DE10057722A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Desinfektion von wässrigen Medien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung und Desinfektion von wässrigen Medien. Die Behandlung des Mediums erfolgt in einem Reaktionsraum, in dem ein auf einem Träger aufgebrachter Photokatalysator vorgesehen ist. Durch den Träger und den sich darauf befindlichen Photokatalysator wird das Oxidationsmittel zugegeben. Während der Behandlung des Mediums erfolgt eine UV-Bestrahlung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung und Desinfektion von wässrigen Medien durch Photokatalysatoren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, photoaktive Halbleiter als Katalysatoren bei der Wasserreinigung einzusetzen. Als ein photokatalyti­ scher Halbleiter ist z. B. Titandioxid vortrefflich geeig­ net.

Bei der Reinigung von wässrigen Medien durch UV-Strahlung wird ein Elektron aus dem Valenzband der Katalysatoren herausgebrochen. Das freie Elektron bildet in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff energiereicher Radikale, die uner­ wünschte Stoffe im Wasser oxidativ abbauen.

Es hat sich gezeigt, dass Stoffe, die einem photolytischen Abbau durch direkte UV-Strahlung widerstehen, durch Photo­ katalyse abgebaut werden können.

Bei bekannten Verfahren wird die Katalysatormasse dabei als Suspension dem zu behandelnden Medium zugesetzt, muss aber später wieder entfernt werden. Das führt zu einem großen unerwünschten Anlagen- und Verfahrensaufwand.

Bei einer anderen Verfahrensvariante wird die Katalysator­ masse auf Trägermaterialien, wie Glaswolle, Tonerde, Zeoli­ the oder Aluminiumoxide aufgebracht. Bei dieser Verfahrens­ variante entfällt die aufwendige Entfernung der Suspension aus den behandelten Medien, dafür ist aber die Regeneration der photokatalytisch aktiven Schicht durch das Oxidations­ mittel im kontinuierlichen Verfahren nicht ausreichend gesichert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine gute Regenerierung der aktiven katalytischen Zentren, lange Verweilzeiten des Mediums am Katalysator und hohe Durchsatzraten an zu reini­ genden Medien garantieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Erfindungsgemäß ist die Photokatalysatormasse auf der Oberfläche eines Trägermaterials angeordnet. Das Trägermate­ rial besteht aus porösen Materialien. Vorzugsweise ist der Katalysatorträger als Zylinder ausgebildet, der eine gewell­ te, vorzugsweise spiralförmige äußere Oberfläche aufweist. Diese gewellte Form des Katalysatorträgers erstreckt sich über die gesamte Höhe des Quarzrohres, das im Inneren der Vorrichtung angeordnet ist und den Reaktorraum darstellt.

Die Katalysatormasse ist gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt. Durch die Windungen des Katalysatorträ­ gers wird zum einen eine sehr große Oberfläche für den Katalysator geschaffen und zum anderen eine längere Verweil­ zeit des zu reinigenden Mediums an der katalytischen Ober­ fläche erreicht.

Die Oberfläche des Trägermaterials ist mit dem Filterein­ satz einer bekannten Glasfritte zu vergleichen. Die Poren­ größe lässt sich auf das gewünschte Maß durch das eingesetz­ te poröse Material einstellen, ebenso ist durch die Wahl der Korngröße des Ausgangsmaterials für den Träger die Porengröße zu beeinflussen.

Als Material für den Träger kann geschäumtes Polymermate­ rial, Glas, Quarz, poröses Metall oder Metalloxid u. ä. eingesetzt werden.

Der zylindrische Trägerkörper hat eine Innenbohrung, durch die das Oxidationsmittel in die Vorrichtung eingegeben wird. Als Oxidationsmittel können die üblichen für diesen Zweck bekannten Gase oder Flüssigkeiten, wie Ozon, Wasser­ stoffperoxid in Betracht gezogen werden.

Das Oxidationsmittel gelangt durch die poröse Struktur des Trägers von innen an die katalytischen Zentren der durch Bestrahlung angeregten Oberfläche. Dadurch wird ein gutes Zusammenwirken von katalytischem Material und Oxidationsmit­ tel erreicht.

Durch das Oxidationsmittel im Zusammenhang mit der UV-Strah­ lung kommt es am Photokatalysator in dem zu behandelnden Medium zur Generierung von Radikalen, die für den oxidati­ ven Abbau der im Medium enthaltenen Schadstoffe sorgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Metall­ mantel, der ein Rohr aus Quarz umgibt. Im Ringraum zwischen Metallmantel und dem Rohr aus Quarz sind gleichmäßig um den Umfang und über einen Teil oder die gesamte Höhe des Quarz­ rohres UV-C-Strahler angeordnet. Im Quarzrohr ist der zylinderförmige oder schneckenförmige Träger aus porösem Ma­ terial mittig angeordnet. Ebenso kann als Träger ein Zylin­ der mit Längsrillen eingesetzt werden. Der Träger weist eine schneckenförmige äußere Oberfläche auf, die sich über die gesamte Länge des zylinderförmigen Trägers erstreckt. Bei der Reinigung und/oder Desinfektion durchströmt das Medium die erfindungsgemäße Vorrichtung von unten nach oben durch den sich zwischen Quarzrohr und in diesem angeordne­ ten zylindrischen Träger für den Photokatalysator ergebenen inneren Reaktionsraum. Das gereinigte Medium verlässt die Vorrichtung am oberen Ende. Sie wird in einem nachgeschalte­ ten Behälter geleitet, in dem das restliche Oxidationsmit­ tel ausgetrieben wird. Es kann vernichtet oder aber in den Kreislauf des Oxidationsmittels wieder eingegeben werden.

