DE4023995A1 - Verfahren und vorrichtung zur frischluft- und/oder innenluftreinigung in kraftfahrzeugen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur frischluft- und/oder innenluftreinigung in kraftfahrzeugenInfo
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Description
In bestimmten Verkehrssituationen, wie z. B. in Tunnels
oder Parkhäusern oder neben frisch gedüngten Feldern
sind die Fahrzeuginsassen durch die eindringende
Frischluft erheblichen Emissionen von organischen und
anorganischen Schadstoffen ausgesetzt.
Zur Minimierung vor allem der Geruchskomponenten von
Schadstoffen wird die Filtration der mit physikalisch
und/oder chemisch wirksamen Adsorbentien wie Aktivkohle
und ggf. in Verbindung mit einem Staubfilter
beschrieben.
Diese Filtersysteme haben den Nachteil, daß die
Sorptionskapazität der Adsorbentien begrenzt ist. Zudem
werden niedrigsiedende Komponenten, wie z. B.
Kohlenmonoxid, nicht in der wünschenswerten Weise
zurückgehalten.
Andere chemisch wirksame Filter, in denen die
Schadstoffe katalytisch oxidiert werden, wurden für die
Schadstoffreinigung mit stationären Anlagen
vorgeschlagen. Hierbei handelt es sich um die Oxidation
der Schadstoffe an Halbleitern, wie Titandioxid, die
durch Bestrahlung mit Photonen geeigneten
Energieinhaltes angeregt werden. Diese Methode hat den
Vorteil, daß die Schadstoffe chemisch mineralisiert
werden und z. B. im Fall der Kohlenwasserstoffe zu CO2
und Wasser umgesetzt werden.
In der Zeitschrift Journal of Catalysis, 113 (1988) 2,
Seiten 549 bis 555 wird die oxidierende
photokatalytische Mineralisierung von organischen
Verbindungen an TiO2-beschichtetem Silicagel
beschrieben.
Es ist bekannt, daß Photonen mit einer Wellenlänge
zwischen 300 und 400 nm geeignet sind, um am
TiO2-Photokatalysator die gewünschten Reaktionen
ablaufen zu lassen. Dieser Wellenlängenbereich ist
überdies deshalb besonders geeignet, weil dabei die
störende Ozonbildung aus O2, die bei kürzeren
Wellenlängen auftritt, noch nicht erfolgt.
Als Photonenquellen eignen sich daher z. B. mit
geeigneten Metallhalogeniden dotierte
Quecksilberdampflampen, deren Strahlungsmaximum bei 300
bis 400 nm liegt.
Am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und
Aerosolforschung, Hannover wurde ein Verfahren
entwickelt, bei dem an feinteiligem Rutilaerosol in
einem Wirbelbett, das mit dem Licht einer Quarzlampe,
das reich an UV-Strahlen ist, die Schadstoffe abgebaut
werden.
Dieses Verfahren ist jedoch für die Handhabung in einem
ungleichförmig bewegten Fahrzeug ungeeignet, weil das
Wirbelbett dabei einer ständig veränderten
Beschleunigung sowohl nach Richtung und Betrag
ausgesetzt ist, so daß die Wirbelbettausdehnung ständig
von der idealen Ausdehnung abweicht.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens im Fahrzeug
ergibt sich dadurch, daß die Frischluftmenge, die durch
das Wirbelbett hindurchgezogen wird, je nach
Frischluftbedarf unterschiedlich ist. Hierdurch ergeben
sich ebenfalls Ausdehnungen des Wirbelbettes, die von
der idealen Ausdehnung abweichen.
Es besteht daher die Aufgabe, ein einfaches Verfahren
und eine Vorrichtung zu finden, mittels derer die
Reinigung der Frischluft auch in einem ungleichförmig
bewegten Kraftfahrzug an dem photokatalytisch wirksamen
Halbleiterkatalysator durchgeführt werden kann, ohne
die beschriebenen Nachteile aufzuweisen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren
gemäß der Ansprüche 1 bis 3 und eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 4 bis
15.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die zu reinigende Luft über einen Katalysator oder eine
Katalysatorkombination geleitet wird, der in einem
fixierten Festbett angeordnet ist und der mit einer
Strahlung im Bereich von 300 bis 400 nm bestrahlt wird,
wobei bevorzugt die Strahlungsquelle und das
Katalysatorfestbett relativ zueinander ununterbrochen
oder zeitweise bewegt werden. Der Katalysator, d. h.,
die photokatalytisch wirksame Komponente besteht aus
einem Halbleiter und ggf. einem zusätzlichen
Cokatalysator aus der Gruppe der Stoffe, die CO
chemiesorbieren, insbesondere der Platinmetalle.
Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Frischluft- und Innenluftreinigung in
Kraftfahrzeugen eine Anordnung eines mit Photonen
bestrahlten Photokatalysators auf Halbleiterbasis,
wobei die photokatalytisch wirksame Komponente sowie
ggf. der Cokatalysator in einem fixierten Festbett in
einem Gehäuse radial um eine Strahlungsquelle
angeordnet sind.
Das das Katalysatorbett enthaltene Gehäuse sowie die
nicht für den Photonendurchtritt notwendigen Teile der
Photonenquelle sind innen bzw. außen verspiegelt.
Als Strahlungsquelle dient eine Quecksilberdampflampe,
deren Strahlungsmaximum bevorzugt bei 300 bis 400 nm
liegt. Die Strahlungsquelle ist im Gehäuse beweglich.
Der Katalysator ist auf einen Träger aufgebracht, der
adsorbierende Eigenschaften für einen Teil oder alle
aus der Frischluft abzuscheidenden Schadstoffe haben
kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die den
Halbleiter enthaltende photokatalytisch wirksame
Komponente in der Form voluminöser oberflächenreicher
Strukturen mit einer hohen optischen Durchlässigkeit
wie textile Gebilde in Formen von Gestricken, Vliesen
oder anderen Wirrfasergebilden, offenporigen,
grobblasigen Schäumen, Borstenbüschel und/oder
struktuierte beflockte Oberflächen in einem Gehäuse
annähernd radial um eine Photonenquelle angeordnet
werden, die im Spektrum einen hohen Anteil von Photonen
mit Wellenlänge zwischen 300 und 400 nm emittieren.
Dabei reicht es aus, wenn die Oberfläche nur teilweise
mit Photokatalysatoren belegt ist. Es ist sogar
zweckmäßig, wenn die Katalysatoren die Oberfläche nicht
vollständig abdecken. Der Katalysator kann durch
Fällung aus Lösungen oder Solen auf dem Träger
niedergeschlagen werden.
Beispiele für Katalysatorträgermaterialien sind
Metalldraht, Metallband, Streckmetalle, Aluminiumoxid-,
Keramik-, Siliciumcarbid-, Kohle- und/oder
Aktivkohlefasern.
Nach der erfindungsgemäßen Lehre ist es besonders
wirkungsvoll, wenn die Katalysatorträger mit einem für
Schadstoff wirksamen Adsorbens wie Alumogelen,
Zeolithen, Aktivkohle, Kieselgelen oder Gemischen
daraus beschichtet sind, das als Speicher für die
Schadstoffe wirkt, wenn diese in besonders hoher
Konzentration auftreten. Auch weil weit weniger als
50% der Katalysatoroberfläche zu einem bestimmten
Zeitpunkt von den Photoquanten erreicht werden, ist es
vorteilhaft, den Katalysator auf adsorptiv wirksamem
Material niederzuschlagen. Die als Sorbat deponierten
Schadstoffe können von dieser Deponie dann
kontinuierlich an die photokatalytisch aktiven Stellen
diffundieren, wo sie dann mineralisiert werden.
Weiterhin können die Katalysatorträger mit Kurzfasern
oder mit oberflächenreichen sorptionsaktiven Stoffen
wie Aktivkohle, Adsorberharzen, Aerogelflocken und/oder
Rußen beflockt sein, wobei die Beflockung unter
Anwendung eines physikalisch und/oder chemisch
härtbaren Bindemittels erfolgt.
Es kann daher vorteilhaft sein, wenn die Beschichtung
des Katalysatorträgers durch Besprühen oder Bedampfen
in der Weise erfolgt, daß sich danach der Katalysator
nur an den von den Photonen erreichten radial um die
Photonenquelle befindlichen oder durch die Spiegelung
belichteten Stellen des Katalysatorträgers befindet.
Die katalytische Wirkung des Photokatalysators kann
dadurch gesteigert werden, daß als Co-Katalysator ein
Metall aus der Platingruppe (Pt, Pd, Ir, Rh, Rn, Os)
Verwendung findet. Als Photokatalysator werden
vorzugsweise Halbleiter wie Titanoxid, Titanate oder
Zinkoxid verwendet. Die Beschichtung der
Katalysatoroberfläche kann z. B. durch Bedampfen,
Besprühen oder Eintauchen mit bzw. in Lösungen von
Titanverbindungen oder Titansäureestern, löslichen
Bariumverbindungen wie Bariumchlorid, Bariumacetat oder
lösliche Zinkverbindungen wie Zinkchlorid oder
Zinkacetat erfolgen.
Es ist auch möglich, die adsorptiv wirkende
Gel-Komponente zusammen mit der Titanverbindung
auszufällen, oder auch ausschließlich die
Titanverbindung gelförmig auf dem Katalysatorträger
auszufällen, wobei die obere TiO2-Gelschicht als
Adsobens wirkt und die oberflächliche Beschichtung die
photokatalytische Funktion beibehält.
