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Es besteht vielfach der Wunsch, in
Belüftungsanlagen
von Gebäuden,
Fahrzeugen, Klimageräten
und Kraftfahrzeugen als auch in kompakten Luftaufbereitungs- und
Luftkonditionierungsanlagen die Luft nicht nur von Stäuben und
Partikeln zu befreien, sondern auch von Gerüchen und vor allem von Keimen
(Bakterien und Pilze) zu befreien.
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Die (im Betrieb feuchte) Oberfläche des
Verdampfers als auch eingesetzte Filter in Fahrzeugen mit Klimaanlagen
sind Nährboden
für Keime
und Pilze aller Art.
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Die vom Luftstrom abgerissenen und
in die Kabine bzw. in Räume
getragenen Bakterien, Pilze und Keime sowie die Stoffwechselprodukte
der Bakterien, Pilze und Keime sondern einen üblen Geruch ab und sind gesundheitlich
bedenklich.
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In den Patentanmeldungen
P 195
43 296.7; P 196 46 269.1; P 196 51 403.7; P 199 02 304.2;
P
199 19 623.0; P 199 31 366.0; P 199 33 180.4; P 100 14 485.3;
P
100 13 841.1; P 100 04 326.7; P 100 58 476.4; PCT/DE 00/02164;
PCT/EP
01/00672; P 101 03 905.0; P 101 180 78.0
sind verschiedene
Methoden vorgeschlagen worden, um diesen Problemen unter Einsatz
von Ionisations- und Ozonisierungsapparaten abzuhelfen.
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In der Patentanmeldung P 199 31 366.0
ist z.B. eine flache Baugruppe mit planarem Aufbau vorgeschlagen
worden, die vorteilhaft und langzeitstabil Ozon und Sauerstoffionen
nach dem physikalischen Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung
nach Anlegen einer elektrischen Hochfrequenz-Hochspannung erzeugt.
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In der Patentanmeldung P 100 13 841.1
ist z.B. ein Verfahren angegeben, die Ozon und Ionenproduktion mit
Hilfe einer elektrischen Regelschaltung konstant zu halten.
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Weil die Ozon- und Ionenproduktion
verschiedensten Einflüssen
unterliegt und auch weil bei Langzeitbetrieb sich die elektrischen
und mechanischen Werte der zur Ozon- und Ionenproduktion eingesetzten
Baugruppen verändern.
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Das wirkt sich vorteilhaft auf die
Ozon- und Ionenproduktion auf, so daß ohne Einsatz dieser Erfindung
keine konstanten Bedingungen erreicht werden, was bei der bekannten
Toxizität
von Ozon bedenklich ist.
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Aus der Patentanmeldung P 100 58
476.4 ist bekannt, die Produktionsmenge von Ozon – und Sauerstoffionen
als Funktion der Luftmenge zu begreifen und mit Signalen des die
Ventilatoren steuernden zentralen Lüftungssteuergerät zu auf
den Ozon- und Ionenerzeuger einzuwirken, daß auch bei unterschiedlichen
Luftmengen eine konstante Konzentration an Ozon und Ionen entsteht.
Dies ist die Voraussetzung für
eine kontrollierte und sichere Funktion der Geräte, weil bei zu geringer Konzentration
keine wesentliche Wirkung mehr besteht und weil bei zu hoher Ozonkonzentration
negative Effekte auf das beteiligte Material erfolgen, ohne daß die lufttechnische
Wirkung größer wird.
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In der Patentanmeldung P 196 51 403.7
ist vorgeschlagen, einen Ozon- und Ionenerzeuger in Strömungsrichtung
vor dem Verdampfer in Klimaanlagen von z.B. Kraftfahrzeugen, Gebäuden oder kompakten
Klimatisierungsanlagen eine Ozon- und Ionenquelle anzuordnen und
den feuchten Verdampfer mit Ozon- und Luftionen zu umströmen.
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Vor allem Ozon löst sich im Wasser auf der Oberfläche des
Verdampfers und bildet Hydroradikale, die extrem bakterizid und
fungizid wirken und erprobt und sicher jegliche biologische Aktivität auf der Oberfläche des
Verdampfers unterbinden.
