DE102005028660A1 - Verfahren zur photokatalytischen Luft- und Abwasserreinigung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausoxidieren und Entfernen von umweltschädlichen Stoffkomponenten aus gasförmigen und/oder wässrigen Phasen unter Verwendung des photokatalytischen Effektes von Titandioxid. Das Verfahren ist insbesondere zur Reinigung von Luft, vorzugsweise zur Erzeugung reiner Innenluft, aber auch Abluft bzw. Abgasen, zur Beseitigung von Gerüchen und Reinigung von Abwässern geeignet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Reinigungssystem zur Durchführung des Verfahrens.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausoxidieren und Entfernen von umweltschädlichen Stoffkomponenten aus gasförmigen und/oder wässrigen Phasen unter Verwendung des photokatalytischen Effektes von Titandioxid. Das Verfahren ist insbesondere zur Reinigung von Luft, vorzugsweise zur Erzeugung reiner Innenluft, aber auch Abluft bzw. Abgasen, zur Beseitigung von Gerüchen und Reinigung von Abwässern geeignet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Reinigungssystem zur Durchführung des Verfahrens.
• Anwendungsgebiete sind vorzugsweise die Reinigung von Raumluft in privaten und öffentlichen Gebäudebereichen, der Herstellung keimfreier Luft in Krankenhaus-, insbesondere Operationsbereichen sowie der Erzeugung reiner Luft für besondere Produktionsprozesse. Darüber hinaus ist eine Anwendung zur Abluftreinigung möglich. Das Verfahrensprinzip eignet sich auch zur Reinigung von Abwässern, insb. solchen, die mit organischen Schadstoffen und Keimen belastet sind.
• Für viele Belange ist die Erzeugung reiner Luft, insbesondere keimfreier und keine organische Verschmutzungen enthaltender, von hoher Wichtigkeit. Das betrifft medizinische Bereiche mit erhöhten Hygieneanforderungen, den privaten und öffentlichen Wohnbereich in Gebieten hoher Außenluftverschmutzung. In vielen Produktions- und Forschungsbereichen müssen entweder sterile Bedingungen und/oder erhöhte Anforderungen an die Luftqualität gestellt werden. Die Abluft- bzw. Abgasreinigung wird im Unterschied zur Innenraumluft weitgehend vom Gesetzgeber gefordert, um schädliche Auswirkungen auf Mensch und Natur zu vermeiden bzw. zu verringern. Deshalb existieren eine Vielzahl von Verfahren und Anwendungen. Das gleiche gilt für die Abwasserreinigung.
• Aus den dargestellten Gründen besteht ein großes wirtschaftliches und hygienisches Interesse an Verfahren, um Luft, Abluft und Abwasser kostengünstig und effektiv in einem größeren Bereich physikalisch-chemischer Umweltbedingungen zu reinigen.
• Zur Reinigung von Innenluft werden seit langem Ozongeneratoren, Filtersysteme, Luftionisatoren, Luftwäscher und UV-Strahlen verwendet. Diese Verfahren beruhen auf mechanisch-physikalischen Effekten (Partikelabscheidung durch Filter mit teilweise vorangegangener elektrostatischer Aufladung), dem Auswaschen von Luftbestandteilen durch Absorptionsflüssigkeiten (Wäscher) oder einer chemischen Umwandlung (Oxidation), initiiert durch Ozon, ionisierten Sauerstoff und UV-Licht.
• Filtersysteme eignen sich grundsätzlich nur zur Abscheidung von partikelförmigen gröberen Luftbestandteilen (Staub, Pollen, Mikroorganismen). Sie haben den Nachteil, dass die Filter regelmäßig ausgetauscht bzw. regeneriert werden müssen, zeichnen sich aber durch hohe Abscheidegrade aus (die Korngrößencharakteristik muss mit dem Filtermaterial abgestimmt sein, d.h. es können niemals alle in der Luft vorkommenden Korngrößen des partikelförmigen Materials abgeschieden werden). Luftionisatoren, die auf der Bildung angeregter Sauerstoffmoleküle und ggf. „aktiven" Sauerstoffs (z.B. O-Radikale) beruhen, zeigen schon aus theoretischen Gründen keinen hohen chemischen Wirkungsgrad, können aber ggf. Stäube aufladen und abscheiden. Ozongeneratoren und UV-Bestrahlung haben sich in der Luftreinigung nicht bewährt, da Ozon in der Gasphase nur mit wenigen organischen Verbindungen (Olefine) reagiert und photochemische Umsätze in den zur Verfügung stehenden Zeiten gering bleiben. Wäscher sind grundsätzlich effektive Verfahren zur Luftreinigung (sie werden großtechnisch vor allem zur Abluftreinigung eingesetzt); sie können selektiv auf einzelne Spurenstoffe ausgelegt werden. Voraussetzung für eine effektive Luftreinigung ist stets eine gute Absorption des zu entfernenden Spurenstoffes in der Waschflüssigkeit. Nachteilig zeigt sich die Behandlung des Abwassers, die gesonderte weitere Anlagen erfordert.
