DE102005035951A1

DE102005035951A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und/oder Sterilisierung von Luft mittels Ozon

Info

Publication number: DE102005035951A1
Application number: DE102005035951A
Authority: DE
Inventors: Klaus Nonnenmacher
Original assignee: Nonnenmacher Klaus Dipl-Ing Prof
Current assignee: Nonnenmacher Klaus Dipl-Ing Prof
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung oder Sterilisierung von Luft, bei dem in einem Reaktor (1; 11; 101) eine Silikagelpackung (3; 13; 103) befeuchtet und mit UV-Licht zumindest einer Wellenlänge von 240-270 nm bestrahlt wird und die zu reinigende oder zu sterilisierende Luft in diese feuchte Silikagelpackung (3; 13; 103) eingeleitet und durch sie hindurchströmen gelassen wird, nachdem der Luft zuvor feuchtes Ozongas zudosiert worden ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ebenfalls eine für das Verfahren verwendete Vorrichtung, bei der ein Reaktor (1; 11; 101) mit einem Einlaß (5; 15; 105) für die zu reinigende Luft und für feuchtes Ozongas, und einem Auslaß (7; 17; 107) für die behandelte Luft versehen ist, wobei der Reaktorinnenraum eine Packung aus feuchtem Silikagel (3; 13; 103) und zumindest eine UV-Lampe (9) oder UV-Paneele (19; 109) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung und/oder Sterilisierung von Luft, insbesondere Abluft, mittels Ozon, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und dessen bevorzugte Verwendungen.

Die Reinigung und Sterilisierung von Luft ist schon seit geraumer Zeit ein Anliegen der industriellen Forschung, da es bekannt ist, daß z. B. Rest-Kondenswasser in Klimaanlagen ein Ort für Schimmelbildung und Bakterienwachstum ist, so daß es dazu dient, die mit der Atemluft von Menschen aus den klimatisierten Räumen zugeführten Viren und Bakterien zu sammeln und bei nächster oder weiterer Inbetriebnahme wieder über den klimatisierten Raum oder die Gesamtheit der klimatisierten Räume zu verteilen.

In neuerer Zeit hat das Feld dieser industriellen Forschung aber noch erhebliche zusätzliche Bedeutung gewonnen, weil durch den Virus SARS der ungünstige Einfluß nicht gereinigter und/oder sterilisierter Luft von Klimaanlagen, z. B. in Flugzeugen erkannt worden ist. Für die Verbreitung dieses Virus wie auch anderer Viren und Bakterien bedarf es gar nicht mehr der Übertragung durch Ansteckung bei anderen Menschen, Klimaanlagen transportieren den Virus SARS oder andere Viren und Bakterien in alle Länder der Welt, und Passagiere nehmen den Virus durch Hinzusteigen in die Flugzeugkabinen oder andere Räume von Transportmitteln auf.

Bedeutsam ist die Verbreitung von Viren und Bakterien sowie die Schimmelbildung auch in den Klimaanlagen von Krankenhäusern, da hier die Viren- und Bakterienkonzentration bekanntermaßen recht hoch ist. Aber auch die Klimaanlagen von Hotels sind in diesem Zusammenhang zu nennen. Es gibt immer weniger Hotels, deren Räume nicht durch eine zentrale Klimaanlage temperiert werden. Dies gilt ganz besonders für Hotels in heißen oder feuchtheißen Regionen, wie sie z. B. in Asien häufig zu finden sind.

Es sind auf diesem technischen Gebiet schon eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, welche bei der Reinigung oder Sterilisierung von Luft Ozon einsetzen. Diese Verfahren oder Vorrichtungen sind jedoch teilweise kompliziert und aufwendig in der Konstruktion, wodurch sie für den Einsatz in der Praxis oft zu teuer werden, oder sie weisen andere Nachteile auf.

Grundsätzlich sind nach dem Stand der Technik bei dem Einsatz von Ozon und dem damit verbundenen Einsatz von UV-Strahlung folgende Reaktionsmechanismen bekannt:
Bei einer Wellenlänge von <185 nm wird molekularer Sauerstoff (O₂) in Sauerstoffradikale aufgespalten: O2 + UV (<185 nm) → O* + O* (1)

Die so gebildeten Sauerstoffradikale reagieren ihrerseits wieder mit molekularem Sauerstoff unter Bildung von Ozon: O2 + O* → O3 (2)

Das so gebildete Ozon kann nun unter dem Einfluß von UV-Licht einer Wellenlänge von etwa 254 nm wieder in ein Sauerstoffradikal und molekularen Sauerstoff gespalten werden: O3 + UV (ca. 254 nm) → O* + O2 (3)

Das so gebildete Sauerstoffradikal steht nun zur Verfügung, um mit Wasser zu zwei Hydroxylradikalen zu reagieren: O* + H2O → 2 OH* (4)

Das freie Sauerstoffradikal kann aber gleichzeitig auch mit molekularem Sauerstoff wieder zu Ozon reagieren: O* + O2 → O3 (5)

Auch das in der zu reinigenden Luft als Feuchtigkeit enthaltene Wasser kann mit UV-Licht einer Wellenlänge <185 nm unter Bildung von Radikalen reagieren: H2O + UV (< 185 nm) → OH* + H* (6)

Durch die WO-A-02/078754 ist eine Vorrichtung zur Reinigung von Luft mittels Ozon bekanntgeworden, bei welcher die oben geschilderten Prinzipien ausgenutzt werden und UV-Licht einer Wellenlänge UV 1 (< 185 nm), einer zweiten Wellenlänge UV2 (im Bereich von 185-300 nm, wobei hier die Ausführungsbeispiele 254 nm nennen) und einer dritten Wellenlänge UV3 (> 300 nm) kombiniert werden, um nach den oben genannten unterschiedlichen Reaktionsmechanismen Ozon oder Folgeprodukte zu erzeugen und für die Luftreinigung einzusetzen.

