DE102022108304A1

DE102022108304A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Gasreinigung mittels Elektrolyse

Info

Publication number: DE102022108304A1
Application number: DE102022108304.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Friedrich; Katrin Viehweger; Markus Müller; Regine Maser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Gasen mittels Gaswäsche und elektrochemischer Oxidation, ein Verfahren sowie die Verwendungen dieser Vorrichtung• zur Entfernung von Pathogen aus dem Gas,• zur Entfernung von Lösungsmitteln aus dem Gas,• zur Sterilisation von Raumluft,• bei der Beatmung von Patienten oder der Audiometrie,• zur Entfernung von Geruchsstoffen beim 3D-Druck, in Küchen, Hotelzimmern, Kabinen auf Schiffen oder anderen Räumen, in Fahrgastkabinen von Fahrzeugen, und/oder• zur Reinigung von Abluft in Ställen und medizinischen Versuchslaboren.

Description

Die Erfindung betrifft die Reinigung von Gasen, insbesondere von Raumluft, wobei Verunreinigungen wie Pathogene, schädliche Gase/Dämpfe, Atemgifte oder geruchsintensive Stoffe entfernt werden.
Vielfach eingesetzt zur Reinigung von Gasen, insbesondere von Raumluft, werden klassische Filter. Diese müssen nachteiliger Weise regelmäßig gereinigt werden und können sich zusetzen. Trotz alledem besteht die Gefahr eines Durchbruchs des Filters, denn die Schadstoffe werden nur zurückgehalten aber nicht zerstört. Auch die Filterwechsel und Wartungsarbeiten bergen das Risiko einer Exposition.
Die UV-Oxidation zur Abluftreinigung ist ebenfalls bekannt, wobei der Abbau der Schadstoffe meist unvollständig ist. Sekundäre Luftschadstoffe, wie Ozon oder Stickoxide, werden freigesetzt. Leider sind diese Systeme empfindlich gegenüber Staubbelastung und Schwankungen in der Luftfeuchte, benötigen viel Energie, zerstören die o.g. Verunreinigungen wie Pathogene, schädliche Gase/Dämpfe, Atemgifte oder geruchsintensive Stoffe nur unvollständig es können sekundäre Toxine gebildet oder Endotoxine freigesetzt werden. Sie benötigen bezogen auf die stoffliche Reinigungsleistung viel Energie. Sie sind somit ineffizient.
Bei Gasen kommen die bekannten Reinigungsverfahren bisher an Ihre Grenzen, da die Verschmutzungen, insbesondere organische Verschmutzungen wie Viren und Bakterien oder Chemikaliendämpfe nur in einer sehr starken Verdünnung in der Luft vorliegen und eine vollständige Zerstörung sich daher sehr schwierig gestaltet
Bekannt ist es, den Waschlösungen in Gaswäscheeinheiten oxidierende Stoffe zuzugeben (fest wie KMnO₄, flüssig wie gelöstes Kaliumpermanganat (KMnO₄), H₂O₂ oder gasförmig wie Ozon), um organisches Material im Gas zu zersetzen. Nachteil ist, dass die zugegebenen oxidierenden Stoffe, speziell Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und Ozon, teilweise mit in die gereinigte Luft übergehen und freigesetzt werden können, was verhindert werden muss und so zusätzlichen apparativen- und Betriebsaufwand erfordert. Zuviel Oxidans vergrößert die Freisetzung, zu wenig verhindert eine ausreichende Reaktion mit den Schadstoffen. Die Dosierung ist somit außerordentlich schwierig, schlecht regelbar und so kaum an den (meist unbekannten) Belastungsgrad der Luft mit organischen Partikeln anzupassen. Des Weiteren sind, damit die oxidierenden Substanzen reagieren können, längere Verweilzeiten notwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Methode bereitzustellen, die die Gasreinigung effektiviert. Sie soll möglichst mit einfachem apparativen Aufbau realisiert werden. Sie sollte unempfindlich sein gegenüber Störungen wie Feuchtigkeit und Staub, schnell arbeiten, ohne die Gefahr der Verunreinigung des Gases durch im Zuge des Reinigungsvorgangs gebildete Stoffe oder Reste der zur Reinigung beigegebenen Oxidationsmittel.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, die durch die unabhängigen Ansprüche charakterisiert wird. Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausgestaltungen dieser Erfindung.
Gegenstand der Erfindung ist eine Gasreinigungsvorrichtung, umfassend

• eine Zuführung für ein mit organischen Bestandteilen belastetes Gas,
• eine Gaswäscheeinheit 2,
• eine elektrochemische Oxidationseinheit 1, und
• Verbindungen, die eine Waschlösung 3 zwischen einer Anode der Oxidationseinheit 1 und der Gaswäscheeinheit 2 im Kreislauf transportieren können.