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In Strömungsrichtung nach dem Verdampfer wird
ein Katalysator vorgeschlagen, der überschüssigen Ozon zu normalem zweiatomigem
Sauerstoff abbaut.
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Diese Erfindung ist vorteilhaft zum
sicheren, sterilem Betrieb von Klimaanlagen aller Art, insbesondere
von solchen in Kraftfahrzeugen.
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Ergänzend wurde in Patentanmeldung
P 199 33 180.4 vorgeschlagen, die Ozon- und Ionenquelle vor dem
Lufteinlaß und
vor dem Luftfilter anzuordnen.
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Dieser Luftfilter ist so ausgerüstet, daß überschüssigen Ozon
katalytisch abgebaut wird.
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In der Patentanmeldung P 101 03 905.0
wird vorgeschlagen, in einem Wäschetrockner
die Luft mit Ozon und Sauerstoffionen anzureichern mit dem Ergebnis,
daß Keime
und geruchstragende Substanzen in der (feuchten) Wäsche abgetötet werden.
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Der komplexe Wirkungsmechanismus
und insbesondere die Wirkung von in Wasser gelöstem Ozon Hydroradikale werden
gebildet) ist näher
beschrieben worden.
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Das Verständnis dieser Vorgänge ist
von Bedeutung, weil Wasser sich auf allen Oberflächen und in allen Materialien
befindet und dieses Wasser mit zugeführtem Ozon Hydroradikale bildet,
welche extrem wirksam gegen Bakterien, Viren und Pilzen als auch
Gerüchen
sind.
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Insofern ist die Lehre der genannten
Erfindung auch ganz allgemein bei Luftaufbereitungsanlagen vorteilhaft
einsetzbar, weil die Oxidationskraft und damit die Bakterizidität des in
Hydroradikalen abgespalteten einatomigen Sauerstoffes (O1) sehr viel höher ist als die Oxidationskraft
des Ozon O3.
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In den vorgenannten Patentanmeldungen wird
die Wirkung vor allem auf die oxidative chemische Wirkung des dreiatomigen
und einatomigen Ozon abgestellt.
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Die vorgeschlagenen Problemlösungen machen
die Handhabung von Ozonisierungseinrichtungen sicherer und berechenbarer.
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Aufgrund der Notwendigkeit, die Ozonkonzentration
in der ausgeblasenen Luft auf einen von der amerikanischen Umweltbehörde (US-EPA/Environment
Protection Agency) und der DIN/EN-Norm EN 60335-2-65; (1995) zwingend
geforderten Wert sicher so zu begrenzen, daß niemals in den so belüfteten Räumen ein
Ozon-Pegel von mehr als 50 ppb entstehen kann, beschäftigt sich
die hier vorgestellte Patentanmeldung mit der nützlichen Wirkung ionisierter
Luftionen und der technischen und sicheren Anwendung aktiver Sauerstoffionen
unter Einhaltung der geforderten Grenzwerte.
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Es ist bekannt, Luft mit Hilfe hoher
elektrischer Spannungen zu ionisieren. Prinzipiell entsteht dabei
Ozon, wenn es zu energiereichen Entladungen im Raum kommt. (Stoßionisation)
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Die Ionisation erfolgt zumeist mit
der Methode der Koronarentladung. (Spitzenentladung) Dabei ragen
feine Spitzen in den Luftraum, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen
sind. Diese Spitzen können
auch zu Bündeln
zusammengefaßt werden,
die feinen Pinseln ähneln.
Als Materialien sind Metallnadel, Metallfäden, und neuerdings auch elektrisch
leitfähige
Kunststoffe bekannt.
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Vor allem luftgetragene Partikel
aller Art werden bevorzugt ionisiert und tragen insofern eine negative
elektrische Ladung.
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Diese elektrische Ladung veranlaßt die ionisierten
Partikel sich auf Oberflächen
(Abscheide-Elektrode) abzulagern um dort das überschüssige Elektron abzugeben.
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Vom Ergebnis her kommt es zu einer
Befreiung der Luft von Partikeln und Keimen, was in sogenannten
elektrostatischen Luftaufbereitungsgeräten und Entstaubungsanlagen
seit Jahrzehnten industriell ausgenutzt wird.
