DE19904692A1

DE19904692A1 - Strukturiertes Adsorbersystem

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Publication number: DE19904692A1
Application number: DE1999104692
Authority: DE
Original assignee: STIEFVATER HANS
Current assignee: STIEFVATER HANS
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2000-08-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen mit niedriger Konzentration aus Prozeßgasen, Abluft oder Umgebungsluft. Die Schadstoffe wer den zunächst an einem Festkörper adsorbiert und gelangen danach über eine Tem peraturerhöhung des Festkörpers wieder, mit nun höheren Konzentration in die Gas phase. Danach wird der Volumenstrom über eine katalytisch beschichteten Oberflä che geführt, welche sich auf einer gegenüber dem Volumenstrom erhöhten Tempe ratur befindet. Die erhöhte Temperatur dieser Oberfläche wird über eine separate Zufuhr von Wärme bzw. Energie erreicht.

Solche Vorrichtungen, und ebenso eine Vielzahl dieser Teilsysteme sind bekannt. In DE 3 92 952 wird ein mit Katalysator beschichteter Heizdraht eingesetzt, welcher auf die erforderliche Prozesstemperatur von deutlich über 200°C erhitzt werden kann. Der Wirkungsgrad ist jedoch nur bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten ausrei chend hoch. Bei Verweilzeiten unter 1 sec, d. h. hohen Strömungsgeschwindigkeiten, geht der Wirkungsgrad, insbesondere bei niedriger Konzentration deutlich zurück. Gleichzeitig erhöht sich jedoch der Leistungsbedarf für die elektrische Beheizung wegen des zunehmend besseren Wärmeübergangs an die Gasphase.

Ein Gerät zur Zersetzung von Ozon und zur Oxidation mit Hilfe eines elektrisch be heizten Katalysators wird in WO 93/05 821 vorgeschlagen. Das Gerät ist offenbar gleichzeitig konzipiert als elektrisches Heizgerät für die zu reinigende Luft in Innen räumen. Daher wird in DE 42 09 198 C1 ein Verfahren vorgestellt, bei welchem die in geringer Konzentration vorliegenden Schadstoffe zunächst an einem Adsorbens an gelagert werden, und in dieser Zeit der Adsorption keine zusätzliche Energie aufge bracht werden muß. In unmittelbarer Nachbarschaft zum Adsorbens wurden kataly tisch wirksame Stoffe untergemischt. Bei der nachfolgenden direkten Erwärmung des Elements auf die erforderliche Prozeßtemperatur erfolgt die katalytische Verbren nung der zuvor adsorbierten Stoffe. Das bei dieser Erfindung zentrale Element ist eine adsorptiv wirksame Schicht auf einem Metallband, welches zusätzlich mit Kata lysatormaterial überzogen ist. Das Gewebeband erfüllt somit eine Doppelfunktion als Adsorbens und Katalysator (S 2, Z 40).

In DE 42 09 198 wird von den gleichen Erfindern dargestellt, (S 3 Z 64), daß das be schriebene Verfahren nicht zur vollständigen Umsetzung der adsorbierenden Teil chen führt, da bereits vor Erreichen der Mindesttemperatur des Katalysators erhebli che Stoffmengen desorbieren. Darüberhinaus erfolgt im Übergangsbereich der Wirk samkeit des Katalysators keine vollständige Verbrennung, sondern die Kohlenwas serstoffe werden nur partiell oxidiert. Daher entstehen Komponenten wie Ketone und Aldehyde, die toxische und teils karzinogene Eigenschaften aufweisen und bereits bei minimalen Konzentrationen außergewöhnlich geruchsbelästigend sind.

Um diesen unerwünschten Effekt zu bewältigen, wird vorgeschlagen, entweder das Prozeßgas in der relevanten Aufheizphase rückzuführen oder einem nachgeschal teten, elektrisch beheizten Katalysator zuzuführen. Bei beiden Verfahren werden zu sätzliche regelungstechnische Einrichtungen benötigt.

DE 44 23 329 zeigt eine spezielle Ausführung in der Kombination eines metallischen Gewebebandes mit einem aus Glasgarn gestrickten Band.

Elektrisch beheizbare Katalysatoren sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Allen gemeinsam ist jedoch der hohe Energiebedarf von über 1 kW bei be reits geringen Volumenströmen von unter 100 m³/ h.

Eine Weiterentwicklung des Verfahrens ist in DE 43 39 025 beschrieben, indem die Schichten für Adsorbens und Katalysator räumlich getrennt werden. Das System er zeugt jedoch weiterhin einen Ausstoß an Zwischenprodukten (S 3, Z 49 ff) und ist nur für Anwendungen mit "geringen Anforderungen" (S 3, Z 59) akzeptabel. Für höhere Anforderungen wird vorgeschlagen, ein weiteres Teilelement eines Adsorbers nach zuschalten, um die partiell oxidierten Zwischenprodukte zu adsorbieren, und dieses Teilelement separat von Zeit zu Zeit zu regenerieren. Der Aufbau des Systems ist somit nochmals komplizierter und für ein wirklich kontinuierliches Verfahren nicht ge eignet.