Unter organischen Bestandteilen werden im Folgenden sowohl Dämpfe und Aerosolpartikel organischer Stoffe einschließlich Geruchsstoffe, Viren, Bakterien und Pilzsporen, insbesondere auch organische Toxine und Giftstoffe verstanden.
Mit Hilfe der elektrochemischen Oxidationseinheit findet eine Oxidation dieser organischen Bestandteile des Gases statt.
Die Gaswäscheeinheit wird auch als Absorptionseinheit bezeichnet.
Das Gehäuse verfügt bevorzugt über Anschlüsse für die Zuführung und Abführung der Elektrolytlösungen. Eine zweckmäßige Bauform und Betriebsweise einer solchen Oxidationseinheit ist in EP2571816B1 beschrieben.
An der Anode wird in einer Nebenreaktion vorteilhaft Sauerstoff gebildet, der an das zu reinigende Gas abgegeben wird, was im Falle der Reinigung von Atemluft von Vorteil ist. Vorteilhafter Weise kann dieser Sauerstoff mit der Elektrolytlösung (der Waschlösung) in den Kathodenraum überführt werden, wo er an der Kathode zunächst zum Perhydroxylanion reduziert wird, welches ebenfalls ein starkes Oxidationsmittel darstellt und das vom Kathodenraum in die Gaswäscheeinheit überführt wird. Dort wirkt es bei der Zerstörung der Pathogene mit. Gleiches gilt für die im Anodenraum gebildeten Persulfate, Percarbonate, die sodann in Lösung vorliegen und nach ihrem Transfer bereits in der Gaswäscheeinheit eine Oxidation der zu entfernenden Pathogene bewirken und eine sofortige Denaturierung von Bakterien und Viren. In diesen Fällen stellt folglich die erfindungsgemäße Verbindung der Gasreinigungsvorrichtung, neben der Verbindung zwischen Anode der Oxidationseinheit und Gaswäscheeinheit, auch eine Verbindung zwischen Kathode der Oxidationseinheit und Gaswäscheeinheit her.
Die bereits oben genannten organischen Bestandteile (im Folgenden auch als Pathogene bezeichnet) werden aus dem zu reinigenden Gas mittels Absorption durch eine Waschlösung aus der Gasphase in die flüssige Waschlösung überführt. Die mit diesen Verunreinigungen beladende Waschlösung wird dem Anodenraum der elektrochemischen Oxidationseinheit zugeführt, wo die enthaltenen Verunreinigungen über eine Elektrolyse (unter Energieverbrauch) zu CO₂ oxidiert werden (eine Spannung wird an die Elektroden angelegt und dazwischen befindet sich die Waschlösung, das ist der Anolyt/Elektrolyt). Die Waschlösung, die bevorzugt gelöste Salze starker Mineralsäuren enthält, ist so beschaffen, dass Viren und Bakterien durch Kontakt mit dieser bereits inaktiviert werden. Zudem werden in der Anodeneinheit durch anodische Oxidation der Säureanionen die entsprechenden Peroxoanionen gebildet, die gleichfalls über eine viruzide, bakterizide und insgesamt eine stark oxidierende Wirkung verfügen, wie dem Fachmann bekannt ist. Die nunmehr gereinigte Waschlösung wird zurückgeleitet zur Gaswäscheeinheit, wo sie erneut für die Absorption zur Verfügung steht. Die o.a. hydraulischen Verbindungen einschließlich der Fördervorrichtungen transportieren diese Waschlösung im Kreislauf. Bei diesen Fördervorrichtungen handelt es sich um dem Fachmann bekannte Pumpen, bevorzugt solche, die einen Förderstrom mit geringer oder ohne Pulsation ermöglichen.
In der Gaswäscheeinheit findet eine Vorkonzentrierung der in dem Gas meist stark verdünnt enthaltenen Verunreinigungen statt, d.h. die Konzentration in der Waschlösung ist danach wesentlich höher als die Konzentration vorher im Gas. Die elektrochemische Oxidationseinheit wird auch als Elektrolysezelle bezeichnet.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Gasreinigung, wobei

a) ein Gas mit einer Waschlösung kontaktiert wird, und
b) diese Waschlösung als Anolyt und Katolyt in einer elektrochemischen Oxidationseinheit eingesetzt wird.

