DE19546061C2 - Verfahren zur Abluftreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von schadstoffhaltiger Abluft, insbesonde­ re von gasförmigen Kohlenwasserstoff-Emissionen in einem Abluftleitkanal, unter Einsatz einer das energetische Niveau der Kohlenwasserstoffe anhebenden UV-Strahlung und eines Katalysators, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Durch die DE 43 05 344 ist es bereits bekannt geworden, in Gasen enthaltene hochtoxische halogenierte Verbindungen durch Oxidation, unter Verwendung von Wasserstoffperoxid, abzubauen. Hier ist es auch bereits beschrieben, daß der Abbau von PCDDs und PCDFs durch eine Behandlung der Gase mit Wasserstoffperoxid unter gleichzeitiger UV- Bestrahlung erfolgen kann. Im übrigen wird hier das Gas in Gegenwart von Wasserstoffper­ oxid über einen im wesentlichen anorganischen Feststoffkontakt, insbesondere Pyrogene oder gefällte Kieselsäure oder Aluminiumsilikat, geleitet. Es läßt sich hier zwar bereits der Schadstoffgehalt erheblich reduzieren, nachteilig ist es jedoch, daß hier der apparative Auf­ wand sehr hoch ist, der an sich nur infolge der hier zu entfernenden hochkonzentrierten und hochtoxischen Schadstoffanteile gerechtfertigt erscheint.

Andererseits ist es grundsätzlich auch bereits bekannt, mittels UV-Strahlung in der Luft ent­ haltene Mikroorganismen abzutöten. Außerdem ist es bekannt, daß eine derartige Wirkung auch für eine Ionisation von Luft erreicht werden kann. Zur Abluftreinigung ist es im übrigen bekannt, eine katalytische Nachverbrennung einzusetzen. Hier ist jedoch ein nicht unerheb­ licher Energieeinsatz erforderlich. Auch hier gestaltet sich im übrigen die Abluftreinigungs­ anlage recht aufwendig, insbesondere bezüglich hitzebeständiger Materialien.

In der DE 44 23 397 A1 ist es auch bereits offenbart, zur Abgasreinigung zwischen Elektro­ den gleichzeitig eine Gasentladung und eine katalytische Oxidation ablaufen zu lassen.

Zudem ist in der DE 43 17 199 A1 ein Verfahren zur Anregung von Luftschadstoffen und gleichzeitigem katalytischen Schadstoffabbau beschrieben, bei dem mittels einer UV- Strahlung das elektro-chemische Potential der reaktiven Substanzen angehoben und ein exothermer chemischer Prozeß ausgelöst wird. Die angeregten Substanzen werden dabei durch eine spezielle Mischtechnik während des Anregungszustandes an eine katalytisch aktive Oberfläche geführt, wo sie unter Einwirkung der UV-Strahlung reagieren. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß lediglich eine Erhöhung des elektrochemischen Po­ tentials der reaktiven Substanzen erfolgt. Außerdem wird gleichzeitig eine direkte UV- Katalyse durchgeführt, die es erforderlich macht, die gesamte aktive Oberfläche des Kataly­ sators der UV-Strahlung auszusetzen. Hieraus resultiert, daß lediglich eine kleine Kataly­ satoroberfläche zur Verfügung steht, so daß schon aus diesem Grunde das Verfahren in seiner Leistung stark eingeschränkt ist. Es ist hier sogar erforderlich, ein Drosselventil ein­ zusetzen, das eine ausreichende Verweildauer der Luftschadstoffe im UV-Reaktor sicher­ stellt. Die nachgeschaltete zusätzliche Katalysator-Kammer ist nicht geeignet, die Durch­ satzleistung zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abluftrei­ nigung zu schaffen, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und die einen gerin­ gen Energieeinsatz erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, und 5 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die Abluft in einem ersten Abschnitt des Luftleit­ kanals einer UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von vorzugsweise 254 nm und einer Wel­ lenlänge von vorzugsweise 185 nm ausgesetzt wird, die die Anregung der Kohlenwasser­ stoffe auf höhere energetische Niveaus und zusätzlich eine Bildung von Ozon, von mole­ kularem Sauerstoff und Radikalen aus dem Ozon und eine teilweise Oxidation der Kohlen­ wasserstoffmoleküle in der Gasphase bewirkt, und daß in einem sich anschließenden zweiten Abschnitt eine katalytische Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle an der aktiven Oberfläche eines Katalysators durchgeführt wird, wobei die Kohlenwasserstoffmoleküle ad­ sorbiert, dann auf der aktiven Oberfläche durch das zusätzlich gebildete Ozon oxidiert und von der Oberfläche des Katalysators in Form von H₂O und CO₂ als Reaktionsprodukte ent­ fernt werden.

