DE10217159A1

DE10217159A1 - Vorrichtung und Verfahren zur gleichzeitigen Befreiung der Atemluft von giftigen organischen Verbindungen sowie pathogenischen Bakterien und Sporen mittels katalytischer Oxidation bei niedriger Temperatur

Info

Publication number: DE10217159A1
Application number: DE2002117159
Authority: DE
Inventors: Alvaro Affonso
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft die Anwendung von neuartigen Materialien zur gleichzeitigen Befreiung der Atemluft von organischen Giften sowie pathogenischen Bakterien/Sporen mittels katalytischer Oxidation bei niedriger Temperatur. Die Vorrichtung besteht aus mindestens drei hintereinander angeschlossenen Behältern. Der erste Behälter ist eine leere Kammer mit elektrischen Heizelementen und Eingängen der Luftröhre. Der zweite Behälter enthält ein poröses Adsorbens aus der anorganisch chemischen Gruppe von Zeolithen mit sehr niedrigem Gehalt von Aluminium oder/und jede andere Sorte von hydrophoben Zeolithen bzw. mit Silikonölbeschichtung und mit ausgeprägter Molekularsiebwirkung. Der dritte Behälter enthält Katalysatoren aus Edelmetallen, Kupfer und Mangandioxid, fixiert auf einer porösen hitzebeständigen Matrix, welche aus kalterstarrenden Doppelsalzen von Alkalierde und Aluminium/Magnesium bestehen. Die zu reinigende Atemluft wird mittels einer Pumpe in den leeren Behälter geleitet, danach in den Behälter mit Absorbentien und schließlich in den Behälter mit Katalysatoren. Die drei Behälter werden vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht und werden mittels elektrischen Heizelementen geheizt. Die Heizelemente des leeren Behälters wurden direkt an der Lufteingangsröhre angebracht, damit die große Anzahl von Bakterien und Sporen vernichtet wird. Weiterhin werden durch die Erhitzung der Behälter mit Adsorbentien und Katalysatoren alle übrigen Bakterien und Sporen getötet und ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung welche durch katalytische Oxidation bei niedriger Temperatur in der Lage ist gleichzeitig hochgiftige organische Verbindungen sowie pathogenische Bakterien und Sporen aus der Atemluft zu befreien. Die Vorrichtung besteht aus mindestens einem leeren Behälter mit Heizelementen, welche an die Lufteingangsröhre montiert sind, mindesten einem zweiten Behälter welcher geeignete Adsorbentien enthält und mindestens einem dritten Behälter welcher Metallkatalysatoren enthält. Die Behälter sind mit elektrisch betriebenen Heizelementen ausgerüstet, um die Bakterien/Sporen durch Hitze zu beseitigen und die notwendige Adsorption gefolgt von Desorption und Oxidation, um von giftigen, organischen Verbindungen zu befreien, ermöglicht.
Eine Untersuchung über die Gefahr von unerwarteten biologischen und chemischen Angriffen hat gezeigt, dass das Publikum nur begrenzten und zum Teil mangelhaften Schutz gegen solche Katastrophen hat. Der einzige Schutz ist bis heute, die alte Gasmaske. Die Maske funktioniert auf Grund von Adsorption von giftigen, organischen Verbindungen durch Aktivkohle und war von Nutzen während des Weltkriegs gegen Chlor und Senfgas. Es gibt ein paar Verbesserungen in Gestalt und Verwendung von synthetischen Adsorbentien (siehe Broschüre Drägerwerk, Lübeck, Deutschland). Aber die grossen Nachteile der Gasmaske sind nicht gelöst und zwar:

1. Der Zeitpunkt der Erschöpfung der Adsorptionskapazität des Filters kann nicht festgestellt werden.
2. Bakterien und Sporen werden nicht entfernt. Dazu wird ein Luftfilter mit Mikroporen benötigt.
3. Die Beseitigung eines erschöpften Filters nachdem ein neuer Filter eingesetzt wird.