Schritt a) findet dabei in der Gaswäscheeinheit statt (das Gas kann zweckmäßig durch sie strömen und die Waschlösung beispielsweise im Gegenstrom passieren) und Schritt b) in der elektrochemischen Oxidationseinheit statt. Ausführungen für das entsprechende Bauteil der Vorrichtung gelten entsprechend auch für den Verfahrensschritt und umgekehrt.
Das Wort „diese“ in Schritt b) bedeutet, dass die gleiche Waschlösung in beiden Schritten zur Anwendung kommt, bspw. indem Sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Kreislauf zwischen der erfindungsgemäßen Oxidationseinheit und der Gaswäscheeinheit transportiert wird.
Gegenstand der Erfindung ist schließlich auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gasreinigungsvorrichtung

• zur Entfernung von Pathogen aus dem Gas,
• zur Entfernung von Lösungsmitteln aus dem Gas,
• zur Sterilisation von Raumluft (bspw. in Arztpraxen/ Behandlungszimmern, Büros, Wartezimmern, Wohnräumen, Klassenräumen, Hotelzimmern),
• bei der Beatmung von Patienten oder der Audiometrie,
• zur Entfernung von Geruchsstoffen beim 3D-Druck, in Küchen, Hotelzimmern, Kabinen auf Schiffen oder anderen Räumen, und/oder in Fahrgastkabinen von Fahrzeugen
• zur Reinigung von Abluft in Ställen und medizinischen Versuchslaboren,

Vorteile der Erfindung sind, dass sie die effektivere und damit zwangsläufig auch energiesparendere Reinigung von Gasen erlaubt.
Es sind keine Wechsel von Medien oder Flüssigkeiten (wie der Waschlösung) oder von Filtern etc. nötig. Es entsteht lediglich CO₂ aus den organischen Verunreinigungen und die Vorrichtung bzw. das Verfahren kann somit nahezu unbegrenzt lange ohne Wartung arbeiten.
Die Erfindung benötigt wenig apparativen Aufwand.
Vorteilhaft ist die Erfindung auch unempfindlicher gegenüber Staubbelastung des zu reinigenden Gases, denn der organische Anteil des Staubs wird ebenfalls zersetzt/oxidiert und stört nicht bzw. kann nichts blockieren. Vorteilhaft ist die Erfindung unempfindlich gegenüber Schwankungen der Feuchte des zu reinigenden Gases.
Vorteilhaft sind keine zusätzlichen Substanzen notwendig, für die immer auch eine Gefahr des Übergangs in das zu reinigende Gas und damit der Freisetzung besteht.
Somit stellen sich auch keine Dosierungsprobleme.
Es kommt anwenderseitig zu keinerlei Abgabe schädlicher Stoffe (wie Oxidationsmittel oder von Stoffen, die durch unvollständige Oxidation gebildet werden) oder von UV-Strahlung.
Es sind keine langen Verweilzeiten nötig, da das gesamte Verfahren (d.h. inkl. beider Schritte a) und b)) sehr schnell wirkt und bereits der bloße Kontakt zur Waschlösung zur Inaktivierung vieler Pathogene, insbesondere von Viren, führt. Auch die elektrochemische Oxidation kann variabel an die jeweiligen Reinigungsanforderungen angepasst werden., Bezogen auf das zu reinigende Gasvolumen müssen nur sehr geringe Stoffmengen elektrochemisch oxidiert werden.
Vorteilhaft findet neben der Reinigung des Gases gleichzeitig eine Befeuchtung statt.
Vorteilhaft ist die Erfindung unabhängig von Temperaturschwankungen.
Die geringen Gasvolumenströme durch die Apparatur, die schon ausreichend sind, erlauben vorteilhaft die Anwendung in der Audiometrie oder bei der Beatmung von Patienten. Somit arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung leise (nötig bspw. in Hotelzimmern, Arztwartezimmern).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Gasreinigungsvorrichtung sinnvollerweise

• ein Gehäuse,
• Vorratsbehälter für die Waschlösung (=Elektrolytlösung) und/oder
• Gleichstromversorgung,
• Pumpe,
• Lüfter, und/oder
• Gehäuse mit Befestigungseinrichtungen für die o.g. Komponenten der Vorrichtung im Inneren des Gehäuses mit der Zuführung und einer Auslassöffnungen für das zu reinigende, mit organischen Bestandteilen belastete bzw. das gereinigte Gas.

