der 7 zeigt die schematische Darstellung des Endzustandes, wobei bei dieser Ausführungsform des Formkörpers 80 nur eine Oberflächenseite 82 eine extreme Vergrößerung der Oberflächenstruktur mit der sekundären Porosität 84 hat, was bei Kontakt mit Gas oder dem Umgebungsmedium 86 (Luft) einen besseren Austausch ermöglicht. Die sekundäre Porosität 84 stellt eine Summe von zahlreichen Makroporen und/oder Kanälen dar, die die innere Grundstruktur 85 des Formkörpers 70 mit dem Umgebungsmedium 86 beziehungsweise mit Luft verbindet. 7 shows a third flow diagram for carrying out a method according to the invention for producing a further specific embodiment of the zeolitic molded body 80 according to the invention in the form of a plate-shaped zeolitic molded body with one-sided secondary porosity. During the production of the molded body 80, for example, a film 81 is applied along the surface side 82 of the base molded body 83, which contains a base material mixture of zeolite material 36 and binder 38, and pressed (<300>). The film 81 is preferably a composite material made of a carrier material and a mixture of substances that has the same or similar composition as the bulk powder mixture 73, wherein the powder mixture has been applied to a carrier. A suitable carrier material, for example, is a polymer matrix that has the function of holding the powder charge during handling (<310>). After pressing into the base molded body 83 during calcination (<320>), the foil 81 disappears completely from the structure of the resulting molded body 80. The position “D” of the 7 shows a schematic representation of the final state, wherein in this embodiment of the molded body 80, only one surface side 82 has an extremely enlarged surface structure with the secondary porosity 84, which enables better exchange upon contact with gas or the ambient medium 86 (air). The secondary porosity 84 represents the sum of numerous macropores and/or channels that connect the inner basic structure 85 of the molded body 70 with the ambient medium 86 or with air.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die Folie 81 ein oder mehrere anorganische Fasern oder Armierungsmaterialien 87, bevorzugt anorganische Fasern, die thermisch stabil sind und die während des Kalzinierens keinen Veränderungen unterliegen, sondern unverändert bleiben und somit einen Beitrag zur Festigkeitserhöhung der Oberfläche (Armierung) leisten können.In a further embodiment, the film 81 contains one or more inorganic fibers or reinforcing materials 87, preferably inorganic fibers that are thermally stable and that do not undergo any changes during calcination but remain unchanged and can thus contribute to increasing the strength of the surface (reinforcement).

BeispieleExamples

Beispiel 1Example 1

Beispiel 1 beschreibt die Herstellung eines Formkörpers auf Basis einer GrundmaterialmischungExample 1 describes the production of a molded body based on a base material mixture

Es wird eine Tablettenmischung, bestehend aus 80 Gew.-% Zeolith-Material und 20 Gew.-% Bentonit, hergestellt. Der Mischung werden 30 Gew.-% Wasser zugesetzt, um eine Masse mit der geeigneten Konsistenz herzustellen. Diese Masse wird dann in eine Form überführt, in der die Masse mit einem Gewicht von 25.000 kg komprimiert wird. Die komprimierte Form wird dann aus der Form genommen und bei einer Temperatur von 500 °C wärmebehandelt.A tablet mixture consisting of 80 wt% zeolite material and 20 wt% bentonite is prepared. 30 wt% water is added to the mixture to create a mass with the appropriate consistency. This mass is then transferred to a mold, where it is compressed to a weight of 25,000 kg. The compressed form is then removed from the mold and heat-treated at a temperature of 500 °C.

Beispiel 2Example 2

Beispiel 2 beschreibt die Herstellung eines erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörpers mit verbesserter PorositätExample 2 describes the production of a zeolitic shaped body according to the invention with improved porosity