Bis zum Septemberangriff auf das World Trade Center wurde kaum geforscht, wie die o. g. Probleme zu lösen sind. Es ist wahr, dass die giftigen organischen Verbindungen, welche in chemischen Waffen benutzt werden, in sehr geringer Konzentration wirksam sind. Die chemischen Strukturen umfassen ein breites Spektrum und deswegen ist es schwer geeignete Adsorbentien zu wählen. Weiterhin, der Schutz gegen Bakterien und Sporen durch mikroporöse Luftfilter lässt viel zu wünschen übrig.
In vorliegender Erfindung wurde das Ziel verfolgt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, welches gleichzeitig die Atemluft von Bakterien und Sporen befreit sowie eine Vielzahl von giftigen organischen Verbindungen. Die Bakterien und Sporen sollten nicht nur filtriert sondern getötet werden und die organischen Verbindungen nicht nur adsorbiert sondern oxidiert zu Kohlendioxid und Wasser. Weiterhin sollte das Verfahren folgenden Forderungen entsprechen:

a) es muss ein kontinuierliches und regenerierbares Verfahren sein
b) die Atemluft nach Behandlung sollte 40 Grad Celsius nicht übersteigen.

Nach ausführlichen Literaturnachweisen deuteten alle Zeichen auf eine katalytische Oxidation. Solche katalytischen Oxidationen, wie z. B. von Abgasemissionen von Otto- Motoren, finden aber bei über 600 Grad Celsius statt. Bei niedrigen Temperaturen wurden sogenannte "Kaltstart"-Emissionen durch künstliche Erhitzung von Edelmetallkatalysatoren zum Teil beseitigt. Zum Beispiel in einer von uns angemeldeten Patentanmeldung Aktenzeichen 195 21 621.0 aus dem Jahr 1996 wurde eine elektrisch beheizte poröse Katalysatorschicht, gefolgt von einer Adsorbensschicht, verwendet. Die Reinigung der Abgase von organischen Verbindungen wurde weitgehend vollständig realisiert, aber die Temperatur der austretenden Abgase ist erwartungsgemäss zu hoch. Ausserdem, Stickstoffenthaltende organische Verbindungen wurden nicht oxidiert und die Beseitigung von Bakterien und Sporen bei der Reinigung von Abgasemissionen ist kein Thema.
Bei vorliegender Erfindung wurden alle erwähnten Forderungen für einen kontinuierlichen Schutz gegen pathogene Bakterien und Sporen sowie giftigen organischen Verbindungen erfüllt. Die Adsorption und Desorption blieb sehr wirksam und die Oxidation von Kohlenstoff/Stickstoff enthaltenden organischen Verbindungen findet auf der zu ca. 150 Grad Celsius erhitzten Oberfläche der Katalysatoren statt. Weiterhin, die kontaminierte Luft wurde mittels einer Pumpe direkt an die Heizspirale des leeren Behälters geleitet und verursacht dadurch eine Heissluftsterilisation der Bakterien und Sporen.
In Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung wurde ein Vorrichtung mit mindestens einer leeren Kammer mit elektrischer Heizung gefolgt von mindestens einer Schicht aus adsobierenden hydrophoben Zeoliten und an mindestens eine andere Schicht aus Katalysatoren aus Edelmetallen, Kupfer und Mangan und ebenfalls ausgestattet mit elektrischer Heizung, angeschlossen. Die Adsorption der meisten organischen Verbindungen findet in den Zeoliten statt und zwar bei Temperaturen von ca. 100 Grad Celsius. Wegen des Molekularsiebeffekts werden organische Verbindungen stufenweise desorbiert und dadurch vollständig oxidiert, durch die angeschlossenen Katalysatorschichten. Die Heizspirale der leeren Kammer verursacht eine effektive Heissluftsterilisation der Bakterien und Sporen welche wirksamer wird, wegen der Strömung durch die anderen angeschlossenen Schichten.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde eine Vorrichtung beschrieben, wobei die Schichten in Module eingebracht sind um Anschluss an gewöhnliche Gasmasken zu ermöglichen. Die Modulkonstruktion eignet sich auch für Konstruktion von Schutzräumen welche zum Schutz von chemisch/biologisch Angriffe gedacht sind.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde eine Kontinuität des Verfahrens zugesichert, durch Verwendung von einer Reserveeinheit während der Regeneration der gebrauchten Einheit. Die Regeneration von Katalysatoren- /Adsorbentienschichten findet bei hohen Temperaturen statt, und sichert dadurch die Tötung von allen Bakterien und Sporen. Gemäss eines bevorzugten Verfahrens der Erfindung wurde die Herstellung von Granulaten von Adsorbentien und Katalysatoren beschrieben. Die erfindungsgemässen Vorrichtungen werden durch folgende Figuren, Beschreibung von Spezifikationen und Anwendungen erläutert.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von benötigten Materialien wird durch Beispiel 1 erläutert.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung mit dem Behälter mit Adsorber und dem Behälter mit Katalysator, untergebracht in einem Gehäuse