Dazu befindet sich mittig in einem längsgestreckten, insgesamt eine UV-Kammer bildenden dielektrischen Körper eine UV-Lampe, welche sich im mittleren Bereich des dielektrischen Körpers in seiner Längsrichtung erstreckt und um sich herum einen freien Ringkanal bildet, durch den über einen Einlaß an der einen Schmalseite zu reinigende Luft einströmt. Von dem ringförmigen Kanal in Richtung auf die Außenwandung, quer zur Längsrichtung des dielektrischen Körpers, sind nun mehrere Schichten aufeinanderfolgend angeordnet, beginnend mit einem inneren Gitter, das bereits um die UV-Lampe angeordnet ist und damit ihre zusätzliche Außenwandung in Richtung auf den ringförmigen Luftkanal bildet, einem Drahtgitter, das die innerste der Schichten im Anschluß an den Luftkanal bildet, woran sich dann in Richtung auf die Außenwand der eigentliche ringförmige dielektrische Körper anschließt, der wieder mit einer Umhüllung in Form einer Gittermanschette umgeben ist, woran sich ein Teilchenfilter wieder in ringförmiger Anordnung anschließt, und als letztes ein Filter für die Absorption chemischer Substanzen die ringförmig angeordneten Schichten abschließt. Eine Spannungsquelle wird zum einen mit dem die UV-Lampe umgebenden Drahtgitter und dem weiteren Drahtgitter sowie der Gittermanschette verbunden, welche die jeweiligen Schichten des dielektrischen Körpers umhüllen. Durch Anlegen einer Spannung und das sich dadurch ergebene elektrische Feld soll der Durchfluß der Teilchen verzögert und dadurch die Zeit verlängert werden, in welcher diese Teilchen dem UV-Licht ausgesetzt sind. Zusätzlich soll dadurch die elektrostatische Anziehung der Teilchen hin zu den äußeren Filtern vergrößert und dadurch die Filtration der Teilchen verbessert werden.

Die Reinigung der Luft erfolgt nach dem Prinzip, daß durch UV-Strahlung erzeugtes Ozon und ebenso bei UV-Licht von 185 nm erzeugte Hydroxylradikale in Gegenwart von in der Luft vorhandener Feuchtigkeit Viren, Bakterien und/oder weitere Verunreinigungen, wie Schimmel oder Hefen, zerstören. Die reaktiven Teilchen spalten die organischen Strukturen, so daß z. B. Bakterien und Viren spontan abgetötet werden. Ursächlich für die Reinigungswirkung ist die eingesetzte UV-Strahlung und ihre Intensität. Dabei wird gemäß der WO-A-02/078754 lediglich die in der Luft bereits vorhandene Feuchtigkeit ausgenutzt. Eine weitere Zufuhr von Feuchtigkeit oder Wasserdampf erfolgt nicht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung und/oder Sterilisierung von Luft bereitzustellen, wodurch gegenüber dem Stand der Technik eine einfachere und damit kostengünstigere Durchführung unter gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Reinigung und/oder Sterilisierung von Luft, insbesondere Abluft, bei dem in einem Reaktor eine Packung bzw. Schüttung von Silikagel befeuchtet und mit UV-Licht zumindest einer Wellenlänge von 240-270nm bestrahlt wird, und die zu reinigende und/oder zu sterilisierende Luft in diese feuchte Silikagelpackung eingeleitet und durch sie hindurchströmen gelassen wird, nachdem der Luft zuvor feuchtes Ozongas zudosiert worden ist.

Die reinigende bzw. sterilisierende Wirkung von Ozon wird erfindungsgemäß dadurch erheblich gesteigert, daß ausreichend Wasser gasförmig, d.h. als Wasserdampf zur Verfügung gestellt wird. Dadurch entstehen auch bei der Verwendung von UV-Licht des einen Wellenlängenbereiches von etwa 240-270nm gemäß der bereits weiter oben angegebenen Reaktionsgleichung (4) Hydroxylradikale (OH*) in ausreichender Konzentration. Handelsüblich erhältliche UV-Lampen weisen in der Regel eine Emission bei etwa 254nm auf. Des weiteren werden Hydroxylradikale bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen ausreichenden Vorhandensein von Wasserdampf auch durch folgende Sekundärreaktion gebildet: O3 + H2O → 2 OH* + O2 (I)

Dadurch, daß für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits das UV-Licht nur eines Wellenlängenbereiches ausreichend ist, steht dem Anwender ein breites Spektrum der in diesem Bereich emitierenden UV-Lampen kostengünstig zur Verfügung. Dabei emitieren die handelsüblich erhältlichen UV- Lampen, die den Wellenlängenbereich von 240-270 nm zuzuordnen sind, in der Regel bei einer Wellenlänge von 254 nm.

