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Die Erfindung betrifft einen photokatalytischen Reaktor zum Entfernen oxidierbarer Verbindungen aus Flüssigkeiten.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Entfernen oxidierbarer Verbindungen aus Flüssigkeiten mittels eines photokatalytischen Reaktors.
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In „Zhang, A., et al.: The combination of rotating disk photocatalytic reactor and TiO2 nanotube arrays for environmental pollutants removal; J. Hazard. Mater, 186, 1374-1383; 2011“ ist ein photokatalytischer Rotationstauchkörperreaktor für einen Schadstoffabbau in Gewässern beschrieben. Hierbei bilden elektrolytisch abgeschiedene so genannte eindimensionale TiO2-Nanotubes eine photokatalytisch wirksame Katalysatorschicht. Zum Abbau von Schadstoffen wird eine gesamte Reaktorfläche mit UV-C Strahlung beleuchtet, wobei der Schadstoffabbau in einem dünnen Flüssigkeitsfilm erfolgt, welcher bei einer Rotation einer Katalysatorscheibe anhaften bleibt. Der Schadstoffabbau ist abhängig von einer Rauigkeit einer Katalysatoroberfläche und einer Dicke des Flüssigkeitsfilms und damit von einer Rotationsgeschwindigkeit des Reaktors. Eine Existenz des Flüssigkeitsfilms ist für die Wirksamkeit des Reaktors zwingend erforderlich.
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Aus der
US 5 689 798 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Gasen, Abgasen, Dämpfen und Salzlösungen, die mit chemischen Substanzen verunreinigt sind oder hohe Konzentrationen dieser Substanzen enthalten, mittels photokatalytischer Reaktionen, die an der Oberfläche von Katalysatoren auftreten, bekannt. Die Katalysatoren befinden sich in einem Festbett oder Fließbett auf Katalysatorträgern und können in Wirbelbetten selbst als Katalysatorträger dienen. Zu reinigende Substrate werden durch ein geschlossenes System geführt, das die Katalysatorträger und Katalysatoren umfasst. Bei einem katalytischen Festbettverfahren durchläuft der Katalysatorträger oder ein Katalysatorsystem kontinuierlich oder diskontinuierlich eine Waschzone, um erzeugte Mineralisierungsprodukte zu entfernen. Eine Reaktion wird hierbei durch kurzwellige Photonen mit Wellenlängen zwischen 250 nm und 400 nm induziert.
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Aus der
DE 695 24 595 T2 ist eine Anlage zur Behandlung einer Flüssigkeit bekannt, um darin enthaltene organische Stoffe oder Mikroorganismen abzubauen. Die Anlage umfasst einen hochporösen Reaktor, über den im Einsatz die Flüssigkeit fließt, mit einem Substrat, das mit einem Film aus Halbleitermaterial beschichtet und bezüglich einer Strahlungsquelle so ausgerichtet ist, dass die Strahlung von dieser Quelle vom Halbleitermaterial absorbiert werden kann, um eine photochemische Reaktion herbeizuführen. Die Anlage umfasst weiterhin eine Einrichtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung in der Größenordnung von 1 Volt zwischen dem Halbleitermaterial und einem anderen Material, damit die durch die photochemische Reaktion freigesetzten Elektronen weg vom Halbleitermaterial transportiert werden.
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Weiterhin sind aus der
US 6 156 279 A ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Methanol aus Methan bekannt, wobei an einer Außenseite eines hohlen Sinterrohrs aus rostfreiem Stahl ein katalytischer Bereich ausgebildet ist. Methan wird in dem Sinterrohr auf einem vorbestimmten Druck gehalten und Wasser, das kontinuierlich über die äußere Oberfläche des Sinterrohrs strömt, streift das Methan ab und bildet Methanblasen. Dabei wird Lichtenergie auf die katalytische Oberfläche geleitet, um Hydroxylradikale aus dem fließenden Wasser zu bilden. Die Hydroxylradikale spalten Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen des Methans unter Bildung von Methylionen, die sich mit den Hydroxylionen zu Methanol verbinden.
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Die
US 9 162 903 B2 beschreibt ein System zum Mobilisieren und Fotokatalysieren eines Fluids. Das System umfasst eine Kammer mit einer Energiequelle und einen in der Kammer montierten und mit der Leistungsquelle verbundenen Fluidmobilisator, um ein Fluid durch die Kammer zu mobilisieren, wobei der Fluidmobilisator einen oder mehrere längliche Lüfterflügel umfasst, die mit einem Fotokatalysator beschichtet sind. Weiterhin umfasst das System eine UV-Lichtquelle, die in der Kammer in der Nähe des Fluidmobilisators angeordnet ist und mit der Energiequelle verbunden ist, um den Fotokatalysator zu aktivieren, der die Lamellen überzieht, um das darüber zu mobilisierende Fluid zu reinigen. Die UV-Lichtquelle umfasst eine oder mehrere UV-Lampen, wobei eine der UV-Lampen derart innerhalb der Lüfterflügel angeordnet ist, dass sich die Lüfterflügel um die UV-Lampe drehen und einen Durchgang zwischen der UV-Lampe und einer innere Oberfläche der Lüfterflügel bilden. Das Fluid wird durch den Durchgang zwischen der UV-Lampe und der inneren Oberfläche der Lüfterflügel transportiert.
