DE10013237A1 - Schaum, Verfahren zur Herstellung von Schaum und Verwendung von Schaum - Google Patents

Schaum, Verfahren zur Herstellung von Schaum und Verwendung von Schaum

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaum. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Schaum, wobei der Schaum aus einer Lösung hergestellt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung des Schaumes. DOLLAR A Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Schaumes enthält photokatalytisch wirksame Halbleiterteilchen oder lichtabsorbierende Reagenzien, an denen Schadstoffe abgebaut, Krankheitserreger abgetötet oder Chemikalien in lichtinduzierten Prozessen aufgebaut werden. Der Schaum eignet sich aber auch für Freiland-Desinfektionierung. Mit seiner Hilfe können darüber hinaus photokatalytisch wirkende Oberflächen hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaum.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Schaum, wobei der Schaum aus einer Lösung hergestellt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung des Schaumes.
Bei den Schäumen handelt es sich insbesondere um kolloidchemische Systeme, wie sie z. B. in Römpp. Chemielexikon"; 9. Aufl., Thieme, Stuttgart 1979, S. 4014 beschrieben werden.
Ferner ist es bekannt, homogene und heterogene Katalysatoren und Reagenzien zur Durchführung von fotochemischen Reaktionen zu verwenden.
Derartige Katalysatoren und Reagenzien sind beispielsweise in dem Buch Römpp. Chemielexikon"; 9. Aufl., Thieme, Stuttgart 1979, S. 3399-3403 beschrieben. Bekannt ist auch der Einsatz von Halbleiterteilchen, vor allem von Titandioxid, zur Durchführung solcher Reaktionen (H. Fujishima et al.: TiO2-Photocatalysis", BkC, Inc., Tokyo, Japan, 1999).
Für Reinigungs- und Desinfektionsprozesse werden schaumbildende Substanzen (Seifen) eingesetzt.
Ebenfalls bekannt ist, aus Photokatalysatoren in Sol/Gel-Prozessen durch Gefriertrocknen oder in überkritischen Lösungmitteln (z. B. CO2) poröse Strukturem Strukturen des Photokatalysators TiO2 herzustellen und diesen zum Abbau von Schadstoffen einzusetzen (vgl. z. B. Sean Kelly, Wu-Mian Shen and Micha Tomkiewicz; "Role of Surface Area and Crystalline Size in the Photocatalytic Activity of TiO2 Aerogels", in "Nanostructured Materials in Electrochemistry", ed. P. Searson and G. J. Meyer, The Electroch. Soc, Pennington. N. J., USA, 1995).
Bekannt sind photoelektrochemische Zellen, in denen Halbleiterelektroden eingesetzt werden. Diese können kristallin, polykristallin oder amorph sein.
Verfahren in denen diese Zellen eingesetzt werden sind aus dem Artikel D. Meissner: "Photoelectrochemical Solar Energy Conversion" in: B. Elvers et al. (ed.): "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry", Sixth Edition, 1999, Electronic Release; Wiley-VCH, Weinheim, 1999 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaum bereitzustellen, der eine erhöhte Reinigungs- und/oder Desinfektionswirkung aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein gattungsgemäßes Verfahren so durchgeführt wird, dass in dem Schaum wenigstens eine photoreaktive Substanz eingeschlossen wird.
Die Erfindung betrifft ferner einen mit Hilfe des Verfahrens hergestellten Schaum und seine Verwendung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ohne einen Einsatz von Aerogelen oder Photokatalysatoren durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß werden insbesondere konventionelle Schäume im weitesten Sinne eingesetzt. In dem Schaum sind photoaktive Substanzen, vorzugsweise Photokatalysatoren, gelöst, suspendiert oder in der Gasphase eingeschlossen.