Die Verwendung von Silikagel als Packungsmaterial des Reaktors ist deshalb besonders wirksam, weil Silikagel einerseits einen sehr hohen Transmissionsgrad für das eingestrahlte UV-Licht aufweist, und andererseits in der Lage ist, das zugeführte feuchte Ozongas und die daraus durch UV-Bestrahlung gebildeten reaktiven Radikale in hohem Maß zu speichern, um so die durch die Hohlräume der Silikagelpackung strömende Luft wirksam und unter Ausnutzung der durch die einzelnen Silikagelteilchen bereitgestellten hohen Oberfläche zu reinigen. Dadurch, daß die Silikagelpackung befeuchtet, d.h. in feuchtem Zustand verwendet wird, kann in den Poren der Quarzkörner des Silikagels befindliches Wasser stets ausreichend für die Bildung neuer Hydroxylradikale zur Verfügung gestellt werden, bei gleichzeitig gewährleisteter hoher Reaktionsoberfläche.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher eine möglichst hohe Konzentration an Hydroxylradikalen zur Verfügung gestellt und damit das Reinigungsverfahren in seiner Wirksamkeit gegenüber dem Stand der Technik erheblich gesteigert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zusätzlich UV-Licht des Wellenlängenbereichs < 190nm verwendet werden. Handelsüblich erhältliche Lampen emitieren dabei z. B. in einem Wellenlängenbereich von ca. 184 nm. Dabei sind UV-Lampen kommerziell erhältlich, die sowohl bei der Wellenlänge von 254 nm als auch bei 184 nm emitieren. Durch die zusätzliche Bereitstellung des Wellenlängenbereiches < 190nm kann die Konzenration an Hydroxylradikalen noch einmal gesteigert werden, weil neben der Produktion sekundärer Hydroxylradikale im Wellenlängenbereich von 240-270 nm nun auch primäre Hydroxylradikale in dem Wellenlängenbereich < 190 nm gebildet werden können.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Ozongas wird beispielsweise aus Sauerstoff oder Sauerstoffmischungen durch stille elektrische Entladung hergestellt.

Feuchtes Ozongas wird durch Dosieren von Wasser zu dem Ozongas erhalten, wobei die Dosierung des Wassers über verschiedenste gängige Verfahren erreicht werden kann. Darunter sind Ultraschallzerstäuben, Kontaktwäsche oder die Verwendung von Sprühdüsen exemplarisch zu nennen.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das feuchte Ozongas der Silikagelpackung im Reaktor unter erhöhter Temperatur zugeführt. Zur Ausnutzung eines optimalen Wirkungsgrades ist dabei eine Temperatur von etwa 140-160°C ausreichend, wenn eine UV-Lampe mit einem Emissionsbereich von 240-270 nm verwendet wird, und vorzugsweise ist eine Temperatur von weniger als 100°C, besonders bevorzugt 80°C ausreichend, wenn eine oder zwei UV-Lampen eingesetzt werden, die sowohl den genannten UV-Wellenlängenbereich als auch den Bereich < 190 nm abdecken.

Die Aufgabe wird ebenso gelöst durch eine Vorrichtung zur Reinigung und/oder Sterilisierung von Luft, bei der ein Reaktor mit einem Einlaß für die zu reinigende Luft und für feuchtes Ozongas, und einem Auslaß für die behandelte Luft versehen ist, wobei der Reaktorinnenraum eine Packung aus feuchtem Silikagel und zumindest einen UV-Strahler bzw. eine UV-Lampe oder eine -Paneele aufweist.

Bevorzugt sind in der Silikagelpackung mehrere UV-Lampen bzw. gleichwertig dazu eine oder mehrere UV-Paneelen vorhanden, die konzentrisch in der Silikagelpackung angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß in jedem Spalt und Hohlraum zwischen den einzelnen Silikagelteilchen eine nahezu gleiche UV-Intensität herrscht.

Wenn die Reinigung und/oder Sterilisierung von Luft unter erhöhter Temperatur durchgeführt wird, kann zur Energieeinsparung vorgesehen sein, daß der Reaktor mit einem Wärmetauscher verbunden ist. Vorzugsweise ist hier ein rekuperativer Wärmetauscher zu nennen, mittels dessen die aus dem Reaktor austretende Luft gekühlt und dadurch die in den Reaktor eintretende Luft aufgeheizt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können zur Reinigung und Sterilisierung von Luft in Luftumwälzungsanlagen verwendet werden. Hierbei sind Klimaanlagen in Häusern, wie Krankenhäusern und sonstigen großen Einrichtungen, beispielsweise Hotels, und Transportmitteln, wie Flugzeugen zu nennen.

Das Verfahren und die Vorrichtung stehen darüber hinaus noch einer Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten zur Verfügung. Dazu gehören die Abgasreinigung und/oder besonders das weite Feld der Geruchsbeseitigung, z. B. in Kläranlagen, vielen Bereichen der Lebensmittelindustrie und der chemischen Industrie.