• Filter und Wäscher werden insbesondere zur Abluftreinigung eingesetzt. Darüber hinaus existieren eine Vielzahl von technischen Anlagen und Methoden zur thermischen und katalytischen Nachverbrennung.
• In neuerer Zeit werden photokatalytische Verfahren zur Luftreinigung eingesetzt: Vor etwa 30 Jahren wurde entdeckt, dass an der Oberfläche von Titandioxid (TiO₂) unter Lichteinfluss katalytische Reaktionen ablaufen, die auf der primären Bildung freier Elektronen beruhen (Fujishima, A., K. Hashimoto und T. Watanabe (1999) Photocatalysis. Fundamentals and Applications. BKC Inc., Tokyo). Inzwischen wird dieser Effekt in Form von so genannten selbstreinigenden Oberflächen ausgenutzt, wobei mit speziellen Nanotechnologien die Oberflächenbeschichtungen erhalten werden.
• Dieses zu den Advanced Oxidation Processes (Moderne Oxidationsverfahren, AOPs) zählende Verfahren gewinnt zunehmend an Bedeutung, um toxische oder biologisch schwer abbaubare organische Wasser- und Luftinhaltsstoffe mit Hilfe von Hydroxylradikalen zu mineralisieren (Schiavello, M., Hrsg. (1997) Heterogeneous photocatalysis. Vol. 3 Wiley Series in Photosciences and Photoengineering. Wiley, Chichester).
• Bei diesen Verfahren, die nicht alle – vor allem bei der Abwasserreingung – auf dem photokatalytischen TiO₂-Effekt beruhen, werden hochreaktive Radikale erzeugt, die im Endeffekt die Schadstoffe abbauen. Die Radikalerzeugung kann dabei auf unterschiedlichen Wegen erfolgen: mit Bestrahlung unterschiedlicher Wellenlänge (insbesondere aber UV), durch weitere photokatalytisch wirksame Materialien, durch Ozonisierung und durch Wasserstoffperoxid.
• Hierbei werden alle organischen Spurenstoffmoleküle in Gegenwart von Luftsauerstoff vollständig oxidiert, d.h. es findet eine quasi kalte Verbrennungsreaktion unter Bildung von Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und ggf. weiteren mineralischen, ungiftigen Produkten statt. Durch diesen direkten Schadstoffabbau ergibt sich keine Verlagerung des Problems in eine andere Phase, wie dies z.B. bei Absorptionsverfahren oder beim Strippen der Fall ist. Im Fall der Photokatalyse werden durch Bestrahlung des TiO₂-Katalysators sowohl Wasser als auch Luftsauerstoff zu den erwähnten reaktiven OH-Radikalen umgesetzt. Da TiO₂ ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke von 3,2 eV ist, kann Licht im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und ca. 400 nm diese photochemischen Reaktionen initiieren, d.h., dass neben künstlichen Lichtquellen auch die UV-A-Strahlung der Sonne (300–400 nm) wirkungsvoll genutzt werden kann. Man nennt diese spezielle Form der Photokatalyse "solarkatalytische Wasser- bzw. Luftreinigung".
• Es werden inzwischen verschiedene kommerzielle Produkte angeboten (z.B.: Matrix Photocatalytic, Inc. TiO₂ Water & Air Organic Pollutant Destruction Systems; PHOTOX Bradford Ltd., UK; Purifics, Ontario, Canada), die diesen Effekt ausnutzen. Dabei durchströmt die zu reinigende Luft einen Behälter, der in unterschiedlicher konstruktiver Anordnung mit TiO₂ beschichtete Platten enthält, an deren Oberflächen bei zusätzlicher Bestrahlung Photooxidantien gebildet werden, die mit den Spurenstoffen der Luft reagieren. Dabei wird das bekannte Phänomen ausgenutzt, dass das OH-Radikal mit nahezu allen organischen und einer Vielzahl anorganischer Spurenstoffe schnell reagiert.
