DE10105427A1

DE10105427A1 - Photochemischer Reaktor

Info

Publication number: DE10105427A1
Application number: DE2001105427
Authority: DE
Inventors: Anatoly Kulak; Dmitry Sviridov; Dieter Meissner
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2002-08-08
Also published as: DE10290351D2; WO2002062465A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photoreaktor, der sparsam aber dennoch besonders wirksam arbeitet. DOLLAR A Dazu besteht der erfindungsgemäße Photoreaktor aus gasgefüllten Glas- bzw. Quarzhohlkörpern, die sich in dem umzusetzenden Medium befinden. Das Gas in den Hohlkörpern wird durch ein äußeres elektromagnetisches Feld angeregt, so daß vorteilhaft das Licht direkt in dem Medium entsteht. Dadurch wird die Effektivität und die chemische Umsetzungsrate regelmäßig gesteigert.

Description

Die Erfindung betrifft einen photochemischen Reaktor sowie dessen Verwendung für photochemische Reaktionen.

Stand der Technik

Gemäß Römpp Chemie Lexikon, Band 4, 1991, ist unter einer primären photochemischen Reaktion die Bildung eines oder mehrerer Radikale oder anderer reaktiver Teilchen aus einem Atom oder Molekül zu verstehen, wenn diese Reaktion durch Absorption eines Photons verur sacht wird. Die Geschwindigkeit einer solchen Reaktion hängt u. a. von der Lichtintensität und der Wellenlänge des Lichtes ab.

Ebenfalls aus Römpp Chemie Lexikon, Band 4, 1991, ist bekannt, daß als Strahlenquellen bevorzugt leistungsfä hige Gasentladungslampen verwendet werden, die Natrium, Xenon oder auch Quecksilber beinhalten. Die Leuchtdich te, der Wellenlängenbereich und die Energieausbeute dieser Lampentypen variiert nicht nur mit der Art des Gases, sondern auch mit den herrschenden Binnendruck verhältnissen.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen weiteren leistungs fähigen und hocheffizienten photochemischen Reaktor zu schaffen. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Photoreaktors be reitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen photochemischen Re aktor mit der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Der anspruchsgemäße photochemische Reaktor nach An spruch 1 weist wenigstens einen mit Gas gefüllten pho tonendurchlässigen Hohlkörper auf. Dieser Hohlkörper kann im einfachsten Fall sphärisch sein. Ein geeigneter Hohlkörper kann aber auch die Form eines Ellipsoids oder eines quaderförmigen oder kubischen Hohlkörpers aufweisen.

Des weiteren sind Mittel vorhanden, ein äußeres elektromagnetisches Feld an den Reaktor anzulegen. Da für geeignete Mittel sind beispielsweise eine Indukti onsspule oder auch Kondensatorplatten.

Vorteilhaft weist der anspruchsgemäße Hohlkörper ein Gas auf, welches bei elektromagnetischer Anregung Pho tonen zu emittieren vermag. Ein solches Gas kann ein reines Gas oder auch ein Gasgemisch sein. Typische Ga se, die bei Anregung Photonen abgeben (emittieren) sind beispielsweise gasförmiges Natrium, gasförmiges Xenon, Quecksilberdampf oder auch Argon gemischt mit Quecksil berdampf. Die Wahl des Gases oder des Gasgemisches so wie dessen Druck im Inneren eines Behälters hängt von der photochemischen Reaktion ab, die in dem Reaktor stattfinden soll und kann von einem Fachmann ermittelt werden. Der Druck des Gases im Inneren eines Behälters liegt typischerweise im Bereich von einigen Torr, z. B. im Bereich von 1-2 Torr.

Der Hohlkörper ist vorteilhaft durchlässig für Photo nen, das bedeutet, er ist aus einem Material, welches Photonen passieren läßt. Vorteilhaft sollte sich der Hohlkörper in einem elektromagnetischen Wechselfeld stabil verhalten, d. h. beispielsweise keine Erwärmung zeigen, Formstabilität aufweisen und nicht porös wer den. Ein, im Sinne der Erfindung, geeigneter Hohlkörper ist z. B. eine Glas- oder Quarzhohlkugel.