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Weiterhin beschreibt die
JP 2013 230 344 A einen photokatalytischen Reaktor mit einem Reinigungskörper und einem Behälter, in welchem Wasser an einem Teil des Reinigungskörpers haften bleibt. Weiterhin umfasst der Reaktor eine Lichtquelle, die den Reinigungskörper mit ultravioletter Strahlung bestrahlt. Der Reinigungskörper umfasst mehrere plattenartige Elemente, bei denen jeweils ein Teil oder eine gesamte Oberfläche mit einem Photokatalysator beschichtet ist, und eine Drehwelle, die die plattenartigen Elemente rotierend oder parallel bewegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten photokatalytischen Reaktor und ein verbessertes Verfahren zum Entfernen oxidierbarer Verbindungen aus Flüssigkeiten mittels eines photokatalytischen Reaktors anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen photokatalytischen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße photokatalytische Reaktor ist zum Entfernen oxidierbarer Verbindungen aus Flüssigkeiten ausgebildet und umfasst einen Behälter mit einem ersten Behälterraum zur Aufnahme zumindest einer Flüssigkeit und einen oberhalb des ersten Behälterraums angeordneten zweiten Behälterraum. Weiterhin umfasst der Reaktor zumindest einen innerhalb des Behälters angeordneten Katalysator, welcher ausgebildet ist, bei Kontakt mit der Flüssigkeit oxidierbare Verbindungen aus der Flüssigkeit zu adsorbieren und diese bei Bestrahlung mit Licht in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich photokatalytisch abzubauen, beispielsweise zu Kohlenstoffdioxid, Wasser, Stickstoff und/oder Mineralsalzen, welche im Allgemeinen unbedenklich und im Wasser gelöst oder in die Atmosphäre abgegeben werden. Ferner umfasst der Reaktor zumindest eine in dem zweiten Behälterraum angeordnete Beleuchtungsvorrichtung zur Emission von Licht in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich, welche derart ausgebildet und ausgerichtet ist, dass ein Anteil von mehr als 90 % des emittierten Lichts in dem zweiten Behälterraum auf den Katalysator trifft. Zusätzlich umfasst der Reaktor eine Transportvorrichtung zum Transport der die oxidierbaren Verbindungen umfassenden Flüssigkeit durch den Katalysator und eine mit dem Katalysator gekoppelte Bewegungsvorrichtung, welche ausgebildet ist, den Katalysator oder Abschnitte des Katalysators periodisch in den ersten Behälterraum unter einen Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit und aus dem ersten Behälterraum in den oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordneten zweiten Behälterraum zu bewegen.
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Bekannte Filtertechniken können Mikroschadstoffe, wie beispielsweise Medikamentenrückstände, Herbizide und Pestizide, aber auch Farb- und Geschmacksstoffe nicht aus Flüssigkeiten herausfiltern. Adsorptive Filter, wie beispielsweise Aktivkohle, können nicht alle Arten von Mikroschadstoffen binden und müssen nach ihrer Nutzung aufwendig ausgetauscht und entsorgt werden. Bei der so genannten Ozonierung werden Stoffe nicht vollständig abgebaut, sondern lediglich metabolisiert, wodurch neue Stoffe mit teils unbekannten physiologischen Wirkungen entstehen.
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Eine mittels des vorliegenden photokatalytischen Reaktors ausgeführte Photokatalyse ist dagegen als stark oxidierendes Verfahren ausgebildet und somit geeignet, alle oxidierbaren Stoffe, insbesondere auch Schadstoffe in Flüssigkeiten, vollständig abzubauen, ohne dass zu entsorgende Rückstände verbleiben. Bei den oxidierbaren Verbindungen in den Flüssigkeiten handelt es sich beispielsweise um so genannte anthropogene, d. h. organische Spurenstoffe, welche unter anderem pharmazeutische Substanzen umfassen, beispielsweise solche Verbindungen, die Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und/oder Schwefel umfassen, beispielsweise auch Metalle und/oder organische Verbindungen, wie beispielsweise Medikamentenrückstände, Herbizide, Pestizide, Färbstoffe, Mineralölkohlenwasserstoffe, Geruchs- und Geschmacksstoffe, Lösemittel und/oder Tenside. Der Reaktor ermöglicht dabei einen Abbau solcher Substanzen aus Flüssigkeiten, beispielsweise Abwässern, durch Erzeugung von Hydroxyl-Radikalen mittels der Oxidation. Somit eignet sich der Reaktor beispielsweise zu einer Anwendung in einer Klär- und/oder Wasseraufbereitungsanlage, beispielsweise als so genannte vierte Reinigungsstufe in Klär- und/oder Wasseraufbereitungsanlagen. Solche Wasseraufbereitungsanlagen können beispielsweise zur Aufbereitung von Trinkwasser, Schwimmbadwasser, Industriewasser und/oder zu einer Grundwassersanierung eingesetzt werden.