In DE 195 23 142 wird ein ähnliches Verfahren mit und ohne räumlicher Trennung von Adsorbens und Katalysator beschrieben, in welchem für die jeweiligen Schadstoffe spezifische Adsorbentien verwendet werden. Dies bedeutet eine nochmalige Erhö hung des Aufwands, ohne daß das prinzipielle Problem der unterschiedlich aktivier ten Prozesse von Desorption und Reaktion gelöst wird. Darüberhinaus wechselt in vielen Anwendungen die Zusammensetzung der Inhaltsstoffe, sodaß eine selektive Zuordnung oft nicht möglich ist.

Als Lösung für die angesprochenen Probleme wird in DE 44 20 224 vom Anmelder der eingangs genannten Schriften ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchen die Zufuhr des zu reinigenden Gases unterbrochen wird und zusätzlich ein weiteres O₂- reiches Prozeßgas zugeführt wird. Um eine quasikontinuierliche Abreinigung des Gases zu erzielen wird vorgeschlagen (S 4, Z 60) mit zwei parallel geschalteten Ele menten zu arbeiten, welche wahlweise adsorbiert bzw. regeneriert werden.

Dieses Verfahren erfordert neben einem hohen apparativen Aufwand auch eine sehr hohe elektrische Leistung, um das Prozeßgas auf mindestens 200°C aufzuheizen (S 8, Z 44).

Eine andere Anwendung von Adsorbentien zur Rückgewinnung von Stoffen ist in DE 42 25 272 dargestellt. Die adsorbierten Stoffe werden hierbei um einen Faktor 10-20 angereichert und können somit nach der Desorption bei höherer Temperatur in den Prozeß rückgeführt werden. Die Trägerstrukturen werden elektrisch oder mit Hilfe eines Wärmeträgers in einem Lamellenwärmeaustauscher aufgeheizt.

Ein prinzipiell ähnlicher Aufbau ist bereits in DE 33 34 982 dargestellt. Hierbei werden Schadstoffe aus der Zuluft von Fahrzeuginnenräumen entfernt, in dem der Volumen strom über die mit Katalysator beschichtete Oberfläche eines Heizungswärmeaus tauschers geleitet wird. Da die Temperatur nicht ausreicht, um einen hohen Kataly satorwirkungsgrad zu erreichen, wird vorgeschlagen, den Wärmeaustauscher durch die heißen Auspuffgase zusätzlich zu erwärmen.

In der EP 0 097 287 wird der Wärmeaustauscher einer Klimaanlage mit seiner aus gedehnten Oberfläche zu raumsparenden Aufbringung eines Adsorptionsmittels zur Reinigung der Zuluft verwendet. Auch die Aufbringung von Katalysatoren wird be schrieben, ohne daß die Verfasser erläutern, wie die notwendige Zündtemperatur katalytischer Prozesse erreicht werden soll.

In zahlreichen weiteren Veröffentlichungen werden Systeme zur Entfernung von Ozon aus Luftströmen beschrieben. Ozon zersetzt sich bereits unter Umgebung stemperatur zu Luftsauerstoff. Gleichwohl sind derartige Katalysatoren nicht stabil und desaktivieren unter der Einwirkung von Luftfeuchtigkeit und Kondenswasser, sodaß höhere Temperaturen um 50-100°C erforderlich sind.

EP O 186 477 beschreibt ein katalytisch beschichtetes Wärmeaustauschsystem zur Entfernung von O₃, z. B. aus der Innenluft von Flugzeugkabinen. Die Verwendung eines Katalysators aus Kupfer- und Manganoxid zur Entfernung von O₃ ist in DE 40 07 965 beschrieben. Insbesondere wird hierbei die Entgiftung der Umge bungsluft durch die großflächige Beschichtung von Wasser- und/oder Ölkühlern von Kfz beschrieben. Die Vergiftung des Katalysators durch Kondensation von Wasser dampf wird durch die höhere Temperatur von 50-100°C vermieden.

In G 94 15 457.0 wird ein System beschrieben, in welchem die luftfördernden oder luftumströmten Teile, wie Propeller und Schutzgitter, mit ozonumwandelndem Mate rial beschichtet werden.

In einer Serie von Anmeldungen WO 96/22 146, WO 96/22 148, WO 96/22 149 und WO 97/22 150 wird die Anwendung teils spezieller Katalysatoren für die Reinigung der Zuluft von Fahrzeuginnenräumen sowie für die Reinigung der Umgebungsluft durch die Beschichtung von verschiedenen Oberflächen, wie z. B. Fahrzeugteilen (Wasserkühler u. a. m.), aber auch die Beschichtung von Dächern und Fassaden von Häusern bis hin zur Beschichtung ganzer Straßen mit ozonzerstörender katalytischer Beschichtung beschrieben.

Die Wirkungsgrade für die katalytische Entfernung von Kohlenwasserstoffen werden mit 0 - ca. 20% bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 miles p. hour (mph) an gegeben.

Von den Autoren wird ebenfalls aufgezeigt, daß sämtliche benutzte Katalysatoren bereits nach kurzer Betriebsdauer von nur 45 min stark desaktivieren. Im Zusam menhang mit der langfristigen Desaktivierung durch eingebrachte Verunreinigungen, insbesondere beim Betrieb in einem Kfz wird vorgeschlagen, das System von Zeit zu Zeit auszubauen und thermisch - mechanisch (Dampfstrahler) oder nur thermisch durch Ausheizen bei hoher Temperatur zu regenerieren.