Es werden Schäume aus Lösungen oder Suspensionen von Photokatalysatoren hergestellt und Lichtquellen und/oder der Sonne ausgesetzt. Dabei haben direkte Vergleiche gezeigt, dass die Reaktionsraten unter Verwendung von Schäumen ein Vielfaches höher sein können als bei Verwendung von Lösungen und Suspensionen. So wurde z. B. für den Abbau einer typischen Modellsubstanz wie Dichloressigsäure im direkten Vergleich eine Erhöhung der Abbaurate um einen Faktor drei erreicht.
Besonders gut geeignet sind die erfindungsgemäßen Schäume auch für den Einsatz zur Synthese chemischer Verbindungen. So ist bekannt, daß z. B. an ZnS, TiO2 und CdS-Pulvern lichtinduziert chemische Verbindungen hergestellt werden können, die anders nicht oder nur erschwert zugänglich sind (vgl. H. Kisch und M. Hopfner,: "Novel Organic Synthesis through Semiconductor Photocatalysis" in V. Balzani et al.: "Electron Transfer in Chemistry"; Vol. IV, Wiley, 2000). Entsprechende Versuche zur Synthese von 2, 3, Butandiol aus Ethanol, die aus Lösungen bekannt ist (vgl. B. Müller, S. Majoni, R. Memming, D. Meissner: "Particle Size and Surface Chemistry in Photoelectrochemical Reactions at Semiconductor Particles" J. Phys. Chem. B 101 (1997) 2501-2507) ebenfalls an erfindungsgemäßen Schäumen deutlich beschleunigt abläuft.
Schäume besitzen besonders für den Ab- oder Aufbau organischer Substanzen bei Verwendung organischer Detergenzien und von TiO2 einen großen Vorteil, weil in den Doppelschichten der Detergenzien in den Blasenwänden die hydrophoben organischen Verbindungen adsorbiert an den werden und auch der Photokatalysator stark angereichert werden, dieser aber gleichzeitig aber wegen der stark gashaltigen Struktur immer noch sehr gut von Licht erreicht werden wird.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung photokatalytisch aktiver Schäume ist es, nichttoxische oder wenig toxische Photokatalysatoren einzusetzen und die entsprechenden Schäume zur Detoxifizierung von Flächen einzusetzen, die direkt von der Sonne beschienen werden. Freilandversuche mit TiO2-Schäumen, bei denen aus einem Liter TiO2-Suspension ein Kubikmeter Schaum hergestellt worden ist, aber auch von Schäumen, die gelöstes Fenton-Reagenz (Fe2+ + H2O2) oder nur Ozon (O3) enthielten, haben sich als hervorragend zur Oberflächendekontamination geeignet erwiesen. Hierzu sind auch durch Zugabe eines Photokatalysators verbesserte Feuerlösch-Schäume geeignet. Solche Schäume eignen sich aber auch sehr gut zur Abscheidung von photokatalytisch aktiven Filmen auf großen Oberflächen, besonders wenn diese wasserempfindlich sind, da der Flüssigkeits-Anteil des Schaumes sehr gering sein kann.
Generell liegt der Schaumfaktor, das ist das Verhältnis von Schaum- zu Lösungsvolumen, bei bisher hergestellten Schäumen zwischen 100 und 10.000, es lassen sich aber auch größere und kleinere Schaumfaktoren erzielen.
Ebenfalls erfindungsgemäß ist der Zusatz von Photokatalysatoren zu schaumbildenden Systemen wie Kläranlagen mit dem Zweck, diesen in dem sich bildenden Schaum durch die Wirkung des Sonnenlichts zur Katalyse von lichtinduzierten Prozessen wie beispielsweise den Abbau von Schadstoffen, die Abtötung von Krankheitserregern oder die Synthese von chemischen Verbindungen einzusetzen.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßigen Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
Von den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine Laboranlage zur Erzeugung erfindungsgemäßer Schäume und ihren Einsatz in einem Laborreaktor,
Fig. 2 einen Verlauf der Konzentration verschiedener Modell-Verunreinigungen während der Belichtung
Fig. 3 einen Verlauf der Konzentration von Sulfat bei Bestrahlung von SO2 im Schaum
Fig. 4 eine photoelektrochemische Strom/Spannungskurve eines Schaumes
Die in Fig. 1 dargestellte Laboranlage enthält einen Kompressor 1 zur Erzeugung eines Gasstromes, einen Schaumgenerator 2, bestehend aus einem mit einer Lösung halb gefüllten Gefäß, in das von unten über ein Sieb das zur Schaumerzeugung verwendete Gas eingeleitet werden kann. Hier wird ein Schaum erzeugt, der in der Zeichnung die obere Hälfte des Gefäßes füllt und über ein Rohr den Schaumgenerator verläßt.
