DE102019125125A1 - Reactor module and oxidation reactor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen photokatalytischen Oxidationsreaktor (1) zur Oxidation von mit organischen Schadstoffen belasteten Fluiden mit einem Mischelement (150) durch ein Geflecht (300) gebildet ist, welches Titandioxid in der Rutil-Modifikation aufweist.The present invention relates to a photocatalytic oxidation reactor (1) for the oxidation of fluids polluted with organic pollutants, with a mixing element (150) formed by a mesh (300) which has titanium dioxide in the rutile modification.
Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Reaktormodul für einen photokatalytischen Oxidationsreaktor sowie photokatalytischen Oxidationsreaktoren zur Oxidation von mit Schadstoffen belasteten Fluiden, insbesondere Abwässern, die ein solches Reaktormodul aufweisen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Oxidation von mit Schadstoffen belasteten Abwässern.The present application relates to a reactor module for a photocatalytic oxidation reactor and photocatalytic oxidation reactors for the oxidation of fluids contaminated with pollutants, in particular waste water, which have such a reactor module. The present invention also relates to a method for the oxidation of waste water polluted with pollutants.
Die keimtötende, desinfizierende Wirkung von UV-Licht ist bekannt und wird häufig bei der Wasseraufbereitung verwendet. Beispielsweise werden UV-Strahler seit vielen Jahren für die Desinfektion von Trinkwasser und Abwasser, zur Desinfektion von Arbeitsbereichen in biologischen Laboratorien und in Klimaanlagen eingesetzt. Im Gegensatz zu chemischen Wasserdesinfektionsverfahren beruht die UV-Desinfektion auf einem physikalischen Prozess. Durch Absorption der Strahlung von den Nukleinsäuren im Zellkern von Mikroorganismen wird die Nukleinsäurestruktur derart verändert, dass eine Replikation unmöglich wird. Die Mikroorganismen, wie Bakterien oder Viren, verlieren somit die Infektionsfähigkeit. Mit entsprechender Dosis und Wellenlänge lassen sich mehr als 99,9 % aller Pathogene innerhalb von Sekundenbruchteilen unschädlich machen.The germicidal, disinfecting effect of UV light is known and is often used in water treatment. For example, UV lamps have been used for many years for the disinfection of drinking water and waste water, for the disinfection of work areas in biological laboratories and in air conditioning systems. In contrast to chemical water disinfection processes, UV disinfection is based on a physical process. By absorbing the radiation from the nucleic acids in the cell nucleus of microorganisms, the nucleic acid structure is changed in such a way that replication becomes impossible. The microorganisms, such as bacteria or viruses, lose their ability to infect. With the appropriate dose and wavelength, more than 99.9% of all pathogens can be rendered harmless within fractions of a second.
Die energiereiche, kurzwellige UV-Strahlung weist dabei hauptsächlich eine Wellenlänge von bis zu 280 nm auf und fällt in den sogenannten kurzwelligen UVC-Bereich.The high-energy, short-wave UV radiation mainly has a wavelength of up to 280 nm and falls into the so-called short-wave UVC range.
Zum Abbau von mit Schadstoffen belasteten Abwässern, beispielsweise in der Form von organischen Mikroschadstoffen und/oder anthropogenen Spurenstoffen sind reine UV-Desinfektionsverfahren nicht geeignet. Hierzu sind vielmehr photokatalytische Oxidationsreaktoren erforderlich.Pure UV disinfection processes are not suitable for the degradation of waste water contaminated with pollutants, for example in the form of organic micropollutants and / or anthropogenic trace substances. Instead, photocatalytic oxidation reactors are required for this.
Einen solchen photokatalytischen Oxidationsreaktor beschreibt beispielsweise die
Es sind auch Oxidationsreaktoren bekannt, die Kugelkörper zur Durchmischung des Fluids aufweisen. Obwohl das beschriebene Konzept eine Verbesserung bewirkt, ist das Ergebnis noch nicht zufriedenstellend. Insbesondere ist die Herstellung der Kugelkörper verhältnismäßig kostenintensiv.Oxidation reactors are also known which have spherical bodies for thorough mixing of the fluid. Although the concept described brings about an improvement, the result is still not satisfactory. In particular, the manufacture of the spherical bodies is relatively expensive.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Konzept eines photokatalytischen Oxidationsreaktors bereitzustellen. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindungen einen photokatalytischen Oxidationsreaktor bereitzustellen, der bei möglichst geringen Fertigungs- und Betriebskosten einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Wirkungsgrad aufweist.The object of the present invention is therefore to provide a concept of a photocatalytic oxidation reactor which is improved compared to the prior art. A further object of the present invention is to provide a photocatalytic oxidation reactor which, with the lowest possible production and operating costs, has an efficiency that is improved compared to the prior art.
Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Reaktormodul, aufweisend
- - eine erste Gehäusewand und eine zweite Gehäusewand, die miteinander verbunden und voneinander beabstandet angeordnet sind und einen durchströmbaren Reaktionsraum zwischen sich ausbilden,
- - mindestens ein innerhalb des Reaktionsraums angeordnetes Mischelement,
- - A first housing wall and a second housing wall, which are connected to one another and arranged at a distance from one another and form a flow-through reaction space between them,
- - At least one mixing element arranged within the reaction chamber,
Weiterhin werden die Aufgaben durch Oxidationsreaktoren mit den Merkmalen der Patentansprüche 8 und 12 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.Furthermore, the objects are achieved by oxidation reactors with the features of patent claims 8 and 12 and a method with the features of patent claim 15.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. So können die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmalen kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der der Erfindung darstellen.Advantageous embodiments and variants of the invention emerge from the dependent claims and the following description. Thus, the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically meaningful manner as well as with the features explained in more detail in the following description and represent other advantageous embodiments of the invention.
Das erfindungsgemäße Reaktormodul zur Verwendung in einem photokatalytischen Oxidationsreaktor weist als Mischelement für das Fluid, das den Reaktionsraum durchströmt, ein Geflecht auf. Das Geflecht nimmt vorzugsweise einen Volumenanteil im Reaktionsraum von mindestens 20 %, vorzugsweise von 20 bis 80 %, mehr bevorzugt von 20 bis 60 % des Reaktionsraums ein. Unter dem Begriff Geflecht wird ein verflochtenes Netz von Linien, Strängen oder ähnlichem verstanden.The reactor module according to the invention for use in a photocatalytic oxidation reactor has a mesh as a mixing element for the fluid which flows through the reaction space. The mesh preferably occupies a volume fraction in the reaction space of at least 20%, preferably from 20 to 80%, more preferably from 20 to 60% of the reaction space. The term braid is understood to mean an interwoven network of lines, strands or the like.
Erfindungsgemäß kann das Geflecht im Querschnitt einen Kern aus Metall oder Glasfaser aufweisen. Erfindungsgemäß weist das Geflecht eine Schicht aus Titandioxid in einer Anatas-Modifikation auf (im Folgenden Anatas).According to the invention, the braid can have a core made of metal or glass fiber in cross section. According to the invention, the braid has a layer of titanium dioxide in an anatase modification (hereinafter anatase).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante weist das Geflecht zunächst eine erste Schicht aus Titandioxid in einer Rutil-Modifikation auf (im Folgenden Rutil) auf, an die sich die zweite Schicht des Titandioxids in der Anatas-Modifikation anschließt. Das Geflecht kann dabei sogar vollständig aus Rutil bestehen. Rutil hat den Vorteil, dass es ausgesprochen hart und verschleißfest ist.In a particularly preferred embodiment, the braid initially has a first layer of titanium dioxide in a rutile modification on (hereinafter rutile), which is followed by the second layer of titanium dioxide in the anatase modification. The braid can even consist entirely of rutile. Rutile has the advantage that it is extremely hard and wear-resistant.
Anatas hat gegenüber Rutil einen höheren photokatalytischen Wirkungsgrad, ist aber weniger hart. Insofern verschleißt die Anatasschicht zwar im Laufe des Betriebs schneller, darunter befindet sich aber vorzugsweise die ebenfalls wirksame Rutilschicht. Nimmt der Wirkungsgrad des Oxidationsreaktors unter einen akzeptablen Wert ab, ist es möglich, das Geflecht erneut mit Anatas zu beschichten.Anatase has a higher photocatalytic efficiency than rutile, but is less hard. In this respect, although the anatase layer wears out faster in the course of operation, the rutile layer, which is also effective, is preferably located underneath. If the efficiency of the oxidation reactor falls below an acceptable value, it is possible to coat the mesh again with anatase.
Die Wellenlänge des Lichts muss an die gewählte Materialzusammensetzung bzw. das jeweils verwendete photokatalytisch wirksame Material angepasst werden.The wavelength of the light must be adapted to the selected material composition or the particular photocatalytically active material used.