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Der hier vorliegende Reaktor verfügt über einen beweglichen, beispielsweise rotierenden Katalysator, welcher periodisch mit einem Teil in der zu behandelnden Flüssigkeit eintaucht und sich mit dem verbleibenden Teil außerhalb der Flüssigkeit, beispielsweise in einer aus Luft gebildeten Gasphase, befindet oder bewegt. Hierdurch wird einerseits eine Einbringung von Luftsauerstoff erreicht, welcher die Oxidationsprozesse und somit den Abbau der Verbindungen fördert.
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Gleichzeitig werden aufgrund des mittels der Transportvorrichtung ausgeführten Transports der die oxidierbaren Verbindungen umfassenden Flüssigkeit durch den Katalysator ein besonders hoher Adsorptionsgrad sowie eine besonders hohe Adsorptionsgeschwindigkeit zur Bindung der oxidierbaren Verbindungen an den Katalysator erreicht, woraus sich eine besonders große Leistungsfähigkeit des Reaktors ergibt.
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Weiterhin ist durch die periodische Anordnung des Katalysators oder von Abschnitten desselben unterhalb des Flüssigkeitsspiegels und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels sowie die Anordnung und entsprechende Ausrichtung der Beleuchtungsvorrichtung im zweiten Behälterraum eine zumindest nahezu ausschließliche Beleuchtung des Katalysators in der Gasphase, d. h. außerhalb der Flüssigkeit, möglich, so dass das Licht nicht durch eine zwischenliegende Flüssigkeit absorbiert wird. Hierdurch wird insbesondere gegenüber Festbettkatalysatoren eine besonders gute Ausnutzung des emittierten Lichts aufgrund einer maximierten Ausleuchtung des Katalysatormaterials und somit eine besonders wirksame und energieeffiziente Oxidation der Verbindungen realisiert, so dass eine Reinigung von Flüssigkeiten besonders zuverlässig und wirtschaftlich durchführbar ist. Die Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung in der Gasphase hat weiterhin den Vorteil, dass keine aufwendige Kapselung von Lichtquellen gegenüber der Flüssigkeit erforderlich ist. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei welchen bei einer Verwendung von Tauchkörpern als Katalysatoren stets ein Transport von hinreichend Flüssigkeit mit den Tauchkörpern in die Gasphase erforderlich ist, da sonst kein nennenswerter Abbau der Verbindungen möglich ist, ist somit beim vorliegenden Reaktor nicht erforderlich. Das ermöglicht in einer möglichen Ausgestaltung des Reaktors auch einen Einsatz von makroskopisch ebenen Katalysatoroberflächen, welche gleichmäßiger und effektiver ausgeleuchtet werden können.
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Dabei ist der erste Behälterraum in zwei Kammern unterteilt, wobei eine erste Kammer zur Aufnahme von Flüssigkeit mit oxidierbaren Verbindungen vorgesehen ist und eine zweite Kammer zur Aufnahme von Flüssigkeit, bei welcher die oxidierbaren Verbindungen entfernt sind, vorgesehen ist. Zwischen den Kammern ist eine Trennanordnung angeordnet, welche ausgebildet ist, den Katalysator oder die Abschnitte des Katalysators während der Perioden einer Positionierung im ersten Behälterraum unterhalb des Flüssigkeitsspiegels aufzunehmen. Dabei ist die Trennanordnung ausschließlich im Bereich des Katalysators oder der Abschnitte des Katalysators durchlässig für die mittels der Transportvorrichtung transportierte Flüssigkeit ausgebildet. Diese Ausbildung ermöglicht in einfacher und zuverlässiger Weise, dass die Flüssigkeit durch den Katalysator fließen muss, so dass die Entfernung der oxidierbaren Verbindungen zumindest nahezu vollständig erfolgen kann und die gereinigte Flüssigkeit von der zu reinigenden Flüssigkeit getrennt ist.
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Zwischen dem Katalysator oder Abschnitten des Katalysators und angrenzenden Abschnitten der Trennanordnung ist eine Dichtung, insbesondere eine dynamische und/oder berührungslose Dichtung, angeordnet. Aufgrund von Gesetzmäßigkeiten der Strömung mit Blick auf den Strömungswiderstand würde die zu behandelnde Flüssigkeit größtenteils entlang eines Weges mit dem geringsten Widerstand, vorliegend insbesondere in einem Bereich zwischen dem beweglichen Katalysator und einem Gehäuse des photokatalytischen Reaktors, fließen und somit keine Behandlung erfahren. Mittels der Dichtung wird diese unerwünschte Strömung verhindert, indem ein Spalt zwischen dem Katalysator und dem Gehäuse abgedichtet ist. Eine feste Verbindung ist hierbei nicht möglich, um die Bewegung des Katalysators zu ermöglichen. Aus dem Maschinenbau sind umlaufende Dichtlippen bekannt, welche aus elastischem Material bestehen. Diese würden aber zu hohen Reibungsverlusten führen.