Das Oxidationsmittel, z. B. ozonisierter Sauerstoff oder ozonisierte Luft kann in einem äußeren Reaktionsraum, der sich zwischen Metallmantel und dem Rohr aus Quarz befindet, aus Sauerstoff oder Luft durch UV-Strahlung gebildet wer­ den.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Beispiels in Verbindung mit den Figuren näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema der gesamten Anlage

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in perspektivi­ scher Ansicht

Fig. 3 einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung

Fig. 4 einen Teilausschnitt in vergrößerter Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 5 den zylinderförmigen porösen Trägerkörper für den Photokatalysator.

Wie aus Fig. 1 bis 3 zu ersehen, setzt sich die Anlage zur Reinigung wässriger Medien aus der erfindungsgemäßen Vor­ richtung 1 und dem Ausgasbehälter 2 zusammen.

Die Vorrichtung 1 besteht aus dem Metallmantel 7, dem übereinander und gleichmäßig um das Quarzrohr 8 angeordne­ ten UV-C-Strahlern 9. Im Quarzrohr ist zentrisch der zylin­ derförmige poröse Träger 10 mit der photokatalytischen Oberfläche vorgesehen. Der zylindrische Träger 10 besitzt eine zur Vergrößerung der Oberfläche 11 eine schneckenförmi­ ge Gestalt.

Das Oxidationsmittel, hier Druckluft oder Sauerstoff, wird bei 3 in die erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in den äußeren Reaktionsraum 4 eingeleitet, um ozonisierte Luft oder ozonisierten Sauerstoff durch UV-Bestrahlung zu bilden. Das so gebildete Oxidationsmittel wird durch Auslass 5 über eine Gassteuerung mit Rückschlagventil der Bohrung 6 im Träger 10 zugeleitet.

Das zu behandelnde Medium wird von unten in den inneren Reaktionsraum 12 geleitet. Im Reaktionsraum 12 wird durch das Zusammenwirken des Photokatalysators, dem UV-Licht und das durch den porösen Träger 10 feinblasig eingebrachte Oxi­ dationsmittel das Medium durch äußerst reaktionsfreudige Hydroxylradikale von den Schadstoffen gereinigt.

Neben dem im Reaktionsraum 12 gebildeten Oxydationsmittel kann zusätzlich oder anstelle dieses Oxydationsmittels auch Wasserstoffperoxid eingesetzt werden.

Das behandelte Medium wird dem Ausgasungsbehälter 2 zuge­ führt, wo das nichtverbrauchte Oxidationsmittel aus dem behandelten Medium entfernt wird. Aus dem Ausgasungsbehäl­ ter 2 wird das saubere Medium abgezogen.

In Fig. 4 wird in vergrößerter Ansicht ein Teilausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. Das Oxidations­ mittel 13 tritt nach Einführung durch Bohrung 6 durch die poröse Oberfläche des Trägers 10 feinblasig aus und kommt mit der photoaktiven Katalysatorschicht 14 an der Oberflä­ che des Katalysators in Kontakt. Dort werden die im Medium enthaltenen Schadstoffe unter Mitwirkung der UV-Strahlung 9 durch Photokatalyse abgebaut.

Fig. 5 zeigt den porösen zylinderförmigen Träger 10. Er wird oben und unten durch die Halterung 15 zentrisch in dem in dieser Figur nicht gezeigten Quarzrohr 8 gehalten.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Trägers 10 wird zum einen eine große Oberfläche für die Katalysatorsub­ stanz geschaffen und zum anderen eine große Kontaktzeit an der Katalysatoroberfläche für das zu reinigende Medium erreicht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Reinigung und Desinfektion von wässrigen Medien mit gasförmigen und/oder flüssigen Oxidationsmit­ teln, dadurch gekennzeichnet, dass der Photokatalysator auf der Oberfläche des porösen Trägermaterials aufgetra­ gen ist, das Oxidationsmittel durch den porösen Träger zur lichtangeregten Katalysatoroberfläche feinblasig eingebracht wird und das zu behandelnde Medium im Gleich­ stromprinzip zugeführt und die äußere Oberfläche des mit dem Photokatalysator bedeckten Trägermaterials und das zu behandelnde Medium von gleichmäßig um den Reaktor an­ geordneten UV-C-Strahlern bestrahlt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter mit Metallmantel (7) ein Quarzrohr (8) für das zu behan­ delnde Medium vorgesehen ist, zwischen diesen übereinan­ der und gleichmäßig um das Quarzrohr (8) verteilt UV-C-Strahler (9) angeordnet sind und mittig im Quarz­ rohr (8) ein Träger (10) für den Photokatalysator (14) fixiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) aus porösem Material besteht und in Zylinderform mit schneckenförmiger äußerer Oberfläche (11) ausgestaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Träger (10) aus porösem Material besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Träger (10) aus porösem Metall besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Träger (10) aus porösem Metalloxid be­ steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Träger (10) aus porösem Quarz besteht.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger (10) eine Bohrung (6) für die Zuführung des Oxidationsmittels vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die zentrische Anord­ nung des zylinderförmigen Trägers (10) im Quarzrohr (8) am oberen und unteren Ende Halterungen (15) vorgese­ hen sind.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen äußerem Metallmantel (7) und Quarzrohr (8) als Reaktionsraum zur Bildung des Oxidationsmittels dient.