Das Geflecht kann mit geeigneten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise kann es sich erfindungsgemäß auch um einen Ausdruck aus einem 3D-Drucker handeln, der entweder bereits aus dem gewünschten Material oder gewünschten Materialzusammensetzung besteht oder anschließend entsprechend beschichtet wird.The mesh can be produced using suitable methods, for example, according to the invention, it can also be a printout from a 3D printer that either already consists of the desired material or desired material composition or is then coated accordingly.
Ein besonderer Vorteil des Gefechts besteht auch darin, dass es nicht zwangsweise planar ausgebildet und/oder angeordnet sein muss, vielmehr kann das Geflecht auch gebogen oder andersartig geformt sein. Insbesondere bietet es sich auch für eine Verwendung in einem zylinderförmigen Oxidationsreaktor an, in dem es ebenfalls zylinderförmig ausgeformt ist. Alternativ kann es als plane Fläche ausgebildet sein, die in einem Planarreaktor, also in Verbindung mit Plattenelementen, die dann die Gehäusewandungen ausbilden, zur Anwendung kommt.A particular advantage of the battle is that it does not necessarily have to be designed and / or arranged in a planar manner; rather, the braid can also be bent or shaped differently. In particular, it is also suitable for use in a cylindrical oxidation reactor in which it is likewise shaped in a cylindrical shape. Alternatively, it can be designed as a flat surface which is used in a planar reactor, that is to say in connection with plate elements which then form the housing walls.
Das Geflecht kann darüber hinaus auch beispielsweise im Querschnitt zickzackförmig gefaltet ausgeführt sein, sodass es insgesamt eine Höhe aufweist, die von der ersten Gehäusewand zur zweiten Gehäusewand reicht. Durch die Zickzack-Form wird eine zusätzliche Verbesserung der Durchmischung des Fluids im Reaktionsraum erreicht, außerdem ist das Geflecht dadurch sicher zwischen den beiden Gehäusewänden gehalten und bewegt sich im Betrieb gar nicht oder nur minimal.The mesh can also be designed, for example, folded in a zigzag shape in cross section, so that it has a total height that extends from the first housing wall to the second housing wall. The zigzag shape further improves the mixing of the fluid in the reaction space. In addition, the mesh is held securely between the two housing walls and does not move at all or only minimally during operation.
Das Geflecht erstreckt sich vorzugsweise in seiner Längs- und Querausrichtung über den gesamten Reaktionsraum.The braid preferably extends in its longitudinal and transverse orientation over the entire reaction space.
In einer besonderen Ausführungsvariante können auch zwei übereinander angeordnete Geflechte vorgesehen sein. Da das für die Reaktion notwendige Licht in die Fläche des Geflechts eingestrahlt wird, ist es von besonderem Vorteil, wenn die beiden Geflechte leicht versetzt zueinander angeordnet sind, so dass sich die Öffnungen und auch die Stränge des Geflechts nicht vollständig in Deckung befinden. Andernfalls erreicht das seitlich eintretende Licht das hinter dem in Strahlungsrichtung ersten Geflecht angeordnete zweite Geflecht nicht optimal, da sich die Stränge des zweiten Geflechts im Schatten der Stränge des ersten Geflechts befinden würden. Bei einem leichten Versatz der Geflechte ist dieses Problem reduziert.In a special embodiment variant, two braids arranged one above the other can also be provided. Since the light required for the reaction is radiated into the surface of the braid, it is particularly advantageous if the two braids are arranged slightly offset from one another so that the openings and the strands of the braid are not completely congruent. Otherwise, the light entering from the side will not optimally reach the second braid arranged behind the first braid in the direction of radiation, since the strands of the second braid would be in the shadow of the strands of the first braid. If the braids are slightly misaligned, this problem is reduced.
Alternativ ist es auch möglich, zwei oder mehrere Geflechte unterschiedlicher Maschenweite zu verwenden. Dadurch ergeben sich unterschiedlich große Öffnungen in den jeweiligen Geflechten, sodass das eintretende Licht zunächst durch das Geflecht mit den größten Öffnungen hindurch strahlt, bevor es auf die Stränge des dahinterliegenden Geflechts mit kleineren Öffnungen trifft. Je nach Ausführungsvariante können sich in Strahlungsrichtung dahinter weitere Geflechte mit jeweils noch kleineren Öffnungen anschließen.Alternatively, it is also possible to use two or more braids of different mesh sizes. This results in openings of different sizes in the respective braids, so that the incoming light first shines through the braid with the largest openings before it hits the strands of the braid with smaller openings. Depending on the design variant, further braids with even smaller openings can follow in the direction of radiation.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante können zusätzlich zu dem oder den Geflechten auch weitere photokatalytisch wirksame Mischelemente vorgesehen sein, vorzugsweise haben sich Kugelkörper bzw. Kugeln als besonders geeignet erwiesen. Die Kugelkörper können beispielsweise zwischen die Auffaltungen eines gefalteten Geflechts oder auch zwischen zwei nicht gefalteten Geflechten angeordnet sein.In a particularly advantageous embodiment variant, in addition to the braid or braids, further photocatalytically active mixing elements can also be provided, preferably spherical bodies or balls have proven to be particularly suitable. The spherical bodies can be arranged, for example, between the folds of a folded braid or between two unfolded braids.