Es wird eine Grundmaterialmischung in komprimierter Form hergestellt, die aus 80 Gew.-% Zeolith-Material und 20 Gew.-% Bentonit besteht. Der Mischung werden 30 Gew.-% Wasser zugesetzt, um eine Masse mit der entsprechenden Konsistenz herzustellen. Anschließend wird eine Schüttelpulvermischung aus 78 Gew.-% Zeolithmaterial, 19 Gew.-% Bentonit, 2 Gew.-% Flachsfasern und 1 Gew.-% Tannin hergestellt. Es werden 30 Gew.-% Wasser zugesetzt, um eine Masse mit der entsprechenden Konsistenz herzustellen. Anschließend werden 50 Gew.-% der Gesamtmasse der Schüttelpulvermischung in die Form gefüllt und mit einem Gewicht von 25.000 kg komprimiert. Dann wird die Grundmaterialmischung in einer Schicht auf die gepresste poröse Masse aufgetragen. Die Masse wird anschließend erneut mit einem Gewicht von 25.000 kg gepresst. Danach werden 50 Gew.-% der Gesamtmasse der Schüttelpulvermischung wieder in einer Schicht in die Form eingebracht und mit einem Gewicht von Gewicht von 25.000 kg verpresst. Die gepresste Form wird dann aus der Form genommen und bei einer Temperatur von 500 Grad Celsius wärmebehandelt. Dabei werden organische Partikel aus der porösen Masse im Luftstrom verbrannt, wobei Kanäle und Hohlräume (sekundäre Porosität) im Formkörper zurückbleiben.A base material mixture is produced in compressed form, consisting of 80 wt% zeolite material and 20 wt% bentonite. 30 wt% water is added to the mixture to produce a mass with the appropriate consistency. A shakeable powder mixture is then produced consisting of 78 wt% zeolite material, 19 wt% bentonite, 2 wt% flax fiber, and 1 wt% tannin. 30 wt% water is added to produce a mass with the appropriate consistency. 50 wt% of the total mass of the shakeable powder mixture is then filled into the mold and compressed with a weight of 25,000 kg. The base material mixture is then applied in a single layer onto the pressed porous mass. The mass is then pressed again with a weight of 25,000 kg. 50 wt% of the total mass of the shakeable powder mixture is then again introduced into the mold in a single layer and compressed with a weight of 25,000 kg. The pressed form is then removed from the mold and heat-treated at a temperature of 500 degrees Celsius. Organic particles from the porous mass are combusted in the air stream, leaving channels and cavities (secondary porosity) in the molded body.

Beispiel 3Example 3

Beispiel 3 beschreibt die Herstellung eines erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörpers mit verbesserter Porosität und verbesserter mechanischer StabilitätExample 3 describes the production of a zeolitic shaped body according to the invention with improved porosity and improved mechanical stability

Es wird eine Grundmaterialmischung in komprimierter Form hergestellt, die aus 80 Gew.-% Zeolith-Material und 19,5 Gew.-% Bentonit und 0,5 Gew.-% Glasfasern von 1-4 mm Länge besteht. Der Mischung werden 30 Gew.-% Wasser zugesetzt, um eine Masse mit der entsprechenden Konsistenz herzustellen.A compressed base material mixture is prepared, consisting of 80 wt% zeolite material, 19.5 wt% bentonite, and 0.5 wt% glass fibers measuring 1-4 mm in length. 30 wt% water is added to the mixture to produce a mass of the appropriate consistency.

Dann wird eine Schüttelpulvermischung aus 78 Gew.-% Zeolith-Mmaterial, 18,5 Gew.-% Bentonit, 2 Gew.-% Flachsfasern von 1-2 mm Länge, 1 Gew.-% Tannin und 0,5 Gew.-% Glasfasern von 1- 4 mm Länge hergestellt. Der Mischung werden 30 Gew.-% Wasser zugesetzt, um eine Masse mit der geeigneten Konsistenz herzustellen.A shakeable powder mixture is then prepared from 78 wt% zeolite material, 18.5 wt% bentonite, 2 wt% flax fibers 1-2 mm long, 1 wt% tannin, and 0.5 wt% glass fibers 1-4 mm long. 30 wt% water is added to the mixture to produce a mass of the appropriate consistency.

Anschließend werden 50 Gew.-% der Gesamtmasse der porösen Mischung in die Form gefüllt und mit einem Gewicht von 25.000 kg komprimiert. Dann wird die Grundmaterialmischung in einer Schicht auf die gepresste poröse Masse aufgetragen. Nachfolgend wird die Masse erneut mit einem Gewicht von 25.000 kg verpresst. Danach werden 50 Gew.-% der Gesamtmasse der porösen Mischung wieder in einer Schicht in die Form eingebracht und mit einem Gewicht von Gewicht von 25.000 kg komprimiert.Subsequently, 50 wt% of the total mass of the porous mixture is poured into the mold and compressed with a weight of 25,000 kg. The base material mixture is then applied in a single layer to the pressed porous mass. The mass is then pressed again with a weight of 25,000 kg. After that, 50 wt% of the total mass of the porous mixture is again introduced into the mold in a single layer and compressed with a weight of 25,000 kg.

