DE19532807C2

DE19532807C2 - Verfahren zur kostengünstigen Ausnutzung der Sonnenstrahlung für photochemischeund photobiologische Prozesse in Reaktoren sowie Werkstoffe für die Reaktoren

Info

Publication number: DE19532807C2
Application number: DE19532807A
Authority: DE
Inventors: Eckhart Dipl Ing Watzke; Andrea Kaempfer; Martin Dr Roth; Christine Hoffmeier
Original assignee: Hans-Knoell-Institut fur Naturstoff-Forschung Ev 07745 Jena De; Hans Knoell Institut fuer Naturstoffforschung
Current assignee: Hans Knoell Institut fuer Naturstoffforschung
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2015-08-26
Also published as: DE19532807A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur kostengünstigen Ausnutzung der gesamten terre strischen Sonnenstrahlung, vorrangig der kurzwelligen bis zu 300 nm, für photochemi sche und photobiologische Prozesse in Reaktoren, die durch spezifische transmittive Werkstoffe realisiert werden.

Die erfinderische Lösung kann einerseits zur Stimulierung solcher photochemischer Prozesse angewendet werden, die zur Reaktion definierte Energiemengen benötigen, die durch die energiereiche, kurzwellige Sonnenstrahlung im Bereich von ca. 300 bis 400 nm zugeführt werden. Dadurch sind z. B. Anwendungen bei der Photooxidation, Photoreduktion, Photochlorierung, der photochemischen Sulfochlorierung und der Sulfooxidation möglich. Die erfinderische Lösung kann andererseits zur Beeinflussung photobiologischer Pro zesse - wie z. B. des Zellwachstums - angewendet werden. Durch die erfindungsgemäße Ausnutzung des kurzwelligen Anteils der Sonnenstrahlung zum Abtöten von Mikroor ganismen in Reaktoren wird die kostengünstige solare Aufbereitung von mit Mikroorga nismen belasteten Wässern möglich. Eine wesentliche Anwendung der Erfindung stellt deshalb die Verbesserung der Trinkwasserqualität in ariden Gebieten mit hoher Son nenstrahlungsintensität und gleichzeitig relativ großem UV-Strahlungsanteil dar.

Es ist bekannt, daß bei photochemischen Prozessen von den reaktionsfähigen Systemen bestimmte Energiequanten aufgenommen werden. Wenigstens ein Reaktionspartner muß deshalb definierte Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung signifikant absorbieren. Das Absorptionsspektrum von Chlor z. B. erstreckt sich über den Bereich von ca. 260 nm bis 440 nm mit einem Maximum bei ca. 340 nm (Galvert, I.G.: Pitts Jr. I.N.; Photochemistry, Wiley, New York, 1966, S. 184 und 226). Das Absorptionsspektrum von Schwefeldioxid liegt z. B. im Bereich von ca. 250 nm bis 350 nm und besitzt bei ca. 290 nm ein Maximum (Koscheck, H. I.: Chem. Zeitg., 93, 1969, S. 655). Aus diesen Absorptionsspektren ist ersichtlich, daß schon die kurzwelligste terrestrische Sonnenstrahlung ab 280/290 nm für photochemische Reaktionen von Bedeutung sein kann.

Es ist weiterhin bekannt, daß zum Aktivieren photobiologischer Prozesse ebenfalls die signifikante Absorption eines bestimmten Wellenlängenbereiches der elektromagneti schen Strahlung erforderlich ist. Die Absorption der DNA wurde eim Spektralbereich von ca. 230 nm bis 295 nm mit einem Maximum bei ca. 265 nm gefunden. Die relative spektrale Wirkungsfunktion der Bakterien abtötung wurde in fast dem gleichen Spektralbereich mit einem Maximum bei eben falls ca. 265 nm und mit einem langwelligen Ausläufer bis zu ca. 320 nm ermittelt. (Schleypen, P., Gschöße, T.: gwf, Wasser Abwasser 134 (1993) Nr. 5, S. 277).

Diese Zusammenhänge werden technisch z. B. zur Trinkwasserentkeimung genutzt, indem in entsprechenden Reaktoren künstliche Lichtquellen eingesetzt werden, die die erforderliche Lichtart emittieren. Derartige Verfahren erfordern jedoch stets elektrische Energie und sind durch die dadurch verursachten hohen Kosten in ihrer Anwendung für viele Verbraucher nicht zugänglich.

In vielen Entwicklungsländern ist die Trinkwasserversorgung der Bevölkerung noch völlig unzureichend. Mit Mikroorganismen verunreinigte Lebensmittel und Wässer sind die Hauptursache für das Auftreten und die Verbreitung von Krankheiten, auch für Diarrhoekrankheiten, die weltweit bis zu einer Milliarde Mal im Jahr bei Kindern unter 5 Jahren auftreten (Technical report series no. 705, Report of a joint FAO/WHO Expert Committee on Food Safety, Geneva, Switzerland, 1984, WHO). Sie sind in vielen Entwicklungsländern auch eine häufige Todesursache.

Durch Trinkwasser verursachte Krankheiten treten auf, wenn mit dem Trinkwasser pathogene Keime aufgenommen werden, die aus menschlichen und tierischen Fäkalien stammen. Neben den Viren und Protozoen stellen die Bakterien eine wesentliche Gruppe der enteralen Pathogene dar. Das Bakterium Escherichia coli (E. coli), das als physiologischer Darmkeim von den Warmblütern in großen Mengen ausgeschieden wird und relativ leicht nachzuweisen ist, wird als wichtiges Indikatorbakterium angesehen, da sein Vorhandensein im Wasser die Annahme rechtfertigt, daß mit den Fäkalien auch weitere, d. h. auch phatogene Keime in das Trinkwasser gelangt sind (Dilly und Welsch: Trinkwasserverordnung vom 5. Dez. 1990, 2. Auflage, Stand Juni 1991, S. 17, Wissenschaftl. Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart 1992).

Nach den Vorschriften der in Deutschland geltenden Trinkwasserverordnung muß das Trinkwasser frei von Krankheitserregern sein. Dieses Erfordernis gilt als erfüllt, wenn in 100 ml Trinkwasser keine Keime von Escherichia coli, keine coliformen Keime und keine Fäkalstreptokokken nachzuweisen sind.

In vielen Ländern der Dritten Welt steht der Bevölkerung jedoch nur völlig unakzeptables Trinkwasser zur Verfügung, das oft mehr als 10³ fäkale Coliforme pro 100 ml enthält (White, G. F. u.a.: Drawers of Water, Chicago, Illinois, University of Chicago Press, 1972, S. 16).

Leider ist es jedoch nicht möglich, exakte Infektionsdosen für einzelne Krankheiten fest zulegen. Aus der Erfahrung wurden jedoch folgende Richtwerte für die Anzahl von le benden Mikroorganismen abgeleitet, die Infektionen verursachen können (Drinking Water Health Effects Task Force, Lewis Publishers, Sec. Printing 1990, S. 12).

Pathogene Mikroorganismen
minimale Keimzahlen
Bakterien:
hunderte bis tausende
Viren:	1 bis 100
Protozoen:	1 bis 100

Nach anderen Untersuchungen beträgt z. B. die Infektionsdosis für Cholera ca. 10⁶ und für Shigellen ca. 200 Keime (Jones, K.: New Scientist, Vol. 143, no 1993, 9. July 1994, S. 2).

