DE19738038A1

DE19738038A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen aus einem Abluftstrom

Info

Publication number: DE19738038A1
Application number: DE1997138038
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Dipl Chem Koenig; Rolf Dr Dipl Phys Rudolph; Juergen Prof Dipl Ph Leonhardt
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: IUT INSTITUT FUER UMWELTTECHNOLOGIEN GMBH, 12489 B
Priority date: 1997-08-30
Filing date: 1997-08-30
Publication date: 1999-03-04

Description

Die Erfindung bezieht sich einerseits auf ein Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus einem Abluftstrom, insbesondere von halogenierten Kohlenwasserstoffen wie niedrigchlorier ten Alkenen oder halogenierten Zykloverbindungen, wobei der Abluftstrom einen Reaktor durchströmt, in dem zumindest bereichsweise ein elektrisches Feld erzeugt wird, und andererseits auf eine Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen aus einem Abluftstrom, umfassend einen Reaktor mit zumindest einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der Reaktor zumindest bereichsweise einen aktiven Bereich mit zumindest ersten und zweiten Elektroden aufweist, die mit einer Hochspannungsquelle verbunden sind.

Halogenierte Kohlenwasserstoffe, insbesondere chlorierte Alkene oder halogenierte Zyklo verbindungen sind Substanzen, deren Vorhandensein in der Luft aus ökologischer und gesundheitlicher Sicht bedenklich bis gefährlich sind. Aus diesem Grunde müssen deren Konzentrationen in Abluftströmen extrem niedrig sein. So schreibt die TA-Luft vor, daß zum Beispiel für das kanzerogene Vinylchlorid (VC) eine zulässige Emission von 5 mg/m³, für 1,1-Dichlorethen (DCE) von 20 mg/m³, für 1,2-Dichlorethen von 150 mg/m³ und für Tri-(TCE) bzw. Perchlorethen (PCE) von jeweils 100 mg/m³ vorgeschrieben sind.

Mit halogeniertem Kohlenwasserstoff (CKW) kontaminiertes Grundwasser enthält neben anderen umweltschädigenden Stoffen insbesondere auch chlorierte Ethene. Je nach Schadens höhe können dabei Konzentrationen bis zu 500 mg/l auftreten. Zur Sanierung solcher CKW-Schä den nach dem Stand der Technik werden zunächst organische Bestandteile mittels eines Luftstromes aus dem Grundwasser ausgetrieben. Anschließend werden die CKW-Anteile der Abluft an Aktivkohlefiltern abgeschieden. Bei höheren Konzentrationen wird die Abluft einer katalytischen Nachverbrennung mittels chlorresistenter Feststoffkatalysatoren unterzogen.

Das Abscheideverfahren an Aktivkohle arbeitet zufriedenstellend und wirtschaftlich effektiv im Falle von TCE und PCE. Es versagt jedoch bei den niedrigchlorierten Ethenen VC und DCE. Die Ursache liegt in der vergleichsweise schlechten Adsorptionsfähigkeit der Aktivkoh le bei geringen Konzentrationen dieser Substanzen. Für eine katalytische Nachverbrennung sind neben standfesten Katalysatoren Prozeßtemperaturen von 300-450°C erforderlich. Bei geringen Schadstoffkonzentrationen ist infolge der relativ niedrigen Verbrennungswärme von CKW das Verfahren wirtschaftlich nicht durchführbar.

Aus der DE 34 14 121 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen bekannt, die mit Stickoxiden, Schwefeldioxid und Staub beladen sind. Zur Reini gung des Abgases werden mehrere lokal begrenzte, voneinander getrennte Entladungszonen oder ein Plasma ausgebildet, durch welche das zu reinigende Abgas hindurchgeführt wird. Für die Durchführung des Verfahrens wird ein Reaktor verwendet, der zwei Elektroden aufweist, die mit einer Stromquelle verbunden sind. Des weiteren ist aus der DE 195 18 970 C1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgas bekannt, wobei das Abgas einen Entladungsraum mit einem elektrischen Feld durchströmt, in dem die elektrische Entladung erzeugt wird. Beide Lösungen setzen zwar die im Abluftstrom enthaltenen Schadstoffe um, geben jedoch keine Hinweise dahingehend, wie die anstehenden Reaktions produkte aus dem behandelten Abluftstrom entfernt werden können.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorhergehenden Art dahingehend weiterzubilden, daß insbesondere bei der Entfernung von geringen Konzentrationen niedrigchlorierter Ethene und anderer haloge nierter Kohlenwasserstoffe aus einem Abluftstrom effizient und wirtschaftlich durchführbar ist.