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Weiterhin umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zumindest eine Abschirmvorrichtung zur Lenkung des emittierten Lichts auf den Katalysator oder Abschnitte des Katalysators innerhalb des zweiten Behälterraums. Hierdurch kann eine Lenkung des emittierten Lichts zumindest nahezu ausschließlich auf in dem zweiten Behälterraum befindliche Abschnitte des Katalysators realisiert werden. Dabei ist die Abschirmvorrichtung eine aus einem lichtundurchlässigen Material gebildete Trennwand, welche im Bereich einer Trennebene zwischen dem ersten Behälterraum und dem zweiten Behälterraum angeordnet ist und zumindest eine Aussparung für den Katalysator umfasst.
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Eine dynamische oder berührungslose Dichtung ist in einer möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors dadurch gebildet, dass eine Querströmung orthogonal zur Fließrichtung der Flüssigkeit erzeugt wird und somit der unerwünschten Strömung ein höherer Widerstand entgegensteht, wie dies beispielsweise für gasförmige Medien als so genannter Torluftschleier oder Sperrluft bekannt ist. Auch kann die Dichtung als so genannte Labyrinthdichtung oder Spaltdichtung ausgebildet sein.
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In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors ist die dynamische oder berührungslose Dichtung durch einen entsprechenden Gegendruck oder eine entsprechende Gegenströmung bewirkt, welche die Flüssigkeit an einem Vorbeifließen hindert. Dies wird beispielsweise durch eine Anordnung von Bauelementen erreicht, welche bei Bewegung die Funktion einer Pumpe erfüllen. Hierbei sind die Bauelemente beispielsweise nach dem Prinzip der so genannten Tesla-Turbine angeordnet und es e wird das Prinzip ausgenutzt, dass sich Flüssigkeiten entsprechender Viskosität zum Rand rotierender Scheiben hin beschleunigen. Eine solche Funktion kann beispielsweise mittels eines entsprechend dimensionierten Kreisrings, welcher umlaufend zum Rand des sich bewegenden Katalysators auf Seite der austretenden Flüssigkeit angeordnet ist, erfüllt werden. Dies ermöglicht den Aufbau eines ausreichend großen Gegendruck, um den unerwünschten Flüssigkeitsstrom zu stoppen oder, falls dies erwünscht ist, eine Fließrichtung umzukehren.
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Unabhängig von der Ausbildung der Dichtung wird mittels dieser eine Vermischung gereinigter Flüssigkeit mit zu reinigender Flüssigkeit vermieden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors ist der Katalysator um eine Achse drehbar innerhalb des Behälters angeordnet, wobei sich bei einer Drehung des Katalysators um die Achse der Katalysator oder Abschnitte des Katalysators abwechselnd innerhalb des ersten Behälterraums und innerhalb des zweiten Behälterraums befindet bzw. befinden. Mittels einer solchen Drehung ist in besonders einfacher und wirksamer Weise die periodisch wechselnde Anordnung des Katalysators oder von Abschnitten desselben innerhalb und außerhalb der Flüssigkeit möglich.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors ist der Katalysator ein Zylinder und die Achse verläuft durch eine Mittelachse des Zylinders. Hierdurch kann eine besonders große Adsorptionsfläche für die zu oxidierenden Verbindungen realisiert werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors ist der Katalysator als rotierender Kegel oder Zylinder ausgebildet und eine zu behandelnde Flüssigkeit ist an einer Mantelfläche im Bereich des kleinsten Durchmessers derart einbringbar, dass diese durch Fliehkraft entlang einer Längserstreckung des Katalysators in einem dünnen Film auf der Mantelfläche fließt. Dabei bildet der Kegel oder Zylinder eine Zentrifuge, welche zusätzlich zum Fließen der Flüssigkeit an der Oberfläche ein Hindurchtreten der Flüssigkeit durch den Katalysator bewirkt.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors umfasst der Katalysator ein maschenförmiges und/oder poröses Material und eine Maschenweite und/oder eine Porenweite des Materials sind bzw. ist jeweils kleiner als 1 mm. Eine solche maschenförmige und/oder poröse Ausbildung des Katalysators ermöglicht einen einfachen Durchtritt der zu behandelnden Flüssigkeit durch den Katalysator.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors umfasst der Katalysator ein stark adsorbierendes Katalysatormaterial, beispielsweise ein Material auf Titandioxidbasis. Hierdurch können die photokatalytisch abzubauenden Verbindungen aus der Flüssigkeit heraustransportiert werden und der Abbau muss nicht zwingend in der behandelnden Flüssigkeit erfolgen.