Die Wellenlänge 185 nm dient vorrangig der Ozonbildung. Die Wellenlänge 254 nm dient vorrangig der Anregung der Kohlenwasserstoffe. Bei einer derartigen Auslegung der UV- Strahlung ist es möglich, die beiden genannten Wirkungen äußerst effektiv zu gestalten. Die im ersten Abschnitt des Luftleitkanals erfolgende Anregung der Kohlenwasserstoffe auf hö­ here energetische Niveaus führt dazu, daß die auf ein höheres energetisches Niveau ange­ regten Kohlenwasserstoffe sehr viel schneller mit den Radikalen reagieren. Dieses ist ins­ besondere bei schwer oxidierbaren Kohlenwasserstoffen sehr vorteilhaft. Der erhöhte Ozo­ nanteil beschleunigt die Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle, wobei insgesamt der Anteil der Kohlenwasserstoffmoleküle in der Abluft entsprechend dem höheren Ozonanteil höher sein kann. Es wird zudem in vorteilhafter Weise erreicht, daß der im ersten Abschnitt sehr hohe Ozon-Anteil an der Oberfläche des Katalysators zu molekularem Luftsauerstoff abgebaut wird. Das Ozon bewirkt folglich keinerlei Umweltschädigung.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, daß die katalytische Oxidation durch Aktivkohle erfolgt. Hier ergibt sich der Vorteil, daß die Aktivkohle kostengünstig reaktivierbar ist. Im übrigen ist die Aktivkohle sehr kostengünstig einsetzbar. In diesem Zusammenhang muß erwähnt wer­ den, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch dadurch auszeichnet, daß die an der aktiven Oberfläche des Katalysators, d. h. hier der Aktivkohle, adsorbierten Kohlenwasserstoffmoleküle auf der Oberfläche durch das Oxidationsmittel Ozon oxidiert, d. h. ständig entfernt und in Wasser und Kohlendioxid aufgespalten werden. Wasser und Kohlendioxid entweichen dann als unschädliche Komponenten in die Umgebung.

Der im Rahmen der Erfindung eingesetzte Katalysator besteht vorzugsweise aus Aktivkohle. Alternativ ist es jedoch durchaus möglich, daß der Katalysator aus einem aus Aktivkohle, Bimsstein, Zeolithen oder Ton, gebildetem Trägermaterial mit einer Beschichtung aus kata­ lytisch wirkenden Metalloxiden versehen ist.

Insbesondere, sofern die gereinigte Abluft als Zuluft Innenräumen zugeführt werden soll, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in einem nachgeschalteten dritten Abschnitt eine zu­ sätzliche Ionisation der Abluft erfolgt. Hierdurch ist es möglich, durch Anreicherung mit Sau­ erstoffionen, die Qualität der Luft, insbesondere als Atemluft, zu verbessern.