Verfahrensmäßig wird das Problem insbesondere dadurch gelöst, daß in dem Abluftstrom selbst oder in einem dem Reaktor zugeführten separaten Gasstrom durch Entladung in dem elektrischen Feld Reaktionsmittel (aktive Spezies) erzeugt werden und daß die in dem Abluftstrom enthaltenen Schadstoffe durch Reaktion mit den Reaktionsmitteln abgebaut oder in adsorbierbare Reaktionsprodukte umgewandelt werden. Durch das elektrische Feld wird eine elektrische Entladung bei Atmosphärendruck erzeugt, die zur Bildung hochenergetischer (heißer) Elektronen führt, wobei aber Moleküle des in dem Abluftstrom enthaltenen Grundga ses nicht aufgeheizt werden. Es handelt sich dabei um eine nichtthermische Entladung. Die dabei entstehenden Elektronen produzieren durch Stöße mit den Molekülen des Grundgases Reaktionsmittel (aktive Spezies) wie oxidierende Radikale oder Oxidationsmittel, die nun ihrerseits die CKW-Moleküle in einer Folge von plasmachemischen Reaktionen teilweise in harmlose anorganische Verbindungen (CO₂, H₂O), zum größeren Teil aber in sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe umwandeln. Dabei sind die sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe an Aktivkohle leicht adsorbierbar und werden in einem nachfolgenden Filter abgeschieden.

Da die verschiedenen plasmachemischen Reaktionen zwischen den aktiven Spezies und den CKW-Molekülen bzw. ihren Bruchstücken auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen können, ist bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise vorgesehen, daß der Abluft strom mit den Reaktionsmitteln zur Ausführung von plasmachemischen Reaktionen einen feldfreien Bereich (passiver Bereich) durchströmt. Dadurch kann die Reaktionszeit (Ver weilzeit) erhöht werden, wodurch insgesamt mehr Schadstoffe umgesetzt werden können.

Bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise wird zur Erzeugung der Reaktionsmittel der separate Gasstrom durch den das elektrische Feld aufweisenden Bereich (aktiven Bereich) des Reaktors geleitet, wobei der plasmabehandelte Gasstrom mit dem Abluftstrom in dem feldfreien Bereich (passiven Bereich) des Reaktors zur Bildung der Reaktionsprodukte vereinigt wird. Mit anderen Worten findet eine indirekte Plasmabehandlung statt. In Ab hängigkeit von der Schadstoffkonzentration und -zusammensetzung und vom Volumenstrom der Abluft ist die zuvor beschriebene Verfahrensweise von Vorteil. Dabei können für die plasmachemischen Reaktionen aktive Spezies, d. h. Radikale bzw. Oxidationsmittel genutzt werden, die sich aus Luft als Grundgas nicht erzeugen lassen.

Das Verfahren zeichnet sich besonders dadurch aus, daß Schadstoffe wie chlorierte Kohlen wasserstoffe gemäß der summarischen Reaktion

CKW + {N₂, O₂, O, N, OH, HO₂, O₃, O₂} → {CO₂ + CO + H₂O + HCl + CKW' + KW}

im wesentlichen oxidativ abgebaut werden. Der konkrete Reaktionsweg hängt dabei von der Zusammensetzung (z. B. vom Wasserdampfgehalt) und der Temperatur des Abluftstroms ab. Auch zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß in einem nachgeschalteten Filter, wie Aktivkohlefilter, Reaktionsprodukte durch Adsorption aufkonzentriert und mit dem unver brauchten Reaktionsmittel der Plasmabehandlung gemäß der Reaktion

{CKW' + KW} + {oxidative Radikale, O₂} → {CO₂ + H₂O + HCl}

abgebaut werden. In diesem Fall übernimmt die Aktivkohle nicht nur die Rolle eines Filters, sondern auch die Funktion eines nachgeschalteten Feststoffreaktors.