Die Oxidationseinheit umfasst in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung eine Anode aus einem Werkstoff, der hohe Überspannungen gegenüber der anodischen Sauerstoffoxidation aufweist und die über eine gute elektrische Leitfähigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit verfügt. Weiterhein umfasst die Oxidationseinheit eine Kathode aus korrosionsbeständigem Metall, wobei korrosionsbeständige Metalllegierungen hier mit gemeint sind, einen Separator angeordnet zwischen Anode und Kathode, vorzugsweise einer lonenaustauschermembran, Stromzuführungen für Anode und Kathode und ein Gehäuse mit Dichtungssystem zur Aufnahme von Anode, Kathode und Separator.
Bevorzugt ist die Reihenfolge im Verfahren so, dass zuerst in a) kontaktiert wird und nachfolgend die Elektrolyse (Oxidation) stattfindet. Vorteilhaft kommt damit die Vorkonzentration Schritt a) bzw. der Gaswäscheeinheit zum Tragen.
Besonders bevorzugt finden a) und b) gleichzeitig und/oder b) nach a) folgend statt. Sinnvollerweise bietet sich eine kontinuierliche Verfahrensweise an, so dass a) und b) zur gleichen Zeit stattfinden.
Die Waschlösung umfasst bevorzugt ein Salz ausgewählt aus Sulfat, Nitrat, Phosphat und Carbonat, besonders bevorzugt ist es ausgewählt aus Sulfat, Nitrat, einem Alkalimetallkation und Mischungen daraus.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Volumenverlust der Waschlösung durch Nachdosieren von Wasser zum Vorrat der Waschlösung ausgeglichen.
D.h. die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst auch eine Leitung zur Gaswäscheeinheit (zur Zuführung von Wasser zur Waschlösung), ein Vorratsgefäß für die Waschlösung und eine Vorrichtung zur Nachdosierung des Wassers. Dabei handelt es sich um dem Fachmann an sich bekannte Baugruppen oder Gerätekomponenten wie z.B. eine mittels Niveauregler gesteuerte Zudosierung von Wasser unter Nutzung der Schwerkraft oder um eine Pumpe oder um beliebige andere Baugruppen oder Gerätekomponenten mit vergleichbarer Wirkung.
Besonders bevorzugt geschieht das Nachdosieren automatisch, indem in dem Vorratsgefäß für die Waschlösung ein Niveauregler eingebaut ist, der automatisch bei Unterschreiten eines Niveaus Wasser (aus einem Wasserreservoir oder angeschlossener Wasserleitung) nachdosiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gaswäscheeinheit eine Füllkörperkolonne und/oder eine Blasensäule und/oder Flüssigkeitsverteiler/Sprühkopf zur Berieselung am Kopf.
Die Füllkörper bestehen bevorzugt aus Glas oder Keramik oder Metallen. Bevorzugt sind die Füllkörper ausgeführt als Kugeln von 0,05 - 10 mm Durchmesser, bevorzugt 2,0 - 6,0 mm, besonders bevorzugt 3,00 - 4,5 mm, Ellipsoide, Zylinder im vorgenannten Durchmesserbereich mit 3 bis 10 mm Länge oder Raschig-Ringen aus den vorgenannten Werkstoffen. Als Gläser kommen bevorzugt abriebfeste auf silikatischer oder Quarzbasis zum Einsatz, als Keramiken solche auf Aluminiumoxidbasis oder auf Carbidbasis wie Siliciumcarbid und als Metalle solche, die in der Waschlösung unter den Einsatzbedingungen korrosionsfest sind, speziell solche aus Edelstählen mit einer PREN >27 (PREN-Pitting resistance equivalent number).
Die Blasensäule umfasst bevorzugt eine Dispergiereinheit aus porösem Glas oder aus poröser Keramik am Boden. Vorteilhaft ist dabei eine Porenweite von 0,01 bis 0,3 mm, bevorzugt 0,02 bis 0,08 mm. Der Flüssigkeitsverteiler ist bevorzugt ein Sprühkopf zur Berieselung am Kopf, der so gestaltet ist, dass er eine gleichmäßige Verteilung der Waschflüssigkeit ermöglicht Zweckmäßig lässt sich dies durch konzentrische Anordnung mehrerer Reihen von Bohrungen im Verteilerbauteil erreichen, wobei der Öffnungsdurchmesser zwischen 0,1 und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,25 und 0,5 mm liegt.
Im Verfahren erfolgt dabei bevorzugt das Kontaktieren in Schritt a) mittels einer solchen Füllkörperkolonne und/oder Blasensäule. Umfasst ist auch, dass beides vorliegt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sprühkopf ringförmig.
Die Füllkörper haben in einer besonders bevorzugten Ausführungsform einen Durchmesser von 5±2mm, insbesondere 3-3,5mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung strömt in Schritt a) die Waschlösung mit 4-6 Uh.