Um die Wirksamkeit zu erhöhen, wird der Zusatz von W oder Re zu den bereits teu ren Pt/Pd-Katalysatoren empfohlen. Darüberhinaus schlagen die Erfinder vor, Teile wie das Motorengehäuse katalytisch zu beschichten, da dort weitaus höhere Ober flächentemperaturen als max. 130°C beim Kühler herrschen. Auch weitere Möglich keiten der thermischen oder elektrischen Beheizung mit bekannten Elektrokatalysato ren werden angesprochen (WO 96/22 149 S 58).

Da die betrachteten Elektrokatalysatoren für den gegenüber dem Abgasvolumen strom ca. um den Faktor 100 höheren Kühlluftstrom eine Leistung von über 100 KW benötigen würden, scheidet deren Anwendung jedoch prinzipiell aus. Darüberhinaus würde ein auf 200°C-300°C aufgeheizter Wasserkühler den Kühlkreislauf explodie ren lassen und die notwendige Kühlleistung für den Betrieb des Motors nicht mehr zur Verfügung stellen.

In WO 97/11 769 stellt der gleiche Anmelder deshalb eine Lösung vor, bei welcher die Schadstoffe Ozon, CO und/oder Kohlenwasserstoffe ohne die Notwendigkeit zusätz licher Bauteile oder Energie entfernt werden (S 9). Insbesondere Öl- und Wasser kühler sowie motornahe Bauteile werden als Träger für die aufzubringenden Kataly satoren vorgeschlagen. Hierbei werden Temperaturen von 40-135°C, üblicherweise ca. 110°C erreicht. In der genannten Anmeldung werden ebenfalls Methoden für die Beschichtung, insbesondere von Lamellen von Autokühlern vorgestellt.

In WO 98/02 235 wird vom gleichen Anmelder ausgeführt, daß die Beschichtung von Autokühlern mitunter zur Beeinträchtigung der Kühlfunktion führen kann. Deshalb wird vorgeschlagen, die Lamellen des Autokühlers nur teilweise zu beschichten.

Zusammenfassend ist allen genannten Anmeldungen gemeinsam, daß die Entfer nung der Verursacher der Ozonbildung - Kohlenwasserstoffe und Stickoxide verur sachen den Smog - wegen der mangelnden Aktivität der Katalysatoren bei Tempe raturen von max. 135°C nicht gelingt. Die Entstehung von Ozon unter Sonnenein strahlung wäre jedoch wesentlich gemildert, wenn die Ozonbildner NO und HC zuvor wirkungsvoll entfernt werden könnten.

Der Kosten/Nutzen-Effekt eines O₃-Entfernungssystems ist auch deshalb einge schränkt, da hohe Ozonwerte nur an wenigen Tagen im Jahr bei hoher Sonnenein strahlung vorliegen. Die Schadstoffe wie Kohlenwasserstoffe, NO und CO sind je doch permanent vorhanden und bilden insbesondere in städtischen Ballungsräumen eine stetige Gefährdung der Bevölkerung (vgl. Studie der Fa. UMEG, Karlsruhe 1999 "Ergebnisse der Messungen zum Vollzug der 23. BlmSchV").

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine auch mobil zu betreibende Reinigungseinheit sowie ein Verfahren anzugeben, welches

- neben O₃ zusätzlich CO und HC bei hohen Wirkungsgraden von deutlich über 20% entfernt
- in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, also weniger als 1 kWatt Leistung benötigt
- auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten von 50 mph und nicht nur bei Schrittge schwindigkeit (5 mph) funktionsfähig ist und weiterhin wenig Energie braucht
- bei der Reinigung der Umgebungsluft keine toxischen und übelriechenden, parti ell oxidierte Kohlenwasserstoffe entstehen läßt
- in den bestehenden Autokühler eines Kfz leicht integriert werden kann, ohne die Kühlfunktion des Bauteils nachteilig zu beeinflussen
- den Anteil teurer Pt/Pd-Katalysatoren deutlich reduziert
- ein kontinuierlicher Betrieb der Reinigungseinheit ohne aufwendige Meß- und Regelgeräte möglich ist
- ohne zusätzliche Meßfühler betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Apparat gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildun gen der Erfindung beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Entfernung aller Schadstoffe aus Prozeß gasen, Abluftströmen und Umgebungsluft geeignet. Neben Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid können auch Stickoxide und Ozon entfernt werden. Bei Prozeßga sen kann diese Konzentration bis zu 100 ppm betragen, bei Umgebungsluft kann die Konzentration bei 1-50 ppm in Fahrzeugtunnels bis zu sehr geringen Werten von deutlich unter 1 ppm in der Umgebung wenig befahrender Straßen liegen. Die Werte für Ozon liegen stets unter dieser Marke.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders gut für die Entfernung von karzinogenen Aromaten wie Benzol und partiell oxidierten Aromaten wie Phenolen, welche in erheblichen Mengen als Bestandteile im Kraftstoff enthalten sind, und in Konzentration von 1-50 µg/m³ in straßennahen Bereichen vorliegen. So konnte bei der erwähnten Studie von UMEG ermittelt werden, daß bei zahlreichen Straßen in Baden-Württemberg sehr hohe Konzentrationen an krebserzeugendem Benzol in unmittelbarer Straßennähe vorliegen. Der aktuelle Grenzwert von 10 µg/m³ wird selbst im Jahresmittel an einigen Stellen deutlich überschritten. Aus einer Studie der Stadt München ist bekannt, daß insbesondere in bodennahen Bereichen die Kon zentrationen nochmals deutlich erhöht sind. Dies führt zu einer besonders extremen Belastung von kleinen Kindern. Bei den Messungen von UMEG wurde ermittelt, daß die hohen Konzentrationen bereits in einem Abstand von 30 m zur Straße auf ca. 50% abnehmen. In einer Entfernung von 100 m konnten keine erhöhten Konzentra tionen mehr festgestellt werden. Die Untersuchung zeigt also auf, daß eine wirksame Entfernung der verkehrsbedingten Luftschadstoffe sinnvollerweise in unmittelbarer Nähe zur Straße erfolgen muß.