Dargestellt sind ferner eine Lösung 3, die Schaumbildner und/oder zusätzlichen Photokatalysator enthält, ein lichttransparentes Rohr 4, insbesondere ein Quarzrohr.
In einem Photoreaktor werden. . .
Es entsteht der erfindungsgemäße Schaum 6. Durch Bestrahlung mit einer Lampe 5, vorzugsweise einer UV-Lampe werden die erwünschten Photoreaktionen wie der Abbau von Schadstoffen oder die Abtötung von Bakterien oder die Synthese von interessanten chemischen Verbindungen initiiert entsteht. . .
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Konzentration verschiedener Modell- Verunreinigungen in einem Schaum mit (Versuche 1 bis 4) und ohne (Versuche 1' bis 4') 0,5 Gew.-% Photokatalysator (hier der TiO2-Katalysator Hombikat UV 100 der Firma Sachtleben-Chemie), 0,5 Gew.-% Schaumbildner (hier einer kommerziellen Mischung der photochemisch stabilen Alkyl-Sulfate CnH2n+1CH(CH3)3OSO3Na mit n = 6 bis 16), belichtet in dem in Fig. 1 gezeigten Laborreaktor.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Sulfatkonzentration in einem Experiment, in dem im oben beschriebenen Schaum gasförmiges SO2 bestrahlt und am Photokatalysator TiO2 zu Sulfat oxidiert wird. Zu sehen ist der sehr schnelle Umsatz der gasförmigen Ausgangsverbindung und ihr fast linearer Verlauf. Diese beweisen die hervorragende Eignung des Systems zur Umsetzung von gasförmigen Verbindungen. Als Gas zum Aufschäumen ist hier SO2 verwendet worden.
Fig. 4 zeigt eine in, photoelektrochemischen Experimenten übliche Strom/Spannungskurve von Photokatalysator-Schaum-Elektroden aus Titandioxidteilchen (Zusammensetzung und Konzentrationen wie in den anderen Experimenten). Es ist zu sehen, daß der Strom verglichen mit konventionellen Lösungs-Experimenten bei Verwendung des Schaumes verglichen mit konventionellen Experimenten (solution, light) zwar reduziert ist (foam, light), daß aber immer noch deutliche Photoeffekte auftreten, verglichen mit dem Umsatz im Dunklen (foam, dark).
Tabelle 1 zeigt die Anreicherung verschiedener Modellverunreinigungen (model pollutants), darunter auch des Modell-Krankheitserregers Escherichia Coli, einem Bakterium, von einer Anfangskonzentration (initial concentration) zu einer effektiven Konzentration im Schaum, das Anreicherungsverhältnis und den Abbaugrad nach nur 7 Minuten Belichtung (typische Abbauzeiten in Lösung zur Erreichung des gleichen Abbaugrades liegen bei etwa einer Stunde).
Ein Beispiel ist der zeitliche Verlauf der Chlophenolkonzentration in einem Schaum aus 0,5 Gew.-% des in Fig. 2 genannten Schaumbildners und 0,2 Gew.-% TiO2 (Hombikat) bei Bestrahlung mit einer 120 W Quecksilber-Dampflampe in dem in Fig. 1 beschriebenen Reaktorsystem. Ausgangkonzentration war hier 1 millimolare Lösung von 2-Chlorphenol:
Bestrahlungszeit in Minuten/Abbaugrad in Prozent:
0/0, 4/3, 7/12, 10/15, 15/18
Ein weiteres Beispiel ist der zeitliche Verlauf der Konzentration von Thionin, einem Farbstoff aus der Klasse der Chinonimine, ausgehend von einer Anfangskonzentration von nur 0,14 Millimol pro Liter in der Lösung, bei gleicher Schaumbildner- und Photokatalysatorkonzentration wie im vorigen Beispiel. Der Farbstoff wird bei der Schaumbildung um etwa 30% angereichert.