Bevorzugt ist ebenfalls, dass das zu reinigende Gas bei der Erfindung eines ist, dass bei Raumtemperatur, d.h. bei 25±15°C, gasförmig ist. Bevorzugt ist es, abgesehen von den oben aufgeführten Pathogenen, chemisch inert in Bezug auf die Stabilität seiner Hauptkomponenten gegenüber elektrochemischer Oxidation. Besonders bevorzugt ist es Luft.
Die Waschlösung hat bevorzugt eine Salzkonzentration von 0,1-100 g/L, besonders bevorzugt von 5 - 25 g/L.
Bevorzugt ist die Waschlösung basisch, besonders bevorzugt ist es ≤0,5M NaOH, insbesondere auch 0,05±0,02M NaOH.
Der pH-Wert der Waschlösung liegt bevorzugt im sauren bis neutralen Bereich indiziert durch pH-Werte zwischen pH=1 und pH=7,0.
Der Volumenstrom des zu reinigenden Gases innerhalb der Gaswäscheeinheit liegt in einer bevorzugten Ausführungsform im Bereich 1 L/min bis 50 L/min (=60- 3.000 NL/h).
Es versteht sich, dass zur Erzielung größerer Luftdurchsätze des Gaswäschers mehrere solche Einheiten parallel geschaltet werden können. Z.B. ergeben sich für eine Kombination zweier Gaswäscheeinheiten Luftdurchsätze von 1 - 200 L/min, für die Kombination von 10 Wäschereinheiten entsprechend 1 - 2.000 L/min. Wichtig ist dabei festzustellen, dass die Anzahl der chemischen Oxidationseinheiten (auch Elektrolysezelle genannt) für die elektrochemische Totaloxidation nicht von der Anzahl der Gaswäscheeinheiten abhängig ist. Mit einer Elektrolysezelle können die organischen Stoffe in den Waschlösungen aus 1, 2, 3, 4 oder mehr solcher Gaswäscheeinheiten vollständig zerstört werden. Festzuhalten ist weiterhin, dass die Oxidationsleistung der Elektrolysezelle durch geeignete Einstellung der Parameter Zellspannung, Elektrolysestrom und Volumenstrom der Elektrolytlösungen sowohl gesteigert als auch -im Falle geringerer Reinigungserfordernisse- abgesenkt werden kann. Im letzteren Falle geht dies nachvollziehbar mit einer Verminderung des Energiebedarfs einher. So kann durch Einstellung eines Elektrolysestromes von 0,1 A in Form von Gleichstrom bei einer Elektrolysezelle mit 100 cm² Anodenfläche eine Reinigungswirkung „RW“ vom Betrag 1 × RW erzielt werden, durch Einstellung eines Stromes von 1,0 A eine Reinigungswirkung RW vom Betrag 9,5 RW und durch Einstellung eines Stromes von 5 A eine Reinigungswirkung RW von 40,0. Bevorzugt werden Stromstärken von 0,05 - 2 A angewandt.
Der Volumenstrom der Waschlösung innerhalb der Gaswäscheeinheit liegt in einer anderen bevorzugten Ausführungsform im Bereich 1-20 Uh, bevorzugt 2,5 - 7,5 L/h.
Die Anode hat in einer bevorzugten Ausführungsform eine Beschichtung aus B-dotiertem Diamant auf einem Trägermaterial, ausgewählt aus Silicium, Silciumcarbid, Niob, Tantal und Wolfram. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht die elektrochemisch aktive Beschichtung der Anode aus einem Mischoxid, das 2,5 -20% Antimonoxide und 80- 97,5% Zinndioxid enthält, bevorzugt 5-10% Antimonoxide und 90-95% Zinndioxid. Als Trägermaterial dienen bevorzugt Titanbleche der grades 1, 2, 3 oder 4 oder keramische Träger als Aluminiumoxidkeramik oder Siliciumcarbid oder -Nitrid.
In einer Ausführungsform sind in die Anoden mittels Dickschichtechnologie Ultraschallaktoren integriert, die die Elektrode in Longitudinal- und Transversalschwingungen, bevorzugt im Frequenzbereich von 6 kHz bis 12 MHz, versetzen, wodurch sich Länge, Breite und Dicke der Anode periodisch ändern. Auf diese Weise werden infolge ständiger intensiver Durchmischung der Diffusionsgrenzschicht Stofftransportprozesse in Elektrodennähe beschleunigt und die Umsatzleistung erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Stromdichte bei 0,2 bis 10 mA/cm².
Die Spannung liegt bevorzugt bei 3-4,5 V, insbesondere 3,5-4,5 V, auch bei 4,2±0,2 V.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, bevorzugten Ausführungsformen und die Merkmale der Ansprüche miteinander zu kombinieren.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung mit Füllkörperkolonne, Siebplatte/Fritte am Boden für die Zuführung des Gases und Sprühkopf am Kopf für die Berieselung der Füllkörper mit Waschlösung.
2 zeigt den elektrochemischen oxidativen Abbau von 100mg/L Cytosin in 1M Na₂SO₄
3 zeigt die Umsatzraten des elektrochemisch oxidativen Abbaus verschiedener Substanzen