Zur Realisierung einer einfachen und kostengünstigen Trinkwasserentkeimung in Ent wicklungsländern ist es nicht möglich, auf bewährte Desinfektionsmethoden wie Chlorung, Ozonung oder artifizielle UV-Bestrahlung zurückzugreifen, da sie neben relativ großem finanziellen und technischem Aufwand, qualifiziertes "Handling" und ggf. elektri sche Energie erfordern. Zum einfachen Abkochen des Wassers fehlen in vielen ariden Entwicklungsländern wiederum die notwendigen Brennstoffe.

Kostenlos, für jedermann zugänglich und besonders in Entwicklungsländern ausrei chend verfügbar ist nur die regenerative Sonnenenergie.

Man kann die im Bereich von ca. 280/290 nm bis zu ca. 2,4 µm spektral ganz unter schiedlich verteilte terrestrische Sonnenstrahlungsenergie zur Entkeimung von Trink wasser nutzen, indem man den UV-, den VIS- oder den IR-Strahlungsanteil appliziert. Dabei werden die in diesem Zusammenhang interessierenden elektromagnetischen Spektren wie folgt definiert:

UV-C: 100 nm bis 280 nm
UV-B: 280 nm bis 315 nm
UV-A: 315 nm bis 380 nm
VIS: 380 nm bis 780 nm
IR-A: 780 nm bis 1,4 µm (Nahes IR: NIR)
IR-B: 1,4 µm bis 3,0 µm (Mittleres IR)

Zur Charakterisierung der Abtötung bzw. Inaktivierung wird häufig die Reduktionsrate "R = log N_O - log N" oder die Überlebensrate der Bakterien "S = N/N_O" verwendet. N_O: Bakterienkonzentration vor der Bestrahlung, N: Bakterienkonzentration nach der Be strahlung. Es ist weiterhin bekannt, daß sich durch kurzwellige UV-Strahlung geschädigte Mikroor ganismen unter dem Einfluß einer anschließenden längerwelligen Bestrahlung durch Reparatur der Schäden wieder erholen können (Jagger, I. u. a.: Photochem. Photobiol. 3 (1964), S. 11-24). Es ist jedoch nicht bekannt, daß dieser als Photoreaktivierung bekannte Vorgang dahin gehend ausgenutzt wird, daß er für eine technische Lösung bewußt gestört und damit die Inaktivierung der Mikroorganismen intensiviert wird.

Gemäß dem Stand der Technik wurde versucht, die Trinkwasserentkeimung von fließen dem Wasser im Nahen Osten mit Hilfe von gläsernen Solarreaktoren durchzuführen (Acra, A. u. a.: Technical study 66e, 1990, IDRC, PO Box 8500, Ottawa, Ont., Canada, K16G3H9). Für die Rohre dieser Solarreaktoren wurde als transparentes Material ein handelsübliches "Borosilicatglas 3.3" der Bezeichnung "Pyrex" mit geringer UV-B- Transmission - ausgedrückt durch den spektralen Transmissionsgrad (τ) bei der Wellen länge von 300 nm und der Schichtdicke von 1 mm: τ_{300 nm/1 mm} ca. 50% - verwendet. Die im Verlauf dieser Untersuchungen mit Indikatorbakterien und anderen Mikroorga nismen gewonnenen Ergebnisse belegen, daß der Abtötungseffekt zu gering ist. Die an klarem Wasser von A. Acra gemessenen Werte der überlebenden Bakterien lagen vor rangig im Bereich von 2 bis 20%. Die größte Abtötung mit 0,2 % überlebenden E. Coli wurde einmalig bei geringem Wasserdurchsatz und einer großen Expositionszeit erreicht.

Dieses spezielle, den Stand der Technik charakterisierende "continuous flow system" ist zur wirksamen Solarentkeimung nicht geeignet, da im durchfließenden Wasser nur ge ringe Abtötungsraten pro Zeiteinheit erzielt werden. Prinzipiell ist es jedoch möglich, die Effektivität dieses röhrenförmigen Solarreaktors merklich zu steigern, wenn es gelingt, die angestrebten Abtötungsraten mit wesentlich geringeren Expositionszeiten zu realisieren. Die Effektivität eines Solarreaktors wird vorrangig von seinem Durchsatz bestimmt, der bei gegebenem Reaktorvolumen von der Expositionszeit abhängig ist.

Die Expositionszeit ist die Bestrahlungszeit des kontaminierten Wassers, die zum Erreichen einer angestrebten Bakterienabtötungsrate erforderlich ist. Das Reaktorvolumen - und damit der Durchsatz - ist über den Durchmesser der Rohre nur begrenzt zu erhöhen, da die Bakterienabtötung von der Wirksamkeit der Strahlung im Wasser und damit von der Wasserschichtdicke abhängig ist. Die Länge der Rohre ist aus konstruktiven Gründen begrenzt. Das Ziel unserer Reaktorentwicklung ist daher die deutliche Verringerung der erforder lichen Expositionszeit, d. h. die Erhöhung der Abtötungsrate pro Zeiteinheit.

Als ein weiteres Aufbereitungsverfahren zur Trinkwasserentkeimung wurde die soge nannte "rise-in-temperature disinfection method" untersucht. Sie beruht auf der Ausnut zung durch Sonnenstrahlung erhöhter Wassertemperaturen (Koottatep, S. u. a.: 3-P-84-0013, Project Report to IDRC, Ottawa, Canada, July 1987, Department of Environmental Engineering, Faculty of Engineering, Chiangmai University, Chiangmai, Thailand). Das zu behandelnde Wasser wurde durch Kupfer-, Stahl- oder Glasrohre geleitet, die auf wärmeisolierten Stahlplatten installiert waren. Die besten Ergebnisse der Bakterien abtötung wurden mit Kupferrohren erzielt, da diese das Wasser kurzzeitig auf über 60°C erwärmten. Bei Verwendung von Glasrohren mit wahrscheinlich geringer UV-B- Durchlässigkeit wurden Durchschnittstemperaturen von 35 bis 51°C erreicht, die keinen nennenswerten Entkeimungseffekt - auch nicht im Zusammenwirken mit der offensicht lich geringen UV-Strahlung im Wasser - bewirkten. Insgesamt ist die "rise-in-temperatur disinfection method" praktisch nicht einsetzbar, da die wirksamen Entkeimungstemperaturen von < 60°C nicht ausreichend stabil erreicht werden und die Anlage außerdem zu teuer ist.

Nach neueren grundlagenorientierten Untersuchungen der Absterbekinetik von Bakterien (E. coli, Streptokokken) und Viren bzw. Virenindikatoren (Bacteriophage f2, EMCV, Rotaviren) soll

• das Sonnenstrahlungsspektrum im Wellenlängenbereich von 320 nm bis 400 nm hauptverantwortlich für das Abtöten von Mikroorganismen sein,
• sich die relativ geringe bakterizide Wirkung des violetten Anteils des Sonnen lichts (400 nm bis 450 nm) beim Zusammenwirken mit UV-A-Strahlung verdrei fachen,
• eine Exposition von ca. 5 bis 6 Stunden bei klarem Himmel und Wassertempera turen zwischen 20°C und 40°C die Konzentration lebender E. coli und Bakterio phagen um ca. drei Zehnerpotenzen reduzieren,
• bei Bestrahlung bei Wassertemperaturen von über 50°C die Inaktivierung von E. coli um den Faktor 3 bis 4 beschleunigt werden.