Die Intensität der UV-Strahlung kann insgesamt verstärkt werden, indem der erste Abschnitt des Abluftleitkanals im Bereich der UV-Strahlung mit reflektierenden Oberflächen versehen wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung das Merkmal auf, daß in einem ersten Abschnitt des Abluftleitkanals wenig­ stens eine als Korona ausgebildete Ionisationsröhre angeordnet ist und in einem zweiten Abschnitt des Abluftleitkanals ein Katalysator angeordnet ist. Eine derartige Ausbildung er­ fordert einen relativ geringen apparativen Aufwand und gestaltet sich sehr kostengünstig. Alternativ ist es möglich, daß in dem ersten Abschnitt des Abluftleitkanals wenigstens ein UV-Strahler mit wenigstens einer Wellenlänge von unterhalb 300 nm angeordnet ist. Auch hier ist dann in dem zweiten Abschnitt des Abluftleitkanals ein Katalysator angeordnet. Durch die Anordnung eines UV-Strahlers wird eine verstärkte Ozonbildung erreicht; außer­ dem wird eine Anregung der Kohlenwasserstoffe auf höhere energetische Niveaus bewirkt, so daß insgesamt eine höhere Schadstoffkonzentration abgebaut werden kann.

Der im Rahmen der Erfindung eingesetzte UV-Strahler weist vorzugsweise Wellenlängen von 185 nm und 254 nm auf. Dabei dienen die unterschiedlichen Wellenlängen, wie bereits beschrieben, vorrangig der Anregung der Kohlenwasserstoffe bzw. der Bildung von Ozon. Der im Rahmen der Erfindung eingesetzte Katalysator besteht vorzugsweise aus Aktivkohle. Alternativ ist es jedoch durchaus möglich, daß der Katalysator aus einem aus Aktivkohle, Bimsstein, Zeolithen oder Ton, gebildetem Trägermaterial mit einer Beschichtung aus kata­ lytisch wirkenden Metalloxiden versehen ist. Hier kommen insbesondere Oxide von Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Si, Ti oder Zr in Frage. Alternativ ist es außerdem möglich, die Edelmetalle Pt, Pd oder Rh, als Beschichtung einzusetzen. Gegebenenfalls ist es auch möglich, daß die Beschichtungen aus Mischungen der genannten Metalloxide und der genannten Edelmetalle bestehen.

Von Vorteil ist es, wenn eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit der Meß­ werte von im Luftleitkanal angeordneten Sensoren, die die Schadstoffkonzentration erfas­ sen, die Intensität der Oxidation, d. h. die Intensität der Ionisation, bzw. der UV-Strahlung, zu steuern. Es wird so möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr energiesparend zu betreiben, wobei der Energieaufwand exakt an die jeweiligen Erfordernisse anpaßbar ist. Letztlich wird durch einen derartigen Betrieb der Vorrichtung die Standzeit des Katalysators und der Ionisationsröhre, bzw. des UV-Strahlers verlängert, so daß sich auch hier eine Ko­ steneinsparung ergibt.

Durch das Verfahren wird erreicht, daß in der ersten Stufe mittels der Koronaentladungen eine Ionisation erfolgt, die zu einer Bildung von Ozon führt. Das Ozon zerfällt dann in mole­ kularen Sauerstoff und Radikale, wobei die Radikale eine zumindest teilweise Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle auslösen. In den sich anschließenden zweiten Abschnitt erfolgt eine katalytische Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle an der aktiven Oberfläche des Katalysators. Die Kohlenwasserstoffmoleküle lagern sich an der Oberfläche des Kataly­ sators an, gleichzeitig zerfällt das hinzutretende Ozon an der Oberfläche des Katalysators, unter Bildung von Sauerstoffmolekülen und Radikalen. Die Radikale bewirken dann die Oxidation, d. h. den Abbau, der an der Oberfläche des Katalysators angelagerten Kohlen­ wasserstoffmoleküle. Durch den Katalysator erfolgt eine zwangsweise Zusammenführung der Kohlenwasserstoffmoleküle mit dem Ozon, wodurch spontan auch die Oxidation der Kohlenwasserstoffe stattfindet. Erst durch die Anordnung des Katalysators ist es somit si­ chergestellt worden, daß die Kohlenwasserstoffmoleküle in einem sehr hohen Anteil zu Wasser und CO₂ umgesetzt werden können. Insbesondere ist es überraschend, daß dieser Vorgang bei Raumtemperatur ohne jede weitere Energiezufuhr abläuft.