Auch ist verfahrensmäßig vorgesehen, daß die Reaktionen durch einen Katalysator be schleunigt werden. Die elektrische Entladung bewirkt dabei eine Herabsetzung der Betriebs temperatur des Katalysators dadurch, daß die Reaktanden und/oder der Katalysator durch die Entladung aktiviert werden und dann am Katalysator reagieren.

Durch die Beschleunigung der plasmachemischen Reaktion wird der Vorteil erreicht, daß der feldfreie Bereich des Reaktors entsprechend klein ausgelegt werden kann oder auch völlig entfallen kann. Bei besonders bevorzugter Verfahrensweise ist vorgesehen, daß durch den Katalysator eine Totaloxidation der in dem Abluftstrom enthaltenen Schadstoffe bewirkt wird. In diesem Fall kann nicht nur der feldfreie Bereich des Reaktors, sondern auch das nach geschaltete Aktivkohlefilter entsprechend klein dimensioniert werden bzw. vollständig entfallen.

Es ist vorgesehen, daß das nichtthermische Plasma durch eine Impulskorona-Entladung erzeugt wird. Weiterhin geeignet ist auch eine Mikrowellen-Entladung bei Luftdruck. Ebenfalls kann das nichtthermische Plasma durch eine dielektrisch behinderte Entladung erzeugt werden, wobei in diesem Fall die Reaktorgeometrie (Elektrodenabstände und -anordnung) verändert werden muß. Auch kann das nichtthermische Plasma durch eine Gleichspannungs-Koronaentladung erzeugt werden, wenn ihre geringe Leistungsdichte und ihre niedrige Effizienz bezüglich der Erzeugung aktiver Spezies bzw. Oxidationsmittel toleriert wird. Koronaentladungen haben in diesem Zusammenhang den Vorteil, daß Elek trodenabstände im Zentimeterbereich möglich sind und damit bei großen Volumenströmen nur geringe Druckverluste entstehen. Außerdem setzt sich der Reaktor bei einer Aerosolbil dung nicht zu.

Vorrichtungsmäßig wird das Problem dadurch gelöst, daß der Reaktor in Strömungsrichtung nach dem aktiven Bereich einen feldfreien Bereich (passiven Bereich) aufweist. Durch den nachgeschalteten passiven Bereich kann die Reaktionszeit (Verweilzeit) erhöht werden, wodurch insgesamt mehr Schadstoffe umgesetzt werden können. Durch das nachgeschaltete Aktivkohlefilter können die umgewandelten Schadstoffe im vorliegenden Fall insbesondere leicht adsorbierbare Kohlenwasserstoffe abgeschieden werden, wobei das Filter auch die Funktion eines nachgeschalteten Feststoffreaktors übernehmen kann.

Bei einer bevorzugten Vorrichtung ist vorgesehen, daß die erste Elektrode als Rundleiter wie Metallstange oder Metalldraht ausgebildet ist und die zweite Elektrode koaxial zur ersten Elektrode angeordnet ist. Dadurch erhält der Reaktor die Form eines Rohrreaktors mit metallischer Mittelelektrode, wodurch nicht nur besonders gute Strömungseigenschaften, sondern auch ein einfacher Aufbau erreicht wird. Bei einer weiter bevorzugten Ausführungs form kann die erste Elektrode aus in einer Ebene mit Abstand zueinander angeordneten Rundleitern wie Metallstangen oder Metalldrähten bestehen. Die zweite Elektrode kann als metallische Platten ausgebildet sein, die parallel oder im wesentlichen parallel gegenüber liegend angeordnet sind, wobei die erste Elektrode zwischen den Platten der zweiten Elek trode liegt.

Es ist vorgesehen, daß erste und zweite Elektrode mit einer Hochspannungs-Impulsquelle verbunden sind, wobei die zweite Elektrode mit Masse - und die erste Elektrode mit positi vem oder negativem Potential verbunden ist.

Die Rundleiter können glatte oder strukturierte Oberflächen aufweisen, wobei insbesondere bei strukturierten Oberflächen eine Vergrößerung dieser gewährleistet ist. Zur Beschleunigung der Reaktion weist der Reaktor einen Katalysator auf. Dabei kann der Katalysator im aktiven und/oder passiven Bereich des Reaktors angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Katalysator zumindest bereichsweise auf oder an den metallischen Flächenelektroden angeordnet. Alternativ ist der Katalysator auf einem granularen oder metallischen Träger innerhalb des Reaktors angeordnet, wobei dieser den Querschnitt des Reaktors ganz oder teilweise ausfüllt.

Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, daß der Katalysator als Katalysatorschicht auf die zweite und/oder erste Elektrode aufgebracht ist.

Bei einer Vorrichtung mit eigenständigem Erfindungscharakter ist vorgesehen, daß der passive Bereich des Reaktors einen zweiten Einlaß für den die Schadstoffe aufweisenden Abluftstrom besitzt, wobei im passiven Bereich eine Vermischung des Abluftstroms mit einem zuvor in dem aktiven Bereich einer Plasmareaktion ausgesetzten Gasstrom erfolgt und somit eine indirekte Plasmareaktion erzeugt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der den Figuren zu entnehmenden bevor zugten Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reak tors mit aktivem und passivem Bereich,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors und

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reak tors.

In Fig. 1 ist im Querschnitt ein Reaktor 10 dargestellt mit einem Einlaß 12 für einen Abluftstrom 14 sowie einem Auslaß 16. Der Auslaß 16 ist in dem hier dargestellten Aus führungsbeispiel mit einer Filtereinrichtung 18 wie Aktivkohlefilter verbunden, der seinerseits einen weiteren Auslaß 20 aufweist, an dem der von Schadstoffen entfernte Abluftstrom 14 ausströmen kann.

Der Reaktor 10 weist erste und zweite Elektroden 22, 24 auf, durch die im Innenraum, d. h. aktiven Bereich 26 des Reaktors 10 ein elektrisches Feld erzeugt wird. Die Elektroden 22, 24 sind mit einer Hochspannungs-Impulsquelle 28 verbunden.

Die Elektrode 22 ist zylindermantelförmig ausgebildet und ist koaxial zu dem als Rundleiter wie Metallstange oder Metalldraht ausgebildeten zweiten Elektrode 24 angeordnet. Der Reaktor 10 ist seitlich durch Stirnflächen 30, 32 begrenzt. Zur Durchführung der zweiten Elektrode bzw. Mittelelektrode 24 durch die Stirnfläche 30 ist ein Isolator 34 vorgesehen, der die Mittelelektrode 24 gegenüber der Stirnfläche 30 bzw. der ersten Elektrode 22 isoliert. Entsprechend ist ein weiterer Isolator 36 an einer dem Innenraum 26 zugewandten Seite der Stirnfläche 32 angebracht.

Um die plasmachemischen Reaktionen innerhalb des Reaktors 10 zu beschleunigen, ist eine Innenfläche 38 der ersten Elektrode 22 im wesentlichen vollständig mit einer Katalysator schicht 40 belegt. Ein so ausgebildeter Reaktor 10 wird als aktiver Reaktor bezeichnet.

Fig. 2 zeigt in Schnittdarstellung eine zweite Ausführungsform eines Reaktors 42. Der äußere Aufbau des Reaktors 42 entspricht im wesentlichen dem Aufbau des Reaktors 10, der zur Bildung einer zylindrischen Außenform eine zylindermantelförmige zweite Elektrode 44 auf weist, die an ihren Stirnflächen 46, 48 verschlossen ist und wobei an der Stirnfläche 46 ein sich radial erstreckender Einlaß 50 und an der Stirnfläche 48 ein sich radial erstreckender Auslaß 52 angeordnet ist. Der Reaktor 42 weist einen aktiven Bereich 54 auf, der von einem zwischen einer in diesem Bereich verlaufenden Mittelelektrode 56 und der äußeren Elektrode 44 sich ausbildenden elektrischen Feld durchsetzt wird. Dem aktiven Bereich 54 folgt in einer mit Pfeil 58 gekennzeichneten Strömungsrichtung ein passiver Bereich 60, in dem kein bzw. nahezu kein elektrisches Feld vorhanden ist. Dabei ist die Mittelelektrode 56 über ein den passiven Bereich durchquerendes Isolationselement 62 mit der Stirnfläche 48 verbunden.

