DE3907670A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestrahlung von chemischen substanzen und verbindungen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestrahlung von chemischen substanzen und verbindungen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung für chemische Substanzen und Verbindungen, deren Verwendung sowie ein Verfahren zum Bestrahlen von chemischen Substan­ zen.
Die Desorption von in die gasförmige Phase überführbaren Substanzen aus festen oder flüssigen Materialien mittels heißer Spülmedien ist bekannt. Die desorbierten Verbindun­ gen werden danach üblicherweise entweder in Wäschern aus der fluiden Phase bzw. dem Spülmedium gewaschen oder auch durch Kondensation direkt abgetrennt. Die so konzentrier­ ten Schadstoffe werden, soweit sie nicht verwertet werden können, dann entweder deponiert oder einer Verbrennung zugeführt. Die desorbierten Verbindungen können aber auch, wie in der DE-PS 27 33 344 beschrieben, einer Bestrahlung zugeführt werden, wobei die Bestrahlungsvorrichtung analog der DE-OS 34 22 553 ausgestaltet sein kann.
Konzentrierte Schadstoffe können auch bei Deponierung die Umwelt gefährden und verschärft im übrigen den allgemeinen Mangel an Deponieraum, was in den nächsten Jahren aller Voraussicht nach zu weiter steigenden Deponiekosten führen dürfte. Eine ordnungs- und sachgemäße Verbrennung von Schadstoffen belastet zusätzlich die bereits knappen Ver­ brennungskapazitäten und ist darüber hinaus mit techni­ schen und ökologischen Problemen behaftet.
Da kleinere Betriebe mit einer sachgerechten und ökolo­ gisch verträglichen Entsorgung von Schadstoffen alleine gelassen werden, verzichten diese aufgrund wirtschaft­ licher Erwägungen und mangels erschwinglicher Entsorgungs­ anlagen zumeist auf eine Abluftreinigung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Be­ strahlungsvorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem mit Spülmedien aus festen oder flüssigen Material extrahierte chemische Substanzen entsorgt werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Bestrahlungsvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen dargelegt.
Die Bestrahlungsvorrichtung besteht aus a) mindestens einer Kammer für extrahierbares Material mit Zu- und Ab­ leitungen für Spülmedien, b) mindestens einem bevorzugt innenverspiegelten Reaktionsraum mit einer Bestrahlungs­ einrichtung, und c) einem Spülmedienkreislauf, der Kammer und Reaktionsraum verbindet.
Im Reaktionsraum ist dabei eine Bestrahlungseinrichtung bevorzugt, die Licht zwischen 50 nm und 450 nm, insbeson­ dere zwischen 185 nm und 300 nm, liefert. Weiter geeignet sind auch Strahlungsquellen für sichtbares Licht, für Röntgenstrahlung, oder für kurze elektromagnetische Wel­ len, wie bspw. Mikrowellen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Bestrahlungsvorrich­ tung können ein oder mehrere der nachfolgenden Elemente im Medienkreislauf zwischengeschaltet sein: Pumpen, Filter, Partikelabscheider, Adsorptionsfilter, Trocknungsanlagen, insbesondere Molekularsiebe, Wärmetauscher, insbesondere Rekuperatoren, Ventile, insbesondere Beschickungs- und Ablaßventile, Wartungsöffnungen, Strömungsmeßgeräte, Stromzuführungen sowie fakultativ Fluidverteiler an den Ein-/Auslässen zu Kammern und Reaktionsräumen Der Reaktionsraum ist bevorzugt verspiegelt, um die Licht­ ausbeute zu erhöhen und weist in einer bevorzugten Aus­ führungsform zur Reflektion des Lichtes poliertes Alumi­ nium auf. Ferner ist bevorzugt, wenn der Reaktionsraum ein oder mehrere Drainageventile und fakultativ einen schiefen Boden aufweist, damit sich Kondensate und Reaktionsproduk­ te an einer Stelle im Sumpf sammeln können.
In einer weiteren Ausführungsform sind Fühler und Meßein­ richtungen vorhanden, mit denen der Reaktionsverlauf und die Reaktionsbedingungen kontrolliert und ggf. mit Hilfe einer elektronischen Rechenanlage, bevorzugt eines Mikro­ computers, gesteuert werden können.
Ferner wird ein Verfahren zum Bestrahlen von chemischen Substanzen zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte aufweist: a) Durchleiten von Spülmedien durch flüssige und/oder feste Materialien in einer Kammer; b) Einleiten der mit chemischen Substanzen beladenen Spülmedien in einen innenverspiegelten Reaktionsraum; c) Bestrahlen der mit chemischen Substanzen beladenen Spülmedien im Reak­ tionsraum; d) kreisläufiges Rückführen der Spülmedien in die Kammer.