Die Kugelkörper bestehen vorzugsweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kunststoff, Glas oder Metall, insbesondere Edelstahl. Ein besonders bevorzugtes Metall ist Titan. Es hat sich gezeigt, dass die Kugelkörper möglichst vorzugsweise aus dem gleichen Material bestehen bzw. den gleichen Materialaufbau haben sollten, wie das oder die Geflechte.The spherical bodies preferably consist of a material selected from the group comprising plastic, glass or metal, in particular stainless steel. A particularly preferred metal is titanium. It has been shown that the spherical bodies preferably consist of the same material or should have the same material structure as the braid or braids.
Die Kugelkörper können vorzugsweise einen Durchmesser von 0,2 bis 30 mm, mehr bevorzugt von 3 bis 10 mm aufweisen. Sie können einheitliche oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen. So können beispielsweise Kugelkörper mit einem Durchmesser von 4,5 und 6 mm in einer gemeinsamen Anordnung in einem Verhältnis von 1:1 innerhalb des durchströmbaren Reaktionsraums angeordnet sein.The spherical bodies can preferably have a diameter of 0.2 to 30 mm, more preferably 3 to 10 mm. They can have the same or different diameters. For example, spherical bodies with a diameter of 4.5 and 6 mm can be arranged in a common arrangement in a ratio of 1: 1 within the flow-through reaction space.
Die Kugelkörper können erfindungsgemäß unterschiedlich angeordnet sein. Bevorzugt ist eine Anordnung in der die Kugelkörper linear zueinander angeordnet sind. Bei der linearen Anordnung sind die Kugelkörper sowohl entlang der Breite als auch entlang der Länge des Reaktionsraums in jeweils einer gemeinsamen Linie angeordnet, wobei beide Linien einen Winkel von 90° einschließen. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung in der die Kugelkörper zueinander versetzt und in einer dichtesten Packung angeordnet sind.According to the invention, the spherical bodies can be arranged differently. An arrangement in which the spherical bodies are arranged linearly with respect to one another is preferred. In the linear arrangement, the spherical bodies are arranged in a common line both along the width and along the length of the reaction space, both lines enclosing an angle of 90 °. An arrangement in which the spherical bodies are particularly preferred are offset from one another and arranged in a tightest packing.
Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kugelkörper in einer einlagigen Anordnung innerhalb des Reaktionsraums zwischen einer Gehäusewand und einem Geflecht oder zwischen zwei Geflechten angeordnet sind. Weiterhin hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Kugelkörper innerhalb des durchströmbaren Reaktionsraums ortsfest fixiert sind, beispielsweise indem sie durch die jeweiligen sie umgebenden Flächen in einer der genannten Anordnungen verspannt werden.Furthermore, it is preferably provided that the spherical bodies are arranged in a single-layer arrangement within the reaction space between a housing wall and a braid or between two braids. Furthermore, it has proven to be particularly advantageous if the spherical bodies are fixed in place within the flow-through reaction space, for example by being braced in one of the above-mentioned arrangements by the respective surfaces surrounding them.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Reaktionsraum vom Fluid von oben nach unten durchströmt wird, im sogenannten Fallfilmverfahren. Dies bewirkt, dass die Kugeln aufgrund der Schwerkraft in ihrer Position bleiben und nicht durch das durchströmende Fluid aufgewirbelt werden.In this context, it has proven to be particularly advantageous if the fluid flows through the reaction space from top to bottom, in the so-called falling film process. This has the effect that the balls remain in their position due to the force of gravity and are not whirled up by the fluid flowing through them.