Ferner ist die Mittelelektrode 56 über ein weiteres Isolationselement 64, welches die Stirn fläche 46 durchquert, mit einem ersten Anschluß 66, einer Impulsspannungsquelle 68 ver bunden. Mit ihrem zweiten Anschluß 70 liegt die Impulsspannungsquelle an Masse 72 und ist darüber mit der zweiten Elektrode 44 verbunden.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem passiven, d. h. feldfreien Bereich 60 ein Katalysator 74 angeordnet. Dabei kann der Katalysator 74 auf einem granularen oder metallischen Träger 76 angeordnet sein. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der auf dem Träger 76 befindliche Katalysator 74 den gesamten Querschnitt des Reaktors 42 ausfüllt. Alternativ kann vorgesehen sein, daß nur ein Teil des Querschnitts von dem dampf- und gasdurchlässigen Trägermaterial mit aufgebrachtem Katalysator 74 ausgefüllt ist.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Reaktors 78 dargestellt. Der Reaktor 78 weist im wesentlichen den gleichen Aufbau auf wie der Reaktor 10 gemäß Fig. 1, wobei jedoch im aktiven Bereich 80 des Reaktors 78 ein Katalysator 82 angeordnet ist, der zumindest bereichsweise den gesamten Querschnitt des Reaktors 78 ausfüllt. Es handelt sich dabei wiederum um einen aktiven Reaktor, wobei die Reaktionen innerhalb des Katalysators 82 jedoch dem elektrischen Feld ausgesetzt sind. Dabei kann der Katalysator 82 eine Länge aufweisen, die im wesentlichen der Länge des aktiven Bereichs 80 des Reaktors 78 entspricht.

Fig. 4 zeigt wiederum im Querschnitt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors 84. Im Unterschied zu den Reaktoren 10, 42, 78 weist der Reaktor zweite Elek troden 86, 88 auf, die mit Abstand zueinander parallel angeordnet sind und zwischen denen in einer Ebene, mit Abstand zueinander angeordnete Stabelektroden 90 wie glatte oder strukturierte Metallstangen oder glatte oder strukturierte metallische Drähte angeordnet sind. Die Elektroden 86, 88, 90 werden an eine Hochspannungs-Impulsquelle (nicht dargestellt) zur Speisung der Entladung angeschlossen. Zwischen den planaren Elektroden 86, 88 wird ein Reaktionsraum 92 bzw. aktiver Bereich gebildet, in den über einen Einlaß 94 ein zu reinigender Abluftstrom einströmt und über einen Auslaß 96 ausströmen kann. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine Innenfläche 98 der Elektrode 86 und eine Innen fläche 100 der Elektrode 88 mit jeweils planar ausgebildeten Katalysatorschichten 102, 104 versehen. Selbstverständlich kann die Anordnung 84 auch ohne Katalysatoren 102, 104 ausgebildet sein.

Im Folgenden soll die erfindungsgemäße Verfahrensweise rein beispielhaft anhand des Reaktors 10 gemäß Fig. 1 beschrieben werden. Demnach wird der mit Schadstoffen, ins besondere halogenierte Kohlenwasserstoffe wie niedrig chlorierte Alkene oder halogenierte Zykloverbindungen belasteter Abluftstrom 14 über einen Einlaß 12 in einen Innenraum 26 bzw. aktiven Bereich des Reaktors 10 eingeleitet. Dabei wird im aktiven Bereich 26 über ein sich zwischen den Elektroden 22 und 24 sich ausbildendes elektrisches Feld eine elektrische Entladung bei Atmosphärendruck erzeugt, die zur Bildung hochenergetischer (heißer) Elektronen in dem Abluftstrom führt. Dabei handelt es sich um eine nichttermische Entla dung, d. h. daß die Moleküle des in dem Abluftstrom enthaltenen Grundgases nicht aufge heizt werden. Die Elektronen produzieren durch Stöße mit den Molekülen des Grundgases Reaktionsmittel bzw. aktive Spezies wie oxidierende Radikale oder Oxidationsmittel, die nun ihrerseits die CKW-Moleküle in einer Folge von plasmachemischen Reaktionen teilweise in anorganische Verbindungen wie CO₂ oder H₂O zum größeren Teil jedoch in sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe umwandeln, die leicht adsorbierbar sind. Dieser Vorgang kann auch als partielle Oxidation bezeichnet werden. Die sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe werden in dem nachgeschalteten Filter 18 wie Aktivkohlefilter abgeschieden.