• Diese Radikalkettenoxidationen sind allerdings – was von den Anbietern derartiger Systeme nicht oder kaum berücksichtigt wird – unterschiedlich schnell und verlaufen nur über viele Zwischenstufen bis zur vollständigen Oxidation zu CO₂ und H₂O. Die internationalen Kenntnisse aus langjährigen Forschungsprojekten zu luftchemischen Reaktionen lassen die Vermutung zu (Möller, D. (2003) Luft. De Gruyter, Berlin, New York, 750 pp.), dass bei den kurzen Verweilzeiten der zu reinigenden Luft von nur einigen Sekunden in den angebotenen photokatalytischen Luftreinigern nur ein Bruchteil der Schadstoffe umgesetzt wird, so dass ggf. ein Reinigungseffekt erst im Verlaufe vieler Stunden bzw. mehrfacher Zyklen in einem geschlossenen Raum möglich wird. Auch werden infolge eines unvollständigen oxidativen Abbaus der Spurenstoffe teilweise toxische Zwischenprodukte erhalten, die erst im Verlaufe einer langsameren weiteren Oxidation zu unschädlichen Produkten abgebaut werden können.
• Die entscheidenden Nachteile bisher bekannter Verfahren zur photokatalytischen Luftreinigung bestehen in ihrer geringen Effektivität; sie lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
• a) geringe Reaktionsfläche im Reaktionsraum,
• b) hohe Verweilzeit im Reaktionsraum,
• c) unvollständige Oxidation und Austragen von Primärprodukten mit dem Luftstrom.
• Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Reinigung von Luft und Wasser schnell und umweltfreundlich durchgeführt werden kann und umweltschädliche Stoffkomponenten unter weitgehendem Ausoxidieren nahezu vollständig entfernt werden können.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Ausoxidieren und Entfernen von umweltschädlichen Stoffkomponenten aus gasförmigen und/oder wässrigen Phasen unter Verwendung des photokatalytischen Effektes von Titandioxid gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass zu reinigende gasförmige und/oder wässrige Phasen in einem Reaktionsraum mit einer photokatalytisch wirksamen Titandioxid-Oberfläche in Kontakt gebracht werden. Im Reaktionsraum befinden sich Platten und/oder Füllkörper, die Titandioxid beschichtete Oberflächen aufweisen und in einem System so konstruktiv dargestellt sind, dass sie ein hohes Oberflächen/Volumenverhältnis gewährleisten. Sie liegen in beliebigen geometrische Formen vor. Zur Gewährleistung eines hohen Oberflächen/Volumenverhältnisses werden sie konstruktiv z. B. mäanderförmig in horizontalen Kanälen oder als Zwischenböden in Kolonnen angeordnet.
• Die katalytisch wirksame Oberfläche wird insbesondere als Füllkörper unterschiedlicher geometrischer Formen ausgeführt. Geometrische Formen können z.B. Kugeln oder Sattelkörper sein.
• Erfindungsgemäß wird ein wässriger Flüssigkeitsfilm auf der photokatalytisch wirksamen Oberfläche erzeugt, indem sie kontinuierlich mit einer Spülflüssigkeit zur Reinigung gasförmiger Phasen oder direkt mit der zu reinigenden wässrigen Phase besprüht wird. Die photochemisch katalysierte Radikal-Reaktion wird mit einer Lichtquelle initiiert.
• Gegebenenfalls wird in einer Gasphase (zusätzlich) erzeugtes Ozon zur verstärkenden Radikalbildung zugeführt, welches mit einem vorgeschalteten Ozongenerator hergestellt werden kann. Alternativ können Ozon und die zur Photokatalyse notwendige Strahlung auch durch eine gemeinsame Strahlungsquelle im Reaktionsraum erzeugt werden.
