DE102019120040A1 - System und Verfahren zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln - Google Patents

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Abstract

Um ein System zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln (58, 60, 82, 88), so zu verbessern, dass der Einsatz von Advanced Oxidation Processes (AOP) vereinfacht und/oder effizienter wird, wird vorgeschlagen, dass das System mindestens einen elektrochemischen Reaktor zum in-situ Erzeugen von molekularem Sauerstoff (O2) und Wasserstoffperoxid (H2O2) und mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Ozon (O3) und/oder mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•) umfasst.Ferner wird ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Behandlungsanlage zum chemischen Behandeln von Luft, Wasser und/oder Böden.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln.
  • Bei den sogenannten „Advanced Oxidation Processes“ („AOPs“) die im Deutschen auch als „erweiterte Oxidationen“ bezeichnet werden, handelt es sich um eine Reihe chemischer Behandlungsverfahren, um Kontaminationen durch organische, gegebenenfalls auch anorganische, Materialien in der Luft, im Boden und/oder in Wasser zu beseitigen. Mit derartigen Behandlungsverfahren können insbesondere eine Geruchsbeseitigung und Reinigung von Luft vorgenommen werden. Böden können mit diesen AOPs saniert werden. In Wasser haben diese Verfahren oder Prozesse insbesondere die Fähigkeit, organische Schadstoffe zu zerstören. Es ist auch möglich, diese Verfahren zum Entfernen anorganischer Metalle anzupassen. Ferner sind AOPs in der Lage, Bakterien, Viren und dergleichen zu inaktivieren.
  • Für eine AOP-Behandlung sind unterschiedliche Wasserarten geeignet. Beispielsweise können Industrieabwässer, die toxische Verbindungen enthalten, mit einem Solar-Photo-Fenton-Verfahren behandelt werden. Oberflächenwasser und Grundwasser kann insbesondere durch Zugabe von Wasserstoffperoxid (H2O2) mittels einer verbesserten solaren Wasserdesinfektion desinfiziert werden. Darüber hinaus können Bakterien in Trinkwasseranlagen als auch Mikroverunreinigungen in Abwassersystemen durch Ozonierung, also Behandlung mit Ozon (O3), abgebaut werden. Sogar gelöstes Arsen kann durch Mitfällung in Gegenwart von Eisen aus Wasser entfernt werden.
  • Advanced Oxidation Processes werden bislang noch nicht in großem Umfang gewerblich genutzt. Dies liegt insbesondere an den relativ hohen Kosten. Ihre hohe Oxidationsfähigkeit und Effizienz machen Advanced Oxidation Processes jedoch zu einer beliebten Technik bei der tertiären Behandlung, um schwer abbaubare organische und anorganische Verunreinigungen zu beseitigen.
  • Die zunehmende Bedeutung der Wiederverwendung von Wasser sowie strengere Vorschriften bezüglich der Wasserverschmutzung führen aktuell zu einer beschleunigten Einführung von Advanced Oxidation Processes.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System oder ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass der Einsatz von Advanced Oxidation Processes vereinfacht und/oder effizienter wird.
  • Diese Aufgabe wird bei einem System der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das System mindestens einen elektrochemischen Reaktor zum in-situ Erzeugen von molekularem Sauerstoff (O2) und Wasserstoffperoxid (H2O2) und mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Ozon (O3) und/oder mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•) umfasst.
  • Ein derartiges System ermöglicht es insbesondere, molekularen Sauerstoff (O2) und Wasserstoffperoxid (H2O2) sowie Ozon (O3) zu erzeugen. Eine Oxidation von organischen und anorganischen Stoffen kann dann direkt durch den molekularen Sauerstoff (O2), das Wasserstoffperoxid (H2O2) und/oder das Ozon (O3) erfolgen. Optional oder alternativ können mit dem System zusätzlich Hydroxylradikale (OH•) erzeugt werden, und zwar ebenfalls in einer in-situ Reaktion. Bei den Hydroxylradikalen (OH•) handelt es sich um ein hoch reaktives Oxidationsmittel, dass im Wasser angewendet werden kann. Hydroxylradikale (OH•) können praktisch jede in Wasser, insbesondere in einem Abwasser, vorhandene Verbindung oxidieren. Hydroxylradikale (OH•) reagieren unselektiv und mit jeglicher Art von Verunreinigungen. Sie können beispielsweise aus einem oder mehreren primären Oxidationsmitteln wie Ozon (O3), Wasserstoffperoxid (H2O2) oder molekularem Sauerstoff (O2) erzeugt werden. Hierfür dient die mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung. Mit dem vorgeschlagenen System ist es insbesondere möglich, präzise und vorprogrammierte Dosierungen, Sequenzen und Kombinationen der genannten Reagenzien zu erzeugen. Dies ermöglicht insbesondere eine maximale Ausbeute an Hydroxylradikalen (OH•). Beispielsweise kann eine Dosierung auf einfache Weise über eine Leistungszufuhr zum elektrochemischen Reaktor erfolgen, insbesondere über eine Regelung der Stromstärke. So ist es dann möglich, durch Advanced Oxidation Processes aufgrund einer präzisen Abstimmung des Einsatzes von molekularem Sauerstoff (O2), Wasserstoffperoxid (H2O2), Ozon (O3) und/oder Hydroxylradikalen (OH•) eine Schadstoffkonzentration von einigen 100 ppm auf weniger als 5 ppb zu reduzieren. Dadurch lassen sich der chemische Sauerstoffbedarf (Chemical Oxygen Demand - COD), als Maß für die Summe aller im Wasser vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren Stoffe, und die Summe des gesamten organischen Kohlenstoffs (Total Organic Carbon - TOC), ein Summenparameter in der Umweltanalytik, der in Wasser und Luft Rückschlüsse auf die Belastung mit Fremdstoffen ermöglicht, deutlich zu senken. Durch das vorgeschlagene System können die Advanced Oxidation Processes zu den wichtigsten Wasserbehandlungsprozessen des 21. Jahrhunderts werden.
  • Günstig ist es, wenn die mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung angeordnet und ausgebildet ist zum Erzeugen von Ozon (O3) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor erzeugten molekularen Sauerstoffs (O2) und/oder durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2). Auf diese Weise kann mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor in einem ersten Schritt molekularer Sauerstoff (O2) und/oder Wasserstoffperoxid (H2O2) erzeugt werden. Aus diesem Molekülen lässt sich dann auf einfache Weise Ozon (O3) erzeugen, beispielsweise durch Beaufschlagen mit ultravioletter Strahlung.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung angeordnet und ausgebildet ist zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2). Das System ermöglicht also die in-situ Erzeugung von Hydroxylradikalen (OH•) aus dem mit dem System erzeugten Wasserstoffperoxid (H2O2). Dies ermöglicht es insbesondere, eine Dosierung der Hydroxylradikalen (OH•) einfach und gezielt zu steuern. Beispielsweise kann eine Dosierung auf einfache Weise über eine Leistungszufuhr zum elektrochemischen Reaktor erfolgen, insbesondere über eine Regelung der Stromstärke. So kann beispielsweise die Menge des erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) sowie die gezielte Umwandlung desselben zu Hydroxylradikalen(OH•) gesteuert werden. Anders als bei bekannten Systemen, sind keine Tanks für die Reagenzien Wasserstoffperoxid (H2O2) und Sauerstoff (O2) erforderlich, da diese in-situ erzeugt werden. Zudem benötigt das System keinen Zusatz von weiteren Chemikalien und auch keine Kontrollmechanismen, um die Konzentration und Zufuhr dieser zusätzlichen Chemikalien zu überwachen und zu steuern.