Bei dem Verfahren zum Betreiben eines solchen photoche mischen Reaktors wird durch Anlegen bzw. Erzeugung ei nes äußeren elektromagnetischen Feldes an den Reaktor das Gas in den Hohlkörpern angeregt. Dadurch kommt es zu einer Photonenemission.

Das Anlegen eines äußeren Feldes kann beispielsweise durch eine um den Reaktor herumgeführte Induktionsspule bewerkstelligt werden, die mit Wechselstrom gespeist wird. Eine weitere geeignete hochfrequente Anregung ist aber auch durch eine Kondensatorplattenanordnung im In neren des Reaktors möglich. Diese ist ebenfalls an Wechselstrom angeschlossen.

Die Induktionsspule oder die Kondensatorplattenanord nung erzeugen beispielsweise ein hochfrequentes Wech selfeld, durch welches das Gas im Inneren der Behälter angeregt wird. Das angeregte Gas emittiert Photonen, die für die photochemische Umsetzung im Reaktor genutzt werden. Die Umsetzungsrate der Reaktion hängt u. a. von dem eingesetzten Gas, dem Gasdruck sowie der Wellenlän ge der Photonen ab, die das angeregte Gas aussendet. Je nach erwünschter Reaktion sind zusätzliche Mittel vor handen, eine bestimmte Temperatur oder einen Tempera turablauf im Reaktor, beispielsweise durch eine Kühl schlange, sicherzustellen.

Insbesondere wird ein Hochfrequenz-Wechselfeld erzeugt. Unter Hochfrequenz ist insbesondere eine Frequenz im Bereich von einigen kHz bis einigen GHz, insbesondere im Bereich von 100 kHz bis 30 MHz zu verstehen.

Durch eine dichte Packung von kleinen Behältern im Re aktor wird vorteilhaft gewährleistet, daß die vom ange regten Gas emittierten Photonen über eine große Ober fläche und auf kurzem Wege wirksam eine photochemische Reaktion auslösen. Die Effektivität der Reaktion wird dabei regelmäßig mit zunehmender Zahl an Hohlkörpern pro Volumeneinheit des Reaktors gesteigert. Ferner ver größert sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen mit kleiner werdendem Volumen der einzelnen Hohlkörper. Auch dies trägt regelmäßig zu einer verbesserten Effek tivität der photochemischen Reaktion bei.

Spezieller Beschreibungsteil

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Photoelektrochemischer Absorptions-Säulen- Reaktor (PAC-Reaktor) mit einer induktiven Einspeisung

Fig. 2 Photoelektrochemischer Absorptions-Säulen- Reaktor (PAC-Reaktor) mit einer kapazitiven Einspeisung

Der photochemische Reaktor in Fig. 1 erzeugt ein elektromagnetisches Hochfrequenz-Wechselfeld durch eine Induktionsspule 3. Dabei können auf einfache Weise Fre quenzen im Bereich von 100 kHz bis 30 MHz erzielt wer den. Diese Ausgestaltung läßt zudem eine flexible Ges taltung des Reaktoraufbaues zu. Beispielsweise kann ei ne Induktionsspule 3 gegen eine andere mit unterschied licher Windungsanzahl oder einem anderen Querschnitt ausgetauscht werden, ohne daß der innere Aufbau (Hohl körperpackung) des Reaktors geändert werden muß.

In Fig. 2 erzeugt der photochemische Reaktor das elektromagnetische Wechselfeld durch Kondensatorplatten 4. Diese befinden sich vorteilhaft zwischen den Hohl körpern im Inneren des Reaktors. Typische kapazitive Anregungen liegen in dem Bereich von 2 bis 100 MHz.