• Die verwendete Spülflüssigkeit, vorzugsweise Wasser wird bevorzugt im Kreislauf geführt. Zur Steigerung der Effizienz des Verfahrens können sowohl der Spülflüssigkeit als auch dem zu reinigenden Abwasser zusätzliche chemische Substanzen zugegeben werden, welche den pH-Wert und damit den Reaktionsablauf beeinflussen und/oder weitere reaktive Radikale erzeugen, die mit den Spurenstoffen reagieren oder weitere Radikalprozesse einleiten kann. Vorzugsweise werden chemische Substanzen zugesetzt, die zu einer Erhöhung der Oxidationskapazität führen. Dabei handelt es sich bevorzugt um Oxidantien, die in Abhängigkeit des pH-Wertes ausgewählt werden. So werden in sauren pH-Bereichen (pH < 6) bevorzugt Substanzen eingesetzt, die eine H₂O₂-Bildung befördern, wie z.B. Metallionen (z.B. Fe²⁺ oder Mn²⁺ usw.), in alkalischen Bereichen bei pH-Werten > 7 wird z.B. Ozon zugegeben.
• Der Reaktionsraum umfasst weiterhin in einer bevorzugten Ausführung neben der photokatalytischen Oberfläche vorzugsweise mindestens eine UV-Lampe.
• Erfindungsgemäß wird das Verfahren so durchgeführt, dass die Flüssigkeiten bevorzugt über eine Sprühvorrichtung in den Reaktionsraum gegeben werden. Diese kann sich außerhalb des Reaktionsraumes befinden, oder in einer weiteren Ausführungsvariante kann der Reaktionsraum zur Reinigung gasförmiger Phasen die katalytisch wirksamen Oberflächen als Kontaktflächen verschiedener Bauart in einem Sprühabsorber ausgelegt aufweisen.
• Darüber hinaus kann das Verfahren unter Zuführung von Schallwellen ausgeführt werden, wobei Schallgeber eingesetzt werden, die insbesondere infolge einer akustischen Koagulation einen erhöhten Stofftransport der reaktiven und abzubauenden Spezies an die photokatalytisch wirksamen Oberflächen sowie tribochemische Effekte initiieren.
• Vorzugsweise wird das Verfahren unter Ultraschallbedingungen durchgeführt. Zur weiteren Effizienzsteigerung kann das Verfahren unter Druck (Hochdruck) stattfinden. Dadurch werden insbesondere die Konzentration von Ozon und die davon abhängige Geschwindigkeit der Schadstoffoxidierung erhöht. Außerdem erleichtert eine Druckerhöhung die Überwindung von verfahrenstechnisch bedingten Strömungswiderständen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich vorzugsweise zum Ausoxidieren und zur Entfernung von umweltschädlichen Stoffkomponenten in Form von organischen Verbindungen, Sulfit, reduzierten Schwermetallen, Schwefeldioxid, reduzierten Schwefelverbindungen, Stickstoffoxiden, Bakterien oder Keimen als geeignet erwiesen. Durch modulare Anpassung können spezielle Schadstoffe isoliert werden wie z.B. organische Schadstoffe im neutralen pH-Bereich mit Zusatz von Ozon, Schwefeldioxid z.B. im alkalischen Breich mit Ozon sowie Stickoxide z.B. im pH-Bereich 6 bis 8 mit Fe²⁺-Ionen ohne Ozon.
• Wie bekannt ist, werden durch Licht an einer TiO₂-Oberfläche freie Elektronen aktiviert. Diese können entweder mit oberflächenadsorbierten oder in dem wässrigen Oberflächenfilm gelöstem Sauerstoff (O₂) durch Elektronentransfer Superoxidanionen (O₂ ^–) bilden. Diese Ionen stellen das Anion des Hydroperoxid- Radikals (HO₂) dar, mit dem sie in einem pH-abhängigen protolytischen Gleichgewicht bestehen. Aus beiden Spezies bildet sich in einer langsamen Reaktion Wasserstoffperoxid (H₂O₂), die bei Anwesenheit von Ionen der Übergangsmetalle (z.B. Fe, Cu, Mn) erheblich beschleunigt wird: O₂ ^– + HO₂ → HO2^–(+O₂), HO₂ ^– + H⁺ → H₂O₂. Wasserstoffperoxid wird zu OH-Radikalen (mittels der sog. Fenton-Reaktion) umgesetzt. Erst die OH-Radikale sind die eigentlichen Reaktionspartner der Schadstoffe; H₂O₂ reagiert in wässriger Phase mit einigen anorganischen Spurenstoffen (vorzugsweise Sulfitionen) aber nicht mit organischen Stoffen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert in einfacher Weise die an sich bekannten Phänomene der unabhängigen Primärbildung zweier Oxidantien – O₂ ^– an der photokatalytischen TiO₂-Oberfläche und O₃ in der Gasphase durch UV-Strahlung.