  • Auf einfache Weise lassen sich Hydroxylradikale (OH•) aus Wasserstoffperoxid (H2O2) erzeugen, wenn die mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung und/oder die mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung mindestens eine UV-Strahlungsquelle, insbesondere eine UV-Lampe, umfasst. Die UV-Strahlungsquelle kann insbesondere in Form einer UV-Lampe ausgebildet sein. Mit einer solchen UV-Strahlungsquelle können Wasserstoffperoxid-Moleküle (H2O2) in Hydroxylradikale (OH•) gespalten werden. Ferner kann durch die mindestens eine UV-Strahlungsquelle aus molekularem Sauerstoff (O2) auch Ozon (O3) erzeugt werden.
  • Günstig ist es, wenn die mindestens eine UV-Strahlungsquelle ausgebildet ist zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 380 nm. Insbesondere kann die UV-Strahlungsquelle ausgebildet sein zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 240 nm. UV-Strahlung mit einer Wellenlänge in den angegebenen Bereichen ermöglicht auf einfache und sichere Weise die Erzeugung von Hydroxylradikalen (OH•) aus Ozon (O3) und von Ozon (O3) aus molekularem Sauerstoff (O2).
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine elektrochemische Reaktor eine Anode mit einer anodischen Bipolarplatte, eine Kathode mit einer kathodischen Bipolarplatte und eine zwischen der anodischen Bipolarplatte und der kathodischen Bipolarplatte angeordnete Membran-Elektroden-Einheit umfasst. Ein solcher elektrochemischer Reaktor lässt sich auf einfache Weise ausbilden und handhaben.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die Membran-Elektroden-Einheit eine anodische Gasdiffusionsschicht, eine kathodische Gasdiffusionsschicht und eine mit Katalysatoren beschichtete Membran umfasst, dass die anodische Gasdiffusionsschicht mit der anodischen Bipolarplatte in Kontakt steht, dass die kathodische Gasdiffusionsschicht mit der kathodischen Bipolarplatte in Kontakt steht und dass die mit Katalysatoren beschichtete Membran zwischen der anodischen Gasdiffusionsschicht und der kathodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet ist. Mit einem derart ausgebildeten elektrochemischen Reaktor lassen sich in der anodischen Halbzelle und in der kathodischen Halbzelle unterschiedliche Reaktionsprodukte erzeugen, beispielsweise molekularer Sauerstoff (O2) an der Anode und Wasserstoffperoxid (H2O2) an der Kathode. Die erzeugten Reaktionsprodukte können zudem auf einfache Weise voneinander getrennt und zur chemischen Behandlung von Luft, Böden und/oder Wasser eingesetzt werden. Ferner können die Reaktionsprodukte optional noch weiter umgewandelt werden, insbesondere in Ozon (O3) durch Beaufschlagen mit ultravioletter Strahlung.
  • Günstig ist es, wenn die mit Katalysatoren beschichtete Membran eine anodische Katalysatorschicht und eine kathodische Katalysatorschicht umfasst und wenn die anodische Katalysatorschicht mit der anodischen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht und wenn die kathodische Katalysatorschicht mit der kathodischen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht. Diese Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere, anodische und kathodische Teilreaktionen im elektrochemischen Reaktor getrennt voneinander ablaufen zu lassen.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die Membran in Form einer Bipolarmembran ausgebildet ist mit einer Anionenaustauschmembran und einer Kationenaustauschmembran und wenn die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran durch eine Trennschicht voneinander getrennt sind. Durch den Einsatz einer solchen Bipolarmembran können die Milieus auf der Anodenseite und der Kathodenseite des elektrochemischen Reaktors für die jeweilige Reaktion optimal eingestellt werden. Dies ermöglicht es insbesondere, in einem solchen elektrochemischen Reaktor, der bei Einsatz einer Bipolarmembran als elektrochemischer Bipolarmembranreaktor bezeichnet werden kann, günstige und edelmetallfreie Katalysatoren zu verwenden. Derartige Katalysatoren können beim Einsatz gängiger elektrochemischer Wasserstoffperoxidgeneratoren nicht zum Einsatz kommen. Je nach Medium auf der Anodenseite beziehungsweise der Kathodenseite, also sauer, neutral oder basisch, können unterschiedliche Katalysatoren für die gleiche Reaktion eingesetzt werden. Beispielsweise bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion (Oxygen Evolution Reaction - OER) können in einem basischen Milieu günstige Katalysatoren wie beispielsweise Nickel genutzt werden. Dagegen müssten in einem sauren Milieu teure Edelmetalle wie Iridium eingesetzt werden. Bei elektrochemischen Reaktoren ohne Bipolarmembran herrscht sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite dasselbe Milieu, also sauer oder basisch. Durch die wie vorgeschlagen eingesetzte Bipolarmembran kann das Medium beziehungsweise Milieu in beiden Halbzellen des elektrochemischen Reaktors frei gewählt werden. Insbesondere dann, wenn eine der beiden Halbzellen nur zur Gegenreaktion zu der eigentlich gewünschten Umsetzung genutzt wird, ergeben sich so enorm hohe Einsparpotentiale bei den eingesetzten Katalysatoren. Bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion äußert sich das insbesondere in den Kosten möglicher Katalysatoren. So ist Iridium bei einem aktuellen Preis von etwa € 26.000,-- pro Kilogramm um mehr als den Faktor 1000 teurer als das alternativ einsetzbare Nickel mit einem Preis von etwa € 10,-- pro Kilogramm. Ferner ermöglicht es eine Bipolarmembran, Betriebskosten des Systems durch verringerte Zellspannungen deutlich zu reduzieren. Dies ist möglich, da durch die Bipolarmembran die Potentiale der Teilreaktionen durch entsprechende Wahl des Mediums oder Milieus, also sauer oder basisch, geschickt gewählt werden können. Die Redoxpotentiale der Teilreaktionen an den Elektroden, also an der Anode und der Kathode, sind stark vom jeweiligen Milieu abhängig. Wird keine Bipolarmembran eingesetzt, ist es nicht möglich, das Milieu auf beiden Seiten der Membran unterschiedlich einzustellen. Vielmehr ist es lediglich möglich, die gesamte Reaktion, also sowohl an der Anode als auch an der Kathode, vom Sauren ins Basische zu verschieben oder umgekehrt. Da sich so aber beide Elektrodenpotentiale ändern, ändert sich am gesamten Zellpotential wenig bis gar nichts. Anders ist dies beim Einsatz der Bipolarmembran. Sie ermöglicht, das Milieu beider Seiten unabhängig voneinander zu wählen. Daher kann man bei einem elektrochemischen Reaktor mit Bipolarmembran die geeignetste Kombination an Elektrodenpotentialen wählen, um so eine möglichst geringe Zellspannung zu erreichen. Für das System insgesamt bedeutet eine verringerte Zellspannung einen geringeren elektrischen Verbrauch und somit eine deutlich wirtschaftlichere Betriebsweise.