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Bei Apparaten nach dem Prinzip der
dielektrisch behinderten Entladung, wie zum Beispiel bei der seit
1857 (Analen der Physik) bekannten Siemensröhre oder bei dem in P 199 31
366.0 beschriebenen Flachmodul, entstehen sowohl Ionen als auch Ozon.
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Die chemische Reaktivität von Ozon
ist höher
als die chemische Reaktivität
von Sauerstoffionen.
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Die Nützlichkeit luftgetragener Sauerstoffionen
ist in zahlreichen Arbeiten beschrieben worden und ein Prinzip der
Natur zur Reinigung der Luft von Partikeln als auch zur Sterilisierung
von Luft und von Oberflächen.
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Da in der Natur unter Einwirkung
von ionisierendem ultravioletten Sonnenlichtes stets sowohl ein- und dreiatomiger
Ozon als auch zweiatomige Sauerstoffionen entstehen, liegt es nahe,
dieses hochwirksame und nützliche
Prinzip der Natur technisch zur Aufbereitung von Luft auszunutzen.
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In jedem Fall muß das dem zu behandelnden Luftstrom
zugemischte Ozon vernichtet werden, bevor er Atemluft erreicht.
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Dies erfolgt dem Stand der Technik
nach durch Aktivkohle-Filter.
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Es ist bekannt, Filter mit chemischen
Beimengungen zu versehen, welche chemisch mit Gasen reagieren, welche
in der Luft enthalten sind.
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Etwa kann Natriumbicarbonat saure
Luftbestandteile wie etwa Schwefeldioxid chemisch binden.
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Die hier vorliegende Erfindung beschäftigt sich
mit dem Problem, den Wirkungsgrad des katalytisch wirksamen Filtersystems
zu verbessern.
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Der grundsätzliche Wirkungsmechanismus/Chemismus
für Luftaufbereitungsgeräte mit Ozon
funktioniert in mehreren Phasen.
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Reaktionen des Ozon mit anderen Substanzen
in der Gasphase erfolgen aufgrund der geringen Konzentration nicht
oder kaum.
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Oxidierbare Substanzen (etwa C8H18) adsorbieren
an Oberflächen,
reichern sich zu reaktionsfähigen
Konzentrationen an und reagieren dort mit aktivem Sauerstoff prinzipiell
im Idealfall zu 8(CO2) und 8(H2O).
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Die Reaktion erfolgt insbesondere
auf der Oberfläche
des in Strömungsrichtung
nach der Ozonisierung angeordneten Sorbtionskatalysators, welcher
zumeist ein Aktivkohle-Filter ist.
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Aktiver Sauerstoff und Ozon löst sich
im im Sorbtionskatalysator/Filter eingespeichertem Wasser und bildet
Wasserstoffperoxid H2O2 und
Sauerstoffradikale.
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Sauerstoffradikale reagieren heftig
mit oxidierbaren Substanzen und sind extrem bakterizid und fungizid.
(Konzentrationen von 1–5
ppm im Wasser gelöster
aktiver Sauerstoff reicht aus.) Die Halbwertzeit von im Sorbtionskatalysator
eingespeicherten Sauerstoffradikalen kann bis zu einigen Tagen betragen.
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Verkeimung des A-Kohlefilters wird
sicher verhindert und luftgetragene Bakterien und Keime werden vernichtet.
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Wenn der chemische Oxidationsprozess wird
auch nach Beendigung Ozon- Zuführung
fortgesetzt.
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Sowohl eingespeicherte oxidierbare
Gase oder Dämpfe
als auch adsorbierte Bakterien und Pilze werden abgebaut bzw. finden
kein Milieu zur Verbreitung.
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Die in der A-Kohle (Sorbtionskatalysator) eingespeicherte
Feuchte spielt eine große,
bisher wenig beachtete Rolle.
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In Rohrleitungen und Luftkanälen kommt
es zu vergleichbaren Sorbtions- und damit Agglomerationseffekten
auf den Oberflächen.
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Er kommt zu lokal sehr hohen Konzentrationen
beider Fraktionen, was eine chemische Reaktion zwischen aktiven
Sauerstoff-Ionen und oxidierbaren Gasen oder Dämpfen ermöglicht. (VOC = volatile organic
compounds)
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Es ist bekannt, daß aktive
Sauerstoff-Ionen gemeinsam mit der im Filter bzw. auf Oberflächen vorhandenen
Feuchte (das sind auf der gesamten Oberfläche der A-Kohle jeweils einige
Molekül-Lagen) Hydroradikale
bildet.