• Die an der katalytischen Oberfläche zunächst gebildeten Superoxidradikale reagieren in wässriger Phase schnell mit Ozon. Andererseits erfolgt eine Radikalbildung als Folge des O₃-Zerfall in wässrigen Lösungen. Die dabei gebildeten Radikalketten ermöglichen eine Radikalregenerierung, insbesondere durch die Umwandlung OH → HO₂ bei der OH-Atacke auf organische Substanzen. Aus dem HO₂ wird wieder O₂ ^– gebildet (pH-Gleichgewicht) welches wiederum mit O₃ reagiert, usw.
• Das Verfahren stellt ein chemisches Zweiphasensystem dar und ermöglicht eine wesentliche Beschleunigung der Spurenstoffoxidation und damit Reinigung der Luft bzw. des Wassers. Wesentlich ist das Vorhandensein eines wässrigen Flüssigkeitsfilms auf der photokatalytischen Oberfläche, in (und an) dem der Schadstoffabbau stattfindet. Im Falle der Abwasserreinigung stellt das Abwasser i.d.R. selbst die Flüssigphase dar.
• Die aus den Luftschadstoffen gebildeten primären Oxidationsprodukte sind wesentlich wasserlöslicher als die Ausgangsstoffe, so dass ein großer Anteil an der Oberfläche haften bleibt bzw. gelöst wird und weiter zu mineralischen Reststoffen umgesetzt werden kann bzw. durch Wassererneuerung mit dem Abwasserfluss entfernt wird.
• Das Verfahren stellt eine Mehrfachkombination dar. Zusätzlich laufen radikalchemische Reaktionen in der Gasphase ab als Folge der Ozonbildung und UV-Strahlung, welche zur Unschädlichmachung von Spurenstoffen, Abgas- und Abwasserbestandteilen führen. Dadurch werden auch Bakterien, Viren u.a. Mikroorganismen getötet. Außerdem können durch die Wasserberieselung alle löslichen Spurenstoffe ausgewaschen und in der flüssigen Phase oxidiert werden. Das Verfahren hat gegenüber bisher beschriebener Verfahren folgende Vorteile:
• 1. Der Umsatz von Verunreinigungen (Grad der Reinigung) ist wesentlich höher infolge eines chemischen Multiphasenprozesses.
• 2. Ein großer Teil der Oxidationsprodukte wird in die wässrige Phase überführt und damit aus der zu reinigenden Luft entfernt.
• 3. Insbesondere der Prozess der Luftreinigung nach dem Kombinationsverfahren ist außerordentlich schnell.
• 4. Das Verfahren kann in Kombination mit weiteren Luftreinigungs- und -aufbereitungssystemen (beispielsweise Filtern, Klimaanlagen) stationär eingesetzt werden.
• 5. Das Verfahren kann darüber hinaus mobil eingesetzt werden, so dass eine Anwendung in nicht ständig zu reinigenden Bereichen erfolgen kann.
• 6. Das Verfahren kann bei entsprechender Dimensionierung auch zur effektiven Abluftreinigung eingesetzt werden.
• 7. Das Verfahren eignet sich sowohl zur Luft- als auch Wasserreinigung in ein und derselben Anlage.
• 8. Das Verfahren kann bei modularer Anpassung auf die Entfernung spezieller Spurenstoffe angepasst werden.
• Gegenstand der Erfindung ist auch ein Reinigungssystem, welches folgende Einrichtungen umfasst und auch als mobile Vorrichtung ausgestaltet sein kann:
• a) mindestens einen Reaktionsraum mit einer photokatalytisch wirksamen Titandioxid-Oberfläche, welche aus einem System unterschiedlich oder gleich angeordneter Platten und/oder Füllkörper besteht, die in verschiedenen beliebigen geometrischen Formen zur Erzielung eines hohen Oberflächen/Volumenverhältnisses vorliegen können,
• b) eine Lichtquelle,
• c) eine Sprüheinrichtung und
• d) ggf. einen Ozongenerator,
• e) ggf. einen Schallgeber.
• In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Reinigungssystem mit einer Klimaanlage und/oder einem weiterem Lufteinigungssystem gekoppelt sein und stationär betrieben werden.
• Vorzugsweise wird es zur Abluft- und Wasserreinigung eingesetzt.