Unabhängig von der Ausbildung als zylinderförmige Oxidationsreaktor oder als Planarreaktor kann der Wirkungsgrad des Oxidationsreaktors dadurch erhöht werden, dass das Geflecht elektrisch kontaktiert ist und somit in der Lage ist, für die Oxidation notwendige Radikale zu erzeugen. Insbesondere mit im Reaktionsraum zusätzlich angeordneten photokatalytisch wirksamen Mischelementen, vorzugsweise Kugelkörper, ist durch diese Kombination ein doppelt wirkendes System ausgebildet.Regardless of the design as a cylindrical oxidation reactor or as a planar reactor, the efficiency of the oxidation reactor can be increased in that the mesh is electrically contacted and is thus able to generate the radicals necessary for the oxidation. In particular with photocatalytically active mixing elements, preferably spherical bodies, additionally arranged in the reaction space, a double-acting system is formed by this combination.
Die den Reaktionsraum begrenzenden Gehäusewände können zur Verbesserung der Durchmischung eine Struktur aufweisen. Zur Bildung der Strukturen können unterschiedliche geometrische Formen in zueinander linearer oder versetzter Anordnung ausgebildet werden, mit dem Ziel hierbei die Oberfläche der Gehäusewand zu vergrößern. Bevorzugte Formen sind beispielsweise Noppenkörper oder Pyramidenkörper. Auch längliche Formen, wie beispielsweise Tränen haben sich als vorteilhaft erwiesen.The housing walls delimiting the reaction space can have a structure to improve the mixing. To form the structures, different geometric shapes can be formed in a linear or offset arrangement with respect to one another, with the aim of enlarging the surface area of the housing wall. Preferred shapes are, for example, knob bodies or pyramid bodies. Elongated shapes, such as tears, have also proven to be advantageous.
Besonders bevorzugt weisen die Gehäusewände konvex ausgebildete Strukturen auf, die über die gesamte Oberfläche der Gehäusewände in einer zueinander versetzten und beabstandeten Anordnung angeordnet sind. Durch die beabstandete Anordnung weist die Gehäusewand sowohl planare als auch gewölbte Oberflächenanteile auf. Um eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen, sind die konvex ausgebildeten Strukturen nahezu Halbkugel-förmig ausgebildet.The housing walls particularly preferably have convex structures which are arranged over the entire surface of the housing walls in an arrangement that is offset and spaced from one another. Due to the spaced-apart arrangement, the housing wall has both planar and curved surface portions. In order to generate the largest possible surface area, the convex structures are almost hemispherical.
Bei der Ausführungsvariante als zylindrischer Oxidationsreaktor ist die erste Gehäusewand als lichtdurchlässiges Innenrohr und die zweite Gehäusewand als lichtundurchlässiges Außenrohr ausgeführt, wobei das Außenrohr das Innenrohr umgibt, so dass zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr ein Ringraum als Reaktionsraum ausgebildet ist. Innerhalb des Innenrohrs ist ein Lichtmodul angeordnet. Das Innenrohr ist somit als lichtdurchlässige Gehäusewand ausgeführt, damit die UV-Strahlung in den Reaktionsraum gelangen kann. Das Außenrohr ist dagegen nicht lichtdurchlässig ausgeführt, um zu Verhindern, dass das Licht aus dem Reaktionsraum auch außen austritt. Vorzugsweise weist das Außenrohr innen eine Verspiegelung auf, um das Licht in den Reaktionsraum zurück zu reflektieren.In the variant as a cylindrical oxidation reactor, the first housing wall is designed as a translucent inner tube and the second housing wall as an opaque outer tube, the outer tube surrounding the inner tube so that an annular space is formed as a reaction space between the inner tube and the outer tube. A light module is arranged inside the inner tube. The inner tube is thus designed as a light-permeable housing wall so that the UV radiation can get into the reaction space. The outer tube, on the other hand, is not designed to be translucent in order to prevent the light from escaping from the reaction space outside. The outer tube preferably has a mirror coating on the inside in order to reflect the light back into the reaction space.
In der Ausführung als Planarreaktor sind die Gehäusewände als planare Plattenelemente ausgeführt, die stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind zwei Lichtmodule vorgesehen, die von außen durch die Plattenelemente in den Reaktionsraum einstrahlen. Die Plattenelemente sind insofern als lichtdurchlässige Gehäusewände ausgeführt. Auch bei Plattenelementen ist es von Vorteil, wenn innen eine Verspiegelung aufgebracht ist, um das Licht in den Reaktionsraum zurück zu reflektieren.In the design as a planar reactor, the housing walls are designed as planar plate elements that are connected to one another in a material and / or form-fitting manner. Two light modules are preferably provided which radiate into the reaction space from the outside through the plate elements. The plate elements are designed as translucent housing walls. In the case of plate elements, too, it is advantageous if a mirror coating is applied on the inside in order to reflect the light back into the reaction space.