Bestrahlungszeit in Minuten/Abbaugrad in Prozent:
0/0, 4/49, 7/79, 10/84, 15/87.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Schaumes liegt in der Möglichkeit, diesen auch in Kombination mit einem elektrochemischen System zu verwenden.
Die Erfindung sieht ferner vor, halbleitende erfindungsgemäße Schäume als Photoelektroden und in photoelektrochemischen Zellen einzusetzen.
Anspruch Einsatz photokatalytischer Schäume als Photoelektroden
Hierfür ist es vorteilhaft, Schäume von lichtabsorbierenden Photokatalysatoren im Konzentrationsbereich zwischen 0,01 und 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 0,1 und 80 Gew.-% einzusetzen.
Konzentrationsbereich zwischen 0,01 und 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 0,1 und 80 Gew.-% einzusetzen.
Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn als Photokatalysator suspendierte Halbleiterteilchen (Konzentrationen wie eben) eingesetzt werden.
Fig. 3 zeigt eine in photoelektrochemischen Experimenten übliche Strom/Spannungskurve von Photokatalysator-Schaum-Elektroden aus Titan und einem wie oben beschriebenen Schaum mit Halbleiterpulverteilchen, beispielsweise Titandioxidteilchen (Zusammensetzung und Konzentrationen wie in den anderen Experimenten). Es ist zu sehen, daß der Strom verglichen mit konventionellen Lösungs-Experimenten bei Verwendung des Schaumes verglichen mit konventionellen Experimenten (solution, light) zwar reduziert ist (foam, light), dass aber immer noch deutliche Photoeffekte auftreten verglichen mit dem Umsatz im Dunklen (foam, dark). Der Strom setzt bei gleichen Potentialen ein, hier angegeben gegen eine Silber/Silberchloridelektrode. (Konzentrationen wie eben) eingesetzt werden.
Ein entscheidender Vorteil bei der Verwendung von Schäumen ist dann gegeben, wenn an der angestrebten photoelektrochemischen Umsetzung gasförmige Stoffe beteiligt sind, die durch die Lösung diffundieren müssen.
Hier ist der hohe Gasgehalt des Schaumes von größtem Vorteil.
Zur Demonstration wurde folgender Versuch durchgeführt:
In dem oben beschrieben TiO2-Schaum wurde wurde als Gas SO2 eingesetzt. Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Sulfatbildung durch Photooxidation des SO2 (hier angegeben als Konzentration des Sulfates in Millimol pro Liter umgesetzten SO2's.
Die Abbildung zeigt eine in photoelektrochemischen Experimenten übliche Strom/Spannungskurve von Photokatalysator-Schaum-Elektroden aus beispielsweise Titandioxidteilchen (Zusammensetzung und Konzentrationen wie in den anderen Experimenten). Es ist zu sehen, daß der Strom verglichen mitkonventionellen Lösungs-Experimenten bei Verwendung des Schaumes verglichen mit konventionellen Experimenten (solution, light) zwar reduziert ist (foam, light), daß aber immer noch deutliche Photoeffekte auftrten verglichen mit dem Umsatz im Dunklen (foam, dark).

Claims (29)

1. Verfahren zur Herstellung von Schaum, wobei der Schaum aus einer Lösung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaum wenigstens eine photoreaktive Substanz eingeschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der photochemischen Substanz in der zur Herstellung verwendeten Lösung gelöst oder suspendiert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der photochemischen Substanz in einem zur Herstellung des Schaumes verwendeten Gas gelöst oder suspendiert ist.