(Wegelin, M. u.a.: Jahresbericht 1993, S. 19-20, EAWAG-Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz, Forschungsanstalt des ETH-Bereiches, Überlandstr. 133, CH-86600 Dübendorf/Schweiz).

Nachteiligerweise wurden bei diesen Untersuchungen die Wellenlängen < 320 nm nicht mit einbezogen. Außerdem sind die Expositionszeiten von 5 bis 6 Stunden für große und damit wirtschaftliche Durchsätze eines Solarreaktors nicht ausreichend gering, und da keine Angaben zur UV-Durchlässigkeit der verwendeten transmittiven Materialien gemacht worden sind, wird deutlich, daß der Einfluß der UV-Durchlässigkeit der Wasser behälter nicht vordergründig berücksichtigt worden ist.

Im Nahen Osten werden zur Verbesserung der bakteriologischen Trinkwasserqualität handelsübliche gläserne Krüge oder Plastikflaschen mit 1 bis 2 Liter Wasserinhalt für einige Stunden während der Mittagszeit der Sonnenstrahlung ausgesetzt. Eigene Transmissionsmessungen an Glaskrügen mit ca. 3 mm Wandstärke aus Syrien und dem Libanon und im Libanon verwendeten Plastikflaschen mit ca. 0,5 mm Wandstärke ergaben für die UV-Durchlässigkeit geringere Werte von τ_{300 nm} = 0%, τ_{320 nm} = 0-3% und τ_{350 nm} = 10 bis 40%. Das bedeutet, daß eine solare Bakterienabtötung nur in sehr be schränktem Maße über die langwellige UV-Strahlung und ggf. die VIS-Strahlung wirk sam werden kann.

Die zur Realisierung einer Reduktionsrate von R = 3 bei E. coli und beim Bacteriophagen f2 erforderderlichen Bestrahlungsdosis im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 450 nm wird bei Verwendung von Quarzglas in einer 1994 veröffentlichten Arbeit mit 555 Wh/m² angegeben. Die entsprechende UV-Dosis soll mit einer Sonnenstrahlungsdosis korre spondieren, die innerhalb von ca. 5 Stunden an einem Sommertag um die Mittagszeit in mittleren geographischen Breiten erreicht wird (Wegelin, M., u.a.: J. Water SRT-Aqua Vol. 43, No. 3, pp. 154-169 (1994)). Nachteiligerweise wurden bei den artifiziellen Be strahlungsversuchen jedoch Quecksilber-Mitteldrucklampen und Filtergläser (z. B. Duran 50 borosilicate glass, 4 mm, cut-off at 320 nm, half maximum at 340 nm) verwendet, die eine UV-B-Bestrahlung der Mikroorganismen nicht zulassen, so daß die Wirkung der Bestrahlung mit Wellenlängen kleiner 340/320 nm bzw. ihre synergetische Wirkung mit erhöhten Temperaturen nicht erkannt werden konnte.

Eine weitere prinzipielle Möglichkeit zur Trinkwasseraufbereitung kann in der Anwen dung von Niedertemperatur-Solarkollektoren gesehen werden, die üblicherweise aus metallischen Werkstoffen bestehen und zur Erzeugung von warmem Brauchwasser oder Heizwärme eingesetzt werden. Aber auch diese technischen Lösungen sind für die Trinkwasseraufbereitung gemäß der Aufgabenstellung der Erfindung zu kostenaufwendig. Als ebenfalls unwirtschaftlich werden die Wasserdestillationsverfahren angesehen, die zur Entsalzung von Meerwasser verwendet werden und das Wasser gleichzeitig entkeimen.

Gemäß dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, daß Reaktoren für photochemi sche und photobiologische Prozesse aus herkömmlichen technischen Gläsern gefertigt werden. Die dabei verwendeten Gläser können auf Grund ihrer zu geringen UV-B-/UV- A-Durchlässigkeit jedoch nicht zur effektiven Nutzung der Sonnenenergie im UV- Bereich verwendet werden.

Sie besitzen bei λ = 300 nm folgende spektrale Transmissionsgrade: τ_{300 nm/1 mm} ca. 55%, τ_{300 nm/2 mm} ca. 30% (Schott Technische Gläser, 1988) und τ_{300 nm/4 mm} ca. 10% (Schott Katalog Nr. 6076, Kapitel 1, S. 7, Ausgabe Juni 1991).

Es gibt jedoch spezielle für andere Anwendungen entwickelte Gläser, die im interessie renden Wellenlängenbereich sehr hohe und damit für die Anwendung für o.g. Prozesse ausreichende Transmissionseigenschaften besitzen. Diese Gläser haben aber den Nachteil, daß sie sehr teuer, schwierig herzustellen, schlecht verformbar, chemisch nicht beständig, nicht solarisationsbeständig oder mechanisch nicht ausreichend belastbar sind. Als Beispiele werden folgende Gläser angeführt: Quarzglas, Vycorglas, EPROM- Glas (Silikatgläser) und Corexglas (Phospatglas).

Als spezielles Beispiel wird ein Borosilikatglas mit hoher Transmission im UV-Bereich gemäß Patentschrift DE 43 38 128 angeführt, das als Quarzglassubstitut im Wellenlängen bereich bis zu etwa 250 nm und damit auch als Reaktormaterial für Sonnenreaktoren zu verwenden ist. Mit diesem Glas wird durch die Verwendung eisenarmer Rohstoffe (Fe₂O₃ < 5 ppm) und zusätzlich reduzierendes Schmelzen eine sehr hohe UV- Transmission realisiert. Dieser Werkstoff ist jedoch für die Verwendung in einem Verfahren zur kostengünstigen Ausnutzung der Sonnenstrahlung für photochemische und photobiologische Prozesse wegen zu hoher Kosten nicht geeignet.

Auch herkömmliche Kunststoffe besitzen nach dem Stand der Technik schwerwiegende Nachteile, denn sie realisieren entweder zu geringe Durchlässigkeiten im interessierenden Spektralbereich, sind nicht genügend UV-strahlenbeständig, sind nicht ausreichend chemisch resistent oder besitzen zu geringe mechanische Festigkeit. Wenn Kunststoffe als Spezialwerkstoffe mit hoher UV-Durchlässigkeit hergestellt werden, sind sie, wie die oben erwähnten Spezialgläser, sehr teuer. Außerdem ist ihre chemische Beständigkeit bzw. ihre mechanische Festigkeit nicht ausreichend und sie sind wie die oben aufgeführten Spezialgläser im UV nicht oder nicht in erforderlicher Weise selektiv einfärbbar.