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Über
Zwischenschritte entsteht das hochradikale einatomige Sauerstoff-Ionen,
dessen Reaktivität
noch einmal um den Faktor 1000 größer ist das dreiatomige Sauerstoff-Ionen.
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Dieser Reaktionsmechanismus spielt
sich auf der Oberfläche
des Katalysators bzw. den Oberflächen
der Luftkanäle
ab und ist der Grund, daß mit relativ
viel geringeren Konzentrationen aktiver Sauerstoffionen gearbeitet
werden kann, als es rein stöchiometrisch
Betrachtungsweisen es nahe legen, Ein Teil des Ozon löst sich
im Wasser, welches praktisch überall
auf allen Oberflächen
enthalten ist, etwa in Aktiv-Kohle-Luftfiltern.
(max. 4,94
ml (entspricht ca. 10 mg) Ozon löst
sich in 1000 ml Wasser).
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Dabei bilden sich hochreaktive Hydroradikale
(OH) oder Hydroperoxiradikale (O
2H):
1. Stufe | O3 ➝ O(1 D) + O2 |
2. Stufe | O(1 D) + H2O ➝ OH + OH |
3. Stufe | OH + O3 ➝ H2 = + O2 |
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Bei der nachfolgenden Oxidation werden
in mehrstufigen Reaktionen unter Bildung sogenannter Peroxyradikale
O2R (R = organischer Rest) organische Verbindungen
immer weiter oxidiert, Bakterien und Viren werden vernichtet bzw.
biologisch passiviert/denaturiert.
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Vorteilhaft werden am Sorbtionskatalysator angelagerte
Keime, Eiweißreste
und geruchstragende chemische Substanzen (organische Substanzen) oxidativ
vernichtet oder denaturiert.
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Der Sorbtionskatalysator bleibt dauerhaft
hygienisch und olfaktorisch einwandfrei.
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Die vorgenannten Effekte verstärken sich nachhaltig,
wenn zusätzlich
oder ergänzend
oder alternativ zur Aktivkohle katalytisch wirksame Substanzen verwendet
werden.
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Grundsätzlich können katalytisch wirksame Substanzen
mit der Aktivkohle vermischt werden und können gemeinsam als Filtermaterial
eingesetzt werden.
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Es ist ebenfalls möglich, an
der Abströmseite des
Aktivkohlefilters katalytisch wirksamen Materials als Schicht aufzubringen.
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Zuletzt ist es möglich, an der Abströmseite des
Aktivkohlefilters eine Schicht des katalytisch wirksamen Materials
aufzubringen.
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Als katalytisch wirksames Material
kommen erfindungsgemäß alle Übergangsmetalle
und deren Verbindungen in Frage.
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Als katalytisch wirksame Substanz
sind weiterhin erprobt:
- – Silber, Platin, Palladium,
Vanadium, Wolfram Auch Salze oder Oxide oder Verbindungen dieser Substanzen
sind als katalytisch wirksam getestet, etwa
- – Palladiumchlorid,
Wolframtrioxid, Vanadiumtitanat.
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Nicht edle Metalle sind ebenfalls
katalytisch wirksam, wenn chemische Energie in Form von z.B. Ozon
zugeführt
wird und die Reaktionen unterstützt:
- – Eisen,
Nickel, Kupfer, Zinn und Zink, sowie deren chemische Verbindungen,
insbesondere deren Oxide.
- – Titan
und Titandioxid haben katalytisch gute Eigenschaften.
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In einer beispielhaften Ausformung
des erfindungsgemäßen Gedankens
wird Titandioxid (TiO2) auf einem geeigneten
Träger
als gasdurchlässige Beschichtung
auf der Abströmseite
eines Aktivkohlefilters aufgebracht.
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Die katalytische Aktivität der Titandioxid
wird durch die chemische Energie angeregt, welche Ozon und Luftionen
innewohnen. Oxidierbares Material wie geruchstragende Gase oder
Dämpfe
als auch organisches Material wie Bakterien und Viren werden auf der
Oberfläche
des Katalysators vorteilhaft vernichtet.