Vertreter aus der Gruppe besonders geruchsbelästigender Stoffe in der Lebensmittelindustrie, die beseitigt werden können, sind z. B. die Alkanthiole oder Mercaptane, die bei Abbau- und Fäulnisprozessen von organischem Material frei werden. Als weitere Vertreter solcher geruchsbelästigender Stoffe sind exemplarisch auch noch die Amine, allen voran das Methylamin zu nennen, die für die starke Geruchsbelästigung in der Fisch- und fischverarbeitenden Industrie verantwortlich sind.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1a: einen schematisch und im Schnitt dargestellten Reaktor für die Durchführung des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens unter Verwendung von UV-Lampen;
1b: den schematisch und im Schnitt dargestellten Reaktor nach 1a, jedoch in einer um 90° gedrehten Ebene;
2a: einen schematisch und im Schnitt dargestellten Reaktor für die Durchführung des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens unter Verwendung einer UV-Paneele;
2b: den schematisch und im Schnitt dargestellten Reaktor nach 2a, jedoch in einer um 90° gedrehten Ebene;
3: einen Vergleich der Transmission von UV-Strahlung beim Durchgang durch eine Packung von feuchten Silikagelteilchen im Vergleich zur Strahlungsemission ohne feuchte Silikagelteilchen und dem daraus resultierenden erfindungsgemäßen UV-Gewinn;
4: jeweils ein Reaktionsschema für den oxidativen Abbau eines Olefins und eines Aromaten (Phenol) durch Ozon nach dem Criegee-Mechanismus;
5: ein Reaktionsschema des oxidativen Abbaus eines einfachen Kohlenwasserstoffs (Methan) unter der Einwirkung von Ozon zu CO₂;
6: die Darstellung der Bildung von Hydroxylradikalen aus Ozon mit dem darauffolgenden oxidativen Abbau eines Kohlenwasserstoffs;
7: eine schematische teilweise geschnittene Aufsicht auf den Reaktor, gekoppelt mit einem rekuperativen Wärmetauscher ;
8: eine schematische teilweise geschnittene Aufsicht auf einen rekuperativen Wärmetauscher mit einer Reaktionskammer zur Zerstörung von Ozon, wie gemäß der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2004 051 945.5 bereits bekannt.
Beispiel I
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein in 1 dargestellter, insgesamt mit (1) bezeichneter Reaktor mit einer Schüttung aus Silikagel (3) eines hohen Feuchtigkeitsgehalts verwendet. Dazu ist das Silikagel mit Wasser in Höhe von ca. 25% seines Trockengewichts beladen. Dies kann erreicht werden, weil Silikagel, wie an sich grundsätzlich alle Gele, eine sehr große innere Oberfläche aufweist, die für das hohe Aufnahme- oder Adsorptionsvermögen im Hinblick auf das Wasser verantwortlich ist.
Der Reaktor (1) weist Einlässe (5) für die zu reinigende und/oder zu sterilisierende Luft auf, deren Fließrichtung durch Pfeile (5') angegeben ist. Die in dem Reaktor (1) behandelte Luft verläßt den Reaktor wieder durch ebenso vorgesehene Auslässe (7). Die Fließrichtung der behandelten, den Reaktor (1) verlassenden Luft ist wieder durch Pfeile 7' angedeutet. Eine alternative Strömungsrichtung wird durch die in Klammern gesetzten Pfeile angedeutet.
In dem Reaktor sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel UV-Lampen (9) konzentrisch angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei UV-Lampen (9) in Form von Quecksilber-Niederdrucklampen vorgesehen, die eine Emission sowohl bei einer UV-Wellenlänge von ca. 254 nm als auch von ca. 184 nm aufweisen. Die UV-Strahlung kann gut in und durch die Schüttung aus dem Silikagel (3) ein- und durchtreten, da das Silikagel (3) ein Lichtleiter für UV-Strahlung einer Wellenlänge von 254 nm und auch <190 nm ist.
Da die Intensität einer Quecksilber-Niederdrucklampe im Bereich von 184 nm deutlich geringer ist als bei 254 nm, kann alternativ auch für den UV-Bereich von 240-270 nm, insbesondere ca. 254 nm eine Quecksilber-Niederdrucklampe und zusätzlich eine Xe₂-Excimerenlampe mit einer UV-Emission im Bereich von ca. 172 nm verwendet werden. Dabei ist darauf zu achten, daß die Excimeren-Lampe in Fließrichtung der durch den Reaktor strömenden Luft angeordnet wird. Die Intensität der Excimeren-Lampe ist bei 172 nm deutlich höher als die der Queck silber-Niederdrucklampe bei 184 nm. Auch dadurch kann die Wirksamkeit der Luftreinigung und -sterilisierung noch erhöht werden.
Bei der Durchführung des Reinigungs- bzw. Sterilisierungsverfahrens sind des weiteren zwei mögliche Betriebsformen zu unterscheiden. Wenn der Reaktor nur mit UV-Lampen (9) in dem Wellenlängenbereich von 240-270 nm, d.h. insbesondere bei der Wellenlänge von ca. 254 nm arbeiten soll, dann wird die Temperatur im Reaktor durch eine elektrische Regelung, die vorliegend nicht näher dargestellt ist, auf etwa 150°C eingestellt.
Wenn der Reaktor aber mit UV-Lampen (9) arbeitet, die bei beiden Wellenlängen, d.h. einmal bei Wellenlängen < 190 nm und zum anderen in dem Wellenlängenbereich von 240-270 nm emittieren, dann ist es für ein optimales Ergebnis ausreichend, den Reaktor bei einer Temperatur von ca. 80°C zu betreiben. Die Temperaturen sind jeweils so gewählt, daß die Zerfallsenergie von Ozon zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrads durch die jeweils eingestellte Betriebstemperatur ergänzt wird.
Über die Verwendung eines rekuperativen Wärmetauschers ist es möglich, diese Reaktionstemperatur jeweils in etwa konstant zu halten, ohne zusätzlich elektrisch heizen zu müssen. Die Wirkungsweise des rekuperativen Wärmetauschers wird weiter unten noch gesondert beschrieben.
Durch die Emission der UV-Lampen (9) wird das ebenfalls über die anhand der Pfeile (5') dargestellten Einlässe (5) in den Reaktor eingeführte feuchte Ozongas in den von den Silikagelteilchen gebildeten Hohlräumen und Spalten in der Packung photolysiert. Das Ozongas weist dabei eine relative Feuchte von etwa 100% auf und wird in an sich bekannter Weise dadurch hergestellt, daß das Wasser wahlweise mittels Ultraschallzerstäuben, Kontaktwäsche oder durch Sprühdüsen zudosiert wird. Die Ozonkonzentration beträgt etwa 180 g O₃/m³ und ist damit sehr hoch gewählt.