  • Günstigerweise enthält die Trennschicht einen Dissoziationskatalysator oder ist durch einen Dissoziationskatalysator gebildet. Dies ermöglicht es insbesondere, Wassermoleküle in der Trennschicht in Protonen (H+) und Hydroxidionen (OH-) zu dissoziieren, die dann im elektrischen Feld des elektrochemischen Reaktors zur Kathode beziehungsweise zur Anode wandern.
  • Einfach und kostengünstig lässt sich das System ausbilden, wenn der Dissoziationskatalysator Eisen(III)-oxid (Fe2O3) oder Aluminiumoxid (Al2O3) ist oder enthält.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die anodische Katalysatorschicht einen anodischen Katalysator enthält oder durch einen anodischen Katalysator gebildet ist. Der anodische Katalysator kann insbesondere dazu beitragen, die Reaktion an der Anode zu optimieren, also insbesondere die Entwicklung von molekularem Sauerstoff (O2).
  • Günstig ist es, wenn der anodische Katalysator Nickelphosphid (Ni2P) oder Kobalt(III)-oxid (CO2O3) ist oder enthält. Diese Katalysatoren führen zu einer Verbesserung der Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die kathodische Katalysatorschicht einen kathodischen Katalysator enthält oder durch einen kathodischen Katalysator gebildet ist. Der kathodische Katalysator kann insbesondere dazu beitragen, die Reaktion an der Kathode zu optimieren, also insbesondere die Entwicklung von Wasserstoffperoxid (H2O2).
  • Günstig ist es, wenn der kathodische Katalysator mesoporöser stickstoffdotierter Kohlenstoff, mit Bor dotierter Diamant oder Platin-Palladium auf einem Eisen(II)/Eisen(III)-Mischoxid (PtPd/Fe3O4) ist oder enthält. Die genannten kathodischen Katalysatoren verbessern die Bildung von Wasserstoffperoxid (H2O2) an der Kathode.
  • Vorteilhafterweise umfasst die anodische Bipolarplatte einen Anodeneinlass, insbesondere in Form eines Wassereinlasses und einen Anodenauslass, insbesondere in Form eines Sauerstoffauslasses. Dies ermöglicht es insbesondere, in einem kontinuierlichen Prozess dem elektrochemischen Reaktor Wasser zuzuführen, insbesondere zur Trennschicht mit dem Dissoziationskatalysator, und zu molekularem Sauerstoff (O2) umzusetzen. Der molekulare Sauerstoff (O2) kann dann durch den Anodenauslass, also insbesondere den Sauerstoffauslass, entweichen. Der Anodenauslass kann insbesondere in fluidischer Verbindung mit einer Ozonerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Ozon (O3) aus molekularem Sauerstoff (O2) stehen, sodass der erzeugte molekulare Sauerstoff (O2) direkt weiter zu Ozon (O3) umgewandelt werden kann, beispielsweise durch Beaufschlagen mit UV-Strahlung.
  • Günstig ist es, wenn die kathodische Bipolarplatte einen Kathodeneinlass, insbesondere in Form eines Sauerstoffeinlasses, und einen Kathodenauslass, insbesondere in Form eines Wasserstoffperoxidauslasses, umfasst. Beispielsweise kann durch den Kathodeneinlass Luft, also insbesondere eine Mischung im Wesentlichen gebildet aus molekularem Sauerstoff (O2) und molekularem Stickstoff, in die kathodische Halbzelle geleitet und in dieser zu Wasserstoffperoxid (H2O2) umgesetzt werden. Wasserstoffperoxid (H2O2) kann aus dem Kathodenauslass aus der kathodischen Halbzelle des elektrochemischen Reaktors austreten. Insbesondere kann der Kathodenauslass in fluidwirksamer Verbindung mit einer Ozonerzeugungseinrichtung stehen. Beispielsweise kann diese ausgebildet sein, um Wasserstoffperoxid (H2O2) zum Erzeugen von Ozon (O3) mit UV-Strahlung zu beaufschlagen.
  • Vorzugsweise beträgt ein pH-Wert einer in die Anode strömenden anodischen Lösung etwa 7. So ist es nicht erforderlich, der anodischen Halbzelle eine basische Lösung zuzuführen. Eine Verschiebung des Milieus auf der Anodenseite wird dann erreicht durch die aus Wasser in der Trennschicht dissoziierten Hydroxidionen (OH-), die zur Anode wandern.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn ein pH-Wert einer in die Kathode strömenden kathodischen Lösung etwa 7 beträgt. So kann hier eine neutrale kathodische Lösung verwendet werden. Das Milieu auf der Kathodenseite des elektrochemischen Reaktors kann dann durch die in der Trennschicht dissoziierten Protonen (H+), die in die kathodische Halbzelle wandern, sauer eingestellt werden.
  • Günstig ist es, wenn das System eine Steuerungseinrichtung zum Steuern eines durch den elektrochemischen Reaktor fließenden Stroms umfasst. Mit einer solchen Steuerungseinrichtung kann insbesondere eine Dosierung der erzeugten Oxidationsmittel auf einfache Weise gesteuert und gegebenenfalls auch geregelt werden.
  • Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Behandlungsanlage zum chemischen Behandeln von Luft, Wasser und/oder Böden der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie eines der oben beschriebenen Systeme umfasst.
  • Mit einer solchen Behandlungsanlage lassen sich Luft, Wasser und/oder Böden auf einfache und sichere Weise durch eine Reihe chemischer Behandlungsverfahren behandeln, um insbesondere Gerüche, Verunreinigungen und Giftstoffe zu beseitigen. Eine solche Behandlungsanlage kann insbesondere alle erforderlichen Reagenzien, nämlich insbesondere starke Oxidationsmittel wie molekularer Sauerstoff (O2), Ozon (O3), Wasserstoffperoxid (H2O2) und/oder Hydroxylradikale, in-situ erzeugen. Anders als dies bei bekannten Behandlungsanlagen aus dem Stand der Technik der Fall ist, werden somit keine Tanks zur Bereitstellung von Wasserstoffperoxid (H2O2) und Sauerstoff (O2) benötigt. Mit der vorgeschlagenen Behandlungsanlage können die Reagenzien für die Behandlung von Luft, Wasser und/oder Böden in genau der gewünschten beziehungsweise Dosierung erzeugt werden, wie sie zur Behandlung erforderlich sind. Beispielsweise kann eine Dosierung auf einfache Weise über eine Leistungszufuhr zum elektrochemischen Reaktor erfolgen, insbesondere über eine Regelung der Stromstärke.
  • Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren mit mindestens einem elektrochemischen Reaktor in-situ molekularer Sauerstoff (O2) und Wasserstoffperoxid (H2O2) erzeugt werden und bei welchem Verfahren mit mindestens einer Ozonerzeugungseinrichtung Ozon (O3) und/oder mit mindestens einer Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung Hydroxylradikale (OH•) erzeugt werden.
  • Wie bereits eingehend erläutert, ermöglicht es ein solches Verfahren, mit einem elektrochemischen Reaktor in-situ die erforderlichen Reagenzien zur Behandlung von Luft, Böden und/oder Wasser herzustellen und insbesondere Ozon (O3) und/oder Hydroxylradikale (OH•) zu erzeugen. Mit diesen lassen sich dann die Advanced Oxidation Processes durchführen. Durch das Verfahren wird in-situ nur so viel von den jeweiligen Reagenzien erzeugt, wie tatsächlich benötigt wird. Eine Bevorratung der Reagenzien in Tanks ist nicht erforderlich. Dadurch lässt sich das Verfahren mit einem besonders kompakt ausgebildeten elektrochemischen Reaktor in-situ durchführen.