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Gase wie Stickoxide, Schwefeldioxid,
Phosposdioxid und andere reduzierbaren Gase werden katalytisch reduziert.
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Der Ozongehalt der Luft wird auf
ein unschädliches
Minimum vermindert.
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Da das im Beispiel genutzte Titandioxid
als Katalysator arbeitet und nicht am chemischen Prozess selbst
beteiligt ist, kommt es zu keinem die Lebensdauer des Sorbtionskatalysators
verkürzenden Verschleiß. Die abströmende Luft
behält
vielmehr dauerhaft ihren neutralen Charakter.
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1 zeigt
beispielhaft eine typische Luftaufbereitungsanlage, wie sie in Fahrzeugen;
in kompakten Luftaufbereitungsgeräten als auch in Gebäudeklimaanlagen
zum Einsatz kommt.
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Dabei ist (1) ein Vorfilter,
welches Stäube und
Partikel zurückhält.
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Im Funktionszusammenhang dieser Erfindung
spielt der Partikelfilter keine Rolle.
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(2) ist ein luftförderndes
Gebläse,
welches selbstverständlich
an anderer Stelle innerhalb der Funktionsreihe angeordnet sein kann.
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(3) ist der Ozon- und Ionenerzeuger,
welcher die Luft mit einer bestimmten Menge von Ozon anreichert.
Typisch für
Anwendungen im Bereich der Luftaufbereitung sind Konzentrationen
zwischen 50–200 μg/m3.
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(4) ist ein Aktivkohlefilter,
welches hier auch als Ozonvernichter und als einfacher Katalysator dient
und aus diesem Grunde „Sorbtionskatalysator" genannt wird.
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2 stellt
ein prinzipiell identischen Aufbau dar, ergänzt jedoch um den Katalysator
(5) Der Katalysator (5) besteht in einer Ausformung
der Erfindung aus katalytisch wirksamem Material, etwa aus Titandioxid
(TiO2).
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Der Katalysator kann auf einer eigenen,
luftdurchlässigen
Trägerschicht
aufgebracht sein und als separates Bauteil hinter dem Aktivkohle-Sorbtionskatalysator
(4) angebracht sein.
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Der Katalysator (5) kann
auch haftend auf der Abströmseite
des Sorbtionskatalysators (4) aufgebracht sein. Der Katalysator
(5) kann – im
Bild nicht gezeigt – als
Gemenge der Aktivkohle im Aktivkohle-Sorbtionskatalysator (4) enthalten
sein.
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Der Katalysator (5) kann – im Bild
nicht gezeigt – haftend
auf der Anströmseite
des des Aktivkohle-Sorbtionskatalysator
(4) aufgebracht sein oder als eigenes Bauteil auf einer
luftdurchlässigen
Trägerschicht
vor dem Aktiv-Sorbtionskatalysator angeordnet sein.
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In Kraftfahrzeugen befinden sich
oft sogenannte Kombinationsfilter, welche sowohl als Partikelfilter
Stäube
und Partikel zurückhalten
als auch als Aktivkohlefilter unangenehme Gerüche – etwa Auspuffgase – zurückhalten.
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Auch ohne technische Ozonquelle findet
sich beim Einsatz dieser Filter bei bestimmten Wetterlagen ein natürlicher
Wirkungsmechanismus, ähnlich dem,
wie er vorstehend beschrieben wurde.
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Dies, weil die natürlicher
Ozon oder eine hohe Ionenzahl in der Außenluft gelegentlich in mehr oder
weniger hohen, stark schwankenden und regional unterschiedlichen
Konzentrationen enthalten ist.
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Im Falle gelegentlich auftretender
höherer Ozonkonzentrationen
wirken die Aktivkohlefilter tatsächlich
als Sorbtionskatalysatoren und bauen luftgetragenen Ozon ab, was
der Gesundheit der Fahrzeuginsassen zugute kommt, denn Ozon ist
ein Atemgift.
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Erfindungsgemäß wird ergänzend vorgeschlagen, in Automobilen
zum Einsatz kommenden Luftfiltern diese mit Katalysatoren im Sinne
dieser Erfindung zu kombinieren.