• Im folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
• Beispiel 1
• Ein Behälter wird mit katalytisch wirksamen TiO₂-beschichteten Platten derart versehen, dass der eintretende zu reinigende Luftstrom einen möglichst weiten Weg bezogen auf ein kleines Reaktorvolumen zurücklegen muss. Die Katalysatorplattenoberflächen werden von oben über ein Verteilungssystem mit einer wässrigen Spülflüssigkeit in Form eines dünnen Filmes kontinuierlich benetzt, wobei die Spülflüssigkeit im Kreislauf fließt. Die Behälteroberfläche ist innen mit einem System von UV-Lampen versehen, welche sowohl Ozon erzeugen als auch den photokatalytischen Effekt auslösen. Die Oxidation der Luftschadstoffe findet in dem Flüssigkeitsfilm statt, wobei die Produkte weitgehend absorbiert und unter Nutzung des Kreislaufprinzips über längere Zeit vollständig zu unschädlichen mineralischen Produkten oxidiert und als solche ausgetragen werden. Nach einer gewissen Zeit, die vom Grad der Luftverschmutzung abhängt, muss die mit den gelösten mineralischen Reststoffen angereicherte Spülflüssigkeit ersetzt werden. Dieser Zeitpunkt kann durch eine einfache Salinitätsmessung bestimmt werden und der Spülmittelwechsel vollautomatisch erfolgen. Das Abwasser stellt keine weitere Umweltgefährdung dar, da es aus natürlichen anorganischen Stoffen besteht, die im kommunalen Abwassersystem schnell verdünnt werden.
• Beispiel 2
• Ein zylindrischer Behälter ist mit optisch durchlässigen TiO₂-beschichteten Füllkörpern, beispielsweise Raschigringen, gefüllt und wird über ein an der Decke befindliches Sprühsystem mit Wasser benetzt. Gleichfalls an der Decke sind Lampen installiert, die eine photokatalytische Anregung gewährleisten. Die Luftzufuhr erfolgt über einen Ozongenerator. Die mit Ozon angereicherte verschmutzte Luft strömt an den Füllkörpern vorbei und reagiert an der feuchten Oberfläche mit gebildeten OH-Radikalen, was zu einer schnellen und effektiven Luftreinigung führt.
• Beispiel 3
• Zur Behandlung des Abwassers, beispielsweise von Textilfarben, wird dieses direkt anstelle der Spülflüssigkeit in oben beschriebenen Beispielen in den photokatalytischen Reinigungsreaktor gegeben und bis zum vollständigen Abbau zykliert.
• Beispiel 4
• Eine Berieselungskolonne ist mit photokatalytisch aktiven Zwischenböden unterschiedlicher geometrischer Konfiguration (beispielsweise Gitternetz) versehen, die durch geeignete Lichtquellen aktiviert werden. Dem Waschwasser brauchen keine speziellen Absorber zugesetzt werden. Eine Ozongeneration ist nicht erforderlich. Im Gegenstromprinzip wird Rauchgas zugeführt. Das darin enthaltene Schwefeldioxid (SO₂) wird an den Kontaktflächen durch photokatalytisch generiertes H₂O₂ schnell und vollständig zu Sulfat oxidiert. Eine alkalische Pufferung ist nicht erforderlich, da die Aufnahme des SO₂ in die Waschflüssigkeit durch die Flüssigphasenoxidation bestimmt wird, welche im sauren Bereich sogar beschleunigt wird. Das Sulfatangereicherte Abwasser kann ggf. durch alkalische Kraftwerksaschen neutralisiert werden und bedenkenlos in die Ableiter abgeführt werden.
• Beispiel 5
• Ein NO₂-haltiges Abgas wird in den im zweiten Beispiel beschriebenen Behälter eingeleitet, wobei keine Ozongeneration erfolgt. Das im Flüssigkeitsfilm ad- bzw-absorbierte NO₂ wird durch aquatisierte Elektronen augenblicklich zu Nitrit (NO₂ ^–) umgesetzte und durch Radikale (beispielsweise OH) aber auch Wasserstoffperoxid (H₂O₂) zu Nitrat weiter oxidiert. Besteht das zu reinigende Abgas aus Stickstoffmonoxid (NO), so muss es vor Einleiten in den photokatalytischen Reaktor mit generierten Ozon zu NO2 umgesetzt werden, was schnell und quantitativ erfolgt.