Der Formkörper wird dann aus der Form genommen und bei einer Temperatur von 500 °C wärmebehandelt. Dabei werden organische Partikel aus der porösen Masse im Luftstrom verbrannt, wobei Kanäle und Hohlräume zurückbleiben, die die Diffusionsbeschränkungen für Adsorbatmoleküle verringern. Glasfasern verstärken die Struktur als Mikroverstärkung und erhöhen so die mechanische Stabilität der Formkörper.The molded body is then removed from the mold and heat-treated at a temperature of 500 °C. Organic particles from the porous mass are combusted in the air stream, leaving channels and cavities that reduce the diffusion restrictions for adsorbate molecules. Glass fibers reinforce the structure as microreinforcements, thus increasing the mechanical stability of the molded bodies.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
zeolithischer Formkörperzeolitic molded body
11, 1211, 12
ProzesskammerTrial Chamber
1313
Leitungen, Klappen, VentilePipes, flaps, valves
14, 1514, 15
Sorptionselementsorption element
1616
LeitungsarmaturPipe fitting
17, 1817, 18
HauptspeicherMain memory
2020
Kristallstruktur Faujasit-Zeolith 13XCrystal structure of faujasite zeolite 13X
2121
Kristallstruktur des erfindungsgemäßen FormkörpersCrystal structure of the molded body according to the invention
2222
Faujasit-PorensystemFaujasite pore system
2323
CO2 Moleküle CO2 molecules
2424
ZwischenkanäleIntermediate channels
2525
sekundären Porositätsecondary porosity
2626
Na+ KationenNa + cations
3030
Sphären-GranulatSpherical granules
3131
Gefügestructure
3232
primärer Porositätprimary porosity
3333
sekundäre Porositätsecondary porosity
3434
anorganische Additive oder Armierungsmaterialieninorganic additives or reinforcing materials
3939
PorenbildnerPore formers
4040
Formen der erfindungsgemäßen zeolithischen FormkörperShapes of the zeolitic shaped bodies according to the invention
4242
Granulate als SphärenGranules as spheres
4444
irreguläres Teilchenirregular particle
4646
extrudierte Pelletsextruded pellets
4848
extrudierte Hülsenextruded sleeves
5050
kompakte Formen der erfindungsgemäßen zeolithischen Formkörpercompact forms of the zeolitic shaped bodies according to the invention
5252
Platteplate
5454
MehrkanalrohrMulti-channel pipe
5656
QuadratwabeSquare honeycomb
5858
diverse Querschnittevarious cross-sections
7070
plattenförmiger zeolithischer Formkörper mit beidseitiger sekundärer Porositätplate-shaped zeolitic molded body with secondary porosity on both sides
7171
BasisformkörperBasic molded body
7272
OberflächenseiteSurface side
7373
formbaren Stoffgemischmoldable mixture of substances
7474
sekundären Porositätsecondary porosity
7575
innere Grundstrukturinternal basic structure
7676
Umgebungsmediumambient medium
8080
plattenförmiger zeolithischer Formkörper mit einseitiger sekundärer Porositätplate-shaped zeolitic body with one-sided secondary porosity
8181
Foliefilm
8282
OberflächenseiteSurface side
8383
BasisformkörperBasic molded body
8484
sekundären Porositätsecondary porosity
8585
innere Grundstrukturinternal basic structure
8686
Umgebungsmediumambient medium
8787
anorganische Additive oder Armierungsmaterialieninorganic additives or reinforcing materials
100100
Direct-Air-Capture-AnlageDirect air capture system
110110
Direct-Air-Capture-AnlageDirect air capture system