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Dies mit dem Ziel, den Abbau von
natürlichem
Ozon zu maximieren und um die in Zusammenwirken mit Ozon und Luftinhaltstoffen
stattfindenden, nützlichen
Prozesse zu maximieren und um die Standzeit der Filter zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen,
Aktivkohlefilter für
Luftaufbereitungsaufgaben aller Art mit katalytisch wirksamen Substanzen
im Sinne der hier vorgestellten Erfindung zu versehen, um den Wirkungsgrad
der Filter gegenüber
oxidierbaren Luftbestandteile über
die reine Absorbtion der A-Kohle
hinaus zu verbessern und um Sauerstoffradikale in der Atemluft zuverlässig zu
vernichten.
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In einer Ausführung der Erfindung wird ein katalytisch
wirksames Material, zum Beispiel Titandioxid, auf der Oberfläche von
Verdampfern in Klimaanlagen aufgebracht, welche sich zum Beispiel
in Gebäuden,
in Kompaktgeräten
oder in Automobilen befinden können.
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Dem Luftstrom, welcher zu den Verdampfern geleitet
wird, wird Ozon in geringer Menge zugesetzt. Kommt Ozon mit dem
Katalysator in Berührung,
setzen verstärkt
die chemische Reaktionen ein, welche vorstehend beschrieben wurden.
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Damit ist es möglich, die bekannt gefährliche und
unangenehme Verkeimung des Verdampfers mithilfe von Begasung mit
Ozon und aktiven Sauerstoffionen in sehr geringer Konzentration
wirkungsvoll zu unterbinden.
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Der in der zugeführten Luft enthaltene Ozon wird
auf der Oberfläche
des begasten Verdampfers abgebaut und damit der Luft entzogen.
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Der Verdampfer selbst arbeitet hier
in der Funktion des vorstehend beschriebenen Sorbtionskatalysators.
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Als Sorbtionskatalysatoren mit besonders geringem
Strömungswiderstand
sind in P 100 04 326.7 technische Einrichtungen beschrieben worden, welche
großflächige und
mit Aktivkohle beschichtete Platten aufweisen, welche parallel zur
Strömung
ausgerichtet sind.
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An der mit Hilfe der Aktivkohle massiv
vergrößerten Oberfläche adsorbieren
Luftinhaltstoffe und Bakterien, als auch Ozon. Aufgrund vorstehend beschriebenen
Reaktionsmechanismen kommt es einerseits zum Ozonabbau und zur Vernichtung
von VOC und Bakterien, Viren und Pilzen sowie deren Sporen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, der Aktivkohlebeschichtung
mindestens eines der vorstehend beschriebenen katalytisch wirksamen
Materialien hinzuzufügen.
Vom Ergebnis her wird vorteilhaft erreicht, daß der Wirkungsgrad für den Abbau von
Ozon als auch für
die oxidative Vernichtung von VOC, Bakterien und Viren erheblich
gesteigert wird.
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Ferner wird vorgeschlagen, Klimakanäle von innen
mit zum Beispiel Titandioxid zu beschichten, weil die Oberflächen von
Klimakanälen
Luftinhaltstoffe adsorbieren. Wenn gleichzeitig geringe Mengen von
Luftionen und/oder von Ozon in die Klimakanäle eingebracht werden, werden
diese ebenfalls an den Oberflächen
adsorbieren. Die vorbeschriebenen chemischen Reaktion setzen ein
und werden katalytisch verstärkt
mit dem Ergebnis, daß die
transportierte Luft frei wird von Ozon, von oxidierbaren Gasen und Dämpfen und
von Bakterien, Viren, Pilzen und deren Sporen. Damit wäre ein wichtiger
Beitrag gegen das sogenannte "Sick-building-Syndrom" geleistet.
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Die Erfindung erstreckt sich nur
auf die vorgenannten Beispiele sondern wird überall dort eingesetzt, wo
in Zusammenwirken von Luft, Ozon, Luftionen sowie Luftinhaltstoffen
wie Gasen, Dämpfen, Bakterien,
Viren, Pilzen, Sporen der Wirkungsgrad der im Prinzip vorbeschriebenen
Reaktionsmechanismen zu verbessern ist.