Eine Abschätzung zeigt auf, daß die Entlastung der Umwelt bei effektiver Reinigung der Ansaugluft mit Hilfe eines Autokühlers beträchtlich sein könnte. In WO 96/22 146 wird auf S 13 ausgeführt, daß bei einer Fahrleistung von 20 Meilen pro Tag die ge samte Umgebungsluft in Südkalifornien in einer Höhe von 25 m einmal pro Woche gereinigt werden könnte. Fahrzeugkompatible und damit straßennahe Reinigungssy steme mit einem hohen Wirkungsgrad für sämtliche luftgetragenen Gefahrstoffe könnten also einen wesentlichen Beitrag zur Verringerung der Gesundheitsgefähr dung leisten.

Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die hohe Reinigungswirkung gegen über den toxischen und SMOG-verursachenden Komponenten HC, NO_X und CO, ohne daß für die zur Reaktion erforderlichen hohen Temperaturen eine hohe thermi sche oder elektrische Leistung aufgebracht werden muß. Um, wie von mehreren Autoren vorgeschlagen, eine Vorrichtung in der Größe eines Autokühlers auf eine Temperatur von 250°C zu erhitzen, müßten jeder Lamelle (40 mm × 400 mm) eine elektrische Energie von 352 Watt zugeführt werden (Eingangsstrom mit einer Tempe ratur von 0°C und einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s). Selbst bei diesen mi nimalen Strömungsgeschwindigkeiten wurde für eine solche Vorrichtung mit 200 La mellen eine Leistung von über 70 kW benötigt.

Für reguläre Zwecke einer Anwendung in geschlossenen Räumen oder gar bei einer automobiltechnischen Anwendung stehen derart hohe Leistungen grundsätzlich nicht zur Verfügung. Für Anwendungen bei der Klimatisierung soll die aufzuwendende Energie grundsätzlich gering sein, um die Temperatur des Raumes nicht unnötig zu erhöhen, bzw. die Kosten für die nachfolgende Klimatisierung zu steigern. Bei einer mobilen Einrichtung, etwa im Kfz, sind die Reserven für zusätzlich verfügbare elektri sche Energie sehr begrenzt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird für beide Anwendungen ein Leistungsbedarf von deutlich unter 1 kW für ein System mit 200 Lamellen (40 mm × 400 mm) erreicht. Die Reinigungswirkung der Vorrichtung liegt dennoch bei deutlich höheren Werten als etwa bei einem Kühlersystem mit einer Oberflächentemperatur von max. 135°C.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einzelnen, gewellten oder ebenen Grundkörpern, die als Träger mit räumlich getrennt vorliegenden Materialien als Ad sorbens und Katalysator beschichtet sind.

Als Träger kommen zunächst metallische Werkstoffe, aber auch Komponenten aus Glas, Kunststoff und Keramik in Betracht. Das Trägermaterial kann hierbei in ver schiedenen Formen wie z. B. Platten, aber auch als Geflecht oder Fasermaterial vor liegen.

Abb. 1 zeigt einen metallischen Träger (11), welcher an der Oberfläche mit einer oxi dischen Haftschicht (12) versehen ist, auf welcher das Adsorbens (13) bzw. der Ka talysator (14) aufgebracht wurden. Als Adsorbens bzw. Katalysator eignen sich auch Komponenten, die feinverteilt auf einem jeweils weiteren porösen Trägermaterial aufgebracht sein können. Das aufzubringende Schichtsystem kann noch zusätzliche Schichten wie z. B. eine äußere Schutzschicht gegen Vergiftung aufweisen.

Dem Trägermaterial zugeordnet ist eine Heizstruktur, welche es erlaubt, zumindest Teile der Adsorptionsschicht mit einer über der Zeit in Strömungsrichtung veränderli che Temperatur zu beaufschlagen.

Abb. 2 zeigt einen solchen Träger mit einem darunter befindlichen keramischen Flachheizkörper (15), dessen Heizelemente (16 bis 19) separat ansteuerbar sind und somit eine Temperaturfront entlang der Strömungsrichtung erzeugt werden kann.