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Beispielsweise ist der Katalysator gemäß dem in der
DE 10 2016 225 106 A1 beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei eine Titandioxidsuspension auf Basis einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, als feines Aerosol auf einen heißen Träger gesprüht wird. Dabei verdampft die Flüssigkeit schlagartig und Titandioxidpartikel der Titandioxidsuspension werden schlagartig auf das Trägermaterial aufgesintert und somit das Trägermaterial beschichtet. Das Trägermaterial ist beispielsweise ein feinmaschiges Metallgitter, welches aus einem Netz aus Edelstahldraht besteht und eine Maschenweite von 0,25 mm aufweist. Eine dadurch erzeugte Struktur des Katalysators ermöglicht ein besonders hohes Adsorptionsvermögen. Hieraus resultiert wiederum, dass die Schadstoffe in den Raum der Gasphase transportiert und dort abgebaut werden können.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors weist der Katalysator eine mehrfach gefaltete Oberfläche und/oder auf seiner Oberfläche eine Struktur zur Oberflächenvergrößerung auf. Die Oberflächenvergrößerung führt dazu, dass die zu behandelnde Flüssigkeit bei der Bewegung des Katalysators mehrfach von diesem durchkämmt wird und der Adsorptionsgrad erhöht werden bzw. wird. Insbesondere bei einer Ausbildung des Katalysators als Zylinder, bei welchem eine Faltung oder Strukturierung entlang einer Zylindermantelfläche erfolgt und die Zylindermantelfläche von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird, kann eine besonders große Oberfläche des Katalysators und somit eine besonders gute Adsorption erreicht werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zumindest eine Leuchtdiode und/oder zumindest eine Laserlichtquelle und ist zu einer Emission von Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 100 nm und 400 nm, insbesondere zwischen 345 nm und 395 nm, ausgebildet. Derartige Wellenlängenbereiche haben sich als besonders effizient und wirksam erwiesen. Eine Verwendung von Leuchtdioden und/oder Laserlichtquellen bietet gegenüber üblicherweise verwendeten Quecksilber-Entladungsröhren die Vorteile einer hohen Effizienz und aufgrund einer aus einer kompakten Bauweise resultierenden gestalterischen Freiheit eine einfache und beliebige räumliche Verteilung der Lichtintensität, insbesondere ausschließlich im zweiten Behälterraum.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zumindest eine Lichtleitvorrichtung zur Lenkung des emittierten Lichts auf den Katalysator oder Abschnitte des Katalysators innerhalb des zweiten Behälterraums. Hierdurch kann eine Lenkung des emittierten Lichts zumindest nahezu ausschließlich auf in dem zweiten Behälterraum befindliche Abschnitte des Katalysators realisiert werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors ist die Beleuchtungsvorrichtung derart ausgebildet und ausgerichtet, dass diese in Abhängigkeit einer Bewegung des Katalysators zumindest auf einer der Beleuchtungsvorrichtung zugewandten Seite angeordnete gleichgroße Flächenabschnitte des Katalysators unabhängig von ihrer Lage auf dem Katalysator mit Licht der gleichen Energiemenge pro Zeiteinheit bestrahlt. Bei einer um eine Achse rotierenden Fläche, bei welcher die Achse zumindest im Wesentlichen in gleicher Richtung wie eine Richtung des Lichtaustritts erfolgt, kann somit beispielsweise bei einem rotierenden scheibenförmigen Katalysator eine Strahlungsintensität, d. h. eine Lichtleistung der Lichtquelle über den Radius des scheibenförmigen Katalysators mit einer radiusabhängigen Azimuthalgeschwindigkeit korreliert werden. Das heißt, die Beleuchtungsvorrichtung wird derart angesteuert, dass ausgehend von der Rotationachse des Katalysators eine Strahlungsintensität der Lichtquelle und/oder eine aufgebrachte absolute Energiemenge zunehmen. Bei einer zu schnellen Oxidation am Katalysator kann nicht genügend Sauerstoff nachströmen, so dass es zu einer Rußbildung und daraus folgend zu einer Verrußung und Verstopfung des Katalysators kommen kann. Mittels der Steuerung der Strahlungsintensität kann eine gleichmäßige Oxidation erreicht werden und so genannte Hot-Spots, an welchen sich Ruß bildet, werden wirkungsvoll vermieden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors umfasst dieser eine mit der Beleuchtungsvorrichtung und/oder der Bewegungsvorrichtung gekoppelte Steuereinheit, beispielsweise einen elektronischen Regler, welche ausgebildet ist, eine Lichtleistung, eine Wellenlänge des Lichts und/oder eine Bewegungsgeschwindigkeit des Katalysators in Abhängigkeit eines Anteils oxidierbarer Verbindungen in der Flüssigkeit zu steuern. Auch hierdurch kann eine Steuerung der Strahlungsintensität pro Fläche des Katalysators erfolgen und eine gleichmäßige Oxidation erreicht werden. Weiterhin kann eine Behandlung der Flüssigkeit an deren Anteil an oxidierbaren Verbindungen, das heißt an einen Anteil an Verunreinigungen, angepasst werden. Zu einer automatischen Erfassung der Verunreinigungen ist beispielsweise eine entsprechende Messtechnik Bestandteil des Reaktors, beispielsweise eine so genannte SAK-Sonde, welche einen spektralen Absorptionskoeffizient der Flüssigkeit erfasst.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des photokatalytischen Reaktors ist der Behälter als druckdicht gekapseltes Gehäuse ausgebildet. Eine solche Ausbildung des Behälters ermöglicht die Behandlung von Flüssigkeiten auch unter Überdruck. Beispielsweise wird hierzu im Inneren des Behälters mittels Druckluft ein Überdruck erzeugt und somit der Flüssigkeitsspiegel nivelliert.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entfernen oxidierbarer Verbindungen aus Flüssigkeiten mittels eines zuvor genannten photokatalytischen Reaktors wird die Flüssigkeit durch den Katalysator transportiert und der Katalysator wird zumindest nahezu ausschließlich, insbesondere ausschließlich, in dem zweiten Behälterraum mit dem von der Beleuchtungsvorrichtung emittierten Licht beleuchtet. Das Verfahren ermöglicht eine besonders effiziente und zuverlässige Entfernung und Oxidation oxidierbarer Verbindungen aus Flüssigkeiten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
- 1 schematisch eine Schnittdarstellung eines photokatalytischen Reaktors und
- 2 schematisch eine Draufsicht eines Katalysator eines photokatalytischen Reaktors.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen photokatalytischen Reaktors 1.