Durch Hydrolyse mittels vorzugsweise Wasserdampf und
thermische Behandlung können die Verbindungen als TiO2,
BaTiO3 oder ZnO auf dem Katalysatorträger ausgefällt
werden.
Das gilt analog für Platinmetalle wie Pt oder Pd als
Co-Katalysator, die vorzugsweise den TiO2-, BaTiO3-
oder ZnO-Precursorverbindungen, sofern Lösungen
eingesetzt werden, die nicht reduzierend wirken, in
Form ihrer löslichen Salze zugesetzt werden. Dabei
empfiehlt es sich, die Platinmetalle durch Begasung mit
Wasserstoff oder Formaldehyd bzw. Eintauchen des
Katalysatorträgers in Formaldehydlösung auf dem
Katalysatorträger auszufällen. Die Ausfällung kann vor
oder nach der Ausfällung der photokatalystisch
wirksamen Verbindungen erfolgen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der
Katalysator und die Photonenquelle sich zueinander
fortwährend oder gelegentlich in Bewegung befinden,
weil dadurch - im Gegensatz zu einer im Bezug auf den
Katalysator fixen Phoronenquelle - ein größerer Teil
der Katalysatoroberfläche erreicht werden kann. Die
Bewegung der Photonenquelle, bei der es sich um eine
UV-Lampe handeln kann, kann im Fahrzeug einfach dadurch
erreicht werden, daß z. B. die UV-Lampe beweglich,
z. B. federnd aufgehängt wird, so daß die
ungleichförmige Bewegung des Fahrzeuges schwingende
oder pendelnde Bewegungen der Photonenquelle relativ zu
dem Katalysator induziert.
Ein zu einem Hohlzylinder von 10 cm Durchmesser mit
einem Hohlraumdurchmesser von 2 cm geformtes
Edelstahlgestrick mit einer Zylinderlänge von 20 cm und
einer Gestrickmaschenweite von 1 cm wird gesandstrahlt,
entfettet und getrocknet. Danach wird es in eine
50%ige Natronwasserglaslösung getaucht, abtropfen
lassen und danach in ein Wirbelbett getaucht, das
erzeugt wird, indem ein Rauchgasstrom von ca. 40°C
durch Aktivkohlefasern, die auf ca. 3 mm Länge
geschnitten sind, hindurchgeleitet wird. Dabei wird an
das Edelstahlgestrick eine elektrische Spannung von 400
Volt Gleichstrom angelegt.
Nach wenigen Minuten ist die Wasserglaslösung erstarrt.
Durch Eintauchen in 5%ige Salzsäure wird das
Natriumcarbonat herausgelöst und anschließend mit
Wasser nachgewaschen und trocknen lassen. Danach wird
das Gestrick in eine 20%ige alkoholische
Ethyltitanatlösung eingetaucht und danach 10 min in
einen annähernd 40°C warmen nahezu wassergesättigten
Rauchgasstrom eingehängt und danach unter Stickstoff
auf ca. 300°C erwärmt und so ca. 20 min belassen.
Der abgekühlte derart präparierte Katalysator wird in
ein vorbereitetes, innen verspiegeltes
Kunststoffgehäuse in senkrechter Position (bezogen auf
das Fahrzeug) in dem PKW fixiert.
Danach wird ein zylindrischer UV-Hochdruck-Strahler in
die zentrale Ausnehmung des fixierten Katalysatorbettes
eingehängt und zwar so, daß der Quarzglasstrahler
beweglich durch Federn am oberen und unteren Ende
fixiert ist, wobei eine maximale Schwingungsamplitude
der UV-Lampe von 5 cm beim Befahren einer relativ
glatten Landstraße oder Autobahn gemessen wird.
Die Überprüfung der Wirksamkeit des entsprechend
präparierten Katalysators wird in einem mehrere
Kilometer langen Straßentunnel bezüglich der
geruchsintensiven Schadstoffe olfaktometrisch
vorgenommen und zwar derart, daß drei vorausfahrende
Fahrzeuge (Marke Trabant) ungünstige Emissionsbelastung
der Frischluft hervorrufen. Mit einer Geschwindigkeit
von maximal 0,2 m/s wird die mechanisch vorgefilterte
Außenluft durch das Katalysatorbett gezogen. Neben der
olfaktometrischen Messung wird auch die
CO-Konzentration gemessen. Es zeigt sich, daß nach 30 km
Tunnelfahrt mit 70 km/h unter den genannten
Bedingungen keine olfaktometrisch wahrnehmbaren Gerüche
in der Reinluft feststellbar sind. Die CO-Konzentration
in der Reinluft wird konstant zu 10% derjenigen der
ungereinigten Luft gemessen.
