DE102017220683B4 - Verfahren zum bindemittelfreien Aufbringen photokatalytischer Beschichtungen auf Titandioxidbasis und Verwendung eines photokatalytisch beschichteten Trägers auf Titandioxidbasis - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum bindemittelfreien Aufbringen photokatalytischer Beschichtungen auf Titandioxidbasis auf ein aufgeschäumtes anorganisches Material, wobei eine Titandioxidsuspension mit einer Trägerflüssigkeit als feines Aerosol auf ein heißes aufgeschäumtes anorganisches Material aufgesprüht wird, so dass die Trägerflüssigkeit schlagartig verdampft und Titandioxidpartikel der Titandioxidsuspension schlagartig auf das aufgeschäumte anorganische Material aufgebracht werden, wodurch eine poröse und gleichzeitig stabile Schicht entsteht, wobei als Trägerflüssigkeit Wasser verwendet wird und das aufgeschäumte anorganische Material während des Aufsprühens eine Temperatur, die oberhalb der Siedetemperatur der Trägerflüssigkeit liegt, aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum bindemittelfreien Aufbringen photokatalytischer Beschichtungen auf Titandioxidbasis auf aufgeschäumte anorganische Materialien sowie die Verwendung eines photokatalytisch beschichteten Trägers auf Titandioxidbasis.
- Vorzugsweise kann das Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung auf Blähglas- und Blähtonerzeugnisse verwendet werden.
- Unter Blähglas wird ein Granulat verstanden, welches aus recyceltem Altglas hergestellt wird. Es besteht aus aufgeschäumtem Glas mit kleinen, gasgefüllten Poren und kann in unterschiedlichen Körnungen produziert werden. Das Granulat besitzt eine geschlossene Gitterstruktur. Es wird als Baustoff für vielseitige Anwendungsmöglichkeiten verwendet. Blähglas ist sehr leicht und dennoch druckfest. Es ist hoch wärme- und schalldämmend, alkalibeständig, nicht brennbar, besitzt eine hohe Belastbarkeit und wird von Nagetieren, Schädlingen und Pilzen nicht angegriffen. Es kann wieder eingeschmolzen werden und ist deshalb recycelfähig.
- Blähton ist ein Bau- und Werkstoff mit verschiedenen Einsatzmöglichkeiten. Als Rohstoff wird kalkarmer Ton mit organischen Bestandteilen verwendet. Dieser wird gemahlen, granuliert und im Drehrohrofen gebrannt. Dabei verbrennen die organischen Zuschlagstoffe und das Material bläht sich durch das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid kugelförmig auf. Der Kern ist geschlossenporig und die Oberfläche ist gesintert.
- Photokatalytische Beschichtungen auf Titandioxidbasis haben ein breites Anwendungsfeld in Technik und Wirtschaft als Beschichtungen von Baustoffen und Fensterglas oder zum Erzeugen superhydrophober Schichten. Ein wesentliches Problem bei der Herstellung von hochaktiven photokatalytischen Schichten mit einer hohen Konzentration an Titandioxid ist die mangelnde mechanische Beständigkeit der Beschichtung.
- Bevorzugte Einsatzmöglichkeiten für Blähglas und Blähton sind Leichtzuschläge für Leichtbeton, Mörtel und Putze, Wärmedämmschüttungen, Wärmedämmplatten, Putzträgerplatten und vorgehängten Fassadensystemen. Ferner sind Kunststoffapplikationen und Sonderanwendungen wie Dekorfarben möglich.
- Zur Herstellung von Titandioxidbeschichtungen ist es bekannt, eine Suspension von Titandioxid in leichtflüchtigen Lösungsmitteln, wie z. B. Methanol, aufzubringen und die Schicht anschließend in einer Hochtemperaturumgebung zu sintern. Bei diesem Verfahren können jedoch nur mechanisch instabile Schichten mit geringer Abriebfestigkeit erzeugt werden, wodurch die Einsatzfelder stark eingeschränkt werden und die Beschichtungen in regelmäßigen Abständen erneuert werden müssen.