Sowohl bei der Ausführung als zylinderförmiger Oxidationsreaktor oder auch als Planarreaktor ist es von Vorteil, dass das oder die Lichtmodule außerhalb des Reaktormoduls angeordnet sind. Dadurch wird die von den Lichtmodulen in Folge der elektrischen Verlustleistung entstehende Wärme, im Reaktor minimiert und strahlt nicht in das Fluid hinein.Both in the case of the embodiment as a cylindrical oxidation reactor or also as a planar reactor, it is advantageous that the light module or modules are arranged outside the reactor module. As a result, the heat generated by the light modules as a result of the electrical power loss is minimized in the reactor and does not radiate into the fluid.
Vorzugsweise sind die Lichtmodule derart im Oxidationsreaktor angeordnet, dass der gesamte Reaktionsraum schattenfrei ausgeleuchtet wird.The light modules are preferably arranged in the oxidation reactor in such a way that the entire reaction space is illuminated without shadows.
Als Lichtmodul eignet sich insbesondere bei einem zylinderförmigen Oxidationsreaktor eine herkömmlich UV-Lampe, besonders vorteilhaft ist aber auch die Verwendung eines oder mehrerer LED-Lichtmodule. Der photochemische Prozess mit LED-Technik bietet erheblich Vorteile, insbesondere gegenüber herkömmlicher Quecksilber-Strahlertechnik. Die Vorteile sind insbesondere:
- - eine wählbare Wellenlänge ohne störende Nebenpeaks
- - eine schonende Verfahrensweise
- - kein Wärmeeintrag in das zu behandelnde Medium
- - selektive Umsetzung und daher keine störenden Nebenreaktionen
- - gefahrlose Niederspannungstechnik
- - lange Lebensdauer und einfache Entsorgung der lichtemittierenden-Dioden
- - Schadstoffabbau weitestgehend ohne Zusatz von aggressiven Chemikalien
- - a selectable wavelength without disturbing secondary peaks
- - a gentle procedure
- - no heat input into the medium to be treated
- - Selective implementation and therefore no disruptive side reactions
- - Safe low voltage technology
- - Long service life and easy disposal of the light-emitting diodes
- - Degradation of pollutants as far as possible without the addition of aggressive chemicals
Ein erfindungsgemäß zu verwendendes LED-Lichtmodul umfasst ein Kühlelement, das vorzugsweise in der Form eines flach ausgebildeten Trägerelements ausgebildet ist, und eine Vielzahl von auf dem Kühlelement angeordneter lichtemittierender-Dioden, wobei die lichtemittierenden-Dioden auf dem Kühlelement ein- oder zweiseitig angeordnet sind. Vorzugsweise besteht das Kühlelement aus einem Material umfassend Aluminium, Edelstahl, Graphit, Kupfer, Magnesium, Messing, Silber, Wolfram, Zink und/oder Mischungen hiervon.An LED light module to be used according to the invention comprises a cooling element, which is preferably designed in the form of a flat support element, and a plurality of light-emitting diodes arranged on the cooling element, the light-emitting diodes being arranged on one or both sides of the cooling element. The cooling element preferably consists of a material comprising aluminum, stainless steel, graphite, copper, magnesium, brass, silver, tungsten, zinc and / or mixtures thereof.
Die lichtemittierenden-Dioden des LED-basierten Lichtmoduls emittieren vorzugsweise Licht im Wellenlängenbereich von 200 - 1000 nm, mehr bevorzugt im Wellenlängenbereich von 315 - 400 nm, mit einer Hauptwelle von 365 nm.The light-emitting diodes of the LED-based light module preferably emit light in the wavelength range of 200-1000 nm, more preferably in the wavelength range of 315-400 nm, with a main wave of 365 nm.
Die geeignete Wellenlänge ist hierbei abhängig von der Art des photokatalytischen Mittels. Zur Auslösung der chemischen Zersetzungsreaktion der organischen Schadstoffe, die beispielsweise über die Bildung von OH-Radikalen verläuft, ist im Falle von Titandioxid oder Molybdändisulfid eine Wellenlänge im UVA-Bereich erforderlich.The suitable wavelength depends on the type of photocatalytic agent. In the case of titanium dioxide or molybdenum disulfide, a wavelength in the UVA range is required to initiate the chemical decomposition reaction of the organic pollutants, which occurs, for example, via the formation of OH radicals.
Die Gehäusewände der Oxidationsreaktoren bestehen vorzugsweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend lichtstabile Kunststoffe, Edelstahl oder Titan.The housing walls of the oxidation reactors are preferably made of a material selected from the group comprising light-stable plastics, stainless steel or titanium.