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Sie sollen die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
Ausführungsbeispiele
Folgende Ausführungsbeispiele verdeutlichen die Erfindung. Die gewählten Verbindungen, dienen auch als Modellsubstanzen, um die Komplexität von Viren zu vereinfachen.
Beispiel a - Elektrochemische Oxidation
Adenin, Guanin, Thymin, Uracil als molekulare Bestandteile der Erbsubstanz von Viren und Bakterien werden in einer wässrigen Natriumsulfatlösung gelöst (10 g/L) und die Konzentration auf 1 g/L eingestellt. Die Konzentration wurde gewählt, um eine einfachere Analyse der Substanzen zu ermöglichen. Sie liegt um mehrere Zehnerpotenzen über den Konzentrationswerten, die für mit entsprechenden Pathogenen belastete Atemluft erwartet werden kann. Diese Lösungen wurden in Vorratsgefäße aus Glas mit je einem L Volumen gegeben und von dort mittels Pumpe einer Elektrolysezelle vom RODOSAN-®-Typ zugeführt und an einer 100 cm² Anode mit einem Coating aus Bor-dotiertem-Diamant und einer Kathode aus dem Werkstoff mit der Schlüsselnummer 1.4539 bei einer Stromdichte von 2,5 mA/cm² und einer Zellspannung von 4,2 V elektrolysiert. Der Anodenraum war durch eine Kationenaustauschermembran vom Kathodenraum getrennt. Als Katholyt diente gleichfalls eine Natriumsulfatlösung, die mit einem Vorratsgefäß in Verbindung stand und die gleichfalls umgepumpt wurde. Nach jeweils 2, 4 und 6 h wurden Proben für die Analyse auf die org. Stoffe entnommen und diese analysiert. Nach 6 h oder auch bereits eher waren die Stoffe nicht mehr nachweisbar. Als Analysemethoden kommen in allen Ausführungsbeispielen verschiedene Methoden zum Einsatz, das sind „Lowry“- und „Bradford“-Proteinquantifizierung, Coomassie- und Silberfärbung von Acrylamidgelen, Bestimmung reduzierender Zucker nach Luff-Schoorl und Umsetzung mit Phenol/H₂SO₄. Eine ergänzende Messung des Parameters CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) ergab gleichfalls keine Hinweise auf das Vorhandensein organischer Verbindungen in den Lösungen.
Beispiel b - Elektrochemische Oxidation
Ribose wurde in Natriumsulfatlösung eingebracht, wobei eine Konzentration von 10 g/L eingestellt wurde. Danach wurde gemäß Beispiel 1a elektrolysiert, wobei die Stromdichte in diesem Fall bei 5 mA/cm² lag und die Elektrolyse über 8 h hinweg geführt wurde. Nach diesen 8 h waren weder die Ribose (Zuckerbestimmung nach Luft) noch CSB nachweisbar.
Beispiel c - Elektrochemische Oxidation
Rinderserumalbumin (ESA) wurde in einer Konzentration von 1 g/L in der vorgenannten Lösung gelöst und diese wie in Beispiel 1a beschrieben bei 10 mA/cm² 8 h lang elektrolysiert. Am Ende des Versuchs war in den Lösungen kein RSA mehr nachweisbar.
Beispiel d - Elektrochemische Oxidation
Ribonukleinsäure (RNA) wurde in einer Konzentration von 100 mg/L in Natriumhydrogencarbonatlösung der Konzentration 20 g/L gelöst bei 5 mA/cm² 6 h lang wie in Beispiel 1a beschrieben elektrolysiert. Am Ende der Elektrolyse waren 98% der organischen Substanz vollständig zerstört. Die weiteren 2% wurden als RNA-Fragmente und Spuren von Proteinen identifiziert.
Beispiel e - Elektrochemische Oxidation
Der elektrochemische Abbau von Cytosin ist in 2 gezeigt.
Beispiel f - Gaswäsche
Der Übergang verschiedener Substanzen aus dem zu reinigenden Gas in die Flüssigphase wurde untersucht. Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse (Füllkörper mit Glaskugeln von 5mm Durchmesser):