Damit die UV-Strahlung nicht von dem zudosierten Ozongas absorbiert wird, ist/sind die UV-Lampe(n) in dem Reaktor (1) in innigen Kontakt mit dem Silika gel gebracht, so daß die UV Strahlung (254 nm) in die Schüttung aus dem Silikagel (3) eindringen und transmittiert werden kann.
Die erfindungsgemäß hohe Ozonkonzentration wird mittels der UV-Emission bei einer Wellenlänge von 254 nm, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung für das Eintreten des erfindungsgemäßen Erfolgs ausreichend ist, oder wahlweise durch entsprechende Wahl der Lampen und dadurch zusätzliche UV-Emission im Wellenlängenbereich von ca. 185 nm oder allgemein von < 190 nm langsam in atomaren Sauerstoff gespalten:
Außerdem entsteht durch katalytische Spaltung von Ozon H₂O₂ (Wasserstoffperoxid), eine Reaktion, die in der Gasphase nicht möglich ist. Das H₂O₂ wird seinerseits mittels der UV-Strahlung von 254 nm und aufgrund des hohen Feuchtigkeitsgehalts in der Schüttung des Silikagels (3) gespalten:
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Gegenwart von ausreichend Wasser können somit Hydroxylradikale entstehen, die spontan mit Kohlenwasserstoffen (R) reagieren: R + HO* → R* + H2O (IV)
Der Bildung der Hydroxylradikale kommt bei der erfindungsgemäßen Reinigung bzw. Sterilisierung von Luft eine erhebliche Bedeutung zu. Mit der Bildung des OH*-Radikals wird eine Kettenreaktion in Gang gesetzt, die es erlaubt, sehr große Mengen von Ozon zu spalten, und dadurch können auch große Konzentrationen organischer Substanzen gespalten und unschädlich gemacht werden.
Während die oben unter (I) – (III) dargestellten Reaktionsschritte als Initiierungsreaktionen angesehen werden können, wird die eigentliche, die Reinigung oder Sterilisierung der Luft bewirkende Kettenreaktion über folgende Reaktionsgleichung beschrieben: 2 O3 + H2O2 → 2 HO* + 3 O2 (V)
Es wurde erstaunlicherweise während Untersuchungen zu der Reaktionsgeschwindigkeit festgestellt, daß aufgrund der dargestellten Kettenreaktion ca. 99% des Ozons innerhalb von 1 Sekunde abgebaut werden. Daraus folgt, daß in dem erfindungsgemäß verwendeten feuchten Silikagel (3) Reaktionsgeschwindigkeiten erreicht werden können und erreicht werden, wie sie sonst nur in flüssigem Wasser zu beobachten sind.
Durch die Rekombination von zwei Hydroxylradikalen entsteht zusätzliches Wasserstoffperoxid (H₂O₂), das seinerseits in den Silikagelteilchen gespeichert werden kann. Dieses Wasserstoffperoxid kann wiederum nutzbar gemacht werden, um Ozon zu spalten und weitere Hydroxylradikale zu bilden:
Grundsätzlich rekombinieren die OH*-Radikale dann, wenn kein Kohlenwasserstoff (R) als Reaktand vorhanden ist, und das H₂O₂ wird in dem Silikagel (3) gespeichert. Aufgrund der hohen Wasserkonzentration in dem Reaktor (1) und bedingt dadurch, daß ständig Energie durch UV-Strahlung (254 nm) zugeführt und absorbiert wird, steigt der gespeicherte Peroxidgehalt und erhält sich.
Ist ein Reaktand (R) vorhanden, ergibt sich eine Kettenreaktion, bei der das hierfür benötigte OH*-Radikal zurückgebildet wird. Für diese Rückbildung ist die UV-Strahlung (254 nm) weiterhin erforderlich.
Die während der Reaktion gebildeten Kohlenwasserstoffradikale reagieren mit Sauerstoff wie folgt weiter: R* + O2 → RO2 → CO2 + H2O (V)
Der für die Abreaktion der Kohlenwasserstoffradikale benötigte Sauerstoff wird direkt bei der in Gleichung (V) angegebenen Kettenreaktion gebildet und zumindest teilweise auch aus der hydrolytischen Spaltung des Wassers nach dem in Gleichung (II) angegebenen Reaktionsschema erhalten. Diese hydrolytische Spaltung von Wasser läuft in dem Reaktor neben den weiteren genannten Reaktionen ab.
Unter den hier allgemein mit R bezeichneten Kohlenwasserstoffen ist allgemein organisches Material, wie z. B. Viren, Bakterien, Hefen, Schimmel oder allgemein Proteine und Lipide als deren Bausteine zu verstehen, die mittels des Ozons zerstört werden.
Es hat sich gezeigt, daß die Silikagelteilchen einen idealen Zwischenspeicher für das zugeführte wie das bei der Abreaktion der Kohlenwasserstoffradikale gebildete Wasser darstellen. Des weiteren wurde durch Versuche herausgefunden, daß die Bildung der Kohlenwasserstoffradikale, der Hydroxylradikale aus dem Wasserstoffperoxid und der Abreaktion der Kohlenwasserstoffradikale zu CO₂ zum Stillstand kommt, wenn das Silikagel trocken wird.
Die Kettenreaktion kommt des weiteren zum Stillstand, wenn die Ozonzufuhr beendet oder die gesamte, gebildete OH*-Konzentration für die Oxidation der Kohlenwasserstoffe verbraucht und somit nicht genügend Ozon zudosiert wird. Wenn die Kettenreaktion läuft, ist bereits das Vorhandensein von einem OH*-Radikal ausreichend, um die gesamte angebotene Ozonmenge ständig umzusetzen. Die übrigen OH*-Radikale stehen für die Oxidationsreaktion zur Verfügung. Tabelle 1 zeigt noch einmal anschaulich die eingesetzte hohe Ozondosis und im Gegensatz dazu die aufgrund der erreichten hohen OH*-Radikalbildung und ho hen Umsatzrate von UV-Strahlung im Bereich von 254 nm ohne jeglichen Katalysatoreinsatz erzielte äußerst geringe Restozonbelastung der behandelten Luft an den Auslässen (7). Tabelle 1:
Beispiel II
Der in den 2a, 2b dargestellte Reaktor (11) weist ebenso eine Schüttung aus Silikagel (13) und Einlässe (15) für die zu reinigende Luft auf, deren Fließrichtung durch Pfeile (15') dargestellt ist, und Auslässe (17) für die behandelte Luft, deren Fließrichtung die Pfeile (17') markieren. Daher sind die Bezugsziffern gleich wie in Beispiel 1, jedoch um 10 erweitert gewählt.
Der Reaktor (11) gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Reaktor (1) des ersten Ausführungsbeispiels nur dadurch, daß die UV-Lampe (19) in Form einer Paneele in der Schüttung aus dem Silikagel (13) angeordnet ist. Die hier dargestellte Fließrichtung (15', 17') der zu reinigenden und der behandelten Luft ist grundsätzlich auch bei der Ausführungsform gemäß Beispiel 1 als Alternative möglich.
In 3 sind die Ergebnisse von Transmissionsmessungen der UV-Strahlung in einer Packung von feuchtem Silikagel (3, 13) im Vergleich zu der Transmission von UV-Strahlung ohne Silikagel (3, 13) angegeben. Dabei ist die Intensität (I) gegen die Schichtdicke (d) aufgetragen, durch die die UV-Strahlung hindurchgeht. Für die UV-Intensität gilt: I = I0 exp (-acd)