Vorzugsweise bestehen die lichtdurchlässigen Gehäusewände aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe enthaltend natürliches oder synthetisches Quarzglas, Borosilikatglas und/oder einem lichtdurchlässigen Kunststoff, insbesondere Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polyethylenterephthalat (PET).The transparent housing walls preferably consist of a material selected from the group containing natural or synthetic quartz glass, borosilicate glass and / or a transparent plastic, in particular polymethyl methacrylate (PMMA) or polyethylene terephthalate (PET).
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass auch die lichtdurchlässigen Gehäusewände innenseitig mit dem photokatalytischen Mittel beschichtet sind. Die Beschichtung ist derart gewählt, dass die mit dem photokatalytischen Mittel beschichteten lichtdurchlässigen Gehäusewände einen Transmissionsgrad für Licht, insbesondere für UV-Licht, im Bereich von 0,5 bis 0,9, mehr bevorzugt 0,7 bis 0,8 aufweisen, so dass neben einer ausreichenden katalytischen Aktivität zudem eine ausreichende Bestrahlungsstärke gewährleistet werden kann.In a further advantageous development it is provided that the transparent housing walls are also coated on the inside with the photocatalytic agent. The coating is selected such that the transparent housing walls coated with the photocatalytic agent have a degree of transmission for light, in particular for UV light, in the range from 0.5 to 0.9, more preferably 0.7 to 0.8, so that In addition to sufficient catalytic activity, sufficient irradiance can also be guaranteed.
Durch eine Kombination von mit dem photokatalytischen Mittel beschichteten Gehäusewände und dem Geflecht und ggfs. den Kugelkörpern weist das Reaktormodul vorzugsweise eine mindestens um den Faktor 5 größere Oberfläche auf, als eine einseitig mit einem photokatalytischen Mittel beschichtete glatte Oberfläche.Due to a combination of housing walls coated with the photocatalytic agent and the braid and possibly the spherical bodies, the reactor module preferably has a surface that is at least 5 times larger than a smooth surface coated on one side with a photocatalytic agent.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante weist die Oberfläche des Geflechts und/oder die Oberfläche der Gehäusewände im Reaktionsraum eine mittlere Rauheit Ra im Bereich von 20 bis 50 µm auf. Durch die raue Oberfläche wird, durch Bildung von Mikroturbulenzen, eine verbesserte Durchmischung des Fluids innerhalb des Reaktionsraum erzielt sowie die photokatalytische Oberfläche vergrößert, so dass der Wirkungsgrad nochmals gesteigert wird.In a further particularly preferred embodiment, the surface of the mesh and / or the surface of the housing walls in the reaction space has an average roughness R a in the range from 20 to 50 μm. Due to the rough surface, through the formation of microturbulences, an improved mixing of the fluid within the reaction space is achieved and the photocatalytic surface is enlarged, so that the efficiency is increased again.
Sofern als Mischelement strukturierte Plattenkörper zur Anwendung kommen, so hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Reaktormodul derart ausgebildet ist, dass der Abstand zwischen dem Geflecht und ggfs. den Kugelkörpern und dem lichtdurchlässigen Plattenelement möglichst klein ist. Vorzugsweise beträgt der Abstand weniger als 3 mm, mehr bevorzugt weniger als 1 mm. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand 0,1 bis 0,5 mm.If structured plate bodies are used as the mixing element, it has also proven to be particularly advantageous if the reactor module is designed in such a way that the distance between the mesh and possibly the spherical bodies and the translucent plate element is as small as possible. The distance is preferably less than 3 mm, more preferably less than 1 mm. The distance is particularly preferably 0.1 to 0.5 mm.