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Der photokatalytische Reaktor 1 ist zum Entfernen oxidierbarer Verbindungen aus Flüssigkeiten F, beispielsweise Abwässern, vorgesehen und umfasst einen Behälter 2, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel als korrosionsbeständiges und geschlossenes Gehäuse, insbesondere als druckdicht gekapseltes Gehäuse, ausgebildet ist. In einer möglichen Ausgestaltung ist das Gehäuse von innen verspiegelt. Die Verspiegelung ermöglicht eine Minimierung von unerwünschtem Streulicht, welche in die Umgebung entweichen würde und somit ungenutzt bliebe. Dieses Licht wird aufgrund der Verspiegelung zurück auf eine Katalysatorfläche des photokatalytische Reaktors 1 reflektiert, so dass eine Lichtausnutzung und eine Effizienz des photokatalytischen Reaktors 1 erhöht werden.
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Der Behälter 2 umfasst einen ersten Behälterraum 3 zur Aufnahme der Flüssigkeit F und einen oberhalb des ersten Behälterraums 3 angeordneten zweiten Behälterraum 4.
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Innerhalb des Behälters 2 ist ein zylindrischer Katalysator 5 drehbar um eine Achse 6 angeordnet, welche durch eine Mittelachse des Zylinders verläuft. Dabei befindet sich die Achse 6 in einer gedachten Trennebene zwischen dem ersten Behälterraum 3 und zweitem Behälterraum 4. Zur Ausführung der Drehung des Katalysators 5 ist die Achse 6 mit einer Bewegungsvorrichtung 7, beispielsweise einem elektrischen Antrieb, gekoppelt. Durch Ausführung der Drehung bewegt die Bewegungsvorrichtung 7 in 2 näher dargestellte Abschnitte 5.1 bis 5.4 des Katalysators 5 periodisch in den ersten Behälterraum 3 unter einen Flüssigkeitsspiegel S und aus dem ersten Behälterraum 3 in den oberhalb des Flüssigkeitsspiegels S angeordneten zweiten Behälterraum 4.
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Der Katalysator 5 ist ausgebildet, bei Kontakt mit der Flüssigkeit F oxidierbare Verbindungen aus der Flüssigkeit F zu adsorbieren und diese bei Bestrahlung mit Licht in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich photokatalytisch abzubauen.
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In dem zweiten Behälterraum 4 ist eine Beleuchtungsvorrichtung 8 zur Emission von Licht in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich angeordnet, wobei die Beleuchtungsvorrichtung 8 zumindest eine Leuchtdiode und/oder zumindest eine Laserlichtquelle umfasst und zu einer Emission von Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 100 nm und 400 nm, insbesondere zwischen 345 nm und 395 nm, ausgebildet ist. Der Behälter 2 ist für Licht mit dieser Wellenlänge undurchlässig ausgebildet.
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Der erste Behälterraum 3 ist in zwei Kammern 3.1, 3.2 unterteilt, wobei eine erste Kammer 3.1 zur Aufnahme der Flüssigkeit F mit oxidierbaren Verbindungen, d. h. der unbehandelten oder ungereinigten Flüssigkeit F, vorgesehen ist. Eine zweite Kammer 3.2 ist zur Aufnahme von Flüssigkeit F', bei welcher die oxidierbaren Verbindungen entfernt sind, d. h. zur Aufnahme von behandelter oder gereinigter Flüssigkeit F', vorgesehen.
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Zwischen den Kammern 3.1, 3.2 ist eine Trennanordnung 9 angeordnet, welche ausgebildet ist, die entsprechenden Abschnitte 5.1 bis 5.4 des Katalysators 5 während der Perioden einer Positionierung im ersten Behälterraum 3 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels S aufzunehmen. Dabei ist die Trennanordnung 9 ausschließlich im Bereich der aufgenommenen Abschnitte 5.1 bis 5.4 des Katalysators 5 durchlässig für die Flüssigkeit F.
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Zwischen dem Katalysator 5 und angrenzenden Abschnitten der Trennanordnung 9 ist eine Dichtung 10 angeordnet, welche vorliegend als so genannte Strömungsdichtung in Form einer umlaufenden Leiste mit U-förmigem Querschnitt ausgebildet ist und einen Transport der unbehandelten Flüssigkeit F aus der ersten Kammer 3.1 in die zweite Kammer 3.2 und einen Transport der behandelten Flüssigkeit F' aus der zweiten Kammer 3.2 in die erste Kammer 3.1 zwischen Katalysator 5 und angrenzenden Abschnitten der Trennanordnung 9 vermeidet.