a: = Extinktionskoeffizient f. O₃
c: = O₃-Konzentration
d: = Schichtdicke

Der bei der Messung der Transmission beim Durchgang der UV-Strahlung durch die Schüttung bzw. Packung von Silikagel (3, 13) gewonnene UV-Anteil läßt sich berechnen aus: ΔI = IR- IG.
Aus 3 ist zu ersehen, daß der UV-Gewinn bei Verwendung einer Packung von feuchten Silikagel (3, 13) erheblich ist.
Als Beispiel für die weiter oben allgemein mit R bezeichneten Kohlenwasserstoffe sind in 4 beispielhaft zwei Bestandteile von Lipiden oder Proteinen angegeben, einschließlich des oxidativen Abbaus, der bedingt durch die Zufuhr des feuchten Ozongases stattfindet. Dabei sind beispielhaft der Abbau eines Olefins und der eines Aromaten (Phenol) dargestellt.
Es hat sich gezeigt, daß sich selektive Reaktionen mit geringen Geschwindigkeitskonstanten ergeben. Der an sich bekannte Abbaumechanismus wird als Criegee-Mechanismus bezeichnet.
Des weiteren ist in 5 noch einmal der oxidative Abbau von Methan als Vertreter eines einfachen Kohlenwasserstoffs dargestellt, der über die Stufen Alkohol (+1), Aldehyd bzw. Keton (+2), Carbonsäure (+3) zum CO₂ (+4) führt. In den Klammern sind die jeweiligen Oxidationsstufen angegeben.
Demgegenüber hat man festgestellt, daß die über das Hydroxylradikal (OH*) verlaufenden Abbaureaktionen von Kohlenwasserstoffen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in Form von unselektiven Reaktionen verlaufen. Dies ist beispielhaft in 6 dargestellt, in der die Reaktion von Ozon in Gegenwart von Wasser (Luftfeuchtigkeit) zu Hydroxylradikalen und von den Hydroxylradikalen über das mit R bezeichnete organische Material, z. B. einen Virus oder Bakterien, verläuft, wobei als Endprodukt dann ein Keton R = O und ein Hydroxylradikal übrigbleiben.
Aus der Tatsache, daß die über Ozon selbst verlaufenden Reaktionen eine geringere Geschwindigkeitskonstante aufweisen als die über das freie Hydroxylradikal verlaufenden Oxidationen, zeigt sich, daß sich die Wirksamkeit des Abbaus von schädlichem biologischem Material über eine gezielte Steigerung der Hydroxylradikal-Konzentration, wie mit der vorliegenden Erfindung erreicht, erheblich verbessern läßt.
Beispiel III:
Der in 7 dargestellte Reaktor (101) weist wie die bisher dargestellten Ausführungsformen des Reaktors (101) eine Schüttung aus Silikagel (103) und Einlässe (105) für die zu reinigende Luft auf, deren Fließrichtung durch Pfeile (105') dargestellt ist, und Auslässe (107) für die behandelte Luft, deren Fließrichtung die Pfeile (107') markieren. Daher sind die Bezugsziffern gleich wie in Beispiel 1, jedoch um 100 erweitert gewählt.
Der Reaktor (101) gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel weist wie der Reaktor (11) des zweiten Ausführungsbeispiels eine UV-Lampe (109) in Form einer Paneele auf, die in der Schüttung aus dem Silikagel (103) angeordnet ist. Grundsätzlich kann in diesem Ausführungsbeispiel aber auch die Lampenanordnung gewählt werden wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2 ist der Reaktor (101) hier mit einem rekuperativen Wärmetauscher kombiniert, der insgesamt mit (111) bezeichnet ist.
Im folgenden soll dieser Wärmetauscher (111) näher erläutert werden, welcher mit dem Einlaß (105) und dem Auslaß (107) des Reaktors (101) verbunden ist, und so die Wärmeenergie, welche für die Reaktion im Reaktor (101) benötigt wird, für mehr Reaktionskapazität nutzbar macht. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Wärmetauschers (111) ist bereits in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2004 051 945.5 offenbart und hier in 8 noch einmal näher dargestellt. Anstelle des dort für die Zerstörung von Ozon vorgesehenen Reaktionsraums (113) mit seinen zylindrischen Heizelementen (119) wird die verunreinigte Luft gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch direkt von dem Wärmetauscher (111) in den Reaktor (101) geführt. In dem Reaktor (101) ersetzen die UV-Lampe(n) (109) und das Silikagel (103) den Reaktionsraum (113) der vorherigen Anmel dung, wie oben genannt, da der Wärmetauscher (113) hier nicht zur Ozonzerstörung, sondern zur Wärmerückgewinnung dient.