  • Günstig ist es, wenn das Ozon (O3) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor erzeugten molekularen Sauerstoffs (O2) und/oder durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) erzeugt wird. Es ist also insbesondere möglich, mit dem Verfahren Ozon (O3) auf zwei verschiedenen Wegen zu erzeugen, einmal durch Umwandlung aus molekularem Sauerstoff (O2) oder durch Umwandlung von Wasserstoffperoxid (H2O2). Beispielsweise kann dies jeweils durch Beaufschlagen mit UV-Strahlung erfolgen. Insbesondere kann die Erzeugung von molekularem Sauerstoff (O2) und Wasserstoffperoxid (H2O2) in unterschiedlichen Halbzellen des elektrochemischen Reaktors erfolgen. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, molekularen Sauerstoff (O2), Wasserstoffperoxid (H2O2) und/oder Ozon (O3) für die Advanced Oxidation Processes in gewünschter Weise zu dosieren. Mit dem Verfahren können also die Reagenzien gezielt hergestellt und zur Behandlung von Luft, Böden und/oder Wasser eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Dosierung auf einfache Weise über eine Leistungszufuhr zum elektrochemischen Reaktor erfolgen, insbesondere über eine Regelung der Stromstärke.
  • Vorzugsweise werden Hydroxylradikale (OH•) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) erzeugt. Diese können insbesondere durch einfache Spaltung von Wasserstoffperoxid (H2O2) gebildet werden, beispielsweise durch Beaufschlagen mit UV-Strahlung.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das Ozon (O3) und/oder die Hydroxylradikale (OH•) durch Beaufschlagen des molekularen Sauerstoffs (O2) und/oder des Ozons (O3) mit UV-Strahlung erzeugt werden. Die UV-Strahlung kann insbesondere in gewünschter Weise dosiert werden, um die Menge des Ozons (O3) sowie der Hydroxylradikale (OH•) in gewünschter Weise vorgeben zu können. Insbesondere lassen sich so Dosierungen in einfacher und gewünschter Weise einstellen und steuern. Beispielsweise kann eine Dosierung auf einfache Weise über eine Leistungszufuhr zum elektrochemischen Reaktor erfolgen, insbesondere über eine Regelung der Stromstärke.
  • Vorteilhaft ist es, wenn elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 380 nm eingesetzt wird. Insbesondere kann die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 240 nm aufweisen, um Ozon (O3) und/oder Hydroxylradikale (OH•) aus molekularem Sauerstoff (O2) und/oder Ozon (O3) auszubilden.
  • Günstig ist es, wenn der mindestens eine elektrochemische Reaktor mit einer anodischen Bipolarplatte, einer kathodischen Bipolarplatte und einer zwischen der anodischen Bipolarplatte und der kathodischen Bipolarplatte angeordneten Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet wird. Das wie vorgeschlagen weitergebildete Verfahren lässt sich mit einem solchen elektrochemischen Reaktor auf einfache und sichere Weise durchführen. Zudem ist der Aufbau eines solchen elektrochemischen Reaktors auf einfache Weise zu realisieren.
  • Günstigerweise wird dem elektrochemischen Reaktor durch die anodische Bipolarplatte Wasser zugeführt und Sauerstoff (O2) entnommen. Wasser wird der anodischen Halbzelle beziehungsweise der Trennschicht der Membran-Elektroden-Einheit des elektrochemischen Reaktors als Edukt zugeführt und Sauerstoff (O2) als Reaktionsprodukt entnommen.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn dem elektrochemischen Reaktor durch die kathodische Bipolarplatte Sauerstoff (O2) zugeführt und Wasserstoffperoxid (H2O2) entnommen wird. Sauerstoff (O2) kann der kathodischen Halbzelle des elektrochemischen Reaktors beispielsweise als Bestandteil von Luft zugeführt werden. Wasserstoffperoxid (H2O2) kann als Reaktionsprodukt der kathodischen Reaktion entnommen und direkt als Oxidationsmittel für die Advanced Oxidation Processes genutzt oder zu Ozon (O3) umgewandelt oder in Hydroxylionen aufgespalten werden.
  • Ferner wird die Verwendung eines der oben beschriebenen Systeme zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren vorgeschlagen. Dies ermöglicht es insbesondere, die für die Advanced Oxidation Processes erforderlichen Oxidationsmittel in gewünschter Weise und Menge herzustellen.
  • Ferner wird die Verwendung einer oben beschriebenen Behandlungsanlage zum chemischen Behandeln von Luft, Böden und/oder Wasser vorgeschlagen. Insbesondere wird die Verwendung einer solchen Behandlungsanlage vorgeschlagen zur Geruchsbeseitigung, zur Reinigung, zur Sanierung und/oder zur Desinfektion von Luft, Böden und/oder Wasser.
  • Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Systemen und Verfahrenzum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln:
    1. 1. System (10) zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln (58, 60, 82, 88), welches System (10) mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) zum in-situ Erzeugen von molekularem Sauerstoff (O2) (58) und Wasserstoffperoxid (H2O2) (60) und mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung (14, 15) zum Erzeugen von Ozon (O3) (82) und/oder mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung (16) zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•) (88) umfasst.
    2. 2. System nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung (14, 15) angeordnet und ausgebildet ist zum Erzeugen von Ozon (O3) (82) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten molekularen Sauerstoffs (58) und/oder durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) (60).
    3. 3. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung (16) angeordnet und ausgebildet ist zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•) (88) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) (60).
    4. 4. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung (14, 15) und/oder die mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung (16) mindestens eine UV-Strahlungsquelle (78), insbesondere eine UV-Lampe, umfasst.
    5. 5. System nach Satz 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine UV-Strahlungsquelle (78) ausgebildet ist zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung (80) mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 380 nm, insbesondere in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 240 nm.
    6. 6. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrochemische Reaktor (12) eine Anode mit einer anodischen Bipolarplatte (18), eine Kathode mit einer kathodischen Bipolarplatte (20) und eine zwischen der anodischen Bipolarplatte (18) und der kathodischen Bipolarplatte (20) angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (22) umfasst.
    7. 7. System nach Satz 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Einheit (22) eine anodische Gasdiffusionsschicht (40), eine kathodische Gasdiffusionsschicht (42) und eine mit Katalysatoren beschichtete Membran (46) umfasst, dass die anodische Gasdiffusionsschicht (40) mit der anodischen Bipolarplatte (18) in Kontakt steht, dass die kathodische Gasdiffusionsschicht (42) mit der kathodischen Bipolarplatte (20) in Kontakt steht und dass die mit Katalysatoren beschichtete Membran (46) zwischen der anodischen Gasdiffusionsschicht (40) und der kathodischen Gasdiffusionsschicht (42) angeordnet ist.
    8. 8. System nach Satz 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Katalysatoren beschichtete Membran (46) eine anodische Katalysatorschicht (54) und eine kathodische Katalysatorschicht (56) umfasst und dass die anodische Katalysatorschicht (54) mit der anodischen Gasdiffusionsschicht (40) in Kontakt steht und dass die kathodische Katalysatorschicht (56) mit der kathodischen Gasdiffusionsschicht (42) in Kontakt steht.