Ausführungsbeispiel 1

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photoche mischen Reaktors (photoelektrochemischer Absorptions- Säulen-Reaktor = PAC-Reaktor) besteht aus einer zylind rischen Säule mit einem Innendurchmesser von 6 cm und einer Länge von 30 cm. Der Reaktor ist dicht gepackt mit ellipsoiden Quarzbehältern mit einem ersten Durch messer D1 von 1 cm und einem zweiten Durchmesser D2 von ca. 1,25 cm. Eine um die Säule gewickelte Induktions spule mit einem Innendurchmesser von 6,8 cm und 36 Win dungen wird an Wechselstrom angeschlossen und erzeugt ein hochfrequentes Wechselfeld von 2 MHz bei 300 Watt Leistungsaufnahme. Ein spiralförmiger Umlaufkühler hält die Temperatur des Reaktors in einem Bereich von 15 bis 40°C.

Als Reaktion wird der photochemische Abbau von o-Chlorphenol (o-CP) in einer wäßrigen Lösung unter sucht.

Zu Vergleichszwecken wird die Reaktion in einem konven tionellen photochemischen Reaktor (Hg-Lampe, 300 W) durchgeführt.

Abbau von o-CP in % in einer wäßrigen Lösung

Ausführungsbeispiel 2

Der photoelektrochemische Absorptions-Säulen-Reaktor (PAC-Reaktor) besteht aus einer zylindrischen Säule mit einem Innendurchmesser von 2 cm und einer Länge von 30 cm. Der Reaktor ist dicht gepackt mit sphärischen Quarzbehältern mit einem maximalen Durchmesser von 1 mm. Im Inneren des Reaktors befinden sich zwei Kon densatorplatten (0,8 cm × 28 cm), die an Wechselstrom angeschlossen sind und ein hochfrequentes Wechselfeld von 10 MHz bei 300 Watt Leistungsaufnahme erzeugen. Ein spiralförmiger Umlaufkühler hält die Temperatur des Re aktors in einem Bereich von 15 bis 40°C.

Als Reaktion wird wiederum der photochemische Abbau von o-Chlorphenol (o-CP) in einer wäßrigen Lösung unter sucht.

Abbau von o-CP in % in einer wäßrigen Lösung

Legende zu den Figuren

1

Säule des photochemischen Reaktors

2

Hohlkörper, z. B. Quarz-Kugeln

3

induktive Spule

4

Kondensatorplatten

Claims

1. Photochemischer Reaktor (1), dadurch gekennzeichnet,
daß der Reaktor wenigstens einen mit Gas gefüll ten Hohlkörper (2) aufweist, und
daß Mittel (3, 4) vorhanden sind, ein äußeres elektromagnetisches Feld an den Reaktor anzule gen.

2. Photochemischer Reaktor (1) nach vorhergehendem An spruch, mit Mitteln, ein um ein äußeres hochfre quentes Wechselfeld an den Reaktor anzulegen.

3. Photochemischer Reaktor (1) nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch Anregung Photonen zu emittieren vermag.

4. Photochemischer Reaktor (1) nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper für Photonen wenigstens teilwei se durchlässig ist.

5. Photochemischer Reaktor (1) nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum des Reaktors eine Vielzahl von mit Gas gefüllten Hohlkörpern (2) aufweist.

6. Verfahren zum Betreiben eines photochemischen Reak tors (1), mit den Schritten

- an den Reaktor wird eines äußeres elektromagne tisches Feld angelegt,
- mit Gas gefüllte Hohlkörper (2) im Inneren des Reaktors emittieren Photonen in eine Reaktions lösung.

7. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, bei dem ein Wechselfeld als äußeres elektromagnetisches Feld angelegt wird.

8. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselfeld (Hochfrequenz-Wechselfeld) durch eine Induktionsspule (3) erzeugt wird.

9. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselfeld (Hochfrequenz-Wechselfeld) durch Kondensatoren (4) erzeugt wird.

10. Verfahren zum Betreiben eines photochemischen Reak tors nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem das erzeugte Hochfrequenz-Wechselfeld eine Frequenz von 100 kHz bis 100 MHz aufweist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, bei dem die Reaktionslösung die gasgefüll ten Hohlkörper (2) kontinuierlich umströmt.