Für photochemische und photobiologische Prozesse sind keine kostengünstig technisch anwendbaren Verfahren und Werkstoffe bekannt, die es ermöglichen, den energiereichen, kurzwelligen Sonnenstrahlungsanteil effektiv in Reaktoren oder Gefäßen zu nutzen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht allgemein darin, für die Nutzung des kurzwelligen Anteils des Sonnenenergiespektrums für photochemische und photobiologische Prozesse geeignete Verfahren und Reaktorwerkstoffe zu entwickeln, die kostengünstig herstellbar und in der Anwendung einfach zu handhaben sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht im speziellen darin, Verfahren und Werkstoffe zur kostengünstigen Ausnutzung der Sonnenstrahlung zur wirksamen Abtötung oder Inakti vierung von mit Mikroorganismen belasteten Wässern in Gebieten mit hoher Sonnen strahlungsintensität zu entwickeln. Das beinhaltet im einzelnen, daß die Effektivität der erfindungsgemäßen Trinkwasser entkeimungsanlage durch folgende Maßnahmen gesteigert werden soll:

• Entwicklung und Einsatz von kostengünstig herzustellenden, hoch UV-durch lässigen, sogenannten UV-aktiven Materialien zur effektiven Ausnutzung des gesamten kurzwelligen UV-Strahlungsbereiches der Sonne,
• Ausnutzung der synergetischen Wirkung der kurzwelligen UV-Strahlung mit erhöh ten Temperaturen,
• Einsatz von kostengünstig hergestellten UV-durchlässigen optischen Filtern zur zu sätzlichen gezielten Inhibition der Photoreaktivierung von Mikroorganismen und zur gleichzeitigen zusätzlichen Erwärmung des Wassers,
• Einbeziehung von reflektierenden Elementen,
• Generierung einer inhomogenen Energieverteilung im Wasser und
• Einbeziehung von Photokatalysatoren.

Das Ziel dieser solaren Trinkwasseraufbereitung ohne Verwendung kostenintensiver, konzentrierender optischer Systeme oder kostenintensiver Reaktorwandwerkstoffe be steht in der Realisierung einer Entkeimung, die das Auftreten und die Verbreitung bak teriell verursachter Seuchen weitestgehend ausschließt. Es wird einen großen Fortschritt darstellen, wenn die Zahl der Fäkalcoliformen von mehr als 10³ auf ca. 50 pro 100 ml Wasser verringert werden kann (Feachem, R.G. u.a.: Health aspects of excreta and wastewater management, Published for the World Bank by John Wyley & Sons, Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore, 1983, p. 211).

Das bedeutet, daß bei der Bestrahlung von mit bis zu 10⁴ coliformen Keimen/100 ml kontaminiertem Rohwasser eine Reduktionsrate von R < 3 stabil bei kurzen Expositions zeiten erreicht werden muß, damit im Trinkwasser weniger als 10 coliforme Keime/ 100 ml vorliegen. Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 bis 13 beschriebenen Verfahren und Werkstoffen gelöst.

Es wurde gefunden, daß der kurzwellige Anteil der Sonnenstrahlung für photochemi sche und photobiologische Prozesse in Reaktoren effektiv genutzt werden kann, wenn ein transmittives Medium mit einer hohen UV-B-Durchlässigkeit von τ_{300 nm/1 mm} < 70% verwendet wird. Es ist wichtig, den kurzwelligsten Strahlungsanteil des Sonnenspektrums den photo chemischen oder photobiologischen Prozessen wirksam zuzuführen, um so die effektive Ausnutzung der Sonnenenergie für derartige Prozesse zu ermöglichen. Das gilt für photochemische und photobiologische Prozesse, die die zu absorbierende Energie direkt aus dem entsprechenden Wellenlängenbereich der UV-Sonnenstrahlung oder über den Umweg der Photosensibilisierung beziehen.

Abb. 1 demonstriert, wie mit der Steigerung der UV-B-Durchlässigkeit des Reaktorwerk stoffes die Abtötungsraten von E. coli wesentlich erhöht werden. Zur Charakterisierung der UV-B-Durchlässigkeit wurde der spektrale Lichttransmittionsgrad bei 300 nm ge wählt. Zur artifiziellen Bestrahlung wurde eine Xenonlampe verwendet, weil mit ihrer Hilfe das Sonnenspektrum am besten imitiert werden kann. Mit Hilfe des zur Bestrah lung benutzten Gerätes Suntest CPS+ (Heraeus Instruments) kann die Bestrahlungs stärke von 250 bis 750 W/m² eingestellt werden. Das entspricht der Globalstrahlung in Köln an einem klaren Sommertag um 8.00 bzw. 12.00 Uhr.

Der Wert von τ_{300 nm/1 mm} ca. 50% charakterisiert den Stand der Technik bei Solarreaktoren zur Trinkwasseraufbereitung. Es ist ersichtlich, daß durch eine Steigerung der Durchlässigkeiten der verwendeten Gläser von ca. 50% auf etwa 90% eine Erhöhung der Reduktionsrate um mehr als 3 erreicht wird. Da sich die Transmissionseigenschaften der verwendeten Gläser bei Wellenlängen größer 300 nm nur bis zu maxiamal 320 nm bemerkenswert ändern, ist belegt, daß die beobachtete Wirkung allein auf den Strah lungsanteil kleiner 320 nm zurückzuführen ist. Dieser überraschenderweise so bedeu tungsvolle Strahlungsbereich wurde in Untersuchungen gemäß dem Stand der Technik nicht erfaßt. Die große bakterizide Wirkung dieser Strahlung ist deshalb so überra schend, weil ihre Strahlungsintensität viel geringer als die der UV-A-Strahlung ist.

Es wurde weiterhin gefunden, daß eine wesentliche synergetische Wirkung der UV-Strahlung mit erhöhten Temperaturen schon bei sehr geringen Bestrahlungsdosen auftritt, wenn der UV-B-Strahlungsanteil einbezogen ist. Zur Demonstration wird folgender Versuch angeführt: Bei 10 min Bestrahlung mit einer Bestrahlungsstärke von 250 W/m² überleben bei 43°C ca. 2% und bei 48°C nur noch 0,4% der E. coli-Zellen. Im Vergleich dazu überleben unter den gleichen Versuchsbedingungen ohne Bestrah lung jedoch 15% bzw. 4%. Das bedeutet, daß schon bei der geringen Bestrahlungs dosis von 150 KJ/m² bei 43°C ca. die 10fache und bei 48°C die 100fache Bakterienab tötungsrate erzielt wird.

Als wesentlich neue Erkenntnis wurde außerdem gefunden, daß bei Verwendung von UV-aktiven Materialien, die ab dem UV-A/VIS-Übergangsbereich im VIS lichtundurch lässig sind, mehrere zusätzliche Abtötungseffekte bei E. coli realisiert werden.

Erstens: Erhöhung der Abtötungsrate

Wenn man Werkstoffe im Wellenlängenbereich von größer ca. 400 nm annähernd licht undurchlässig oder lichtundurchlässig gestaltet und im UV-B- und UV-A-Bereich hohe oder nur relativ hohe Durchlässigkeiten realisiert, wird durch die Inhibition der Photore aktivierung eine erhöhte Abtötung erreicht. Das wird durch die Abb. 2 belegt. Die Abb. 2 gibt die Ergebnisse von Bestrahlungsversuchen wieder, die mit farblosen und unter schiedlich absorbierenden Materialien in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis durchgeführt worden sind. Die beigefügte Tabelle 1 gibt die wesentlichen spektralen Transmissionsgrade der Werkstoffe wieder.