- Eine bekannte Methode beständigere und stabilere Schichten zu erzeugen besteht darin, ein Bindemittel, wie z. B. Wasserglas oder Siloxane, beizumischen. Nachteilig ist dabei, dass die Titandioxidpartikel mit dem eingesetzten Bindemittel umhüllt werden und die photokatalytische Beschichtung dadurch nur einschränkt wirksam ist.
- Weiterhin ist nach
DE 10 2014 100 385 A1 ein Plasmabeschichtungsverfahren zum Abscheiden einer Funktionsschicht eines Substrats und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Hierbei wird ein atmosphärisches Plasma und ein inertes Trägergas verwendet, so dass einerseits sehr hohe Energien zum Starten einer chemischen Reaktion in das Beschichtungsmaterial eingebracht werden können, andererseits eine kontrollierbare chemische Reaktion unter Ausschluss von Luftsauerstoff im Plasma ermöglicht wird. Das Beschichtungsmaterial zur Bildung der Funktionsschicht wird über eine Einspeisung unmittelbar in das in einer Düse erzeugte Plasma unter Ausschluss von Sauerstoff eingespeist. - Damit können sehr stabile ebene Flächen erzeugt werden, die aber eine geringe fotokatalytische Aktivität aufweisen, weil die Flächen eine sehr geringe Porosität aufweisen.
-
DE 20 2011 001 466 U1 beschreibt ein Filtermodul zur Adsorption von Partikeln und/oder zur Umsetzung von gasförmigen Luftschadstoffen, wobei das Filtermaterial Glasschaumschotter beinhaltet. Das Aufbringen der fotokatalytischen Beschichtung erfolgt mittels Tauchbeschichtung, Sprühverfahren oder mittels Bedampfung. - In
DE 43 20 070 A1 sind regenerierbare Fotokatalysatoren zum Abbau organischer und anorganischer Stoffe in gasförmigen und wässrigen Lösungen und ihre Herstellung mit einem Träger aus offenporigen Schäumen oder Glasschaumpartikelschäumungen mit einer fotokatalytisch aktiven Ti02-Beschichtung beschrieben. - Aus YANGL. et al.: Design consideration of photocatalytic oxidation reactors using TiO2-coated foam nickels for degrading indoor gaseous formaldehyde, in: Catalysis Today 2007, 126, 359 - 368, ist ein mit TiO2 beschichteter Nickelschaum bekannt, der zum Abbau von Formaldehyd verwendet wird.
- In OCHUMA I. J. et al.: Three-phase photocatalysis using suspended titania and titania supported on a reticulated foam monolith for water purification, in: Catalysis Today 2007, 128, 100 - 107, wird die Verwendung eines mit TiO2 beschichteten Aluminiumoxidschaums beschrieben, der zur Wasserreinigung verwendet werden kann.
-
US 6 673 433 B1 beschreibt ein fäulnisverhütendes Material und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das fäulnisverhütende Material umfasst ein Substrat und eine anorganische Schicht, die im Wesentlichen aus einem amorphen Metalloxid besteht, wobei die anorganische Schicht ein Alkalimetall enthält. Zur Herstellung des fäulnisverhütenden Materials wird ein Substrat mit einem Coatingprozess beschichtet, wobei das Substrat vorher auf eine Temperatur von 20 bis 400°C erhitzt werden kann. - In US 2013 / 0 116 107 A1 ist ein Schaumglas beschrieben, welches natürliches Glas enthalten kann. Ein Verfahren zur Herstellung von Schaumglas umfasst das Mischen von natürlichem Glas mit Bor zur Bildung einer Mischung, das Mahlen der Mischung, das Schmelzen der Mischung bei einer Temperatur von mindestens 900 ° C und das Abkühlenlassen der geschmolzenen Mischung.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern und eine geeignete Verwendungsmöglichkeit anzugeben.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und mit einer Verwendung mit den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Als aufgeschäumtes anorganisches Material werden vorzugsweise Blähgas- oder Blähtonsubstrate verwendet. Derartige Substrate mit bindemittelfreien photokatalytischer Beschichtung auf Titandioxidbasis sind für vielseitige Anwendungen geeignet. Die Adsorptionsfähigkeit und die Adsorptionsgeschwindigkeit sind um ein vielfaches höher als bei anderen Katalysatormaterialien. Da die Reaktionsgeschwindigkeit der heterogenen Katalyse hauptsächlich von den Adsorptionseigenschaften der Katalysatoren abhängt, ist auch die photokatalytische Aktivität dieses Materials sehr hoch.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Titandioxidsuspension auf Basis einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, als feines Aerosol auf ein heißes Substrat gesprüht. Dabei verdampft die Flüssigkeit schlagartig und die Titandioxidpartikel der Titandioxidsuspension werden schlagartig auf das Substrat aufgebracht.
