-
Die
Erfindung betrifft ein Bauteil zur Reinigung eines Gases nach Anspruch
1 sowie ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Bauteils nach
Anspruch 9.
-
Im
Stand der Technik sind bereits Anwendungen von Titandioxid-Photokatalysatoren
mit einer Reinigungswirkung beispielsweise im Sanitärbereich und
auch im Bereich von Wandfarben, wobei dabei Titandioxid gleichzeitig
noch als Weißpigment wirkt, bekannt.
-
Weiterhin
ist aus der
DE
10 2004 027 549 A1 ein kohlenstoffhaltiger Titandioxid-Photokatalysator und
Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei insbesondere auf
die Wirkweise des Photokatalysators eingegangen wird und auch die
spezielle Modifikation von Titanoxid mit Kohlenstoff beschrieben wird.
Das Dokument nennt auch die Möglichkeit der Beschichtung
von Kunststoffen oder Fasern mit einem solchen Photokatalysator,
ohne allerdings genauere Hinweise zu einer derartigen Beschichtung zu
geben. Auf eine Applikation von Titandioxid-Photokatalysator auf
Kraftfahrzeugbauteile wird nicht eingegangen.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anwendung von Titandioxid-Photokatalysatoren
zur Reinigung von Gasen bereitzustellen, wodurch insbesondere die
Reinigungswirkung derartiger Photokatalysatoren für Anwendungen
in Kraftfahrzeugen nutzbar wird.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Bauteil zur Reinigung eines Gases, wobei das Bauteil zumindest
in Teilbereichen eine photokatalytische Beschichtung auf Basis von
TiO2 (Titandioxid) aufweist und eine Tiefenstruktur
aufweist, welche von dem zu reinigenden Gas durchströmbar
ist.
-
Der
Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist, dass so die photokatalytische Reinigungswirkung von Titandioxid
bei der Reinigung von Gasen wesentlich erhöht ist, da eine
photokatalytisch beschichtete Fläche nicht nur, wie es
aus dem Stand der Technik bekannt ist, von dem zu reinigenden Medium überstrichen
wird, wodurch nur ein geringer Teil des zu reinigenden Mediums mit
dem Katalysator in Kontakt kommt, sondern dass erfindungsgemäß die mit
dem Photokatalysator beschichtete Tiefenstruktur von dem zu reinigenden
Gas durchströmt wird, wodurch wesentlich mehr Gas mit dem
Katalysator in Kontakt kommt und gereinigt wird. Die Reinigungswirkung
ist folglich wesentlich gesteigert, wodurch eine zu reinigende Gasmenge
in wesentlich kürzerer Zeit gereinigt wird.
-
Als
Tiefenstruktur wird dabei im wesentlichen eine dreidimensional ausgestaltete
Struktur verstanden, d. h. eine Struktur deren Dicke bzw. Tiefe
in technischer Hinsicht und in Bezug auf ihre Wirkweise nicht zu
vernachlässigen ist. Insbesondere ist dabei eine Dimension
von mehr als 5 mm, vorzugsweise von 5 mm bis 10 cm, zu verstehen.
In Bezug auf die katalytische Reinigungswirkung des Titandioxids
bedeutet dies, dass nicht nur eine Reinigungswirkung an der äußeren
Oberfläche erfolgt, sondern dass auch die innere Oberfläche
der durchströmbaren Tiefenstruktur wesentlich an der Reinigungswirkung
teilnimmt und so die Reinigungswirkung wie bereits beschrieben wesentlich
gesteigert wird. In anderen Worten erfolgt also nicht nur eine äußere,
oberflächliche Filtration bzw. Reinigung, sondern vielmehr
eine quasi Tiefenfiltration.