Es ist ersichtlich, daß die Abtötungsraten bei E. coli mit größer werdenden Bestrah lungsdosen steigen, besonders wenn die Schwelle von 375 kJ/m² überschritten ist. Die Kurven belegen außerdem in Zusammenhang mit den Transmissionswerten der Tabelle 1, daß die Abtötung der Bakterien durch erhöhte UV-B-Durchlässigkeit (Werkstoff 1 und 3) und noch mehr durch das Ausfiltern von die Photoreaktivierung bedingenden Wellen längen (Werkstoff 4, 5 und 6) gesteigert wird. Eine Zwischenstellung nimmt der Werk stoff 2 mit relativ hoher UV-B-Durchlässigkeit, aber ungenügender Filterwirkung ein. Der Werkstoff 1 (Duran) charakterisiert den Stand der Technik für herkömmlich erschmolzenes Glas, der Werkstoff 3 (UV-Duran) ist ein syntheseabgewandeltes Duran gemäß PS DE 43 38 128, das nach einer speziellen Technologie und mit sehr geringen Eisenoxid gehalten mit erhöhter UV-Durchlässigkeit erschmolzen worden ist. Dieser Werkstoff 3 realisiert im interessierenden Sonnenstrahlungsbereich von ca. 300 nm bis 2500 nm praktisch die gleichen Lichttransmittionseigenschaften wie Quarzglas.

Der Werkstoff 6 beweist besonders eindrucksvoll, daß die kurzwellige UV-Strahlung im Bereich von 300 nm bis ca. 380/390 nm die entscheidende bakterientötende Wirkung ausübt, wenn gleichzeitig die Wellenlängen größer ca. 400 nm eliminiert werden. Eine zusätzliche neue Erkenntnis ist die, daß die Durchlässigkeit im Bereich von ca. 300 nm nicht extrem groß sein muß, wenn gleichzeitig während der Bestrahlung die Photoreak tivierung gestört bzw. verhindert wird.

Tabelle 1

Tabelle 2

Zweitens: Verringerung der Bakterienvermehrung (regrowth, revival of bacteria) nach der Exposition

Überraschenderweise wurde beobachtet, daß die oben beschriebenen Filtermaterialien die erneute Bakterienvermehrung, die nach Beendigung der Exposition einsetzt, wesent lich reduziert. Bei der solaren Trinkwasserentkeimung kann man davon ausgehen, daß unter prakti schen Arbeitsbedingungen das aufbereitete Wasser nicht immer völlig keimfrei ist und diese Keime sich mit zunehmender Wasserlagerzeit nach der Exposition drastisch ver mehren, so daß der Aufbereitungseffekt bald kompensiert sein kann. Selbst mit artifiziellen Strahlern desinfiziertes Wasser kann nach längerer Zeit "wiederverkeimen" (bacterial aftergrowth).

Das Ziel der erfindungsgemäßen Trinkwasserentkeimung besteht u. a. in einer drasti schen Keimreduzierung, die noch 20 bis 30 Stunden nach der Bestrahlung etwa kon stant bleiben soll, damit das Wasser am folgenden Tag - nach der nächtlichen Abküh lung - noch mit wesentlich verbesserter Qualität getrunken werden kann.

Die Abb. 3 gibt Versuchsergebnisse der Abtötung von E. coli nach 30minütiger Sonnen bestrahlung in Jena am 13. 7. 1994 wieder. Das kontaminierte Wasser befand sich in Glasgefäßen mit unterschiedlichen Lichttransmissionseigenschaften, so daß die Filter wirkung verschieden gefärbter UV-aktiver Kalknatronsilikatgläser im Vergleich zu Quarzglas untersucht werden konnte. Die Versuchsbedingungen wurden zur Demonstration so gewählt, daß die Zahl der überlebenden E.coli nach der der Exposition noch groß ist, um die Bakterienvermehrung und ihre Inhibition deutlich zu machen.

Die Abb. 3 zeigt, daß die Bakterienvermehrung nach der Exposition durch die Verwen dung von Filtern aus eingefärbtem Kalknatronsilikatglas während der Exposition im Vergleich zum maximal transmittiven Werkstoff Quarzglas reduziert wird. Die erfin dungsgemäß erschmolzenen Behältergläser BG1, BG2 und BG3 demonstrieren mit ihren Transmissionswerten der Tabelle 2, daß es wesentlich ist, die photoreaktivierenden Strahlungsanteile größer ca. 400 nm möglichst vollständig auszufiltern.

Die Abb. 3 belegt mit den Gläsern BG1, BG2 und BG3 außerdem die wesentliche Er kenntnis, daß mit der wirksamen Ausfilterung der photoreaktivierenden Wellenlängen größer ca. 400 nm erhöhte Abtötungsraten (Plattierung sofort nach der Exposition; unter "Plattierung" versteht man das Aufbringen einer Bakteriensuspension auf ein festes Nährmedium) erreicht werden, obwohl die Durchlässigkeit der Gläser im Bereich von 300 nm wesentlich geringer wird. Hohe Abtötungsraten bei relativ geringer UV-B- Durchlässigkeit sind erstrebenswert, weil mit geringer werdender Durchlässigkeit im Be reich 300/320 nm die Glasherstellungskosten sinken und die Solarisationsbeständigkeit des Glases zunimmt, bzw. keine Solarisation mehr auftritt. Die Wassertemperaturen betrugen 41 bis 43°C.

Drittens: Erhöhung der Wassertemperaturen

Bei wolkenfreiem Himmel konnte am 24. 06. 1994 bei 40minütiger Exposition eine Erhö hung der Wassertemperaturen z. B. durch das gefärbte BG2 im Vergleich zu einem un gefärbtem Glas von 42 auf 49°C gemessen werden. Es wurde außerdem gefunden:

- daß der Abtötungseffekt durch UV-, VIS- oder IR-reflektierende Elemente erhöht wird. Zur optimalen Reflexion eignet sich z. B. eine Aluminiumbeschichtung, bzw. Aluminium folie.
- daß der Abtötungseffekt durch eine inhomogene Verteilung der UV- und/oder VIS- und/oder IR-Strahlung erhöht wird.
- daß die Verwendung des Fotokatalysators Titandioxid (Anatas) oder die Verwendung von Eisen/Titan-Mischoxiden die Bakterienabtötung erhöht.

In bezug auf die einzusetzenden Reaktorwerkstoffe wurde gefunden:

- daß zur Realisierung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung besonders silikatische Mehrkomponentengläser aus Borosilikatglas, Kalknatronsilikatglas und Alkalisilikatglas geeignet sind.
- daß Behälterglas oder AR-Glas als typische Kalknatronsilikatgläser besonders gut als Reaktorwerkstoff geeignet sind, weil sie sich mit ausreichend hoher UV-Durchlässigkeit erschmelzen lassen, wenn sie wenig UV-Absorber enthalten. Der aus praktischer Sicht weitaus bedeutendste UV-Absorber ist dreiwertiges Eisen im Glas. Das Fe³⁺-Ion besitzt extinktionsstarke charge-transfer-Banden im UV-C-Bereich, deren Ausläufer die UV-Durchlässigkeit im interessierenden Wellenlängenbereich um ca. 300 nm stark ver ringern. Wenn das Glas weniger als ca. 0,01 Gew.-% Fe₂O₃ enthält, kann es problemlos oxidierend mit τ_{300 nm/mm} von 70 bis 85% erschmolzen werden. Auf der Grundlage all gemeiner praktischer Erfahrungen kann davon ausgegangen werden, daß bei Verwen dung Fe₂O₃-armer Glasrohstoffe auch der Gehalt an anderen lichttransmissionsmin dernden UV-Absorbern, wie z. B. der von Cr⁶⁺, Mn³⁺, Cu²⁺, Ce⁴⁺ u. a. im Glas ausreichend gering ist.
Das oxidierende Schmelzen von eisenoxidarmen Gläsern stellt aus Kostengründen jedoch nicht die optimale Herstellungstechnologie dar, weil relativ reine und damit relativ teure Rohstoffe verwendet werden und zusätzliche Verunreinigungen des Glases im Hüttenbetrieb durch kostenaufwendige Sondermaßnahmen vermieden werden müssen. Deshalb muß das Glas, wenn es mehr als ca. 0,01 Gew.-% Fe₂O₃ enthält, aus Kosten gründen reduzierend erschmolzen werden, um die erforderlichen hohen UV- Transmissionswerte von τ_{300 nm/1 mm} < 70% zu realisieren.
- daß Behälterglas oder AR-Glas als typische Kalknatronsilikatgläser besonders gut als Reaktorwerkstoff geeignet sind, weil sie sich sehr gut mit Übergangsmetallionen gemäß der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung, d. h. bei gleichzeitig hoher UV- Durchlässigkeit im VIS-Bereich einfärben lassen. Es ist zwar bekannt, daß Co²⁺- oder (Co²⁺ und Ni²⁺)-gefärbte Alkalisilikatgläser als optische Filtergläser für den Durchlaßbe reich von 280 nm bis 500 nm herzustellen sind (PS DE 36 43 421), doch ihre Absorptions kurven verlaufen im 400 nm bis 450 nm Bereich nicht steil genug, so daß die photo reaktivierenden Wellenlängen im Bereich größer als 400 nm nicht effektiv gefiltert werden können. Unsere Untersuchungen zeigten, daß sich besonders vorteilhaft Kalk natronsilikatgläser, aber auch Alkalisilikatgläser, mit ca. 0,5 bis 1,0 Gew.-% NiO einfär ben lassen. Auf diese Weise können UV-aktive Gläser mit selektiven glockenförmigen Transmissionsbereichen mit geringen Durchlässigkeiten im Bereich < 400 nm hergestellt werden, die den optischen Bandpaßfiltern zugeordnet werden können.
- daß sich Borosilikatgläser, Kalknatronsilikatgläser und Alkalisilikatgläser auch mit aus reichend hoher UV-Durchlässigkeit erschmelzen lassen, wenn sie relativ große Mengen an UV-Absorbern enthalten und reduzierend erschmolzen werden. Wenn die extinkti onsstarken Fe³⁺-Ionen ohne störende Nebeneffekte in ausreichendem Maße zu Fe²⁺-Ionen reduziert werden können, wird eine wesentliche Erhöhung der UV-Durchlässigkeit im Bereich von ca. 280 nm bis 380 nm erreicht, weil die Extinktionskoeffizienten der charge-transfer Übergänge des Fe²⁺-Ions um den Faktor 3 geringer sind und das Ab sorptionsmaximum stark in den kurzwelligen UV-C-Bereich verschoben ist.

Als ein wesentlich störender Nebeneffekt beim reduzierenden Schmelzen muß die Ag gressivität der Reduktionsmittel gegenüber Platin und Platinlegierungen angesehen werden. Die bekannten Agenzien, die zur Reduktion von Fe³⁺-Ionen eingesetzt werden, sind gegenüber den Platineinbauten in einer Schmelzwanne so aggressiv, daß sie nicht verwendet werden können. Es wurde jedoch gefunden, daß zur effektiven Reduktion der UV- transmissionsmindernden Wertigkeitsstufen wie Fe³⁺, Cr⁶⁺, Mn³⁺, Cu²⁺, Ce⁴⁺ und anderer seltener Erden in Gegenwart von Platin- bzw. Platinlegierungen nur Sn²⁺-Ionen ge eignet sind, wenn sie als Organozinnverbindungen eingesetzt werden und darüberhin aus keine den Reduktionseffekt störenden Oxidationsmittel wie z. B. Nitratverbindungen im Gemenge vorhanden sind.

Die Verwendung von organischen Sn²⁺-Verbindungen bewirkt, daß beim Schmelzen in Platintiegeln eine sonst nicht bekannte Passivierung der ionogenen Platinlöslichkeit be obachtet wird, so daß es möglich ist, in Gegenwart von Platin oder Platinlegierungen reduzierend zu schmelzen, ohne die Edelmetallvorrichtungen zu zerstören oder das Glas durch ionogen gelöstes Platin, das im Bereich von ca. 300 nm bis 400 nm absor biert, weniger UV-durchlässig zu machen.

Überraschenderweise wurde außerdem gefunden, daß die Fe³⁺-Ionen auch in Gegen wart von Ni²⁺-Ionen mit Organozinnverbindungen problemlos in die angestrebte zwei wertige Form zu überführen sind, ohne gleichzeitig unerwünschtes metallisches Nickel zu erzeugen. Das war nicht zu erwarten, da die Redoxpotentiale von Fe³⁺/Fe²⁺ bzw. Ni²⁺/Ni^o in Kalknatronsilikatgläsern mit 0,47 bzw. 0,43 sehr ähnlich sind (Schreiber, H.D.: JNCS, 1985, 71, 59-67).

Mit anderen Reduktionsmitteln wird dieser Effekt nicht erreicht. Beim Schmelzen mit metallischem Silizium werden z. B. nicht die Fe³⁺- zu Fe²⁺-Ionen reduziert und damit die UV-Durchlässigkeit gesteigert, sondern die Eisen- und Nickelionen so weit reduziert, daß der gesamte UV-Bereich undurchlässig und das Glas damit unbrauchbar ist.

Beim erfindungemäßen Schmelzen mit zweiwertigen Organozinnverbindungen muß die erforderliche Menge an Reduktionsmitteln in Abhängigkeit von der Basizität und dem Fe₂O₃-Gehalt des Glases empirisch ermittelt werden. Wesentlich zuviel überschüssiges, nicht in Sn⁴⁺ umgesetztes, Sn²⁺ kann einen Verlust in der UV-Durchlässigkeit verursachen, da die Sn²⁺-Ionen Rydberg-Übergänge (¹S₀ → ³P₁) mit hohen Extinktionskoeffizienten besitzen, deren Schultern die UV-Durchlässigkeit im Bereich um 300 nm beein trächtigen können.

Gewisse Anteile von Sn²⁺/Sn⁴⁺-Ionen im Glas bewirken vorteilhafterweise jedoch, daß die Solarisationsbeständigkeit des Werkstoffes erhöht wird.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Reduzierendes Erschmelzen von hoch UV-durchlässigem Duran, das mit praxisrelevanten Mengen von 0,025 Gew.-% Fe₂O₃ verunreinigt ist.

Es wurden zwei Laborschmelzen im elektrisch beheizten Ofen bei 1630 bis 1650°C an Luftatmosphäre im 100-ml-Maßstab in Tiegeln aus keramischem Material durchgeführt. Als Rohstoffe wurden SiO₂, H₃BO₃, Al(OH)₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, Fe₂O₃ und metallisches Silizium verwendet. Glas 1/1 wurde ohne Reduktionsmittel mit τ_{300 nm/1 mm} = 50% erschmolzen. Das Glas 1/2 wurde mit einem Reduktionsmittelzusatz von 0,013 Gew.-% Si^o erschmolzen. Dadurch konnte die UV-Durchlässigkeit um ca. 40% auf τ_{300 nm/1 mm} ca. 90% erhöht werden.