• Handelt es sich um heiße Abgase, beispielsweise Rauchgase, so muss durch deren geeignete Kühlung, beispielsweise über Wärmemaustauscher oder einen vorgeschalteten Sprühturm deren Temperatur auf unter 100° C vor Eintritt in den photokatalkytischen Reaktor gebracht werden um ein Verdampfen des Spülflüssigkeitsfilms zu verhindern. Gegebenfalls kann auch der Durchsatz der Spülflüssigkeit mit dem Ziel einer weiteren Abkühlung des Rauchgases erhöht werden.
• Die in vorgenannten Ausführungsbeispielen beschriebenen Vorrichtungen können kombiniert werden mit einem vorgesetzten Luftfilter zur Grobreingung von partikelförmigen Spurenstoffen. Beide Vorrichtungen können auch in bestehende Systeme zur Luftaufbereitung, insbesondere Systeme zur Raum- und Gebäudeklimatisierung eingebaut werden.

Claims (17)

1. Verfahren zum Ausoxidieren und Entfernen von umweltschädlichen Stoffkomponenten aus gasförmigen und/oder wässrigen Phasen unter Verwendung des photokatalytischen Effektes von Titandioxid, dadurch gekennzeichnet, dass a) die zu reinigenden gasförmigen und/oder wässrigen Phasen in einem Reaktionsraum mit einer photokatalytisch wirksamen Titandioxid-Oberfläche, welche aus einem System von Platten und/oder Füllkörper besteht, welche in beliebigen geometrischen Formen vorliegen und so konstruktiv angeordnet sind, dass sie ein hohes Oberflächen/Volumenverhältnis gewährleisten, in Kontakt gebracht werden, b) die photokatalytisch wirksame Oberfläche kontinuierlich mit einer Spülflüssigkeit oder mit der zu reinigenden wässrigen Phase besprüht und die photochemisch katalysierte Radikal-Reaktion mit einer Lichtquelle initiiert wird, c) ggf. in einer Gasphase erzeugtes Ozon zur verstärkenden Radikalbildung zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülflüssigkeit oder der zu reinigenden wässrigen Phase zusätzlich chemische Substanzen beigegeben werden, die zu einer Erhöhung der Oxidationskapazität führen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum neben der photokatalytischen Oberfläche mindestens eine UV-Lampe umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksame Oberfläche als Füllkörper unterschiedlicher geometrischer Formen ausgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeiten über eine Sprühvorrichtung in den Reaktionsraum gegeben werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum zur Reinigung gasförmiger Phasen die katalytisch wirksamen Oberflächen als Kontaktflächen verschiedener Bauart in einem Sprühabsorber ausgelegt aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über Schallgeber insbesondere infolge einer akustischen Koagulation ein erhöhter Stofftransport der reaktiven und abzubauenden Spezies an die photokatalytisch wirksamen Oberflächen sowie tribochemische Effekte initiiert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ozon mit einem vorgeschalteten Ozongenerator erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ozon und die zur Photokatalyse notwendige Strahlung durch eine gemeinsame Strahlungsquelle im Reaktionsraum erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülflüssigkeit Wasser ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülflüssigkeit im Kreislauf geführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Ausoxidieren und zur Entfernung von umweltschädlichen Stoffkomponenten in Form von organischen Verbindungen, Sulfit, reduzierten Schwermetallen, Schwefeldioxid, reduzierten Schwefelverbindungen, Stickstoffoxide, Bakterien oder Keimen verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Druck oder Ultraschallbedingungen stattfindet.
14. Reinigungssystem zum Ausoxidieren und Entfernen von umweltschädlichen Stoffkomponenten aus gasförmigen und/oder wässrigen Phasen unter Verwendung des photokatalytischen Effektes von Titandioxid gemäß einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 13, umfassend a) mindestens einen Reaktionsraum mit einer photokatalytisch wirksamen Titandioxid-Oberfläche, welche aus einem System beliebig angeordneter Platten oder Füllkörper beliebiger geometrischer Formen zur Erzielung eines hohen Oberflächen/Volumenverhältnisses besteht, b) eine Lichtquelle c) eine Sprüheinrichtung und d) ggf. einen Ozongenerator, e) ggf. einen Schallgeber.
15. Reinigungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es als mobile Vorrichtung erstellt ist.
16. Reinigungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Klimaanlage und/oder einem weiterem Lufteinigungssystem gekoppelt ist und stationär betrieben wird.
17. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16 zur Abluft- und Wasserreinigung.