Mit der gleichen Bezugsziffer (105) wie der bzw. die Einlässe (105) für die zu reinigende Luft in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 ist hier der Einlaß für die zunächst in den Wärmetauscher eintretende, noch zu erwärmende verunreinigte Luft angegeben, und die gleiche Bezugsziffer (107) bezeichnet entsprechend den Auslaß für die wieder abgekühlte, behandelte Luft.
Der Wärmetauscher (111) ist als dichtungsfreier rekuperativer Plattenwärmetauscher ausgebildet und arbeitet nach dem Gegenstromprinzip. Dadurch sind in dem Wärmetauscher (1) zwei Bereiche voneinander zu unterscheiden. Der eine Bereich mit dem Einlaß (105) für die verunreinigte Luft, die in Richtung auf den Reaktor (101) strömt, und der andere Bereich mit dem Auslaß (107) für die behandelte, gereinigte Luft, der von dem Reaktor (101) in Richtung auf den Auslaß (107) führt. Beide Bereiche sind durch jeweils dicht nebeneinander liegende Platten (115) gebildet, und jeder der genannten Bereiche definiert zumindest eine Plattenebene. Der dargestellte Wärmetauscher (111) weist zumindest zwei solcher Plattenebenen auf. Im Eintrittsbereich nach dem Einlaß (105) für die verunreinigte Luft wird diese Ebene als Vorheizebene (117) und im Bereich des Auslasses (107) für die behandelte, gereinigte Luft als Rückkühlebene (119) bezeichnet.
Aus wirtschaftlichen Aspekten kann es sinnvoll sein, mehrere Vorheizebenen (117) und Rückkühlebenen (119) vorzusehen. Zum Zwecke einer besseren Übersichtlichkeit ist der in 8 dargestellte Wärmetauscher (111) nicht mit einer Vielzahl von Ebenen ausgestattet. Die Platten (115) des Wärmetauschers (111) bestehen im Ausführungsbeispiel aus gasdicht verschweißtem Edelstahl.
Wie 7 zeigt, ist dem Reaktor (101) selbst eine Heizung (121) zugeordnet, die, wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem Betreiben des Reaktors (101) mit UV-Lampen (109) beider Wellenlängen von 254 nm und < 190 nm in der Anfangsphase eine Betriebstemperatur in dem Reaktor (101) von ca. 80- 100°C sicherstellen soll. Nach dieser Anfangsphase wird zusätzlich Wärmeenergie durch den Betrieb der UV-Lampe(n) (109) erzeugt und Reaktionswärme durch den rekuperativen Wärmetauscher (111) zurückgewonnen. Die Heizung (121) ist dann im wesentlichen nicht mehr erforderlich.
Die Rückgewinnung der Wärmeenergie durch den rekuperativen Wärmetauscher (111) geschieht dadurch, daß die behandelte, gereinigte Luft über die Auslässe (107') und im weiteren gesammelt über den Auslaß (107) in den Wärmetauscher (111) und dort in die Rückkühlebene(n) (119) geführt wird. Die Rückkühlebene(n) (119) stehen in innigem Kontakt mit den Platten der Vorheizebene(n) (117), so daß die aus dem Reaktor (101) in Richtung auf den Wärmetauscher (111) und dort in Richtung auf dessen Auslaß (107) strömende behandelte Luft im Gegenstrom mit der aus der Vorheizebene (117) oder den Vorheizebenen (117) vom Einlaß (105) des Wärmetauschers in Richtung auf den Reaktor (101) strömenden verunreinigten Luft in Kontakt gebracht wird.
Dabei werden die über Einlaß (105) in den Wärmetauscher (101) strömende verunreinigte Luft und die von dem Reaktor kommende behandelte Luft jeweils so geführt, daß der Einlaß (105) für die verunreinigte Luft in den Wärmetauscher (101) gegenüber der über Auslaß (107) in den Wärmetauscher eintretenden gereinigten Luft angeordnet ist, und entsprechend der Auslaß (107) für die gereinigte Luft aus dem Wärmetauscher (101) gegenüber dem aus dem Wärmetauscher (101) in Richtung auf den Reaktor (101) austretenden Strom noch verunreinigter Luft liegt. Dadurch wird erreicht, daß sich die Fließrichtungen der in den Wärmetauscher einströmenden Luft und der ausströmenden Luft kreuzen. Dies führt zu einem maximal möglichen Wärmeaustausch. Durch diesen Wärmeaustausch kühlt sich die aus dem Reaktor (101) über den Wärmetauscher (111) in Richtung auf dessen Auslaß (107) strömende gereinigte Luft in etwa auf die Temperatur der durch den Einlaß (105) des Wärmetauschers in die Vorheizebene (117) strömenden verunreinigten Luft ab, unter entsprechender Erwärmung der verunreinigten Luft.