Beispiel 2

Reduzierendes Erschmelzen von hoch UV-durchlässigen Kalknatronsilikatgläsern, die mit praxisrelevanten Mengen von 0,025 Gew.-% Fe₂O₃ verunreinigt sind.

Aus der großen Gruppe der Kalknatronsilikatgläser wurde eine Zusammensetzung aus gewählt (Glas 2/1), die das zeitgemäße europäische Preßglas repräsentiert (Smrcek, A.: Glastechn. Ber. 65 (1992), Nr. 7, S. 192-199) und gleichzeitig ein Behälterglas ist. Als eine weitere Zusammensetzung (Glas 2/3) des Na₂O-CaO-SiO₂-Systems wurde das handelsübliche "AR-Glas", das als Röhrenglas produziert wird, ausgesucht (Informations blatt AR-Glas, klar: Liste Nr. 12/86, Schott Gruppe).

Beide Gläser wurden mit relativ hohen Fe₂O₃-Gehalten von 0,025 Gew.-% in herkömmlicher Weise an Luftatmosphäre bei 1450°C im elektrisch beheizten Laborofen in Tiegeln aus keramischem Material erschmolzen. Als Rohstoffe wurden SiO₂, H₃BO₃, Al(OH)₃, CaCO₃, MgCO₃ basisch, BaCO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, Fe₂O₃ und als Reduktionsmittel me tallisches Si^o eingesetzt.

An den Gläsern 2/1 und 2/3 wurden ohne Reduktionsmittelzusatz UV-Durchlässigkeiten mit den Werten τ_{300 nm/1 mm} von 35 bis 40% gemessen. Die Gläser 2/2 und 2/4 erreichten durch die Reduktion von Fe³⁺- zu Fe²⁺-Ionen Transmissionsgrade τ_{300 nm/1 mm} von 80 bis 82%.

Beispiel 3

Oxidierendes Erschmelzen von UV-durchlässigen Filtergläsern aus Kalknatronsilikat glas, die zum Färben 1 Gew.-% NiO und 0,002 Gew.-% Fe₂O₃ als Verunreinigungen ent halten.

Die Gläser wurden entsprechend der Verfahrensweise von Beispiel 2 erschmolzen. Als Tiegelmaterial wurde jedoch eine Platinlegierung eingesetzt. Nickeloxid wurde als NiO verwendet, das Fe₂O₃ wurde dem Gemenge allerdings nicht als Komponente wie in Bei spiel 2 zugesetzt, sondern über in der Schmelzpraxis verwendete Rohstoffe eingetragen.

Beide Gläser erreichten überraschend hohe UV-Durchlässigkeiten von τ_{300 nm/1 mm} ca. 80 bis 84% und τ_{350 nm/1 mm} ca. 90%. Diese Werte entsprechen auch den UV-Durchlässigkeiten, die erreicht werden, wenn man beide Gläser ohne den Farbzu satz von NiO schmilzt.

Die Durchlässigkeiten der beiden NiO gefärbten Gläser betragen im kurzwelligen VIS nur τ_{400 nm/1 mm} ca. 50%. Damit wird ersichtlich, daß der angestrebte starke Transmis sionsabfall im Wellenlängenbereich um 400 nm mit NiO-gefärbten handelsüblichen Kalk natronsilikatgläsern gut zu realisieren ist.

Gemäß dem Stand der Technik ist eine derart selektive Färbung von Alkalisilikatgläsern mit Co²⁺ oder Co²⁺/Ni²⁺ (DE-PS 36 43 421) oder von Borosilikatglas mit Co²⁺ oder Ni²⁺ nicht möglich (Atkarskaja, A.B., u. a.: Glass Ceram. 49 (1992) Nr. 1-2, S. 22-25).

Beispiel 4 und 5

Reduzierendes Erschmelzen von UV-durchlässigen Filtergläsern aus Kalknatronsilikat glas, die zum Färben 1 Gew.-% NiO enthalten und 0,015 Gew.-% Fe₂O₃ bzw. 0,025 Gew.-% Fe₂O₃ einen großen Gehalt an Verunreinigungen aufweisen.

Die Behältergläser wurden entsprechend der Verfahrensweise von Beispiel 3 in Tiegeln aus einer Platinlegierung erschmolzen. Am Glas 4/1 wurde die UV-Durchlässigkeit mit τ_{300 nm/1 mm} = 45%, am Glas 4/2 durch die Reduktion von Fe³⁺-Ionen mit τ_{300 nm/1 mm} = 65% gemessen. Beide Gläser besitzen Transmissionswerte von τ_{400 nm/1 mm} ca. 50%, so daß die photoreaktivierenden Wellenlängen in jedem Falle wirksam ausgefiltert werden.

In gleicher Weise wurden die AR-Gläser erschmolzen. Die Gläser 5/1 und 5/2 enthielten mit 0,025 Gew.-% Fe₂O₃ einen noch größeren Anteil von Eisenverunreinigungen, so daß eine etwas größere Menge des Reduktionsmittels Sn²⁺ erforderlich war. Die UV- Durchlässigkeit konnte durch die Reduktion der Fe³⁺-Ionen von τ_{300 nm/1 mm} = 30% auf 63% gesteigert werden. Der Wert für τ_{400 nm/1 mm} betrug für beide Gläser ebenfalls ca. 50%.

Diese Beispiele belegen besonders deutlich, daß man zur solaren Trinkwasserentkeimung erfindungsgemäßes Glas kostengünstig und einfach herstellen kann, denn

- die Ausgangsgläser bestehen aus einfachen, häufig verwendeten und damit kosten günstigen Komponenten,
- die zum Schmelzen erforderlichen Rohstoffqualitäten sind ebenfalls kostengünstig, da große Mengen an Verunreinigungen zugelassen werden können,
- die Gläser sind bei relativ tiefen Temperaturen und damit zusätzlich kostengünstig zu erschmelzen,
- das reduzierende Schmelzen mit den erfindungsgemäßen Reduktionsmittelzusätzen ist einfach und in bezug auf unerwünschte Nebenerscheinungen risikolos durchzuführen,
- die Kalknatronsilikatgläser sind seit Jahrhunderten weltweit bekannt und ihre Herstellung wird auch in Ländern mit beschränkten technischen Möglichkeiten beherrscht,
- das "Handling" der Gläser ist im Vergleich zu Quarzglas - z. B. bei Verschmelzarbeiten - wesentlich unkomplizierter, weil viel geringere Temperaturen und deshalb keine speziellen Brenner erforderlich sind.

Von wesentlichem Vorteil ist weiterhin, daß bei den erfindungsgemäßen Filtergläsern bei großer Entkeimungsleistung relativ geringe Durchlässigkeiten im kurzwelligen Sonnen strahlungsbereich von 300/320 nm zugelassen werden können. Diese Erkenntnis ist für die Glasherstellungskosten und die Solarisationseigenschaften des Glases von großer Bedeutung, weil die Glasherstellungskosten mit geringer werdender UV-Durchlässigkeit sinken und die Solarisationsbeständigkeit des Glases mit geringer werdender UV- Durchlässigkeit bei 300/320 nm steigt. Da die Beispiele 4/2 und 5/2 mit einer zweiwertigen Organozinnverbindung erschmolzen worden sind, enthalten die Gläser mit Sn²⁺/Sn⁴⁺ zusätzlich noch einen Stabilisator, der die Solarisationserscheinungen unter drückt. Im Gegensatz zu der in der PS DE 36 43 421 beschriebenen Lehre werden die Zinnionen jedoch nicht als Zinnoxid, sondern in zweiwertiger Form als Organozinnver bindung in das Glas eingeführt, wodurch eine verstärkte solarisationshemmende Wir kung hervorgerufen wird.

