DE10316759B4

DE10316759B4 - Verfahren und Vorrichtung zur oxidativen Beseitigung von unerwünschten Bestandteilen in einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom

Info

Publication number: DE10316759B4
Application number: DE10316759A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Fryda; Heinz Dipl.-Ing. Futscher; Thorsten Dr. Matthée
Original assignee: Condias GmbH
Current assignee: Condias GmbH
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: DE10316759A1

Abstract

Verfahren zur oxidativen Beseitigung von unerwünschten Bestandteilen in einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in einen mit einem wässrigen Elektrolyten gefüllten Reaktionsbehälter (2, 2') eingeleitet wird und dass mittels wenigstens einer Diamantelektrodenanordnung (5) kontinuierlich Hydroxylradikale unter Meidung der Erzeugung von Sauerstoff in einer solchen Menge erzeugt werden und in den Elektrolyten gelangen, dass mit den erzeugten Hydroxylradikalen und/oder den durch sie erzeugten Folgeprodukten der in den Reaktionsbehälter (2, 2') eingeleitete Gasstrom über das gesamte Elektrolytvolumen oxidierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur oxidativen Beseitigung von unerwünschten Bestandteilen in einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom.
Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Die Entfernung von oxidierbaren unerwünschten Bestandteilen aus Gasen, insbesondere aus Luft, ist in vielen Anwendungsfällen von Interesse. Insbesondere beim Betrieb von Klimaanlagen besteht das Problem, toxische Stoffe, Geruchsstoffe und darüber hinaus Keime, Bakterien und Viren aus dem konditionierten Luftstrom zu entfernen. Dies gilt insbesondere für Klimaanlagen, die in gesundheitlich kritischen Anwendungsbereichen, wie z. B. Krankenhäusern, Großküchen, Biologielabors, Reinraumlabors, Flugzeugen usw. eingesetzt werden.
Je nach Anwendungsfall sind unterschiedliche untere Grenzwerte relevant, wobei teilweise sicherzustellen ist, dass keinerlei Reste der unerwünschten Bestand teile im Gasstrom verbleiben, nämlich wenn die unerwünschten Bestandteile hochtoxische Chemikalien, wie z. B. Dioxine oder Kampfstoffe, sind oder wenn eine absolute Sterilität des Gasstromes sichergestellt sein muss, wie beispielsweise in OP-Bereichen eines Krankenhauses.
Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, die sich mit der Reinigung eines Luftstroms befassen.
Ein bekannter Ansatz bezieht sich darauf, die Luft einer Waschflüssigkeit zuzuführen, die die organische Belastung der Luft aufnimmt. Durch DE 195 03 937 C2 ist es bekannt, die Waschflüssigkeit im Kreislauf zu führen und in einer elektronischen Entkeimungszelle zu entkeimen. In der Entkeimungszelle werden über zwei Elektroden im Waschwasser atomarer Wasserstoff und atomarer Sauerstoff erzeugt, wodurch die organischen Verbindungen entweder reduziert oder oxidiert werden.
Durch EP 0 266 483 A2 ist es bekannt, Luft unter Verwendung einer elektrochemischen Zelle zu konditionieren. Die elektrochemische Zelle enthält einen Elektrolyten, durch den die Luft in feinverteilter Form geleitet wird. Die Oxidation der organischen Bestandteile erfolgt an der positiven Elektrode der elektrochemischen Zelle.
Durch DE 24 59 460 A1 ist ferner eine Anordnung bekannt, bei der die Luft durch eine ringförmige Anordnung zweier Elektroden geleitet wird, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt wird. Beide Elektroden sind metallisch ausgebildet. Durch den hochgespannten Wechselstrom zwischen den Elektroden sollen die in dem Luftstrom enthaltenen Aromate vollständig abgebaut werden. Als Ursache hierfür wird angesehen, dass vor einer Ozonerzeugung atomarer Sauerstoff erzeugt wird, der die Aromate aufoxidiert. Der nicht verbrauchte atomare Sauerstoff verbindet sich schnell mit O₂-Molekülen zu Ozon (O₃). Am Gasausgang ist ein Ozonabsorber angeordnet, der die im Gas verbliebenen Ozonreste zu Sauerstoff umformt.
US 6,387,241 B1 befasst sich mit der elektrochemischen Erzeugung von Ozon für Desinfektionszwecke. Eine hierfür geeignete elektrochemische Zelle weist eine Kathodenkammer und eine davon separierte Anodenkammer auf. Die Kathode ist als Gasdiffusionskathode ausgebildet und erlaubt die Zuführung von Luft oder Sauerstoff zur Durchführung einer Reduktionsreaktion an der Kathode, wodurch das Entstehen von molekularem Wasserstoff vermieden wird. Als Anode wird insbesondere eine Platinelektrode verwendet. Für die Desinfektion wird vornehmlich gasförmiges Ozon verwendet. Eine Desinfektion mit in Wasser gelöstem Ozon ist möglich, wenn die Ozonlösung mit dem belasteten Wasser gemischt wird. Durch eine UV-Bestrahlung kann dabei eine Zersetzung des Ozons in Hydroxyl- oder Peroxylradikale begünstigt werden.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Luftreinigung sind nicht geeignet, alle oxidierbaren organischen Bestandteile aus dem Luftstrom zu entfernen. Insbesondere sind die bekannten Verfahren weder geeignet noch dazu vorgesehen, Mikroorganismen und Keime aus einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom, praktisch restfrei zu entfernen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vollständige oxidative Beseitigung von unerwünschten Bestandteilen in einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom zu ermöglichen, wobei zu den unerwünschten Bestandteilen auch Keime, Bakterien und/oder Viren gehören können.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in einen mit einem wässrigen Elektrolyten gefüllten Reaktionsbehälter eingeleitet wird und dass mittels wenigstens einer Diamantelektrodenanordnung kontinuierlich Hydroxylradikale unter Meidung der Erzeugung von Sauerstoff in einer solchen Menge erzeugt werden und in den Elektrolyten gelangen, dass mit den erzeugten Hydroxylradikalen und/oder den durch sie erzeugten Folgeprodukten der in den Reaktionsbehälter eingeleitete Gasstrom über das gesamte Elektrolytvolumen oxidierbar ist.