Abb. 3 zeigt, wie das hohe Temperaturniveau (20) für die Desorption mit zunehmen der Zeit in Strömungsrichtung wandert (Träger nicht dargestellt). Beim Erreichen des Segments vor der Katalysatorschicht wird zusätzlich das dem Katalysator zugeord nete Heizelement (21) in Betrieb genommen. Wurde das Adsorbens zuvor mit einer gasförmigen Komponenten bei einer Temperatur T_ads beladen, so desorbieren diese Stoffe mit exponentiell zunehmender Geschwindigkeit beim Aufheizen auf die höhere Temperatur. Da die Temperaturerhöhung sequentiell über der Strömungsrichtung des Gases erfolgt, verstärkt sich dieser Effekt der Desorption, wie in Abb. 4 darge stellt zunehmend mit der Strömungsrichtung (Träger nicht dargestellt, Heizelemente nur teilweise dargestellt). Der vor Erreichen der Katalysatorschicht vorliegende hohe Desorptionspeak (300) wird danach der bereits auf Reaktionstemperatur T_R befindli chen Katalysatorschicht zugeleitet. Durch die vergleichsweise hohen Konzentrati onswerte wird bei der Verbrennung an der Katalysatoroberfläche zusätzlich die Ver brennungswärme freigesetzt. Dies führt zu einer nochmaligen Erhöhung der Oberflä chentemperatur. Um Energie zu sparen, werden die Heizelemente für die Desorption nach dem Erreichen einer bestimmten Temperatur wieder abgeschaltet.

Die sequentielle Ansteuerung der Heizelemente in Richtung der Strömungsrichtung führt auch dazu, daß in Strömungsrichtung zunehmend weniger Energie benötigt wird, um das gleiche Temperaturniveau zu erreichen. Gleichzeitig zur Übertragung des Stoffstromes erfolgt nämlich ein rekuperativer Wärmeaustausch mit der nachfol genden Adsorptions- oder Katalysatorschicht.

Um an einen Träger längs der Strömungsrichtung in zeitlicher Abfolge höhere Ober flächentemperaturen zu erzeugen, ist es auch möglich, mit einem strukturierten Trä germaterial und einer einzigen Kontaktierung zu arbeiten. Durch Unterschiede in den physikalischen Kenngrößen wie Masse, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leit fähigkeit u.a.m. längs der Strömungsrichtung können Unterschiede im Aufheizver halten erzeugt werden.

Abb. 5 zeigt eine Trägerstruktur im Schnitt, bei welcher über der Strömungsrichtung eine zusätzliche, mit steigender Lauflänge bessere thermische Isolierung Ti1 bis Ti4 aufgebracht wurde. Diese Schicht könnte zugleich als Haftvermittler für die darüber aufzubringende Schicht des Adsorptionsmittels dienen. Sollte durch die Aufbringung der keramischen Schichten die Funktion der Wärmeübertragung zu stark einge schränkt werden, könnte die Rückseite der Folie zur besseren Wärmeübertragung unbeschichtet bleiben.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines metallischen Trägers ist in Abb. 6 als Drauf sicht dargestellt. Der Träger selbst kann hierbei als mehrfach separat ansteuerbares Heizelement benutzt werden. Dazu wurde das Trägermaterial an ausgewählten Stellen (200) unterbrochen oder entfernt. Beim Anlegen einer Spannung U am äuße ren Ende des Segments 201 an dessen Stellen 22 und 23 erfolgt jeweils bevorzugt eine Temperaturerhöhung in Segment 201. Die in Strömungsrichtung folgenden Segmente 202-204 können danach über diese zugeordneten Kontaktstellen 24/25 ff. aufgeheizt werden.

Tabelle 1 zeigt den rechnerisch ermittelten zeitlichen Verlauf des Leistungsbedarfs bei der sequentiellen Aufheizung der Adsorptionssegmente 201 bis 203 und des mit Katalysator beschichteten Segments 204 bei einer Länge von 10 mm und einer Breite von 400 mm. Um sicherzustellen, daß desorbierte Stoffe erst zum Katalysator gelangen, wenn dieser eine Mindesttemperatur oberhalb der Zündtemperatur auf weist, wird der Katalysator einige Sekunden vor dem davorliegenden Adsorberseg ment aufgeheizt. Der zeitlich ermittelte Wert für den Leistungsbedarf beträgt 43 Watt. Der Leistungsbedarf nimmt jedoch um den Faktor 3 bzw. 5 zu, wenn die Strömungs geschwindigkeit auf 10 bzw. 50 m/s erhöht wird. Um den Leistungsbedarf auch bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere zum Aufheizen der Katalysa torschicht zu begrenzen, kann die Strömungsgeschwindigkeit durch zugeordnete strömungsmechanische Komponenten wie z. B. bewegliche Luftleitbleche verkleinert werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführung ist in Abb. 7 dargestellt, wobei ein zusätzlich aufgebrachtes Bimetall (30) im Bereich der Rückseite der Katalysator schicht angeordnet ist. Somit wird im Zeitbereich der hohen elektrischen Leistung die Strömungsgeschwindigkeit deutlich verkleinert. Es ist ebenfalls möglich, den metalli schen Träger als Bimetall auszuführen und somit ein zusätzliches Bauteil einzuspa ren.