Die gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzte UV-Strahlung ist geeignet, auch höhere Kohlenwasserstoffkonzentrationen im Bereich von einigen hundert mg/m³ Gesamtkohlenwasserstoffgehalt abzubauen. Hier ergibt sich der zusätzliche Effekt, daß aufgrund der eingesetzten UV-Strahlung eine Anregung der Kohlenwasserstoffe auf höhere energetische Niveaus bewirkt wird. Hierzu enthält die UV-Strahlung vorzugsweise einen Anteil einer Wellenlänge von 254 nm. Außerdem wird eine erhöhte Menge an Ozon erzeugt, was insbesondere durch einen Anteil einer Wellenlänge von 185 nm ausgelöst wird. Hieraus ergibt sich der Effekt, daß die auf ein höheres energetisches Niveau ange­ regten Kohlenwasserstoffe sehr viel schneller mit den Radikalen reagieren, d. h. oxidiert werden. Dieses ist insbesondere bei schwer oxidierbaren Kohlenwasserstoffen wichtig. Der erhöhte Ozonanteil beschleunigt gleichfalls die Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle, wobei insgesamt der Anteil der Kohlenwasserstoffmoleküle entsprechend dem höheren Ozonanteil höher sein kann. Sehr vorteilhaft ist es im übrigen, daß das überschüssige Ozon an der Oberfläche des Katalysators zu molekularem Luftsauerstoff abgebaut wird. Das überschüssige Ozon bewirkt also keinerlei Umweltschädigung.

Insgesamt ist das erfindungsgemäß eingesetzte Verfahren sehr umweltfreundlich. Insbe­ sondere bei einer nachgeschalteten Ionisation ist es sogar möglich, gereinigte Abluft als Zuluft Innenräumen zuzuführen. Die abschließende Ionisation bewirkt eine Anreicherung mit Sauerstoffionen und daraus resultierend einen nochmaligen Abbau restlicher Schadstoff­ moleküle in der Zuluft, sowie in den Innenräumen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Reinigung von schadstoffhaltiger Abluft, insbesondere von gasförmigen Kohlenwasserstoff-Emissionen in einem Abluftleitkanal, unter Einsatz einer das energeti­ sche Niveau der Kohlenwasserstoffe anhebenden UV-Strahlung und eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluft in einem ersten Abschnitt des Luftleitkanals einer UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von vorzugsweise 254 nm und einer Wellenlänge von vorzugsweise 185 nm ausgesetzt wird, die die Anregung der Kohlenwasserstoffe auf höhe­ re energetische Niveaus und zusätzlich eine Bildung von Ozon, von molekularem Sauerstoff und Radikalen aus dem Ozon und eine teilweise Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle in der Gasphase bewirkt, daß in einem sich anschließenden zweiten Abschnitt eine katalyti­ sche Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle an der aktiven Oberfläche eines Katalysa­ tors durchgeführt wird, wobei die Kohlenwasserstoffmoleküle adsorbiert, dann auf der akti­ ven Oberfläche durch das zusätzlich gebildete Ozon oxidiert und von der Oberfläche des Katalysators in Form von H₂O und CO₂ als Reaktionsprodukte entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Oxidation durch Aktivkohle erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Oxidation an einer Beschichtung aus katalytischen Metalloxiden auf einem aus Aktivkohle, Bimsstein, Zeolithen oder Ton gebildeten Trägermaterial erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nachgeschalteten dritten Abschnitt eine Ionisation der Abluft erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt des Abluftleitkanals im Bereich der UV-Strahlung reflektierende Oberflächen aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator aus katalyti­ scher Aktivkohle gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit einer Beschichtung aus Oxiden von Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Si, Ti oder Zr gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit einer Beschichtung aus katalytischen Metalloxiden in einer Mischung mit Pt, Pd oder Rh gebildet ist.