- A) Behälter oder Kammer mit Adsorber Granulat
- B) elektrische Heizspirale
- C) Röhren welche an Luftpumpe für kontaminierte Luft angeschlossen sind
- D) Austrittsrohr
- E) Behälter oder Kammer mit Katalysatorgranulat
- F) elektrische Heizspirale
- G) Trennscheibe aus Metallgitter
- H) Isolierperlen aus Porzellan
- I) elektrischer Anschluss an Gehäuse
- J) Stahlwollepfropfen
- K) leere Kammer

Eine Ausführungsform welche in der Lage ist, 10 Liter/Minute kontaminierte Luft zu reinigen, hat folgende Abmessungen:

1. Durchmesser von Kammer/Behälter A), E) und K) 2.5 cm.
2. Länge von A) 3.5 cm.
3. Länge von E) 6.0 cm
4. Länge von Luftkammer K) mit elektrischer Heizspirale E) 2.0 cm.
5. Gesamtlänge 1 11.5 cm.
6. Durchmesser von Anschlussröhre C) 0.3 cm
7. Wandstärke Behälter/Kammer 0.5 cm.
8. elektrischer Widerstand der Heizspirale für A) 1.3 Ohm für E) 1.0 Ohm
9. Spannung 12 V D.C.
10. Durchmesser Isolierperle H) aus Porzellan 0.4 cm.
11. Luftpumpe max. Kapazität 12 l/min
12. Spannung 12 V D.C.
13. Stahlwollepfropfen J)
14. Trennscheiben G) aus Metallgitter

Fig. 2 die Figur zeigt die Ausführungsformen A), B), C) und D) von Vorrichtungen auch mit mehreren Typen von Adsorbentien und Katalysatoren. Jede Schicht ist mit eigenen Heizelementen ausgerüstet.

A) Katalysatoren aus Edelmetallen
B) Adsorbentien aus hydrophoben Zeoliten, Adsorbentien mit Molekularsiebwirkung bzw. mit Silikonölbeschichtung
C) Katalysatoren aus Kupfer und Mangan

Fig. 3 die Figur zeigt, wie die Vorrichtung an gewöhnliche Gasmasken angeschlossen wird und wie die Regeneration durchgeführt wird, ohne den Reinigungsvorgang zu unterbrechen.

A) Einheit in Betrieb mit Heizelement und Kammern mit Adsorber und Katalysatoren
B) Reserve-Einheit identisch zu A)
C) Elektronisches Kontrollgerät zur Temperaturegelung von Adsorber und Katalysatoren, sowie programmierte Betätigung von verschiedenen Magnetventilen welche mit dem "X" Zeichen versehen sind
D) Hauptluftpumpe mit wahlweisem Anschluss an Einheiten A) oder B) und Kühlung in Wärmeaustaucher E) der gereinigten Luft, vor Eintritt in die Gasmaske F) ausgerüstet mit Kohlefilterpatrone G)
E) Separate Luftpumpe für den Regenerationsvorgang

WIRKUNGSWEISE

Am Anfang wird durch Kontrollgerät C) die kontaminierte Luft mittels Pumpe D an A) angeschlossen und die Heizelemente mit Temperaturreglung in Betrieb genommen. Die Maske wird mit Überschuss von Reinluft versorgt. Nach vorbestimmter Zeit, wird die Reserveeinheit durch Kontrollgerät C) in Betrieb genommen und an die Maske angeschlossen. Gleichzeitig wird Einheit A), welche regeneriert werden muss, an Regenerationspumpe H) angeschlossen. Diese Pumpe pumpt nicht kontaminierte Luft an die Einheit A), sondern pumpt die exhalierte Luft, welche aus der Maske fliesst. Diese Luft ist frei von Kontaminationen und enthält ein wenig mehr Kohlendioxid. Mit dieser Lösung wird das Regenerationsverfahren gelöst. Die Regenerations-temperatur wird durch Kontrollgerät C) bei 250 Grad Celsius durchgeführt und ermöglicht dadurch eine vollständige Sterilisation der gesamten Einheit und gleichzeitige Reaktivierung der Adsorbermaterialien. Ein weiterer Vorteil ist, dass wegen der höheren Temperatur der Vorgang der desorbierten organischen Verbindungen vollständig oxidiert werden, bevor sie an die Luft freigelassen werden.
Fig. 4 die Figur zeigt eine grossdimensionierte Vorrichtung geeignet für kleine Räume wie z. B. Notunterkünfte. Das Kontrollgerät A regelt wie in Fig. 3 alle Vorgänge zum kontinuierlichen Betrieb von Einheiten B) und C)