Substanz Gesamtabscheidung Adsorption an Glaskugeln

Adenin 60 % 8 %

BSA 100 % 38 %

DNA 77 % 15 %
Ausführungsbeispiel 1
Adenin wurde in Wasser gelöst, wobei eine Konzentration von 1 g/L vorgegeben wurde. Diese Lösung wurde anschließend einem Aerosolgenerator zugeführt und in einem Luftkanal von ca. 2 dm² Querschnittsfläche zerstäubt. Durch den Kanal wurde Raumluft mit einem Volumenstrom von 2 L/min geleitet.
Die mit dem Aerosol beladene Luft wurde anschließend durch eine 50 cm hohe Füllkörperkolonne geleitet, die zu 3 dm³ mit Glaskugeln vom Durchmesser d = 3-3,5 mm befüllt war. Die Glaskugeln waren dabei zu gleichen Teilen auf drei Zwischenböden im Abstand von je 10 cm verteilt. Über dem obersten der Zwischenböden war in 5 cm Abstand ein Verteiler in der Art eines Sprühkopfes für die Waschlösung angeordnet, aus dem die genannte Lösung, bei der es sich um eine Natriumsulfatlösung der Konzentration 10 g/L handelte, ringförmig auf die obere Füllkörperschicht aufgesprüht. Der Volumenstrom der Waschlösung lag bei 5 L/h. Über dem Verteiler war eine 2 cm dicke Lage aus Quarzsand angeordnet, durch die hindurch die behandelte Luft aus der Vorrichtung gelangte.
Zu Kontrollzwecken wurde diese nachfolgend durch zwei dem Fachmann bekannte Gaswaschflaschen mit Fritteneinsatz hindurchgeleitet, wobei diese Flaschen mit Wasser gefüllt waren. Aus den Gaswaschflaschen wurden Proben für die Analyse auf Adenin entnommen. Diese zeigten, dass kein Adenin in diesen letztgenannten Reservoiren mehr vorhanden war.
Die im Kreislauf geführte Natriumsulfat-haltige Waschlösung wurde nachfolgend einer Elektrolysezelle vom RODOSAN®-Typ zugeführt und an einer 100 cm² Anode mit einem Coating aus Bor-dotiertem Diamant bei einer Stromdichte von 2,5 mA/cm² und einer Zellspannung von 4,2 V elektrolysiert. Der Anodenraum war durch eine Kationenaustauschermembran vom Kathodenraum getrennt. (Als Katholyt diente ebenfalls eine Natriumsulfatlösung, die mit einem Vorratsgefäß in Verbindung stand. Über dieses Vorratsgefäß gelangte der gebildete Wasserstoff (ca. 1 L/h) gleichfalls in die Raumluft.)
Der Anolyt wurde über die Füllkörperkolonne im Kreislauf gefahren. Das durch die Oxidation der Waschlösung gebildete Anodengas, bestehend aus Sauerstoff und geringen Beimengungen von CO₂ wird in der Kolonne abgegeben und vermischt sich dort mit der Raumluft.
In der Waschlösung, welche im Kreislauf zwischen elektrochemischer Oxidationseinheit und Gaswäscheeinheit gefahren wird, bleibt der Gehalt des Adenins auf einem konstanten niedrigen Konzentrationsniveau, ohne dass diese Waschlösung getauscht werden muss.
Ausführungsbeispiel 2 - Mit automatischer Wasser-Nachdosierung
In den Luftstrom, der der Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 nun aber mit einem Volumenstrom von 12 L/h zugeführt wurde, wurde Guanin in einer Konzentration von 1 g/L über den Aerosolgenerator beigemengt und die Behandlung analog Ausführungsbeispiel 1 über 8 h durchgeführt. Dabei wurde das Elektrolytreservoir (darin ist die erfindungsgemäße Waschlösung zum Großteil gesammelt) am Boden der Füllkörperkolonne mit einem Niveaureglerversehen und durch Verdunstung entwichene Flüssigkeit in Form von Wasser ersetzt mittels einer Pumpe. Nach Passage der Kolonne war in den Gaswaschflaschen kein Guanin nachweisbar.
Ausführungsbeispiel 3
Verschiedene Substanzen gemäß 3 wurden entsprechend der vorgenannten Ausführungsbeispiele mit den folgenden Einstellungen untersucht, wobei in der Figur die Umsatzraten gezeigt sind.