4. Verfahren zur Herstellung von Schaum, wobei der Schaum aus einer Lösung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung des Schaumes wenigstens eine photoreaktive Substanz in den Schaum eingebracht wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil einer für wenigstens eine photochemische Reaktion vorgesehenen Substanz in dem Schaum gegenüber der Lösung angereichert ist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil einer für wenigstens eine photochemische Reaktion vorgesehenen Substanz in dem Schaum gegenüber der zur Schaumherstellung verwendenten Gasphase angereichert ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaumbildung ein Schaumbildner verwendet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photoreaktive Substanz ein Photokatalysator ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Photokatalysator aus einem anorganischen Material besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Photokatalysator aus einem anorganischen Material besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Material ein Halbleiter ist.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das photoreaktive Material in Pulverform vorliegt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das photoreaktive Material ein anorganischer Photokatalysator ist. TiO2.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das photoreaktive Material TiO2 enthält.
15. Verwendung von Schäumen, in denen wenigstens eine lichtabsorbierende Substanz eingeschlossen ist, in photochemischen Reaktionen, einschließlich von photoinduzierten Prozessen wie Desinfizierung, photoinduzierten Synthesen oder Dekontaminierung.
16. Verwendung von Schäumen, in denen wenigstens eine lichtabsorbierende Substanz eingeschlossen, ist zur Herstellung photokatalytischer Filme.
17. Verwendung von Schäumen, in denen wenigstens eine lichtabsorbierende Substanz eingeschlossen, ist zur Reinigung oder Desinfizierung von dem Sonnenlicht oder künstlichem Licht ausgesetzten Flächen.
18. Verwendung von Schäumen, in denen wenigstens eine lichtabsorbierende Substanz eingeschlossen, ist zur Sterilisierung zur Belegung von Oberflachen oder von Innenräumen mit photoaktivem Material.
19. Verwendung von Schäumen, in denen wenigstens eine lichtabsorbierende Substanz eingeschlossen, ist zur, in FeuerlöschungFeuerlösch- Einrichtungen.
20. Verwendung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtabsorbierende Substanz photoreaktiv ist.
21. Verfahren zur Reinigung durch Einsatz von Schaum, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaum eine photochemische Reaktion erfolgt.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die photochemische Reaktion einen Abbau von Verunreinigungen beinhaltet.
23. Verfahren nach einem oder beiden Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass Photokatalysatoren verwendet werden, die zur Abtötung von Mikroorganismen wie Bakterien oder Bazillen geeignet sind.
24. Verwendung von Schäumen, in denen wenigstens eine lichtabsorbierende Substanz eingeschlossen, in einem elektrochemischen System.
25. Verwendung von photokatalytischen Schäumen als Photoelektroden oder in photoelektrochemischen Zellen.
26. Nutzung photokatalytischer Schäume, die durch Zusatz photoaktiver Substanzen zu schäumenden oder zum Schäumen gebrachten Lösungen entstehen, zum Photochemischen oder photokatalytischen Abbau von Substanzen.
27. Nutzung photokatalytischer Schäume, die durch Zusatz photoaktiver Substanzen zu schäumenden oder zum Schäumen gebrachten Lösungen entstehen, zum photochemischen oder photokatalytischen Aufbau von Substanzen.
28. Nutzung photokatalytischer Schäume, die durch Zusatz photoaktiver Substanzen zu schäumenden oder zum Schäumen gebrachten Lösungen entstehen, zur photochemischen oder photokatalytischen Desinfizierung oder Detoxifizierung von Material.
29. Nutzung photokatalytischer Schäume, die durch Zusatz photoaktiver Substanzen zu schäumenden oder zum Schäumen gebrachten Lösungen entstehen, in Kläranlagen oder anderen Anlagen zur Abwasserbehandlung.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9346041B2 (en) 2011-05-31 2016-05-24 Wolfgang Kollmann Production of a catalytically active, metallized reactive foam material and use thereof

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