Claims

Verfahren zur Reinigung und/oder Sterilisierung von Luft, bei dem in einem Reaktor (1; 11; 101) eine Packung von Silikagel (3; 13; 103) befeuchtet und mit UV-Licht zumindest einer Wellenlänge von 240-270 nm bestrahlt wird, und die zu reinigende und/oder zu sterilisierende Luft in diese feuchte Silikagelpackung (3; 13; 103) eingeleitet und durch sie hindurchströmen gelassen wird, nachdem der Luft zuvor feuchtes Ozongas zudosiert worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß UV-Licht einer Wellenlänge < 190 nm und des Wellenlängenbereichs von 240-270 nm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozongas aus Sauerstoff oder Sauerstoffmischungen durch stille elektrische Entladung hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das feuchte Ozongas durch Dosieren von Wasser zu dem Ozongas hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser dem Ozongas über Ultraschallzerstäuben, Kontaktwäsche oder Sprühdüsen zudosiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozongas unter erhöhter Temperatur zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozongas mit einer Temperatur von 140-160°C, bevorzugt weniger als 100°C zugeführt wird.
Vorrichtung zur Reinigung und Sterilisierung von Luft, bei der ein Reaktor (1; 11; 101) mit einem Einlaß (5; 15; 105) für die zu reinigende Luft und für feuchtes Ozongas, und einem Auslaß (7; 17; 107) für die behandelte Luft versehen ist, wobei der Reaktorinnenraum eine Packung aus feuchtem Silikagel (3; 13; 103) und zumindest eine UV-Lampe (9) oder UV-Paneele (19; 109) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine UV-Lampe (9) oder UV-Panneele (109) vorhanden ist, und die UV-Lampen (9) oder -Paneelen (109) konzentrisch in der Silikagelpackung (3; 13; 103) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß (5; 15; 105) und Auslaß (7; 17; 107) des Reaktors (1; 11; 101) mit einem Wärmetauscher (111) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein rekuperativer Wärmetauscher (111) ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zur Reinigung und Sterilisierung von Luft in Luftumwälzungsanlagen.
Verwendung nach Anspruch 12 für Klimaanlagen in Häusern und Transportmitteln.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zur Abgasreinigung und/oder zur Beseitigung von Gerüchen.
Verwendung nach Anspruch 14 in Kläranlagen, der Lebensmittelindustrie und der chemischen Industrie.