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Zeolithischer Formkörper (10, 70, 80), umfassend: ein Zeolith-Material (36) und ein Bindemittel (38), wobei der Formkörper (10, 70, 80) Folgendes aufweist: i) Makroporen mit einem Durchmesser von größer 200 nm, bevorzugt 1000 nm bis 300 µm, gemessen mittels Quecksilberhochdruckporosimetrie, oder ii) Kanäle mit einer Länge von größer 300 nm, bevorzugt 1000 nm bis 800 µm, gemessen mittels optischer Mikroskopie, oder iii) eine Kombination aus i) und ii).A zeolitic molded body (10, 70, 80) comprising: a zeolite material (36) and a binder (38), wherein the molded body (10, 70, 80) has: i) macropores with a diameter of greater than 200 nm, preferably 1000 nm to 300 µm, measured by high-pressure mercury porosimetry, or ii) channels with a length of greater than 300 nm, preferably 1000 nm to 800 µm, measured by optical microscopy, or iii) a combination of i) and ii). Zeolithischer Formkörper (10, 70, 80) nach Anspruch 1, wobei das Zeolith-Material eine Faujasit-Struktur und ein molares SiO2/Al2O3-Verhältnis von 1,8 bis 2,5 aufweist.Zeolitic shaped body (10, 70, 80) according to Claim 1 , wherein the zeolite material has a faujasite structure and a molar SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of 1.8 to 2.5. Zeolithischer Formkörper (10, 70, 80) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Formkörper (10, 70, 80) ferner umfasst: ein oder mehrere anorganische Additive oder Armierungsmaterialien (34, 87) ausgewählt aus anorganischen Pulvern mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 1000 µm, anorganischen Fasern mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 5000 µm oder Metall-Splittern mit einer Teilchenverteilung von 10 bis 2000 µm.Zeolitic shaped body (10, 70, 80) according to Claim 1 or 2 , wherein the shaped body (10, 70, 80) further comprises: one or more inorganic additives or reinforcing materials (34, 87) selected from inorganic powders with a particle distribution of 1 to 1000 µm, inorganic fibers with a particle distribution of 1 to 5000 µm or metal splinters with a particle distribution of 10 to 2000 µm. Zeolithischer Formkörper (10, 70, 80) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Formkörper (10, 70, 80) in Form einer Platte (52), eines Rohrs (54), einer Quadratwabe (56), Sechseckwabe oder Dreieckwabe (58) vorliegt.Zeolitic shaped body (10, 70, 80) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the shaped body (10, 70, 80) is in the form of a plate (52), a tube (54), a square honeycomb (56), a hexagonal honeycomb or a triangular honeycomb (58). Verfahren zur Herstellung eines zeolithischen Formkörpers (10, 70, 80), umfassend - Bereitstellung eines Zeolith-Materials (36), eines Bindemittels (38) und eines Porenbildners (39), wobei der Porenbildner (39) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus a) organischen Pulvern mit einer Teilchenverteilung von 5 bis 2000 µm, b) organischen Fasermaterialien mit einer Teilchenverteilung von 5 bis 2000 µm, c) Lösungen oder Gele polymerer Materialien; - Vermischen des Zeolith-Materials (36) mit dem Bindemittel (38) und dem Porenbildner (39), gegebenenfalls unter Zugabe von Wasser, zu einem formbaren Stoffgemisch (73); - Verarbeitung des formbaren Stoffgemischs (73) zu einem Formkörper; - Trocknen und Calcinieren des Formkörpers.A method for producing a zeolitic molded body (10, 70, 80), comprising: - providing a zeolite material (36), a binder (38), and a pore-forming agent (39), wherein the pore-forming agent (39) is selected from the group consisting of: a) organic powders with a particle distribution of 5 to 2000 µm, b) organic fiber materials with a particle distribution of 5 to 2000 µm, c) solutions or gels of polymeric materials; - mixing the zeolite material (36) with the binder (38) and the pore-forming agent (39), optionally with the addition of water, to form a moldable mixture (73); - processing the moldable mixture (73) into a molded body; - drying and calcining the molded body. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das formbare Stoffgemisch (73) weiterhin ein oder mehrere anorganische Additive oder Armierungsmaterialien (34, 87) umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus d) anorganischen Pulvern mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 1000 µm, e) anorganischen Fasern mit einer Teilchenverteilung von 1 bis 5000 µm f) Metall-Splittern mit einer Teilchenverteilung von 10 bis 2000 µm oder eine Kombination.Procedure according to Claim 5 , wherein the moldable material mixture (73) further comprises one or more inorganic additives or reinforcing materials (34, 87) selected from the group consisting of d) inorganic powders with a particle distribution of 1 to 1000 µm, e) inorganic fibers with a particle distribution of 1 to 5000 µm f) metal chips with a particle distribution of 10 to 2000 µm or a combination. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Verarbeitung die Beschichtung mindestens einer Oberflächenseite (72), bevorzugt beider Oberflächenseiten (72), eines Basisformkörpers (71), der bevorzugt ein plattenförmiger Formkörper ist, mit dem formbaren Stoffgemisch (73), umfasst.Procedure according to Claim 5 or 6 , wherein the processing comprises coating at least one surface side (72), preferably both surface sides (72), of a base molded body (71), which is preferably a plate-shaped molded body, with the moldable substance mixture (73). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Verarbeitung die Aufbringung einer Folie (81) auf einer Oberflächenseite (82) eines Basisformkörpers (83), der bevorzugt ein plattenförmiger Formkörper ist, mit dem formbaren Stoffgemisch (73) umfasst.Method according to one of the Claims 5 or 6 , wherein the processing comprises the application of a film (81) to a surface side (82) of a base molded body (83), which is preferably a plate-shaped molded body, with the moldable substance mixture (73). Zeolithischer Formkörper (10, 70, 80), die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 hergestellt sind.Zeolitic shaped body (10, 70, 80) which is obtained by a process according to one of the Claims 5 until 8 are manufactured. Verwendung des zeolithischen Formkörpers (10, 70, 80) gemäß Anspruch 1 oder 9 als Sorptionselement (14, 15) in technischen Adsorptionsprozessen, bevorzugt zur Adsorption oder Desorption von CO2 oder H2O.Use of the zeolitic shaped body (10, 70, 80) according to Claim 1 or 9 as a sorption element (14, 15) in technical adsorption processes, preferably for the adsorption or desorption of CO 2 or H 2 O.
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