Da die verschiedenen plasmachemischen Reaktionen zwischen den aktiven Spezies und den CKW-Molekülen bzw. ihren Bruchstücken auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen können, ist es verfahrenstechnisch vorteilhaft, daß gemäß Fig. 2 dem aktiven Bereich 56 ein passiver Bereich 60 in Strömungsrichtung nachgeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, daß der Abluftstrom nach Durchströmen des aktiven Bereichs 56 den passiven, d. h. feldfreien Raum 60 durchströmt wodurch insgesamt die Reaktionszeit (Verweilzeit) erhöht wird. In dem passiven Bereich 60 erfolgt keine Entladung, so daß auch keine aktiven Spezies durch Elektronenstoß erzeugt werden.

Im aktiven und im Falle langlebiger Radikale auch im passiven Reaktorbereich werden die chlorierten Kohlenwasserstoffe gemäß der summarischen Reaktion

CKW + {N₂, O₂, O, N, OH, HO₂, O₃, O₂} → {CO₂ + CO + H₂O + HCl + CKW' + KW} (1)

überwiegend oxidativ abgebaut, wobei die lichtthermische Entladung die Reaktion (1) durch Erzeugung aktiver Spezies überhaupt erst ermöglicht. Der konkrete Reaktionsweg hängt dabei von der Zusammensetzung (z. B. vom Wasserdampfgehalt) und der Temperatur des Abluft stroms ab. Dabei ist es wahrscheinlich, daß ein Teil der aktiven Spezies und der aus der Reaktion (1) resultierenden Kohlenwasserstoffe (CKW; +KW) an Feststoffoberflächen weiter reagieren kann. Dann übernimmt die in dem Filter 18 enthaltene Aktivkohle nicht nur die Funktion eines Filters sondern auch die Funktion eines nachgeschalteten Feststoffreaktors, in dem die Produktkohlenwasserstoffe aus der Reaktion (1) durch Adsorption aufkonzentriert und mit dem unverbrauchten Oxidationsmittel der Plasmabehandlung gemäß einer Reaktion

{CKW' + KW} + {oxidative Radikale, O₂} → {CO₂ + H₂O + HCl} (2)

abgebaut werden.

Zur Beschleunigung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den jeweiligen Ausführungs beispielen der Reaktoren 10, 42, 78, 84 Katalysatoren 40, 74, 82, 102, 104 vorgesehen, die zumindest teilweise durch die Plasmabehandlung aktiviert werden. Der Katalysator dient einerseits zur Beschleunigung der gewünschten Reaktion und erhöht andererseits die Selekti vität der ablaufenden Prozesse. Durch die elektrische Entladung wird eine Herabsetzung der Betriebstemperatur des Katalysators erreicht, da die Reaktanden und/oder der Katalysator durch die Entladung aktiviert werden und anschließend am Katalysator reagieren.

Die Beschleunigung der Reaktion (1) hat zur Folge, daß der passive Bereich 60 des Reaktors 42 entsprechend klein ausgelegt bzw. auch völlig entfallen kann, wie dies z. B. in Fig. 3 dargestellt ist. Bestimmte Typen plasmaaktivierter Katalysatoren können aber auch vorzugs weise eine Totaloxidation, d. h. eine Oxidation, bei der die CKW-Bestandteile der Abluft vollständig zu anorganischen Endprodukten abgebaut werden, der Luftschadstoffe gemäß der Reaktionen (1) und (2) bewirken. In diesem Fall kann nicht nur der passive Bereich des Reaktors sondern auch das Aktivkohlefilter 18 entsprechend klein dimensioniert werden bzw. gänzlich entfallen.

Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren durchströmt die CKW-haltige Abluft sowohl den aktiven als auch den passiven Bereich des Plasmareaktors, wobei es sich um eine direkte Plasmabehandlung handelt. Eine weitere vorteilhafte Verfahrensweise sieht vor, daß in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration und -zusammensetzung und vom Volumen strom der Abluft die Abluft nur durch den passiven Bereich des Reaktors strömt, daß die aktiven Spezies in einem dem Reaktor zugeführten separaten Gasstrom im aktiven Reaktorbe reich erzeugt werden und das beide, Stoffströme im passiven Bereich des Reaktors vereinigt werden, wodurch eine indirekte Plasmabehandlung erfolgt. Bei dieser Verfahrensweise können für die plasmachemischen Reaktionen vorteilhafte Radikale genutzt werden, die sich aus Luft als Grundgas nicht erzeugen lassen. Vorzugsweise wird bei dieser Verfahrensweise als Grundgas Sauerstoff oder Sauerstoff-Stickstoff-Gemische eingesetzt.