• Die Elektrolysezelle, d.h. die elektrochemische Oxidationseinheit, wies jeweils 100cm² Elektrodenfläche auf.
• Anode: Beschichtung aus Bor-dotiertem Diamant
• Kathode: Platin-beschichtetes Titanblech
• Kationenaustauschermembran
• Strom: 1A, Spannung: 3,5-4,5 V
• Durchfluss: 6L/h
• Elektrolyt/Waschlösung: Na₂SO₄, H₂SO₄, HNO₃; im Anolyten jeweils 0,1 bzw. 1 g/L der jeweiligen Substanz

Ausführungsbeispiel 4
Für vier verschiedene Substanzen im Gas wurden die Umsätze und der Energiebedarf bestimmt in drei verschiedenen sauren Elektrolyten/Waschlösung: Säuren (0,05 M/0,5 M H₂SO₄; 0,1 M/ 1 M HNO₃)

Substanz Umsätze nach 3 h Energiebedarf [kWh/g]

Nuklein-Basen > 80 % 0, 1 - 0, 2

Zucker Max. 64 % 0,1 - 0,2

BSA (Protein) Max. 38 % 0,1 - 0,2

DNA > 80 % 0,1 - 0,2
Ausführungsbeispiel 5
Für vier verschiedene Substanzen im Gas wurden die Umsätze und der Energiebedarf bestimmt in zwei verschiedenen basischen Elektrolyten/Waschlösung: Basen (0,05 M/ 0,5 M NaOH)

Substanz Umsätze nach 3 h Energiebedarf [kWh/g]

Nuklein-Basen 58 -100 % 0,1 - 0, 2

Zucker Max. 74 % 0,1 - 0, 2

BSA (Protein) 91 % 0,1 - 0, 2

DNA 80 % 0,1 - 0,2
Man erkennt unter anderem, dass sich für BSA eine wesentlich bessere Entfernung aus der Luft ergibt mit basischen Waschlösungen als mit sauren (Ausführungsbeispiel 4).
Die angegebenen Umsatzwerte beziehen sich jeweils auf die vollständige Zerstörung der Substanzen. Weiterhin muss bemerkt werden, dass die in den Ausführungsbeispielen 4 und 5 zugführten elektrischen Ladungsmengen auch bei einer anodischen Stromausbeute von 100% nicht für eine vollständige Oxidation ausreichten.
Bezugszeichen

1: Elektrochemische Oxidationseinheit
2: Gaswäscheeinheit
3: Waschlösung
4: Zu reinigende Luft
5: Gereinigte Luft
6: Pumpe
7: Wasservorrat
8: Füllkörperkolonne mit Siebplatte/Fritte 9 und Sprühkopf 10
9: Siebplatte/Fritte
10: Sprühkopf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2571816 B1 [0012]

Claims

Gasreinigungsvorrichtung, umfassend • eine Zuführung für ein mit organischen Bestandteilen belastetes Gas, • eine Gaswäscheeinheit (2), • eine elektrochemische Oxidationseinheit (1), und • Verbindungen, die eine Waschlösung (3) zwischen einer Anode der Oxidationseinheit (1) und der Gaswäscheeinheit (2) im Kreislauf transportieren können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend eine Leitung zur Gaswäscheeinheit (2) zur Zuführung von Wasser zur Waschlösung (3), ein Vorratsgefäß für die Waschlösung (3) und eine Vorrichtung zur Nachdosierung des Wassers.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Vorratsgefäß einen Niveauregler aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gaswäscheeinheit (2) eine Füllkörperkolonne und/oder eine Blasensäule und/oder einen Flüssigkeitsverteiler umfasst.
Verfahren zur Reinigung eines mit organischen Bestandteilen belasteten Gases, wobei a) ein mit organischen Bestandteilen belastetes Gas mit einer Waschlösung kontaktiert wird, b) diese Waschlösung als Anolyt und als Katholyt in einer elektrochemischen Oxidationseinheit eingesetzt wird, und c) diese Waschlösung im Kreislauf zwischen den Schritten a) und b) transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Volumenverlust der Waschlösung durch Nachdosieren von Wasser zum Vorrat der Waschlösung ausgeglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Kontaktieren in Schritt a) mittels einer Füllkörperkolonne oder einer Blasensäule erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei in Schritt a) die Waschlösung mit 4-6 L/h strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Gas bei Raumtemperatur, d.h. bei 25±10°C, gasförmig ist.
Verwendung der Gasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4: • zur Entfernung von Pathogen aus dem Gas, • zur Entfernung von Lösungsmitteln aus dem Gas, • zur Sterilisation von Raumluft, • bei der Beatmung von Patienten oder der Audiometrie, • zur Entfernung von Geruchsstoffen beim 3D-Druck, in Küchen, Hotelzimmern, Kabinen auf Schiffen oder anderen Räumen, in Fahrgastkabinen von Fahrzeugen, und/oder • zur Reinigung von Abluft in Ställen und medizinischen Versuchslaboren.