    9. 9. System nach Satz 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (46) in Form einer Bipolarmembran (46) ausgebildet ist mit einer Anionenaustauschmembran (48) und einer Kationenaustauschmembran (50) und dass die Anionenaustauschmembran (48) und die Kationenaustauschmembran (50) durch eine Trennschicht (52) voneinander getrennt sind.
    10. 10. System nach Satz 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (52) einen Dissoziationskatalysator enthält oder durch einen Dissoziationskatalysator gebildet ist.
    11. 11. System nach Satz 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dissoziationskatalysator Eisen(III)-oxid (Fe2O3) oder Aluminiumoxid (Al2O3) ist oder enthält.
    12. 12. System nach einem der Sätze 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (54) einen anodischen Katalysator enthält oder durch einen anodischen Katalysator gebildet ist.
    13. 13. System nach Satz 12, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Katalysator Ni2P oder Co2O3 ist oder enthält
    14. 14. System nach einem der Sätze 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (56) einen kathodischen Katalysator enthält oder durch einen kathodischen Katalysator gebildet ist.
    15. 15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Katalysator mesoporöser stickstoffdotierter Kohlenstoff, mit Bor dotierter Diamant oder Platin-Palladium auf einem Eisen(II)/Eisen(III)-Mischoxid (PtPd/Fe3O4) ist oder enthält.
    16. 16. System nach einem der Sätze 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Bipolarplatte (18) einen Anodeneinlass (26), insbesondere in Form eines Wassereinlasses, und einen Anodenauslass (28), insbesondere in Form eines Sauerstoffauslasses, umfasst.
    17. 17. System nach einem der Sätze 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Bipolarplatte (20) einen Kathodeneinlass (34), insbesondere in Form eines Luft- oder Sauerstoffeinlasses, und einen Kathodenauslass (38), insbesondere in Form eines Wasserstoffperoxidauslasses, umfasst.
    18. 18. System nach einem der Sätze 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein pH-Wert einer in die Anode strömenden anodischen Lösung etwa 7 beträgt.
    19. 19. System nach einem der Sätze 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein pH-Wert einer in die Kathode strömenden kathodischen Lösung etwa 7 beträgt.
    20. 20. System nach einem der voranstehenden Sätze, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung zum Steuern eines durch den elektrochemischen Reaktor fließenden Stroms.
    21. 21. Behandlungsanlage (90) zum chemischen Behandeln von Luft, Wasser und/oder Böden, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsanlage (90) ein System (10) nach einem der voranstehenden Sätze umfasst.
    22. 22. Verfahren zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln (58, 60, 82, 88), bei welchem Verfahren mit mindestens einem elektrochemischen Reaktor (12) in-situ molekularer Sauerstoff (O2) (58) und Wasserstoffperoxid (H2O2) (60) erzeugt werden und bei welchem mit mindestens einer Ozonerzeugungseinrichtung (14, 15) Ozon (O3) (82) und/oder mit mindestens einer Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung (16) Hydroxylradikale (OH•) (88) erzeugt werden.
    23. 23. Verfahren nach Satz 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Ozon (O3) (82) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten molekularen Sauerstoffs (O2) (58) und/ oder durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) (60) erzeugt wird.
    24. 24. Verfahren nach Satz 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroxylradikale (OH•) (88) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) (60) erzeugt werden.
    25. 25. Verfahren nach einem der Sätze 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Ozon (O3) (82) und/oder die Hydroxylradikalen (OH•) (88) durch Beaufschlagen des molekularen Sauerstoffs (O2) (58) und/oder des Ozons (O3) (82) mit UV-Strahlung (80) erzeugt werden.
    26. 26. Verfahren nach Satz 25, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung (80) mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 380 nm, insbesondere in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 240 nm, eingesetzt wird.
    27. 27. Verfahren nach einem der Sätze 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrochemische Reaktor (12) mit einer anodischen Bipolarplatte (18), einer kathodischen Bipolarplatte (20) und einer zwischen der anodischen Bipolarplatte (18) und der kathodischen Bipolarplatte (20) angeordneten Membran-Elektroden-Einheit (22) ausgebildet wird.
    28. 28. Verfahren nach Satz 27, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektrochemischen Reaktor (12) durch die anodische Bipolarplatte (18) Wasser (68) zugeführt und Sauerstoff (O2) (58) entnommen wird.
    29. 29. Verfahren nach Satz 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektrochemischen Reaktor (12) durch die kathodische Bipolarplatte (20) Sauerstoff (O2) (70) zugeführt und Wasserstoffperoxid (H2O2) (60) entnommen wird.
    30. 30. Verwendung eines Systems (10) nach einem der Sätze 1 bis 20 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Sätze 22 bis 29.
    31. 31. Verwendung einer Behandlungsanlage (90) nach Satz 21 zum chemischen Behandeln von Luft, Böden und/oder Wasser, insbesondere zur Geruchsbeseitigung, zur Reinigung, zur Sanierung und/oder zur Desinfektion.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
    • 1: eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Mem bran-Elektroden-Einheit;
    • 2: eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines elektrochemischen Reaktors mit einer Membran-Elektroden-Einheit aus 1;
    • 3: eine schematische Darstellung der Reaktionen im elektrochemischen Reaktor aus 2;
    • 4: eine schematische Darstellung einer Ozonerzeugungseinrichtung im Zusammenwirken mit einem elektrochemischen Reaktor zur Ausbildung von Ozon (O3) aus molekularem Sauerstoff (O2);
    • 5: eine schematische Darstellung ähnlich 4 mit angegebenen Edukten und Produkten beim Einsatz des elektrochemischen Reaktors;
    • 6: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines elektrochemischen Reaktors mit zwei Ozonerzeugungseinrichtungen zum Erzeugen von Ozon (O3) einerseits aus molekularem Sauerstoff (O2) und andererseits aus Wasserstoffperoxid (H2O2);
    • 7: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln;
    • 8: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Systems zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln;;
    • 9: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Systems zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln;;
    • 10: eine schematische Darstellung einer Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung; und
    • 8: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Behandlungsanlage.
  • In 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Systems zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln schematisch dargestellt und insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
  • Das System 10 umfasst einen elektrochemischen Reaktor 12 zum in-situ Erzeugen von molekularem Sauerstoff (O2) und Wasserstoffperoxid (H2O2).
  • Das System 10 umfasst ferner eine Ozonerzeugungseinrichtung 14 zum Erzeugen von Ozon (O3).
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln ist schematisch in 8 dargestellt und ebenfalls mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
  • Das System 10 umfasst wiederum einen elektrochemischen Reaktor 12 zum in-situ Erzeugen von molekularem Sauerstoff (O2) und Wasserstoffperoxid (H2O2). Ferner umfasst das System 10 eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung 16 zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•).
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln ist schematisch in 9 dargestellt und insgesamt ebenfalls mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
  • Auch dieses System 10 umfasst wiederum einen elektrochemischen Reaktor 12 zum in-situ Erzeugen von molekularem Sauerstoff (O2) und Wasserstoffperoxid (H2O2). Ferner umfasst dieses System 10 eine Ozonerzeugungseinrichtung 14 zum Erzeugen von Ozon (O3) und eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung 16 zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•).
  • Die drei beschriebenen Ausführungsbeispiele von Systemen 10 zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln umfassen wie angegeben jeweils einen elektrochemischen Reaktor 12. Dessen Aufbau ist schematisch in 2 dargestellt.