-
Dabei
wird im Rahmen der Anmeldung unter der photokatalytischen Reinigungswirkung
von Titandioxid vorrangig die Eigenschaft von Titandioxid verstanden,
organische Verbindung, insbesondere Gerüche und Flecken
sowie mikrobielle Beläge, aufspalten und in Kohlendioxid
und Wasser chemisch umwandeln zu können. Der Wirkmechanismus
von Titandioxid als Katalysator basiert dabei darauf, dass Titandioxid
aus Feuchtigkeit (Wasser) und Sauerstoff sehr reaktive Hydroxyl-Radikale
bilden kann. Diese Hydroxyl-Radikale reagieren wiederum mit organischen
Verbindungen zu Kohlendioxid und Wasser. Vorraussetzung für
diese Reinigungswirkung von Titandioxid ist allerdings das Vorhandensein
von Licht, d. h. genauer von Lichtenergie, die durch Licht spezieller
Wellenlänge hervorgerufen wird. Konventionelles Titandioxid
besitzt die zuvor beschriebene Eigenschaft bei Anregung mit Licht
einer Wellenlänge von ca. 390 nm, welches einer Energie
von ca. 3,2 eV entspricht. Da allerdings lediglich ultraviolettes(UV-)Licht
die Wellenlänge von ca. 390 nm aufweist und der UV-Bereich
nur einen geringen Teil des Sonnenlichts ausmacht, ist die Wirksamkeit
von konventionellem Titandioxid bei Bestrahlung mit Sonnenlicht
begrenzt. Eine erhebliche Verbesserung der Reinigungswirkung von
Titandioxid unter Lichteinstrahlung wird durch Dotieren von Titandioxid
erreicht. Dotieren bedeutet, dass Fremdatome, wie beispielsweise
Stickstoff oder Kohlenstoff, in die Kristallstruktur von Molekülen
eingebracht werden ohne diese zu zerstören, um deren Eigenschaften
gezielt zu verändern. In Bezug auf beispielsweise mit Kohlenstoff
gemäß der
DE 10 2004 027 549 A1 dotiertes Titandioxid
bedeutet dies, dass der zuvor eingehend beschriebene Reinigungsmechanismus
bereits bei Anregung mit blauem Licht einer Wellenlänge
von ca. 420 bis 490 nm abläuft. Da somit ein wesentlich
höherer Anteil des Sonnenlichts ausgenutzt wird, ist die Reinigungswirkung
von dotiertem Titandioxid insbesondere unter Sonnenlichteinstrahlung
signifikant erhöht. Außerdem wird durch ein Dotieren
von Titandioxid dessen Reinigungswirkung auch infolge indirekter
Beleuchtung oder Streulicht durch transparente Materialien, wie
beispielsweise Fenster, vorteilhaft gesteigert.
-
Besonders
vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Tiefenstruktur
lichtdurchlässig ausgestaltet ist und somit der Katalysator
Titandioxid auch innerhalb der Tiefenstruktur mit Lichtenergie insbesondere
durch Streueffekte versorgt wird, wodurch die bereits beschriebene
quasi Tiefenfiltration verbessert abläuft.
-
In
vorteilhafter Ausgestaltung sind als durchströmbare Strukturen
offenporige Schaumstrukturen, vorzugsweise auf Basis von Kunststoff
oder alternativ Glasschäume einzusetzen. Durch eine derartige Ausgestaltung
wird die katalytisch wirkende Oberfläche vorteilhaft erhöht,
wodurch die Reinigungswirkung weiter gesteigert wird. Alternativ
sind als durchströmbare Strukturen Faserstrukturen zu verwenden, welche
insbesondere als Vlies mit undefinierter Faserausrichtung oder als
Faserbündel mit definierter Faserausrichtung auszugestalten
sind. Somit wird ebenfalls die katalytisch wirkende Oberfläche
vorteilhaft erhöht, wodurch die Reinigungswirkung weiter gesteigert
wird. Als Fasern sind insbesondere Glasfasern einzusetzen. Es ist
allerdings zu beachten, dass die Gasdurchlässigkeit der
Tiefenstruktur, d. h. die durch die Tiefenstruktur strömbare
Gasmenge, derart ausgestaltet ist, dass kein übermäßiger Staudruck
an der Tiefenstruktur entsteht. Die Gasdurchlässigkeit
ist dabei über eine entsprechende Porengröße
bzw. Faserdichte einzustellen.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das beschriebene Bauteil ein
durchströmbarer Filter, welcher als eine bereits beschriebene
Tiefenstruktur mit Titandioxidbeschichtung ausgestaltet ist und
welcher besonders wirksam in einer Gasströmung, vorzugsweise
in einer Luftströmung, anzuordnen ist, um organische Verunreinigungen
wie Gerüche oder Partikel aus der Strömung katalytisch
zu zersetzen und somit die Gasströmung durch die quasi
Tiefenfiltration erheblich verbessert zu reinigen. Besonders vorteilhaft
ist ein solcher Filter in einer Luftumwälzanlage oder Klimaanlage
von Gebäuden einsetzbar und ganz besonders vorteilhaft
in einer Luftumwälzanlage oder Klimaanlage von Kraftfahrzeugen,
wie beispielsweise einer Klimaanlage eines Pkw. In gleicher Art
und Weise ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung
aber prinzipiell auf jede andere Gasströmung übertragbar,
beispielsweise als Filteranordnung in der Luftströmung
eines Staubsaugers.
-
Um
zu gewährleisten, dass das durchströmbare Bauteil
ausreichend mit Lichtenergie versorgt wird und so eine entsprechende
Reinigungswirkung erzielt wird, ist es vorteilhaft ein solches Bauteil
in einem Bereich anzuordnen, welcher im Bereich von Lichteinstrahlung
liegt, beispielsweise direkt hinter Lüftungsgittern im
Innenraum eines Kraftfahrzeugs. Vorteilhaft gesteigert wird die
Reinigungswirkung des Bauteils, wenn die Bauteilstruktur aus einem
Glasschaum oder Glasfasern besteht, wodurch Lichtenergie sehr effizient
zu inneren Oberflächenbereichen der Bauteilstruktur geleitet
wird.