- Das Verfahren ermöglicht ein mechanisch stabiles Coating von Blähglas- und Blähtonsubstraten mit einer stark erhöhten photokatalytischen Aktivität, die durch eine hohe Adsorptionsfähigkeit der Titandioxidschicht hervorgerufen wird.
- Da die Suspension bindemittelfrei ist, werden die photokatalytisch aktiven Partikel nicht vom Bindemittel umhüllt. Dadurch wird eine schnellere und schonendere Beschichtung gegenüber den mit bisher verwendeten Verfahren hergestelltem Material erreicht.
- Das Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu gehören:
- - Ein gesonderter Arbeitsschritt für das Aufbringen der Titandioxidsuspension entfällt. Dadurch ergibt sich auch eine Verringerung der Umwandlung von Anastaskristallen (tetragonale holoedrische Kristalle, auch als Oktaedrit bezeichnet) in Rutil, einem häufig vorkommenden Mineral aus der Mineralklasse der „Oxide und Hydroxide“. Das Mineral kristallisiert im tetragonalen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung TiO2 und entwickelt meist kurz- bis langprismatische, vertikal gestreifte Kristalle und sehr häufig Kristallzwillinge in Form polysynthetischer, lamellarer und zyklischer Drillinge, Vierlinge und Sechslinge, aber auch körnige bis massige Mineral-Aggregate,
- - die Wirksamkeit der photokatalytischen Beschichtung ist höher,
- - die Schichtdicken können sehr genau eingestellt und feiner abgestuft werden,
- - durch das schlagartige Verdampfen entstehen poröse Schichten, dadurch können Schadstoffe besser in die photokatalytische Schicht eindringen, weshalb ein effizienter und schneller Schadstoffabbau erfolgt,
- - das Verfahren kann automatisiert werden,
- - die aufgebrachten Schichten sind mechanisch stabil und abspülfest,
- - das Verfahren kann für alle Trägermaterialien, die bis zu einer bestimmten Temperatur stabil sind, angewendet werden,
- - das Verfahren ist ressourcenschonend, da nur geringe Mengen Titandioxid eingesetzt werden.
- Erfindungsgemäß wird eine Titandioxidsuspension aus Wasser mit einem Anteil von 5 bis 20 Masse-% an Titandioxidpartikeln verwendet.
- Damit können qualitativ hochwertige, gleichmäßige Schichten mit hoher mechanischer Festigkeit erreicht werden.
- Das Substrat wird während des Aufsprühens auf eine Temperatur, die oberhalb der Siedetemperatur der Trägerflüssigkeit liegt, gebracht. Bei der Verwendung von Wasser als Trägerflüssigkeit liegt die Temperatur vorzugsweise im Bereich von 150 bis 250°C. Damit wird eine kurze Bearbeitungszeit und hohe Effektivität gewährleistet.
- Die mit dem Verfahren erzeugte Beschichtung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die erreichbare Schichtdicke und Schichtbindung nicht mehr von der Verarbeitungsgeschwindigkeit abhängt. Außerdem kann durch eine genaue Einstellung der Temperatur der Aushärtungsprozess unter optimalen Bedingungen stattfinden, ohne dass es zu unkontrollierten Modifikationen kommt, was eine bessere Steuerbarkeit ermöglicht.
- Erfindungsgemäß wird ein photokatalytisch beschichteter Träger auf Titandioxidbasis zum Schadstoffabbau in Gewässern verwendet, wobei der Träger ein aufgeschäumtes anorganisches Material ist, welches mit einer bindemittelfreien photokatalytischen Beschichtung auf Titandioxidbasis versehen ist.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.