  • Zwischen einer anodischen Bipolarplatte 18 und einer kathodischen Bipolarplatte 20 ist eine Membran-Elektroden-Einheit 22 angeordnet, deren Aufbau nachfolgend in Verbindung mit 1 näher erläutert wird.
  • Die anodische Bipolarplatte 18 umfasst eine Mehrzahl von Verteilerkanälen 24, die mit einem Anodeneinlass 26 fluidwirksam verbunden sind.
  • Weitere Verteilerkanäle 28, die in der anodischen Bipolarplatte ausgebildet, sind fluidwirksam mit einem Anodenauslass 30 verbunden.
  • Die Verteilerkanäle 24 und 28 der anodischen Bipolarplatte 18 sind in Richtung auf die Membran-Elektroden-Einheit 22 hin weisend geöffnet.
  • In ähnlicher Weise ist die kathodische Bipolarplatte 20 mit Verteilerkanälen 32 ausgestattet, die fluidwirksam mit einem Kathodeneinlass 34 fluidwirksam verbunden sind. Weitere Verteilerkanäle 36 sind fluidwirksam mit einem Kathodenauslass 38 verbunden.
  • Die Verteilerkanäle 32 und 36 sind in Richtung auf die Membran-Elektroden-Einheit 22 hin weisend geöffnet.
  • Die Membran-Elektroden-Einheit 22 umfasst eine anodische Gasdiffusionsschicht 40, die an der anodischen Bipolarplatte 18 anliegt und porös ausgebildet ist.
  • An der kathodischen Bipolarplatte 20 liegt eine kathodische Gasdiffusionsschicht 42 an, die ebenfalls porös ausgebildet ist.
  • Zwischen den Gasdiffusionsschichten 40 und 42 ist eine Katalysator-beschichtete Membran 44 angeordnet.
  • Die Katalysator-beschichtete Membran 44 umfasst eine Bipolarmembran 46 mit einer Anionenaustauschmembran 48 und einer Kationenaustauschmembran 50, zwischen denen eine Trennschicht 52 angeordnet beziehungsweise ausgebildet ist.
  • Die Trennschicht 52 enthält einen Dissoziationskatalysator oder ist durch einen solchen gebildet.
  • Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist oder enthält der Dissoziationskatalysator Eisen(III)-oxid (Fe2O3).
  • Von der Trennschicht 52 weg weisend trägt die Anionenaustauschmembran 48 eine anodische Katalysatorschicht 54. Diese liegt an der anodischen Gasdiffusionsschicht 40 an.
  • Die Kationenaustauschmembran 50 trägt auf ihrer von der Trennschicht 52 weg weisenden Seitenfläche eine kathodische Katalysatorschicht 56, die wiederum an der kathodischen Gasdiffusionsschicht 42 anliegt.
  • Der elektrochemische Reaktor 12 ist ausgebildet zum Erzeugen von zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln, nämlich Sauerstoff (O2) 58 und Wasserstoffperoxid (H2O2) 60.
  • Zum Betreiben des elektrochemischen Reaktors 12 wird die anodische Bipolarplatte 18 elektrisch leitend mit einem Pluspol 62 einer Gleichspannungsquelle 64 verbunden. Die kathodische Bipolarplatte 20 wird elektrisch leitend mit einem Minuspol 66 der Gleichspannungsquelle 64 verbunden.
  • Durch den Anodeneinlass 26 wird dem elektrochemischen Reaktor 12 Wasser (H2O) 68 zugeführt.
  • Durch den Kathodeneinlass 34 wird dem elektrochemischen Reaktor 12 Luft 70 zugeführt. Die Luft 70 enthält als Bestandteil bekanntermaßen molekularen Sauerstoff (O2).
  • In der Trennschicht dissoziieren Wassermoleküle in Protonen (H+) und Hydroxidionen (OH-) 74. Die Hydroxidionen (OH-) 74 bilden in Anwesenheit des in der anodischen Katalysatorschicht 54 enthaltenen anodischen Katalysators Wasser (H2O) und molekularen Sauerstoff (O2) gemäß nachfolgender Reaktionsgleichung : 4 OH-→ 2 H2O + O2 + 4e-
  • Die frei werdenden Elektronen (e-) 76 fließen von der Anode zur Kathode.
  • Der in der anodischen Halbzelle des elektrochemischen Reaktors 12 gebildete Sauerstoff (O2) 58 wird durch den Anodenauslass 30 geleitet.
  • In der kathodischen Halbzelle des elektrochemischen Reaktors 12 wird die Luft 70 durch den Kathodeneinlass 34 eingeleitet. Der in der Luft 70 enthaltene molekulare Sauerstoff (O2) reagiert mit den in der Trennschicht 52 dissoziierten Protonen (H+) 72 gemäß nachfolgender Reaktionsgleichung zu Wasserstoffperoxid (H2O2): 4 e- + 4 H+ + 2 O2 → 2 H2O2
  • Das gebildete Wasserstoffperoxid (H2O2) 60 wird durch den Kathodenauslass 38 aus dem elektrochemischen Reaktor 12 abgeführt.
  • In Verbindung mit den 4 und 5 wird nachfolgend die Funktionsweise des Systems 10 umfassend eine Ozonerzeugungseinrichtung 14 näher erläutert.
  • Die Ozonerzeugungseinrichtung 14 umfasst eine UV-Strahlungsquelle 78 zum Erzeugen von UV-Strahlung 80 mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 240 nm.
  • Der mit dem elektrochemischen Reaktor 12 erzeugte molekulare Sauerstoff (O2) 58 wird mit der UV-Strahlung 80 beaufschlagt und bildet dabei gemäß nachfolgender Reaktionsgleichung Ozon (O3) 82: 3 O2 → 2 O3
  • In Verbindung mit 6 wird nachfolgend ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems 10 näher erläutert.
  • Zusätzlich zur Ozonerzeugungseinrichtung 14 umfasst dieses System 10 eine zweite Ozonerzeugungseinrichtung 15. Diese ist angeordnet, um das mit dem elektrochemischen Reaktor 12 gebildete Wasserstoffperoxid (H2O2) 60 durch Beaufschlagung mit ultravioletter Strahlung 80 in Ozon (O3) gemäß nachfolgender Gleichung umzuwandeln: 3 H2O2 → O3 + 3 H2O.
  • Die Ozonerzeugungseinrichtung 15 ist ausgebildet zum Erzeugen ultravioletter Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner 270 nm.
  • In den Figuren nicht dargestellt sind weitere Ausführungsbeispiele von Systemen 10, die lediglich eine Ozonerzeugungseinrichtung 15 umfassen, jedoch keine Ozonerzeugungseinrichtung 14.
  • Zum Aufspalten von Wasserstoffperoxid (H2O2) 60 in Hydroxylradikale (OH•) 88 dient die Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung 16. Diese umfasst, wie schematisch bei dem Ausführungsbeispiel in 10 dargestellt, eine UV-Strahlungsquelle 84 zur Erzeugung von UV-Strahlung 86. Durch Photolyse wird Wasserstoffperoxid (H2O2) 60 gemäß der nachfolgenden Gleichung in Hydroxylradikale (OH•) 88 aufgespalten: H2O2 → 2 OH•
  • Bei den beschriebenen elektrochemischen Reaktoren 12 wird als anodischer Katalysator Nickelphosphid (Ni2P) oder Kobalt(III)-oxid (CO2O3) eingesetzt.