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält wenigstens eine mit dem Gasstrom in dem Reaktionsbehälter kommunizierende Diamantelektrodenanordnung, mit der aus dem Elektrolyt des Reaktionsbehälters Hydroxylradikale erzeugt werden und eine Erzeugung von Sauerstoff im Wesentlichen unterbleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Verwendung von Diamantelektroden derart, dass sie nicht Sauerstoff erzeugen, sondern Hydroxylradikale, mit denen alle organischen Bestandteile effektiv abgebaut werden können. Bekanntlich sind Hydroxylradikale hoch reaktiv und daher in der Lage, alle organischen Bestandteile sofort zu oxidieren. Die Hydroxylradikale können daher selbst die Oxidation der unerwünschten Bestandteile bewirken. Darüber hinaus erzeugen die Hydroxylradikale hochoxidative Folgeprodukte in dem Elektrolyten, wie z. B. Wasserstoffperoxid (H₂O₂) oder Ozon (O₃). Durch geeignete Zugaben können weitere Oxidationsmittel erzeugt werden, wie beispielsweise durch Zugabe von Sulfat das Oxidationsmittel Persulfat oder durch Zugabe von Silber Silberionen (Ag⁺⁺), die bekanntermaßen zur Oxidation (Desinfektion) verwendet werden.
Die Erzeugung der Hydroxylradikale kann in dem Reaktionsbehälter selbst erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt allerdings nicht voraus, dass zur Oxidation ein direkter Kontakt mit der Diamantelektrode erfolgen muss, da durch die Erzeugung der Hydroxylradikalen und deren oxidativer Folgeprodukte der Elektrolyt mit Oxidationsmitteln angereichert wird, sodass die oxidative Beseitigung der unerwünschten Bestandteile über dem gesamten Elektrolytvolumen des Reaktionsbehälters stattfindet. Das System wird dabei zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass die reaktiven Oxidantien immer in einem deutlichen Überschuss gegenüber den unerwünschten Bestandteilen vorhanden sind, sodass die Wahrscheinlichkeit eines Durchtritts unerwünschter Bestandteile des Gasstroms sehr klein wird.
Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, die Beseitigung der unerwünschten Bestandteile in einem wenigstens zweistufigen Verfahren durchzuführen, wobei die Auslegung der Reaktionsbehälter in Abhängig von der Konzentration der unerwünschten Bestandteile in den jeweiligen Eintritts-Gasströmen vorgenommen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders zweckmäßig dadurch durchführen, dass die Erzeugung der Hydroxylradikale in einem Bypass des Reaktionsbehälters erfolgt und die Hydroxylradikale und/oder Folgeprodukte in den Reaktionsbehälter geleitet werden. Zur Steigerung der Effektivität kann es sinnvoll sein, den Bypass mit einer gegenüber dem Reaktionsbehälter deutlich höheren Temperatur zu betreiben, die beispielsweise zwischen 50°C und 100°C lie gen kann, um insbesondere durch Zusätze gebildete Oxidationsmittel, wie z. B. Persulfate, besonders effektiv zu produzieren.
Da Reste der oxidativen Folgeprodukte in dem aus dem Reaktionsbehälter austretenden Gasstrom noch enthalten sein können, kann es zweckmäßig sein, in bekannter Weise die Oxidantien abzubauen, beispielsweise durch den Einsatz von UV-Lampen.
Die für das Verfahren verwendete Diamantelektrode kann aus einem Stapel aus mehreren diamantbeschichteten Elektoden mit nicht leitenden Zwischenlagen gebildet sein. In an sich bekannter Bipolartechnik reicht es aus, nur die äußeren Elektroden des Stapels zu kontaktieren. Die Elektroden sind zweckmäßigerweise durch diamantbeschichtete Platten oder vorzugsweise Gitter gebildet.
Vorzugsweise wird das Potential der anodischen Diamantelektrode auf eine Überspannung zwischen 2,0 und 3,0 V eingestellt. Diese Überspannung ist für die Erzeugung von Hydroxylradikalen aus Wasser geeignet, vermeidet jedoch eine wesentliche Sauerstoff-Gasbildung.
Als wässriger Elektrolyt kann Wasser verwendet werden, das durch übliche Zusätze oder Verunreinigungen leitfähig ist. Die Zugabe besonderer Chemikalien für die Durchführung der Erfindung ist nicht erforderlich, da die Diamantelektroden die Hydroxylradikale aus dem Wasser selbst bilden können.
In der beigefügten Zeichnung ist ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Die dargestellte Vorrichtung ist zur Durchführung eines zweistufigen Reinigungsverfahrens ausgebildet. Über einen Gaseinlass 1 gelangt der Gasstrom in den Reaktionsbehälter 2, der mit Wasser gefüllt ist. Am oberen und unteren Ende des Reaktionsbehälters 2 befinden sich Verbindungsleitungen 3 zu einem parallel zum Reaktionsbehälter 2 angeordneten Bypass 4, in dem sich eine Diamantelektro denanordnung 5 befindet. Die Diamantelektrodenanordnung 5 besteht aus einem Stapel mehrerer, beidseitig mit einer Diamantschicht beschichteter Träger 6, zwischen die nicht leitetende Zwischenstücke oder Membrane (nicht dargestellt) gelegt sind. Die Träger 6 können vorzugsweise Gitter sein, durch die der Elektrolyt hindurch treten kann. Der Bypass 4 kann am oberen Ende einen Gasauslass 7 aufweisen, aus dem beispielsweise in geringen Mengen entstehender Sauerstoff austreten kann, da die Oxidation in dem Reaktionsbehälter 2 nicht auf einer Reaktion mit molekularem Sauerstoff beruht.
Der Reaktionsbehälter 2 weist in seiner oberen Wandung einen Gasauslass 8 auf, der mit dem Gaseinlass 1' eines weiteren Reaktionsbehälters 2' verbunden ist.
Der Reaktionsbehälter 2' ist in prinzipiell gleicher Weise wie der Reaktionsbehälter 2 mit einem Bypass 4' aufgebaut. Die durch den Reaktionsbehälter 2' gebildete zweite Stufe kann als redundante Sicherheitsstufe vorgesehen sein, wenn in dem Gasstrom hochtoxische Bestandteile enthalten sind. Es ist aber auch möglich, den ersten Reaktionsbehälter 2 so auszulegen, dass zunächst eine hohe Konzentration an unerwünschten Bestandteilen reduziert wird und die endgültige Beseitigung der unerwünschten Bestandteile in dem zweiten Reaktionsbehälter 2' erfolgt.