-
Gleichfalls
ist in entsprechenden Anwendungsfällen, bei denen keine
direkte Lichteinstrahlung möglich ist, eine ausreichende
Versorgung der Bauteilstruktur durch eine entsprechende Versorgungseinrichtung
auszugestalten. Dies kann insbesondere eine externe Lichtquelle
sein, welche bevorzugt Licht einer Wellenlänge ausstrahlt,
bei der der Reinigungseffekt besonders hoch ist. Alternativ kann dies
aber auch ein Lichtleitsystem sein, beispielsweise mittels Glasfaserkabeln,
wodurch die durchströmbare Bauteilstruktur mit Sonnenlicht
oder Licht einer externen Lichtquelle, d. h. mit Lichtenergie, versorgt wird
und eine entsprechende Reinigungswirkung erzielt wird.
-
In
Abhängigkeit der Gasdurchlässigkeit, d. h. beispielsweise
der Porengröße oder der Faserdichte, sind als
Verfahren zur Beschichtung eines entsprechenden Bauteils dabei insbesondere
eine Tauchbeschichtung oder aber eine Beschichtung durch Druckinfiltration
geeignet, wodurch sichergestellt wird, dass auch die inneren Oberflächen
der durchströmbaren Struktur mit einem entsprechenden Katalysator
beschichtet sind. Eine Dauerhafte Verbindung der Beschichtung mit
dem Bauteil wird durch einen anschließenden Sinterprozess
erhalten, wobei diesbezüglich auf eine ausreichende Temperaturstabilität des
zu beschichtenden Bauteils zu achten ist.
-
Die
Verwendung von anorganischen Materialien, wie die beispielsweise
bereits genannten Glasschäume oder Glasfasern als zu beschichtendes
Material des Bauteils, hat weiterhin den Vorteil, dass so sichergestellt
ist, dass die beschichteten Bauteilmaterialien nicht selbst von
dem Titandioxid zersetzt werden, wie es z. B. in einem mit Titandioxid
beschichteten Fasergewebe auf Basis von organischen Fasern, beispielsweise
Baumwollfasern, erfolgen würde. Zusätzlich kann
durch Verwendung entsprechender Materialien die Korrosionsbeständigkeit
des Bauteils verbessert werden.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.
-
Die
Klimaanlage eines Personenkraftwagens ist mit einem Luftreinigungsfilter
aus offenporigem Glasschaum ausgerüstet, welcher durch
eine Beschichtung mit Kohlenstoff-dotiertem Titandioxid die organischen
Verunreinigungen der Luft katalytisch zersetzt und somit die im
Innenraum des Fahrzeugs zirkulierende Luft reinigt. Der offenporige
Glasschaum hat dabei eine Tiefe von 25 mm, so dass auch eine entsprechende
Tiefenfiltration und eine erheblich verbesserte Reinigungswirkung
realisiert wird. Die Beschichtung der Oberfläche der offenporigen
Glasschaumstruktur mit dotiertem Titandioxid erfolgt mittels einer
Tauchbeschichtung und anschließendem Sinterprozess. Angeordnet
ist der Filter im Leitungssystem des Umwälzkreislaufs der
Klimaanlage, d. h. der Filter ist nicht direkt mit Lichtenergie durch
das Sonnenlicht versorgt. Aus diesem Grund wird an dem offenporigen
Glasschaum ein separates Leuchtmittel in Form einer Leuchtdiode,
welche im Wesentlichen Blaulicht emittiert, angebracht. Die Leuchtdiode
wird über das normale Spannungsnetz des Fahrzeugs mit Energie
versorgt und ist mit dem Betriebsschalter der Klimaanlage gekoppelt,
so dass an der Leuchtdiode lediglich Spannung anliegt, sofern die
Klimaanlage in Betrieb ist. Aufgrund der Ausgestaltung des Filters
mit einem Glasschaum ist gewährleistet, dass die komplette
katalytisch wirkende Oberfläche des Filterelements gleichmäßig
und ausreichend mit Lichtenergie durch die Leuchtdiode versorgt
wird, da der Glasschaum die Lichtstrahlung sehr gut weiterleitet.
Somit werden vorteilhaft alle organischen Luftverschmutzungen, wie
beispielsweise Gerüche oder Partikel, im Innenraum des
Personenkraftwagens durch die photokatalytische Wirkung des Titandioxids
beseitigt.
-
In
einem zweiten Ausführungsbeispiel wird in analoger Weise
zum vorherigen Ausführungsbeispiel ein Vlies aus Glasfasern
hergestellt, welches als 5 mm dickes Filterelement im Kreislauf
der Luftzirkulation eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Zur Gewährleistung
einer ausreichenden Versorgung des Filters, welcher mit einem mit
Kohlenstoff-dotierten Titandioxid beschichtet ist, mit Lichtenergie,
wird der Filter direkt hinter den gitterförmigen Kunststoffblenden
der Luftaustrittsöffnungen im Innenraum des Kraftfahrzeugs
angeordnet. Somit ist gewährleistet, dass ein Filter mit
ausreichend Streulicht versorgt wird, wodurch sich die bereits zuvor
beschrieben Vorteile hinsichtlich der Luftreinigung ergeben.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004027549
A1 [0003, 0008]