Die beschichteten Träger können in gewickelter oder gestapelter Form zu einer Vor richtung zusammengebaut werden. Abb. 8 zeigt eine derartige Vorrichtung, in wel cher einzelne, perforierte Platten, durch Abstandshalter getrennt, zusammengesetzt und jeweils drei davon elektrisch parallel geschaltet werden.

Eine bevorzugte Form für die Abstandshalter (40) ist in Abb. 7, als Schnitt Y-Z von Abb. 9 dargestellt. Dabei sind die Ausstanzungen der Perforation teilweise mit einem Wulst versehen, um gleichzeitig als Abstandshalter zu fungieren. Verformungen an der äußeren Oberfläche sind insbesondere unter dem Gesichtspunkt einer Verbesse rung der Stoffübertragung von der Gasphase an die Adsorptionsschicht von wesent licher Bedeutung. Eine Berechnung des Stoffübertragungskoeffizienten β zeigt, daß dieser innerhalb eines Schichtaufbaus mit 2 mm Abstand β von ursprünglich 30 cm/s auf unter 10 cm/s nach 30 mm abnimmt (Temperatur = 50°C, Strömungsgeschwin digkeit von Luft = 10 m/s).

Um den äußeren Stofftransport bei der unterhalb von 50 m/s stets laminare Strö mung zu verbessern, werden zusätzliche mechanische Verformungen oder Bauteile eingebracht, um den Stofftransport lokal zu verbessern. Derartige Elemente können längs der Strömungsrichtung in Abständen von 5 bis 30 mm angeordnet sein.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung wird dann erreicht, wenn die Perforation für die Trennung der Einzelsegmente des Trägers gleichzeitig als Abstandshalter und/oder als strömungsmechanische Bauteile zur Verbesserung des Stofftransports ausgeführt sind.

Wie bereits aufgezeigt wurde, benötigen die Trägerfolien eine vergleichsweise gerin ge Leistung, sodaß es grundsätzlich möglich ist, mehrere Folien gleichzeitig elek trisch anzusteuern.

Abb. 11 zeigt den Zusammenbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei je weils 3 Folien zu einem Paket zusammengefaßt werden, um den Kontaktierungsauf wand zu minimieren. Der Leistungsbedarf eines solchen Systems beträgt ca. 130 Watt im zeitlichen Mittel. Vorteilhafterweise werden beim Betrieb der Vorrichtung so viele Einzelfolien miteinander verschaltet, wie es die energetischen Voraussetzungen erlauben. Dabei wird beginnend mit der Adsorptionsschicht am Strömungseintritt die Temperatur der nachfolgenden Schichten bis zur Katalysatorschicht erhöht. Nach dem Erreichen der Katalysatorschicht wird der Beheizungsvorgang mit dem nächsten Paket fortgeführt, bis die gesamte Vorrichtung mit erhöhter Temperatur beaufschlagt wurde.

Die insgesamt in das Reinigungssystem eingebrachte elektrische Leistung ist ver gleichsweise gering. Eine wesentliche Störung der Kühlfunktion ist somit nicht gege ben, da nur weniger als 10% der Folien gleichzeitig beheizt werden. Die zusätzlich eingebrachte Wärme, insbesondere bei der Beheizung des Katalysators, ist auch deshalb minimal, weil diese Wärme unmittelbar am Austritt des Kühlluftstromes ein gebracht und danach konvektiv abgeführt wird.

Beim Einbau einer solchen Vorrichtung ist es oft nicht möglich, den Volumenstrom bezüglich verschiedener Partikel und gasförmiger Komponenten zu reinigen, welche die adsorptiven und/oder katalytischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Die er findungsgemäße Vorrichtung erlaubt jedoch ein Verfahren, das in geeigneten zeitli chen Abständen die Adsorptions- und/oder Katalysatorschicht auf lokal hohe Tempe ratur z. B. elektrisch aufgeheizt wird, um die störenden Ablagerungen thermisch zu zersetzen bzw. zu desorbieren.

Beispiel 1

Bei einer Vorrichtung bestehend aus 21 Einzelfolien die durch verformte Perforierungen im ab stand von ca. 2 mm angeordnet sind wurden jeweils 3 Folien gemeinsam kontaktiert. Die Edel stahlfolien hatten einen Aufbau gemäß Fig. 4, wobei die mit Hilfe von Langlöchern ausgeführten Perforationen mit 80% der Längen dominierten.

Die Oberflächentemperaturen wurden mit Hilfe von aufgeklebten dünnen Thermoelementen NiCr/Ni in der Mitte der jeweiligen Schicht erfasst. Die Folien hatten eine Stärke von 0.15 mm, ihre Länge betrug 200 mm, die Breite jeweils 10 mm.

Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1.0 m/sec wurden bei einem mit ca 20°C eintretenden Volumenstrom (Luft) folgender Leistungsbedarf ermittelt.

Adsorberschicht:
100°C: 120-150 Watt

Katalysatorschicht:
200°C: 210-250 Watt
300°C: 330-380 Watt

Die experimentell ermittelten Ergebnisse decken sich somit gut mit den zuvor rechnerisch ermit telten Werten.