Das nicht thermische Plasma im aktiven Bereich des Reaktors kann durch eine Impulskorona- Entladung, eine Mikrowellen-Entladung oder eine dielektrisch behinderte Entladung erzeugt werden. Dabei herrscht im Innern des Reaktors 22, 42, 78, 84 im wesentlichen Atmosphä rendruck. Bei Verwendung von dielektrisch behinderter Entladung muß die Reaktorgeometrie insbesondere im Hinblick auf Elektrodenabstände und Anordnung verändert werden. Eben falls kann auch eine Gleichspannungs-Koronaentladung zur Anwendung kommen, wobei diese jedoch gegenüber den vorher erwähnten Entladungen eine geringere Leistungsdichte und eine geringe Effizienz bezüglich der Erzeugung aktiver Spezies aufweist. Coronaentla dungen haben jedoch den Vorteil, daß Elektrodenabstände im Zentimeterbereich möglich sind und damit bei großen Volumenströmen geringe Druckverluste entstehen. Außerdem setzt sich der Reaktor bei einer Aerosolbildung nicht zu.

Im Falle einer Impulskorona-Entladung erzeugt die Hochspannungs-Impulsquelle 28, 68 mit veränderbarer Impulsspannung und Impulswiederholfrequenz positive und/oder negative Hochspannungsimpulse mit einem schnellen Spannungsanstieg (≦ 1 µs) kurzer Dauer (≦ 10 µs). Die Impulsspannungen hängen vom Elektrodenabstand ab und liegen typischerweise im Bereich von 5 bis 20 kV/cm Elektrodenabstand.

Zusammenfassend können durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung halogenierte Kohlenwasserstoffe in geringen Konzentrationen effizient und wirtschaftlich aus Abluftströmen entfernt werden.

Claims

1. Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus einem Abluftstrom, insbesondere von halogenierten Kohlenwasserstoffen wie niedrigchlorierten Alkenen oder halogenierten Zykloverbindungen, wobei der Abluftstrom einen Reaktor durchströmt, in dem zumindest bereichsweise ein elektrisches Feld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abluftstrom (14) selbst oder in einem dem Reaktor zugeführten separaten Gasstrom durch Entladung in dem elektrischen Feld Reaktionsmittel (aktive Spezies) erzeugt werden und daß die in dem Abluftstrom (14) enthaltenen Schadstoffe durch Reaktion mit den Reaktionsmitteln abgebaut oder in adsorbierbare Reaktionsprodukte umgewandelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der elektrischen Entladung in dem Abluftstrom und/oder separat zugeführten Gasstrom hochenergetische (heiße) Elektronen erzeugt werden und daß Moleküle eines im Abluftstrom enthaltenen Grundgases und/oder des separaten Grundgases nicht aufgeheizt werden (nichttermische Entladung).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmittel aktive Spezies wie oxidierende Radikale oder Oxidations mittel sind, die durch Stöße der Elektronen mit den Molekülen des Grundgases erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abluftstrom mit Reaktionsmitteln zur Ausführung von plasmachemischen Reaktionen einen feldfreien Bereich (60) (passiver Bereich) des Reaktors (42) durch strömt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Reaktionsmittel der separate Gasstrom wie sauerstoffange reicherte Luft durch einen das elektrische Feld aufweisenden Bereich (54) (aktiver Bereich) des Reaktors geleitet wird, wobei der plasmabehandelte Gasstrom mit dem Abluftstrom in dem feldfreien Bereich (60) des Reaktors zur Bildung der Reaktions produkte vereinigt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffe wie chlorierte Kohlenwasserstoffe CKW gemäß der summari schen Reaktion
CKW + {N₂, O₂, O, N, OH, HO₂, O₃, O₂} → {CO₂ + CO + H₂O + HCl + CKW' + KW} (1)
im wesentlichen oxidativ abgebaut werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nachgeschalteten Filter (18) wie Aktivkohlefilter Reaktionsprodukte durch Adsorption aufkonzentriert und mit dem unverbrauchten Reaktionsmittel der Plasmabehandlung gemäß der Reaktion
{CKW' + KW} + {oxidative Radikale, O₂} → {CO₂ + H₂O + HCl} (2)
abgebaut werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die plasmachemischen Reaktionen durch einen Katalysator (40, 74, 82, 98, 100) beschleunigt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der plasmachemischen Reaktion entstehende Reaktanden und/oder der Katalysator selbst durch die Entladung aktiviert werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Katalysator (40, 74, 82, 98, 100) eine Totaloxidation der in dem Abluftstrom enthaltenen Schadstoffe bewirkt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung durch eine Impulskoronaentladung erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung durch eine Mikrowellen-Endladung erzeugt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung durch eine dielektrisch behinderte Entladung erzeugt wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Entladung durch eine Gleichspannungs-Korona-Entladung erzeugt wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung bei Luftdruck bzw. Atmosphärendruck erzeugt wird.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulskorona-Entladung durch eine Hochspannungs-Impulsquelle mit ver änderbarer Impulsspannung und Impulswiederholfrequenz durch positive und/oder negative Hochspannungsimpulse mit einer Spannungsanstiegszeit t ≦ 1 µs und Impuls dauer T ≦ 10 µs erzeugt wird.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsspannungen vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20 kV pro cm Elek trodenabstand liegen.

18. Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen aus einem Abluftstrom, insbesondere von halogenierten Kohlenwasserstoffen wie niedrigchlorierten Alkenen oder haloge nierten Zykloverbindungen, umfassend einen Reaktor (10, 42, 78, 84) mit zumindest einem Einlaß (12, 50, 94) und einem Auslaß (16, 52, 96), wobei der Reaktor (10, 42, 78, 84) zumindest bereichsweise einen aktiven Bereich (26, 54, 80, 92) mit zumindest ersten und zweiten Elektroden (22, 24; 44, 56; 86, 88, 90) aufweist, die mit einer Hochspannungsquelle (28, 68) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (42) in Strömungsrichtung nach dem aktiven Bereich (54) einen feldfreien Bereich (60) (passiven Bereich) aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung nach dem Reaktor (10, 42, 78, 84) ein Filter (18) wie Aktivkohlefilter angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (24, 56) als Rundleiter wie Metallstange oder Metalldraht ausgebildet und die zweite Elektrode (22, 44) koaxial zur ersten Elektrode (24, 56) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (90) aus in einer Ebene mit Abstand zueinander angeordneten Rundleitern (90) wie Metallstangen oder Metalldrähten besteht, daß die zweite Elek trode als metallische Platten (86, 88) ausgebildet ist, die parallel oder im wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die erste Elektrode (90) zwischen den Platten (86, 88) der zweiten Elektrode liegt.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Elektrode (22, 24; 56, 44; 86, 88, 90) mit einer Hochspannungs-Impulsquelle (28, 86) verbunden sind.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (24, 56, 90) wie Rundleiter eine glatte oder strukturierte Oberfläche aufweist.

24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (10, 42, 78, 84) einen Katalysator (40, 74, 82, 102, 104) aufweist.

25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (40, 74, 82, 102, 104) im aktiven und/oder passiven Bereich (26, 54, 60, 80, 92) des Reaktors angeordnet ist.

26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (40, 102, 104) als Katalysatorschicht ausgebildet ist und auf die zweite und/oder erste Elektrode aufgebracht ist.

27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (74, 82) auf einem granularen oder metallischen Träger (76) im aktiven und/oder passiven Bereich des Reaktors angeordnet ist, wobei der Katalysator (74, 78) den Querschnitt des Reaktors (42, 78) ganz oder teilweise ausfüllt.

28. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Bereich (60) des Reaktors (42) einen zweiten Einlaß für den die Schadstoffe aufweisenden Abluftstrom (14) besitzt, wobei im passiven Bereich (60) eine Vermischung des Abluftstroms (14) mit einem zuvor in dem aktiven Bereich (56) einer Plasmareaktion ausgesetzten Gasstrom erfolgt.

29. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das das Filter (18) ein nachgeschalteter Feststoffreaktor ist.