Das hier vorliegend in diversen Ausführungsvarianten beschriebene erfindungsgemäße Konzept ist in einer abgewandelten Ausgestaltung ebenfalls bei der Photolyse einsetzbar. So würde sich ein Reaktormodul für einen Photolysereaktor darin unterscheiden, dass innerhalb des Reaktionsraums kein photokatalytisches Mittel vorgesehen ist. Das innerhalb des Reaktionsraums angeordnete Mischelement würde vorzugsweise eine spiegelnde Oberfläche aufweisen, welche auf die entsprechende Wellenlänge des Lichts hin abgestimmt ist. Weiterhin könnte in einer vorteilhaften Variante ein Teil der innenseitigen Flächen eine spiegelnde Beschichtung aufweisen. Das innerhalb des Reaktionsraums angeordnete Mischelement könnte um ein dynamisches Mischelement erweitert werden. Abhängig von der photochemischen Reaktion, die mit einem derartigen Photolysereaktor umsetzbar sein soll, könnte das LED-basierte Lichtmodul weiterhin Licht im Wellenlängenbereich von 200 nm (UV) bis 1000 nm (IR) emittieren.The concept according to the invention described here in various design variants can also be used in a modified embodiment for photolysis. For example, a reactor module for a photolysis reactor would differ in that no photocatalytic agent is provided within the reaction space. The mixing element arranged within the reaction space would preferably have a reflective surface which is matched to the corresponding wavelength of the light. Furthermore, in an advantageous variant, some of the inside surfaces could have a reflective coating. The mixing element arranged within the reaction space could be expanded to include a dynamic mixing element. Depending on the photochemical reaction that should be able to be implemented with such a photolysis reactor, the LED-based light module could continue to emit light in the wavelength range from 200 nm (UV) to 1000 nm (IR).
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sind beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen und sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Insbesondere handelt es sich um Prinzipdarstellungen, die nicht maßstabsgetreu sind.The present invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. These exemplary embodiments are to be understood as exemplary and not restrictive and are intended to enable the person skilled in the art to carry out the invention. In particular, these are schematic representations that are not true to scale.
Es zeigen:
-
1 : eine schematische Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen photokatalytischen Oxidationsreaktors als Planarreaktor im Längsschnitt, -
2 : eine schematische Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen photokatalytischen Oxidationsreaktors in zylinderförmiger Ausführung, -
3 : eine schematische Darstellung eines Geflechts in Zickzack-Form, -
4 : eine schematische Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen photokatalytischen Oxidationsreaktors als Planarreaktor mit Kugelkörpern im Längsschnitt, -
5 : eine schematische Prinzipdarstellung zweier Geflechte mit unterschiedlicher Maschenweite,
-
1 : a schematic representation of the principle of a first embodiment of a photocatalytic oxidation reactor according to the invention as a planar reactor in longitudinal section, -
2 : a schematic representation of the principle of a second embodiment variant of the photocatalytic oxidation reactor according to the invention in a cylindrical design, -
3 : a schematic representation of a mesh in zigzag form, -
4th : a schematic representation of the principle of a third embodiment of a photocatalytic oxidation reactor according to the invention as a planar reactor with spherical bodies in longitudinal section, -
5 : a schematic representation of the principle of two braids with different mesh sizes,
Der Oxidationsreaktor
Das Reaktormodul
Innenseitig weisen die beiden Plattenelemente
Innerhalb des durchströmbaren Reaktionsraums
Die gesamte Oberfläche des Geflechts 300 weist eine photokatalytische Titandioxid-basierte Beschichtung
Außerhalb des durchströmbaren Reaktionsraums
Erkennbar sind ein lichtdurchlässiges Innenrohr
Nicht gezeigt ist, dass das Geflecht 300 auch elektrisch kontaktiert werden kann, um somit die Bildung freier Radikale zu bewirken.What is not shown is that the
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass OH-Radikale ohne Zusatz weiterer chemischer Mittel erzeugbar sind, was zu einer umweltfreundlicheren Oxidation führt.A major advantage of the invention is that OH radicals can be generated without the addition of further chemical agents, which leads to more environmentally friendly oxidation.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- OxidationsreaktorOxidation reactor
- 100100
- ReaktormodulReactor module
- 110110
- PlattenelementPlate element
- 111111
- PlattenelementPlate element
- 120120
- photokatalytische Beschichtungphotocatalytic coating
- 121121
- photokatalytische Beschichtungphotocatalytic coating
- 140140
- ReaktionsraumReaction space
- 141141
- Einlassinlet
- 142142
- AuslassOutlet
- 150150
- MischelementMixing element
- 156156
- KugelkörperSpherical body
- 200200
- LED-basiertes LichtmodulLED-based light module
- 220220
- lichtemittierende Diodenlight emitting diodes
- 320320
- InnenrohrInner tube
- 330330
- AußenrohrOuter tube
- 340340
- RingraumAnnulus
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102014009527 A1 [0005]DE 102014009527 A1 [0005]
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-
2019
- 2019-09-18 DE DE102019125125.7A patent/DE102019125125A1/en not_active Withdrawn
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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MATTHEWS, Ralph W. Photooxidation of organic impurities in water using thin films of titanium dioxide. Journal of Physical Chemistry, 1987, 91. Jg., Nr. 12, S. 3328-3333. * |
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