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Zu einer Reinigung der Flüssigkeit F wird diese über einen Einlass 11 in die erste Kammer 3.1 eingefüllt. Der Einlass 11 umfasst hierzu beispielsweise ein Einlassventil. In der zweiten Kammer 3.2 ist ein unter dem Niveaus des Einlasses 11 angeordneter Auslass 12 für behandelte Flüssigkeit F' angeordnet. Der Auslass 12 umfasst beispielsweise ein Auslassventil.
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Der Einlass 11 und der Auslass 12 verursachen aufgrund ihrer Anordnung eine Strömung, aufgrund welcher die Flüssigkeit F unter Abgabe der oxidierbaren Verbindungen an den Katalysator 5, welcher diese adsorbiert, durch diesen hindurch transportiert oder „gepresst“ wird. Somit bilden der Einlass 11 und der Auslass 12 eine Transportvorrichtung 13. In einer möglichen Ausführung des Reaktors 1 ist der Einlass 11 zusätzlich mit einer Förderpumpe zur Förderung der unbehandelten Flüssigkeit F gekoppelt und/oder der Auslass 12 ist zusätzlich mit einer Saugpumpe zur Absaugung der behandelten Flüssigkeit F' gekoppelt.
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Um bei diesem Transport eine besonders hohe Adsorption der oxidierbaren Verbindungen zu realisieren, umfasst der Katalysator 5 ein maschenförmiges und/oder poröses Material, wobei eine Maschenweite und/oder eine Porenweite des Materials jeweils kleiner als 1 mm sind bzw. ist. Weiterhin umfasst der Katalysator 5 ein stark adsorbierendes Katalysatormaterial, beispielsweise ein Material auf Titandioxidbasis. Beispielsweise ist der Katalysator 5 gemäß dem in der
DE 10 2016 225 106 A1 beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei eine Titandioxidsuspension auf Basis einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, als feines Aerosol auf einen heißen Träger gesprüht wird. Dabei verdampft die Flüssigkeit schlagartig und Titandioxidpartikel der Titandioxidsuspension werden schlagartig auf das Trägermaterial aufgesintert. Das Trägermaterial ist beispielsweise ein feinmaschiges Metallgitter, welches aus einem Netz aus Edelstahldraht besteht und eine Maschenweite von 0,25 mm aufweist. Um die Adsorption weiter zu erhöhen, kann der Katalysator 5 eine mehrfach gefaltete Oberfläche und/oder auf seiner Oberfläche eine Struktur zur Oberflächenvergrößerung aufweisen.
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Gleichzeitig zum Transport der Flüssigkeit F wird der Katalysator 5 mittels der Bewegungsvorrichtung 7 um die Achse 6 gedreht, so dass sich Abschnitte 5.1 bis 5.4 des Katalysators 5 abwechselnd innerhalb des ersten Behälterraums 3 in der Flüssigkeit F und innerhalb des zweiten Behälterraums 4 außerhalb der Flüssigkeit F in einer Gasphase befinden. Während dieser Drehung adsorbiert der Katalysator 5 in der Flüssigkeit F aufgrund des Transports derselben durch den Katalysator 5 von der ersten Kammer 3.1 in die zweite Kammer 3.2 die oxidierbaren Verbindungen und befördert diese in den zweiten Behälterraum 4.
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Im zweiten Behälterraum 4 wird die in der Gasphase befindliche Oberfläche des Katalysators 5 mit dem Licht der Beleuchtungsvorrichtung 8 im vorgegebenen Wellenlängenbereich beleuchtet, so dass die adsorbierten Verbindungen mittels photokatalytischer Reaktionen oxidiert und somit abgebaut werden. Der Abbau erfolgt beispielsweise über eine Bildung Hydroxyl-Radikalen zu Wasser, Kohlenstoffdioxid und Mineralsalzen. Das heißt, aufgrund der Drehung des Katalysators 5 werden die adsorbierten Verbindungen in den zweiten Behälterraum 4 transportiert, wo sie mittels der Beleuchtungsvorrichtung 8 komplett abgebaut werden. Der Katalysator 5 steht nach diesem Abbau wieder für die Absorption weiterer oxidierbarer Verbindungen, beispielsweise von Schadstoffen, zur Verfügung. Durch einen kontinuierlichen Rotationsprozess liegt somit die gesamte im ersten Behälterraum 3 durch den Katalysator 5 transportierte Menge der Flüssigkeit F als gereinigte Flüssigkeit F' vor, welche durch den Auslass 12 den ersten Behälterraum 3 verlässt. Die Abbauprodukte, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, Wasser, Stickstoff und/oder Mineralsalzen, sind im Allgemeinen unbedenklich und in der Flüssigkeit F' gelöst oder werden in die Atmosphäre abgegeben.