An den Ausführungsbeispielen 4 und 5 kann außerdem die durch die Färbung zusätz lich erreichte Wassererwärmung deutlich gemacht werden. Das zum Färben verwendete NiO erzeugt im Kalknatronsilikatglas eine starke Absorption bei ca. 450 nm durch sechsfach koordinierte Nickelionen [NiO₆] und zwei weitere starke Absorptionen bei ca. 560 nm und 630 nm durch vierfach koordinierte Nickelionen [NiO₄], die eine Erwärmung des Glases verursachen. Weil diese Banden das Glas für den VIS-Bereich fast lichtundurchlässig machen, ist es schon bei geringen Schichtdicken von 1 bis 2 mm tief braun. Da die Nickelionen außerdem im IR bei ca. 1100 nm und bei ca. 2000 nm Absorptionen hervorrufen, wird auch noch ein Teil der Solarstrahlung des IR-Bereiches im Glas in Wärme umgewandelt. Weil das erwärmte Glas die aufge nommene Sonnenenergie zu einem großen Teil an das Wasser abgibt, wird ein syner getischer Effekt von Wärme und UV-Strahlung zur Abtötung von Mikroorganismen appliziert.

Die farbstoffbedingte Absorption des VIS-Anteils des Sonnenspektrums im Glas bewirkt außerdem, daß das Algenwachstum im Reaktor unterbunden wird, da die Algen zum Wachsen kurzwelliges sichtbares Licht benötigen (Yentsch, C.S.; Marine Plankton: Lewin, R.A. (ed.) Physiology and Biochemistry of Algae. Academics Press 1962). Die Verwendung von NiO als Färbezusatz in Kalknatron- oder Alkalisilikatgläsern ist be sonders vorteilhaft, weil die Absorptionskante im Bereich von 400 nm so steil verläuft, daß einerseits die gesamte UV-Strahlung effektiv zum Abtöten der Mikroorganismen wirksam werden kann und andererseits die wachstumfördernde Absorption der Algen im Bereich von ca. 400 nm bis 500 nm durch die extinktionsstarke [NiO₆]-Bande im Glas bei ca. 450 nm wirksam inhibiert wird.

Claims

1. Verfahren zur kostengünstigen Ausnutzung der Sonnenstrahlung für photochemische und photobiologische Prozesse in Reaktoren, speziell für die wirksame Abtötung oder Inaktivierung von Mikroorganismen in Trinkwasser, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktorwandung entweder
farblose, für die gesamte terrestrische Sonnenstrahlung hochdurchlässige, silikatische Mehrkomponentengläser eingesetzt werden, die zum Erreichen hoher UV-B- Durchlässigkeiten von τ_{300 nm/1 mm} < 70% bei Fe₂O₃-Gehalten von mehr als 100 ppm reduzierend erschmolzen worden sind oder
gefärbte Werkstoffe eingesetzt werden, die im UV-A-Bereich hohe Durchlässigkeiten besitzen und das die Reaktivierung der Mikroorganismen induzierende sichtbare Licht absorbieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die farblosen silikatischen Mehrkomponentengläser aus Borosilikatglas, Alkalisilikatglas oder Kalknatronsilikatglas bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Borosilikatglaszusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis von SiO₂ < 65 B₂O₃ < 10 R₂O (R₂O = Li₂O, Na₂O, K₂O) 0 - 10 RO (RO = MgO, CaO, BaO) 0 - 10 Al₂O₃ 0 - 5 ZnO 0 - 5 ZrO₂ 0 - 5 PbO 0 - 5 SnO/SnO₂ 0 - 5 sonstige Komponenten 0 - 3

4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Alkalisilikatglas zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis von SiO₂ 50 - 70 Li₂O 0 - 5 Na₂O 5 - 20 K₂O 0 - 10 RO (RO = MgO, CaO, BaO) 0 - 10 B₂O₃ 0 - 20 Al₂O₃ 0 - 5 ZnO 0 - 10 PbO 0 - 5 SnO/SnO₂ 0 - 5 sonstige Komponenten 0 - 3

5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Kalknatronsilikatglas zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis von SiO₂ 65 - 75 Li₂O 0 - 5 Na₂O 10 - 20 K₂O 0 - 5 CaO 5 - 15 MgO 0 - 7 BaO 0 - 5 B₂O₃ 0 - 5 Al₂O₃ 0 - 5 PbO 0 - 5 SnO/SnO₂ 0 - 5 sonstige Komponenten 0 - 3

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gläser mit einer Organo-Zinn(II)-Verbindung reduzierend erschmolzen worden sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gefärbten Werkstoffe aus gefärbtem Borosilikatglas, gefärbtem Alkalisilikatglas oder gefärbtem Kalknatronsilikatglas bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Borosilikatglas- Zusammensetzung der gefärbten Borosilikatgläser in Gew.-% auf Oxidbasis SiO₂ < 65 B₂O₃ < 10 R₂O (R₂O = Li₂O, Na₂O, K₂O) 0 - 10 RO (RO = MgO, CaO, BaO) 0 - 10 Al₂O₃ 0 - 5 ZnO 0 - 5 ZrO₂ 0 - 5 PbO 0 - 5 SnO/SnO₂ 0 - 5 sonstige Komponenten 0 - 3

beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalisilikatglas- Zusammensetzung der gefärbten Alkalisilikatgläser in Gew.-% auf Oxidbasis SiO₂ 50 - 70 Li₂O 0 - 5 Na₂O 5 - 20 K₂O 0 - 10 RO (RO = MgO, CaO, BaO) 0 - 10 B₂O₃ 0 - 20 Al₂O₃ 0 - 5 ZnO 0 - 10 PbO 0 - 5 SnO/SnO₂ 0 - 5 sonstige Komponenten 0 - 3

beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalknatronsilikatglas- Zusammensetzung der gefärbten Kalknatronsilikatgläser in Gew.-% auf Oxidbasis SiO₂ 65 - 75 Li₂O 0 - 5 Na₂O 10 - 20 K₂O 0 - 5 CaO 5 - 15 MgO 0 - 7 BaO 0 - 5 B₂O₃ 0 - 5 Al₂O₃ 0 - 5 PbO 0 - 5 SnO/SnO₂ 0 - 5 sonstige Komponenten 0 - 3

beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Glasgemenge 0,3 bis 2,0 Gew.-% NiO zugesetzt worden sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gläser mit einer Organo-Zinn(II)-Verbindung reduzierend erschmolzen worden sind.

13. Farblose, für die gesamte terrestrische Sonnenstrahlung hochdurchlässige, silikatische Mehrkomponentengläser, die zum Erreichen hoher UV-B-Durchlässigkeiten von τ_{300 nm/1 mm} < 70% bei Fe₂O₃-Gehalten von mehr als 100 ppm reduzierend erschmolzen worden sind oder gefärbte Werkstoffe, die im UV-A-Bereich hohe Durchlässigkeiten besitzen und das die Reaktivierung des Mikroorganismen induzierende sichtbare Licht absorbieren als Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1.