  • Als kathodischer Katalysator wird bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen elektrochemischer Reaktoren 12 mesoporöser stickstoffdotierter Kohlenstoff oder mit Bor dotierter Diamant oder Platin-Palladium auf Ferroferroxid (PtPd/Fe3O4) eingesetzt.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer Behandlungsanlage 90 zum chemischen Behandeln von Luft, Wasser und/oder Böden ist schematisch in 11 dargestellt.
  • Die Behandlungsanlage 90 umfasst ein System 10. Dieses ist in Form eines der oben beschriebenen Systeme 10 ausgebildet. Die Behandlungsanlage 90 umfasst ferner eine Reinigungskammer 92, die einerseits mit einem Einlass 94 und andererseits mit einem Auslass 96 der Behandlungsanlage 90 fluidwirksam verbunden ist.
  • Durch den Einlass 94 kann der Reinigungskammer 92 zu reinigende Luft, eine zu reinigenden Flüssigkeit oder zu reinigender Boden zugeführt werden.
  • Mit dem System 10 erzeugter molekularer Sauerstoff (O2) und/oder Ozon (O3) und/oder Wasserstoffperoxid (H2O2) und/oder Hydroxylradikale (OH•) werden der Reinigungskammer 92 zugeführt, um die beschriebenen chemischen Behandlungsverfahren der Advanced Oxidation Processes durchzuführen.
  • Um die Oxidationsmittel in gewünschter Menge und Dosierung bereitstellen zu können, umfassen die Systeme 10 optional eine Steuerungseinrichtung 98, die mit dem elektrochemischen Reaktor 12, der Ozonerzeugungseinrichtung 14, der Ozonerzeugungseinrichtung 15 sowie der Hydroxyradikaleerzeugungseinrichtung 16 steuerungswirksam verbunden ist.
  • Die beschriebenen Systeme 10 ermöglichen es insbesondere, die hochreaktiven Oxidationsmittel molekularer Sauerstoff (O2), Ozon (O3), Wasserstoffperoxid (H2O2) und/oder Hydroxylradikale (OH•) in gewünschter Menge und Dosierung herzustellen, um die Advanced Oxidation Processes, beispielsweise mit der Behandlungsanlage 90, in gewünschter Weise durchführen zu können. In der nachfolgenden Tabelle sind Oxidationspotenziale verschiedener Oxidationsmittel angegeben:
    Oxidationsmittel Redoxpotenzial [V]
    Sauerstoff (O2) + 1,229
    (O2 + 4H+ ↔ 2H2O)
    Wasserstoffperoxid (H2O2) +0,867
    (H2O2 + 2H+ + 2e- ↔ 2H2O)
    Ozon (O3) + 2,07
    (O3+ 2H+ ↔ O2 + H2O)
    Hydroxylradikal (OH•) ( + 2,80
    Kaliumpermanganat + 1,87
    (MnO4 - + 2H+ + 3e- ↔ MnO2 + 2H2O
  • Aus den in der Tabelle angegebenen Werten der Oxidationspotenziale ergibt sich, dass die wie vorgeschlagen in-situ hergestellten Oxidationsmittel molekularer Sauerstoff (O2), Ozon (O3), Wasserstoffperoxid (H2O2) und/oder Hydroxylradikale (OH•) die höchsten Oxidationspotenziale besitzen und somit auch das größte Potenzial, Schadstoffe zu beseitigen.
  • Mit den Systemen 10 beziehungsweise der Behandlungsanlage 90 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel das Breitbandantibiotikum Amoxicillin wie nachfolgend beschrieben abgebaut werden.
  • Amoxicillin gehört der Gruppe der Aminopenicilline an und damit zur Wirkstoffgruppe der Beta-Lactam-Antibiotika. Amoxicillin-Produktionsstätten produzieren Abwässer, die insbesondere größere Mengen von Amoxicillin enthalten können. Es ist allgemein bekannt, dass biologische Kläranlagen aufgrund der Wirkung ihrer Inhaltsstoffe nicht in der Lage sind, das stark kontaminierte Abwasser von Produktionsanlagen für Antibiotika zu behandeln. Daher ist bei derartigen Produktionsstätten bislang die Verbrennung des Abwassers erforderlich. Die beschriebene Behandlungsanlage 90 beziehungsweise die beschriebenen Systeme 10 ermöglichen die Durchführung eines geeigneten Verfahrens für die Entfernung mehrerer Stoffe aus dem Abwasser der Produktionsstätte. Mit der beschriebenen Behandlungsanlage 90 konnte beispielsweise die Kapazität von stark kontaminiertem Abwasser einer Produktionsstätte von Amoxicillin erfolgreich von zunächst 54 m3 stufenweise auf 100 m3 erhöht werden. Im Gegensatz zur Verbrennung des Abwassers ermöglicht die Bereitstellung der beschriebenen Behandlungsanlage 90 nicht nur die Senkung von Investitionskosten, sondern auch die Senkung der Betriebskosten. Zusätzlich konnte die Behandlungsrate gesteigert werden.
  • Bei einem weiteren Anwendungsbeispiel werden Abwässer aus der Synthese von Chelatbildnern für Wasch- und Reinigungsmittel, Zellstoff und Papier sowie für Landwirtschaft aufbereitet. Diese Abwässer enthalten meist Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA). Stand der Technik ist es, Abwasser von EDTA-Produktionslinien vollständig bioverfügbar zu machen. Einzige Ausnahme ist der Inhaltsstoff EDTA, das nach einem Extraktionsschritt verbleibt. EDTA kann jedoch durch keine biologische Behandlung entfernt werden. Die Behandlungsanlage 90 macht dagegen eine hochselektive Behandlung mit Advanced Oxidation Processes als Vorbehandlung möglich, die die Konzentration von EDTA ohne erkennbare Veränderung der Matrix reduziert.
  • Diese Art der Behandlung kann auch zur selektiven Entfernung von aktiven pharmazeutischen Inhalten (API) aus industriellen Abwässern in pharmazeutischen Produktionsstätten angewendet werden.
  • Wie beschrieben lassen sich die Behandlungsanlage 90 sowie die weiterhin beschriebenen Systeme 10 zur Abwasserreinigung, zur Luftreinigung sowie zur Bodenreinigung einsetzen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    System
    12
    elektrochemischer Reaktor
    14
    Ozonerzeugungseinrichtung
    15
    Ozonerzeugungseinrichtung
    16
    Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung
    18
    anodische Bipolarplatte
    20
    kathodische Bipolarplatte
    22
    Membran-Elektroden-Einheit
    24
    Verteilerkanal
    26
    Anodeneinlass
    28
    Verteilerkanal
    30
    Anodenauslass
    32
    Verteilerkanal
    34
    Kathodeneinlass
    36
    Verteilerkanal
    38
    Kathodenauslass
    40
    anodische Gasdiffusionsschicht
    42
    kathodische Gasdiffusionsschicht
    44
    Katalysator-beschichtete Membran
    46
    Bipolarmembran
    48
    Anionenaustauschmembran
    50
    Kationenaustauschmembran
    52
    Trennschicht
    54
    anodische Katalysatorschicht
    56
    kathodische Katalysatorschicht
    58
    Sauerstoff (O2)
    60
    Wasserstoffperoxid (H2O2)
    62
    Pluspol
    64
    Gleichspannungsquelle
    66
    Minuspol
    68
    Wasser (H2O)
    70
    Luft
    72
    Proton (H+)
    74
    Hydroxidion (OH-)
    76
    Elektron (e-)
    78
    UV-Strahlungsquelle
    80
    UV-Strahlung
    82
    Ozon (O3)
    84
    UV-Strahlungsquelle
    86
    UV-Strahlung
    88
    Hydroxylradikal (OH-)
    90
    Behandlungsanlage
    92
    Reinigungskammer
    94
    Einlass
    96
    Auslass
    98
    Steuerungseinrichtung

Claims (20)

  1. System (10) zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln (58, 60, 82, 88), welches System (10) mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) zum in-situ Erzeugen von molekularem Sauerstoff (O2) (58) und Wasserstoffperoxid (H2O2) (60) und mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung (14, 15) zum Erzeugen von Ozon (O3) (82) und/oder mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung (16) zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•) (88) umfasst.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung (14, 15) angeordnet und ausgebildet ist zum Erzeugen von Ozon (O3) (82) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten molekularen Sauerstoffs (58) und/oder durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) (60) und/oder b) die mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung (16) angeordnet und ausgebildet ist zum Erzeugen von Hydroxylradikalen (OH•) (88) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) (60).