- Zunächst wird ein Blähgas- oder Blähtonsubstrat in Form von Granulat in einen Ofen, vorzugsweise einen Drehrohrofen, eingebracht und dort erhitzt. Danach wird auf das Granulat eine Titandioxidsuspension aufgesprüht. Die Titandioxidsuspension enthält Titandioxid in einer Trägerflüssigkeit. Im beschriebenen Beispiel wird Wasser als Trägerflüssigkeit verwendet. Im Drehrohrofen wird das Granulat auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Siedetemperatur der Trägerflüssigkeit liegt, beispielsweise auf eine Temperatur von ca. 200°C. Mit einer handelsüblichen Spritzpistole wird die Titandioxidsuspension als feines Aerosol, welches aus Wasser und einem Titandioxidpulver besteht, auf das heiße Granulat aufgesprüht. Dabei verdampft das Wasser schlagartig und das verbleibende Titandioxidpulver verbindet sich in einem Sinterprozess mit dem Granulat. Dabei wird eine gleichmäßige Titandioxidschicht auf dem Granulat erzeugt. Das Aufsprühen wird so oft wiederholt, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Auf diese Weise können Schichtdicken von 0,5 bis 40 g/m2 mit hoher mechanischer Festigkeit erzeugt werden.
- Weiterhin ist das Material schwimmfähig und kann bei der solaren photokatalytischen Gewässerreinigung und einer Vielzahl von anderen Applikationen eingesetzt werden.
Claims (5)
- Verfahren zum bindemittelfreien Aufbringen photokatalytischer Beschichtungen auf Titandioxidbasis auf ein aufgeschäumtes anorganisches Material, wobei eine Titandioxidsuspension mit einer Trägerflüssigkeit als feines Aerosol auf ein heißes aufgeschäumtes anorganisches Material aufgesprüht wird, so dass die Trägerflüssigkeit schlagartig verdampft und Titandioxidpartikel der Titandioxidsuspension schlagartig auf das aufgeschäumte anorganische Material aufgebracht werden, wodurch eine poröse und gleichzeitig stabile Schicht entsteht, wobei als Trägerflüssigkeit Wasser verwendet wird und das aufgeschäumte anorganische Material während des Aufsprühens eine Temperatur, die oberhalb der Siedetemperatur der Trägerflüssigkeit liegt, aufweist.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Wasser als Trägerflüssigkeit das aufgeschäumte anorganische Material während des Aufsprühens eine Temperatur von 150 bis 250°C aufweist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxidsuspension einen Anteil von 5 bis 20 Masse-% an Titandioxidpartikeln aufweist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mehrmals wiederholt wird. - Verwendung eines photokatalytisch beschichteten Trägers auf Titandioxidbasis zum Schadstoffabbau in Gewässern, hergestellt nach einem Verfahren gemäß
Anspruch 1 , wobei der Träger ein aufgeschäumtes anorganisches Material ist, welches mit einer bindemittelfreien photokatalytischen Beschichtung auf Titandioxidbasis versehen ist.
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| DE4320070A1 (de) | 1993-06-17 | 1994-12-22 | Pcp Photocatalytic Purificatio | Regenerierbare elektrolyt- und/oder temperaturbeständige Photocatalysatoren, ihre Herstellung und Anwendung |
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| DE202011001466U1 (de) | 2011-01-13 | 2011-03-17 | Brüner, Michael | Filtermodul |
| US20130116107A1 (en) | 2010-07-19 | 2013-05-09 | Imerys Filtration Minerals, Inc. | Foam Glass Having A Low Coefficient of Thermal Expansion and Related Methods |
| DE102014100385A1 (de) | 2014-01-15 | 2015-07-16 | Plasma Innovations GmbH | Plasmabeschichtungsverfahren zum Abscheiden einer Funktionsschicht und Abscheidevorrichtung |
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2017
- 2017-11-20 DE DE102017220683.7A patent/DE102017220683B4/de active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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