Beispiel 2

Auf zwei glatte und eine gewellte Alumiumfolie wurden zwei hintereinander liegende dünne Streifen mit 100 mm Breite und 10 mm Tiefe eines temperaturbeständigen Kunststoffharzes auf gesprüht. Auf den noch nicht ausgehärtete Film wurde sodann in einer Wirbelschicht eine Mo noschicht eines porösen Adsorberharzes in Form von kleinen Kügelchen mit ca. 0.5 mm Durch messer aufgebracht. Nach ca. 2 h war die Klebeschicht ausgehärtet und die Adsorberschicht fest fixiert. Durch Stapeln dieser Folien in der Weise, daß die gewellte Folie als Abstandshalter zwi schen den glatten Folien dient, wurde ein Adsorbermodul aufgebaut, der von schadstoffhaltiger Luft durchströmt werden konnte. Auf den nicht beschichteten außen liegenden Seiten der glatten Alufolie war parallel zu den Adsorberstreifen jeweils ein elektrischer Heizleiter mit Hilfe eines Klebers fixiert. Diesem Adsorbermodul wurde ein Katalysatormodul mit 100 mm Breite und 15 mm Tiefe nachgeschaltet, der ebenfalls aus zwei glatten Folie mit Heizleiter und einer gewellten Folie aufgebaut war. Allerdings handelte es hier um Edelstahlfolien, beschichtet mit einer dünnen Alumiumoxid-Schicht, in die durch Imprägnierung 1,2% Palladium feinverteilt eingebracht wur den.

Das System wurde für 10 min mit bei einer Lineargeschwindigkeit von 4 m/s mit Luft durch strömt, die als Modellschadstoff 30 ppm Butylbenzol enthielt. Dabei wurde ein Abscheidegrad von < 70% erzielt. Durch kurzzeitiges Aufheizen der Adsorberstreifen auf 140°C und des Kataly satorstreifens auf 200°C wurde der Schadstoff desorbiert und nachfolgend am Katalysator zu ca. 70% umgesetzt. Dabei wurde darauf geachtet, daß der Katalysator seine Betriebstemperatur er reicht hatte, bevor der Schadstoff desorbiert wurde. So konnten partiell oxidierte geruchsintensive Reaktionsprodukte vermieden werden, wie sie sich bekanntermaßen bei tieferen Temperaturen bilden können.

Beispiel 3

Anstelle einer Alumiumfolie und einer Edelstahlfolie wurden die beiden Adsorberschichten sowie die Katalysatorschicht auf eine einzige Folie aufgebracht. Dabei handelte es sich wieder um zwei glatte Folien, die jeweils mit Aluminiumoxid beschichtet waren. Der Abstand von ca. 1.5 mm wur de durch elektrisch nicht leitende Abstandshalter aus wenigen keramisierten Metallelementen ge bildet. Zwischen den Adsorberstreifen und zwischen Adsorberstreifen und Katalysatorstreifen wurden Perforierungen erzeugt. Damit konnten diese Streifen unabhängig voneinander durch elektrischen Strom aufgeheizt werden.

Die Schadstoffkonzentration und Strömungsbedingungen bei der Adsorption und Desorption wa ren die gleichen wie in Beispiel 1. Durch die direkte Beheizung konnte die Freisetzung der Schad stoffe in kürzerer Zeit erfolgen und die Katalysatortemperatur auf 240°C gesteigert werden. Da mit konnte bei gleichem Abscheidegrad bei der Adsorption der Umsetzungsgrad am Katalysator auf 85% gesteigert werden.

Beispiel 4

Anstelle der keramikbeschichteten Edelstahlfolie wurde eine Edelstahlfolie eingesetzt, die mit einem Laminat aus Aluminium belegt war. Bei einer Temperaturbehandlung entsteht aus dem Alu minium-Laminat eine Alumiumoxidschicht, die einen hervorragenden Haftgrund für die Adsorber und Katalyatorschichten darstellt. In diesem Beispiel wurde als Bindemittel für die Adsorber schicht ein Kunstoff-Dipersionskleber und als Adsorbermaterial Aktivkohle mit einer Körnung von ca. 1 mm eingesetzt. Als Abstandshalter diente hier nicht eine gewellt Folie, sondern die Per forierungen gemäß Beispiel 2 waren durch eine Art Tiefziehen so hergestellt worden, daß sie ei nen Anstand zwischen den Folien von ca. 1,5 mm erzeugten. Die Katalysatorschicht wurde durch Aufsprühen eines ca. 7 mm tiefen Streifens eines gemahlenen handelsüblichen Edelmetallkataly sators und eines 10 mm breiten Streifens eines gemahlenen handelsüblichen Chromoxidkatalysa tors hergestellt. Als Bindemittel wurde dabei ein frisch hergestelltes Alumiumhydoxid-Sol ver wendet.

Die Schadstoffkonzentration und Strömungsgeschwindigkeiten bei der Adsorption und Desorption waren die gleichen wie in Beispiel 1. Durch die turbulenten Strömungsbedingungen zwischen der Folien aufgrund der scharfkantigen Abstandhalter konnte die Stoffübertragung verbessert und der Abscheidegrad bei der Adsorption auf < 80% gesteigert werden. Der Umsetzungsgrad am Kataly sator erhöhte sich im Vergleich zu Beispiel 2 nicht, jedoch konnte der Edelmetallgehalt durch die Verwendung des Mischoxidkatalysators reduziert werden.