BEISPIEL 1

Gemäss eines bevorzugten Verfahrens der vorliegende Erfindung zur Herstellung von Adsorbern und Katalysatoren in Granulatform oder in Form von Masse welche zum Auftragen auf Metalloberflächen geeignet ist, wurde eine poröse kalterstarrende Basismatrix aus Doppelsalzen von Kalzium und Aluminium gewählt. Zur Herstellung von Katalysatoren, Edelmetalle fixiert auf Aluminiumoxid oder Kupferoxid und Mangandioxid (3 Prozent Metallanteil) wurden mit der Matrixmasse vermischt und granuliert oder als Masse verwendet. Für die Herstellung von Adsorbentien wurden Zeoliten, ähnlich wie Wessalyth DAY, Produkte der Firma Degussa, Hanau - Wolfgang, Deutschland, und eine geringere Konzentration von hydrophoben Zeolithen bzw. mit Silikonölbeschichtung mit o. g. Basismatrix vermischt und granuliert.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur gleichzeitigen Befreiung der Atemluft von giftigen organischen Verbindungen sowie pathogenischen Bakterien und Sporen mittels katalytischer Oxidation bei niedriger Temperatur, dadurch gekennzeichnet, das die Vorrichtung zur gleichzeitigen Reinigung von Atemluft von giftigen organischen Verbindungen sowie von pathogenische Bakterien und Sporen aus mindesten einer leeren Kammer mit mindestens zwei Eintrittsröhren für Luft und zwei elektrisch betriebenen Heizelementen, gefolgt von mindestens einer elektrisch beheizten Schicht von hochporösen Substanzen mit adsorbierenden Eigenschaften für organische Verbindungen und ausgeprägtem Molekularsiebeffekt, mindestens eine elektrisch beheizte Schicht von Katalysatoren welche in die Lage sind, aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen zu oxidieren und mindestens eine weitere elektrisch beheizte Schicht von Katalysatoren, welche in der Lage sind, stickstoffhaltige organische Verbindungen ebenfalls zu oxidieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zu reinigende Luft durch Positionieren der Heizelemente vor der Eintrittsröhre, in die leere Kammer zu einer sofortigen Verbrennung von fast allen brennbaren Partikeln führt.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrahl durch mindestens eine Katalysatorenschicht geleitet wird, danach durch mindestens eine Adsorberschicht, danach durch eine andere Katalysatorenschicht und schliesslich durch eine Adsorberschicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Adsorberschichten mit eigenen Heizelementen und mehreren Schichten ebenfalls mit Katalysatoren, hintereinander angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gezeichnet, dass die zu reinigende Luft nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrahl durch mindestens eine Katalysatorschicht aus mehreren Katalysatoren und danach durch eine Adsorberschicht aus mehreren Adsorbentien geleitet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorgegebenen Zeit die komplette Einheit welche sich in Betrieb befindet, durch eine ähnliche Reserveeinheit ersetzt wird, um gleichzeitig einen Regenerationsvorgang an der gebrauchten Einheit durchzuführen. Der Regenerationsvorgang wird bei höherer Temperatur durchgeführt. Als Spülgas wird ein Teil der gereinigten Luft verwendet.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit als ein einziges Modul gebaut wird, so dass es an gewöhnliche Gasmasken angeschlossen werden kann oder in grösserem Massstab, um Notunterkünfte mit gereinigter Luft zu versorgen.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass die warme und gereinigte Luft bevor sie als Atemluft benutzt wird, durch einen Wärmeaustauscher gekühlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbermaterial aus Kugeln oder Zylindern mit einer aktiven Oberfläche von mindestens 1 Kubikzentimeter, aus natürlichen oder synthetischen Hydrophobformen von Zeoliten bzw. mit Silikonölbeschichtung oder deren Pulver, welche mit kalterstarrenden Doppelsalzen von Kalzium und Magnesiumaluminat gemischt und danach granuliert werden.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren aus Edelmetall oder Kupferoxid und Mangandioxid sind und auf Aluminiumoxid fixiert werden und danach als feines Pulver, mit kalterstarrenden Doppelsalzen von Kalzium und Magnesiumaluminat gemischt werden, um Granulat herzustellen.