  3. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ozonerzeugungseinrichtung (14, 15) und/oder die mindestens eine Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung (16) mindestens eine UV-Strahlungsquelle (78), insbesondere eine UV-Lampe, umfasst, wobei insbesondere die mindestens eine UV-Strahlungsquelle (78) ausgebildet ist zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung (80) mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 380 nm, insbesondere in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 240 nm.
  4. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrochemische Reaktor (12) eine Anode mit einer anodischen Bipolarplatte (18), eine Kathode mit einer kathodischen Bipolarplatte (20) und eine zwischen der anodischen Bipolarplatte (18) und der kathodischen Bipolarplatte (20) angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (22) umfasst.
  5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Einheit (22) eine anodische Gasdiffusionsschicht (40), eine kathodische Gasdiffusionsschicht (42) und eine mit Katalysatoren beschichtete Membran (46) umfasst, dass die anodische Gasdiffusionsschicht (40) mit der anodischen Bipolarplatte (18) in Kontakt steht, dass die kathodische Gasdiffusionsschicht (42) mit der kathodischen Bipolarplatte (20) in Kontakt steht und dass die mit Katalysatoren beschichtete Membran (46) zwischen der anodischen Gasdiffusionsschicht (40) und der kathodischen Gasdiffusionsschicht (42) angeordnet ist.
  6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Katalysatoren beschichtete Membran (46) eine anodische Katalysatorschicht (54) und eine kathodische Katalysatorschicht (56) umfasst und dass die anodische Katalysatorschicht (54) mit der anodischen Gasdiffusionsschicht (40) in Kontakt steht und dass die kathodische Katalysatorschicht (56) mit der kathodischen Gasdiffusionsschicht (42) in Kontakt steht.
  7. System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (46) in Form einer Bipolarmembran (46) ausgebildet ist mit einer Anionenaustauschmembran (48) und einer Kationenaustauschmembran (50) und dass die Anionenaustauschmembran (48) und die Kationenaustauschmembran (50) durch eine Trennschicht (52) voneinander getrennt sind.
  8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (52) einen Dissoziationskatalysator enthält oder durch einen Dissoziationskatalysator gebildet ist, wobei insbesondere der Dissoziationskatalysator Eisen(III)-oxid (Fe2O3) oder Aluminiumoxid (Al2O3) ist oder enthält.
  9. System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) die anodische Katalysatorschicht (54) einen anodischen Katalysator enthält oder durch einen anodischen Katalysator gebildet ist, wobei insbesondere der anodische Katalysator Ni2P oder Co2O3 ist oder enthält, und/oder b) die kathodische Katalysatorschicht (56) einen kathodischen Katalysator enthält oder durch einen kathodischen Katalysator gebildet ist, wobei insbesondere der kathodische Katalysator mesoporöser stickstoffdotierter Kohlenstoff, mit Bor dotierter Diamant oder Platin-Palladium auf einem Eisen(II)/Eisen(III)-Mischoxid (PtPd/Fe3O4) ist oder enthält.
  10. System nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass a) die anodische Bipolarplatte (18) einen Anodeneinlass (26), insbesondere in Form eines Wassereinlasses, und einen Anodenauslass (28), insbesondere in Form eines Sauerstoffauslasses, umfasst und/oder b) die kathodische Bipolarplatte (20) einen Kathodeneinlass (34), insbesondere in Form eines Luft- oder Sauerstoffeinlasses, und einen Kathodenauslass (38), insbesondere in Form eines Wasserstoffperoxidauslasses, umfasst und/oder c) ein pH-Wert einer in die Anode strömenden anodischen Lösung etwa 7 beträgt und/oder d) ein pH-Wert einer in die Kathode strömenden kathodischen Lösung etwa 7 beträgt.
  11. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (98) zum Steuern eines durch den elektrochemischen Reaktor (22) fließenden Stroms.
  12. Behandlungsanlage (90) zum chemischen Behandeln von Luft, Wasser und/oder Böden, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsanlage (90) ein System (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche umfasst.
  13. Verfahren zum Erzeugen von mindestens zwei hochreaktiven Oxidationsmitteln (58, 60, 82, 88), bei welchem Verfahren mit mindestens einem elektrochemischen Reaktor (12) in-situ molekularer Sauerstoff (O2) (58) und Wasserstoffperoxid (H2O2) (60) erzeugt werden und bei welchem mit mindestens einer Ozonerzeugungseinrichtung (14, 15) Ozon (O3) (82) und/oder mit mindestens einer Hydroxylradikaleerzeugungseinrichtung (16) Hydroxylradikale (OH•) (88) erzeugt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ozon (O3) (82) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten molekularen Sauerstoffs (O2) (58) und/oder durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) (60) erzeugt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroxylradikale (OH•) (88) durch Umwandlung des mit dem mindestens einen elektrochemischen Reaktor (12) erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) (60) erzeugt werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ozon (O3) (82) und/oder die Hydroxylradikalen (OH•) (88) durch Beaufschlagen des molekularen Sauerstoffs (O2) (58) und/oder des Ozons (O3) (82) mit UV-Strahlung (80) erzeugt werden, wobei elektromagnetische Strahlung (80) mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 380 nm, insbesondere in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 240 nm, eingesetzt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrochemische Reaktor (12) mit einer anodischen Bipolarplatte (18), einer kathodischen Bipolarplatte (20) und einer zwischen der anodischen Bipolarplatte (18) und der kathodischen Bipolarplatte (20) angeordneten Membran-Elektroden-Einheit (22) ausgebildet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass a) dem elektrochemischen Reaktor (12) durch die anodische Bipolarplatte (18) Wasser (68) zugeführt und Sauerstoff (O2) (58) entnommen wird und/oder b) dem elektrochemischen Reaktor (12) durch die kathodische Bipolarplatte (20) Sauerstoff (O2) (70) zugeführt und Wasserstoffperoxid (H2O2) (60) entnommen wird.
  19. Verwendung eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 / bis 17.
  20. Verwendung einer Behandlungsanlage (90) nach Anspruch 12 zum chemischen Behandeln von Luft, Böden und/oder Wasser, insbesondere zur Geruchsbeseitigung, zur Reinigung, zur Sanierung und/oder zur Desinfektion.
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