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Um die photokatalytischen Reaktionen besonders energieeffizient durchzuführen, ist die Beleuchtungsvorrichtung 8 derart ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet, dass ein Anteil von mehr als 90 % des emittierten Lichts in dem zweiten Behälterraum 4 auf den Katalysator 5 trifft. Um dies zu erreichen, ist in einer möglichen, nicht näher dargestellten Ausgestaltung der Reaktors 1 vorgesehen, dass die Beleuchtungsvorrichtung 8 zumindest eine Abschirmvorrichtung und/oder zumindest eine Lichtleitvorrichtung zur Lenkung des emittierten Lichts auf den Katalysator 5 oder Abschnitte 5.1 bis 5.4 des Katalysators 5 innerhalb des zweiten Behälterraums 4 umfasst. Eine solche Abschirmvorrichtung ist eine aus einem lichtundurchlässigen Material gebildete Trennwand, welche im Bereich der Trennebene zwischen erstem Behälterraum 3 und zweitem Behälterraum 4 angeordnet ist und zumindest eine Aussparung für den Katalysator 5 umfasst.
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Um einen vollständigen und zuverlässigen Abbau der oxidierbaren Verbindungen zu realisieren, ist eine Steuerung der Bewegung des Katalysators 5, insbesondere einer Drehgeschwindigkeit desselben, und der Beleuchtungsvorrichtung 8 vorgesehen. Zu diesem Zweck umfasst der Reaktor 1 eine Steuereinheit 14, welche mit der Beleuchtungsvorrichtung 8 und der Bewegungsvorrichtung 7 gekoppelt ist. Dabei ist die Steuereinheit 14 insbesondere ausgebildet, eine Lichtleistung des emittierten Lichts, eine Wellenlänge des emittierten Lichts und die Bewegungsgeschwindigkeit des Katalysators 5 in Abhängigkeit eines Anteils oxidierbarer Verbindungen in der Flüssigkeit F zu steuern. Zu einer automatischen Erfassung des Anteils oxidierbarer Verbindungen ist in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise eine entsprechende Messtechnik Bestandteil des Reaktors 1, beispielsweise eine so genannte SAK-Sonde, welche einen spektralen Absorptionskoeffizient der Flüssigkeit F erfasst.
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Um weiterhin eine besonders gleichmäßige Oxidation über die gesamte beleuchtete Oberfläche des Katalysators 5 zu realisieren, sind in einer möglichen Ausgestaltung des Reaktors 1 die Steuereinheit 14 und die Beleuchtungsvorrichtung 8 derart ausgebildet, dass die Beleuchtungsvorrichtung 8 in Abhängigkeit der Bewegung des Katalysators 5 auf einer der Beleuchtungsvorrichtung 8 zugewandten Seite angeordnete gleichgroße Flächenabschnitte des Katalysators 5 unabhängig von ihrer Lage auf dem Katalysator 5 mit Licht der gleichen Energiemenge pro Zeiteinheit bestrahlt. Somit wird eine zu schnelle Oxidation am Katalysator 5, bei welcher nicht genügend Sauerstoff nachströmen kann und es zu einer Rußbildung und daraus folgend zu einer Verrußung und Verstopfung des Katalysators 5 kommen kann, wirkungsvoll vermieden. Bei der dargestellten scheibenförmigen Ausbildung des Katalysators 5 wird hierzu insbesondere eine Lichtleistung der Beleuchtungsvorrichtung 8 über einen Radius des scheibenförmigen Katalysators 5 mit einer radiusabhängigen Azimuthalgeschwindigkeit korreliert. Das heißt, die Beleuchtungsvorrichtung 8 wird derart angesteuert, dass ausgehend von der Achse 6 des Katalysators 5 eine Strahlungsintensität der Beleuchtungsvorrichtung 8 und/oder eine aufgebrachte absolute Energiemenge zunehmen.
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In 2 ist eine Draufsicht eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Katalysators 5 eines photokatalytischen Reaktors 1 dargestellt.
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Der Katalysator 5 ist scheibenförmig ausgebildet und umfasst vier aus Katalysatormaterial gebildete Abschnitte 5.1 bis 5.4, welche in einem stabilen, korrosionsbeständigen Rahmen 5.5 angeordnet sind und über die zentrale Achse 6, beispielsweise eine zentrisch angebrachte Welle, in eine Drehbewegung versetzt werden.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Reaktor
- 2
- Behälter
- 3
- erster Behälterraum
- 3.1
- Kammer
- 3.2
- Kammer
- 4
- zweiter Behälterraum
- 5
- Katalysator
- 5.1
- Abschnitt
- 5.2
- Abschnitt
- 5.3
- Abschnitt
- 5.4
- Abschnitt
- 5.5
- Rahmen
- 6
- Achse
- 7
- Bewegungsvorrichtung
- 8
- Beleuchtungsvorrichtung
- 9
- Trennanordnung
- 10
- Dichtung
- 11
- Einlass
- 12
- Auslass
- 13
- Transportvorrichtung
- 14
- Steuereinheit
- F
- Flüssigkeit
- F'
- Flüssigkeit
- S
- Flüssigkeitsspiegel