Der Versuch aus Beispiel 1 wird unter den gleichen
Bedingungen wiederholt mit der Ausnahme, daß die
UV-Lampe fixiert eingebaut ist, also ohne die
Möglichkeit zu schwingen.
Auch bei diesem Versuch werden olfaktometrisch keine
reinluftseitigen Verunreinigungen festgestellt.
Allerdings liegt die CO-Konzentration konstant bei 25%
in der gereinigten Luft, bezogen auf den CO-Gehalt in
der ungereinigten Luft.
Der Versuch aus Beispiel 1 wird unter den gleichen
Bedingungen wiederholt, mit der Ausnahme, daß die
UV-Lampe während des Versuchs nicht eingeschaltet wird.
Bereits nach 10 km Tunnelfahrt wird ein deutlicher
Geruch in der Reinluft feststellbar. Die
CO-Konzentrationen liegen von Versuchsbeginn an in der
gleichen Höhe wie diejenigen in der ungereinigten Luft.
Der Versuch aus Beispiel 1 wird unter den gleichen
Bedingungen wiederholt mit der Ausnahme, daß das
Katalysatorbett aus einem Parfümflakon mit insgesamt
10 ml 3%iger Palladium(II)chlorid-Lösung eingesprüht
wird. Danach wird bei Raumtemperatur getrocknet und
dann wird das gesamte Katalysatorbett in eine 5%ige
wäßrige Formaldehydlösung eingetaucht zur Ausfällung
metallischen Palladiums auf dem Katalysatorträger bzw.
dem Photokatalysator. Olfaktometrisch werden mit dem
Katalysator die gleichen Ergebnisse erzielt wie in
Beispiel 1. Die CO-Konzentration der gereinigten Luft
liegt unter 1%, bezogen auf ungereinigte Tunnelluft.
Claims (15)
1. Verfahren zur Frischluft- und Innenluftreinigung
in Kraftfahrzeugen mittels eines mit Photonen
bestrahlten Photokatalysators auf Halbleiterbasis,
dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigende Luft
über einen Katalysator oder eine
Katalysatorkombination geleitet wird, der in einem
fixierten Festbett angeordnet ist, und der mit
einer Strahlung im Bereich von 300 bis 400 nm
bestrahlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungsquelle und das
Katalysatorfestbett relativ zueinander
ununterbrochen oder zeitweise bewegt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als Co-Katalysator ein oder
mehrere Metalle aus der Gruppe der Platinmetalle
Verwendung finden.
4. Vorrichtung zur Frischluft- und Innenluftreinigung
in Kraftfahrzeugen mittels eines mit Photonen
bestrahlten Photokatalysators auf Halbleiterbasis,
dadurch gekennzeichnet, daß die photokatalytisch
wirksame Komponente sowie ggf. der Cokatalysator
in einem fixierten Festbett in einem Gehäuse
radial um eine Strahlungsquelle angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das das Katalysatorbett
enthaltende Gehäuse sowie die nicht für den
Photonendurchtritt notwendigen Teile der
Photonenquelle innen bzw. außen verspiegelt sind.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine
Quecksilberlampe ist, deren Strahlungsmaximum bei
300 bis 400 nm liegt.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle im
Gehäuse beweglich ist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Photokatalysator auf einem
Träger aufgebracht ist, der adsorbierende
Eigenschaften für einen Teil oder alle aus der
Frischluft abzuscheidenden Schadstoffe hat.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Photokatalysator sowie
ggf. die cokatalytisch wirkende Komponente in der
Form voluminöser oberflächenreicher Strukturen mit
hoher optischer Permeabilität wie textilen
Gebilden in Form von Gestricken, Vliesen oder
anderen Wirrfasergebilden, offenporigen Schäumen,
Borstenbüscheln und/oder beflockten Oberflächen
auf einem Katalysatorträger aufgebracht ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung des
Katalysatorträgers mit Photokatalysator und ggf.
dem Co-Katalysator überwiegend auf der von
Photonen bestrahlten Oberfläche des
Katalysatorträgers geschieht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß als Katalysatorträger
Metalldraht, Metallband, Streckmetalle,
Aluminiumoxidfasern, Keramikfasern,
Siliziumcarbidfasern, Kohlefasern und/oder
Aktivkohlefasern Verwendung finden.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Katalysatorträger mit
adsorptionsfähigen Beschichtungen wie Kieselgel,
Zeolithen, Alumogelen, Aktivkohle oder Gemischen
davon beschichtet sind.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Katalysatorträger mit
Kurzfasern beflockt ist.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Katalysatorträger mit
oberflächenreichen sorptionsaktiven Stoffen wie
Aktivkohle, Adsorberharzen, Aerogelflocken
und/oder Rußen beflockt ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beflockung unter Anwendung
eines physikalisch und/oder chemisch härtbaren
Bindemittels erfolgte.
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