Beispiel 5

Der Aufbau des Adsorber/Katalysatormoduls sowie die Konzentrations- und Strömungsbedingun gen waren mit Beispiel 3 identisch.

Bei der Desorption wurde die Strömungsgeschwindigkeit jedoch auf 0,5 m/s reduziert. Durch die se Maßnahme konnte bei gleicher elektrische Leistung die Temperatur für die Desorption und die Reaktion um ca. 30°C gesteigert werden. Bei gleichzeitig erhöhter Verweilzeit steigerte sich damit der Umsatzgrad am Katalysator auf < 90%.

Claims

1. Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen aus hohen Volumenströmen mit mindestens einer auf einem Träger aufgebrachten adsorptiv wirksamen Schicht und mindestens einer Katalysatorschicht, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer Adsorptionsschicht in der Phase der Desorption ei ne zeitlich veränderte Temperatur längs der Strömungsrichtung aufgeprägt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der minde stens einen Adsorptionsschicht in Strömungsrichtung mindestens eine Kataly satorschicht angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schicht mind. ein Heizelement zugeordnet ist, welches separat ansteuerbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Adsorptionsschichten aus Aktivkohle besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke und/oder die Zusammensetzung mindestens einer Adsorptionsschicht in Strömungsrichtung variiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Schicht systeme auf einen planaren oder gekrümmten Träger aufgebracht werden und zu einem mehrlagigen, durchströmbaren Schichtaufbau gestapelt oder gewic kelt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zugleich als Kühler für den Kühlkreislauf eines Motors oder als Verdampfer einer Klimaanlage dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zugleich als Wärmeaustauscher zur Beheizung oder Kühlung eines Raumes dient.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in räumlicher Nähe vor oder nach einem Wärmeaustauschersystems separat montiert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumen strom, der durch einzelne Lamellen oder Lamellenpakete strömt, durch an steuerbare strömungsmechanische Einrichtungen um mindenstens einen Faktor 2 zurückgenommen werden kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungs mechanische Einrichtung mechanisch verstellbare Bleche sind, welche den Zutritt des Anströmvolumens beeinflussen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Trägers einen Bimetallstreifen aufweist und sich dadurch bei Erwärmung der offene Querschnitt für die Strömung verkleinert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermate rial aus einem Metall besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermate rial für die Beschichtung aus Edelstahl besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermate rial für die Beschichtung aus Aluminium besteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Trä germaterial zusätzlich oxidische Schichten als Zwischenschicht aufgebracht werden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger Perforationen aufweist, um einen Strompfad quer zur Strömungsrich tung zu erzeugen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforation mindestens 25% der Lauflänge in Strömungsrichtung beträgt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforation durch Langlöcher ausgeführt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallträger Ausprägungen aufweist, welche als Abstandshalter zwischen einzelnen Me tallfolien dienen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallträger Ausprägungen aufweist, die so geformt und zueinander angeordnet sind, daß bei der Überströmung Verwirbelungen zur Verbesserung des Stofftransports entstehen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausprägun gen einen Abstand von weniger als 2 cm haben.

23. Vorrichtung nach Anspruch 17, 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforation für die Führung des Strompfades zugleich als Abstandshalter und/oder als Strömungselemente für die Optimierung des Stofftransports aus gebildet sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weniger als 50% der Oberfläche der Vorrichtung mit Katalysator beaufschlagt werden.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß weniger als 50% der Oberfläche des Katalysators als Edelmetallkatalysator aufgebracht werden.

26. Vorrichtung nach Anspruch 13 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger gleichzeitig als Heizelement dient.

27. Vorrichtung nach Anspruch 13 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die me tallischen Lamellen am äußeren Ende mit Hilfe eines kammförmigen Stecke lements kontaktiert werden.

28. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teile der zugehörigen Schaltungselektronik in unmittelbarer Nähe des Steckverbin ders angeordnet sind.

29. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1-28, dadurch ge kennzeichnet, daß die auf der Einzelfolie enthaltenen streifenförmigen Heize lemente in Strömungsrichtung nacheinander angesteuert werden.

30. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1-28, dadurch ge kennzeichnet, daß das Heizelement der Katalysatorschicht noch vor dem un mittelbar davorliegenden Element der Adsorberschicht eingeschaltet wird.

31. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1-28, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Regeneration des Katalysators nach längerer Betriebs dauer die Katalysatorschicht durch Aufheizen des Heizelements auf eine um mindestens 50 Grad höhere Temperatur als die übliche Betriebstemperatur, störende Ablagerungen durch Verbrennung und/oder thermische Desorption entfernt werden.

32. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 7 und 9, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Unterschreiten eines zeitlich gewichteten Grenzwertes der Fahrzeuggeschwindigkeit die Zwangslüftung (Ventilator) zugeschaltet wird.

33. Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung oder Rückgewinnung von Prozeßgasen erfolgt oder das Verfahren zur Reinigung von Abluft oder Umgebungsluft angewendet wird.

34. Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gereinigte Luftstrom als Ansaugluft für ein Filter für die Innenbelüftung eines Fahrzeugs oder Flugzeugs benutzt wird.