Claims

Verfahren zur oxidativen Beseitigung von unerwünschten Bestandteilen in einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in einen mit einem wässrigen Elektrolyten gefüllten Reaktionsbehälter (2, 2') eingeleitet wird und dass mittels wenigstens einer Diamantelektrodenanordnung (5) kontinuierlich Hydroxylradikale unter Meidung der Erzeugung von Sauerstoff in einer solchen Menge erzeugt werden und in den Elektrolyten gelangen, dass mit den erzeugten Hydroxylradikalen und/oder den durch sie erzeugten Folgeprodukten der in den Reaktionsbehälter (2, 2') eingeleitete Gasstrom über das gesamte Elektrolytvolumen oxidierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Hydroxylradikale in dem Reaktionsbehälter (2, 2') erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Hydroxylradikale in einem Bypass (4) zu dem Reaktionsbehälter (2, 2') erfolgt und dass die Hydroxylradikale und/oder Folgeprodukte in den Reaktionsbehälter (2, 2') geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Bypass (4) höher als in dem Reaktionsbehälter (2, 2') eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beseitigung der unerwünschten Bestandteile in einem wenigstens zweistufigen Verfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Beseitigung der schädlichen Bestandteile etwaige noch vorhandene oxidative Folgeprodukte aus dem Gasstrom entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schädlichen Bestandteile Keime und/oder Mikroorganismen umfassen, die oxidativ beseitigt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine mit dem Gasstrom in dem Reaktionsbehälter (2, 2') kommunizierende Diamantelektrodenanordnung (5), mit der aus dem Elektrolyt des Reaktionsbehälters (2, 2') Hydroxylradikale erzeugt werden und eine Erzeugung von Sauerstoff im Wesentlichen unterbleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantelektrodenanordnung (5) aus einem Stapel aus mehreren diamantbeschichteten Elektroden mit nicht leitenden Zwischenlagen gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur die äußeren Elektroden des Stapels kontaktiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch diamantbeschichtete Gitter oder Platten gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannung einer anodischen Diamantelektrode 2,0 bis 3,0 V beträgt.