Das Bestrahlen der chemischen Substanzen bzw. der Schad­ stoffe erfolgt bevorzugt mit Licht einer Wellenlänge zwi­ schen 50 nm und 450 nm, wobei der Spektralbereich zwischen 185 nm und 300 nm besonders bevorzugt ist. Die chemischen Substanzen können aber auch mit normalem Licht, elektroma­ gnetischen Wellen, wie Mikrowellen, oder auch mit Röntgen­ strahlung bestrahlt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die mit chemischen Substanzen beladenen Spülmedien durch Fil­ ter und/oder andere Absoptionsvorrichtungen geschickt, wie bspw. Calciumcarbonatfilter zur Absorption von Chlorwas­ serstoff. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mit chemischen Substanzen beladenen Spülmedien durch Trocknungsanlagen, bspw. Molekularsiebe, wasserfrei gemacht werden.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die vorstehend beschriebene Bestrahlungsvorrichtung mit folgenden Bedin­ gungen betrieben wird: a) Temperaturen unter 333 K für die beladenen Spülmedien vor Eintritt in den Photoreaktions­ raum, wobei Temperaturen zwischen 280 und 320 K besonders bevorzugt sind und b) Betriebsdrücke unter 105 Pa, damit u.a. die Desorption der chemischen Substanzen erleichtert wird.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn als Spülmedien Inertgase verwendet werden. Gegebenenfalls können in einer weiteren Ausführungsform den Spülmedien Substanzen zugesetzt werden, die (unter Bestrahlung) besonders reaktionsfähig sind und mit den Schadstoffen in den Spülmedien zu weniger gefähr­ lichen Verbindungen abreagieren. Solche Stoffe können bspw. besonders reaktionsfähige Gase sein, wie Sauerstoff und Wasserstoff, oder auch photosensitiv wirksame Radikal­ starter und Radikalbildner etc.
Die Vorrichtung ist besonders zum Entsorgen und/oder Wie­ deraufbereiten von schadstoffbeladenen festen oder flüssi­ gen Materialien geeignet, wie bspw. Adsorptionssubstanzen, insbesondere Aktivkohlen, Lösungsmittel, insbesondere organische Lösungsmittel. Solche mit chemischen Substanzen beladenen Sorptionsmaterialien fallen bspw. in Anlagen zur Luftfilterung und -reinigung an, mit denen unerwünschte Spurenstoffe, wie Formaldehyd und halogenhaltige Lösungs­ mittel, aus der Raumluft entfernt werden. Entsprechende Anlagen zur Luftreinigung sind in Privathaushalten oder Gewerbebetrieben installiert, wie z.B. Druckereien, Reini­ gungen, metallverarbeitenden und anderen Betrieben, in denen die Raumluft üblicherweise mit solchen gesundheitsschäd­ lichen und Allergien auslösenden Stoffen belastet ist. Bei den zur Adsorption geeigneten Flüssigkeiten handelt es sich je nach der zu adsorbierenden Stoffgruppe zumeist um organische Lösungsmittel, wie Mineralöl oder Glykol, oder auch um wäßrige Lösungen anorganischer und organischer Substanzen.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung und das Verfahren können insbesondere dazu verwendet werden, um photoche­ misch beeinflußbare Schadstoffe, wie bspw. aromatische und aliphatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere halogenierte Kohlenwasserstoffe, Cyanate, Isocyanate, Amine, Aldehyde wie Formaldehyd, Atrazin und metallorganische Verbindungen zu vernichten bzw. photochemisch in weniger gefährliche Substanzen zu entsorgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in vorteilhafter Weise so durchgeführt, daß schadstoffbehaftete feste oder flüs­ sige Materialien, wie Aktivkohle oder Lösungsmittel, in eine geschlossene Vorrichtung eingebracht werden, in der ein heißes Fluid als Spülmedium die festen oder flüssigen (Sorptions)-Materialien extrahiert. Die desorbierten Substanzen werden dann zusammen mit den Spülmedien der Bestrahlungskammer zugeführt, wo diese entsprechend behandelt werden. Die photolytisch umgewandelten Substan­ zen werden dabei zumindest teilweise vom Spülmedium abge­ trennt, welches im geschlossenen Kreislauf der Extrak­ tionskammer mit den festen oder flüssigen Sorptionsmater­ ialien zugeführt wird und erneut die zu desorbierenden Materialien durchspült.
Beim Spülvorgang wird jedoch das in den festen oder flüs­ sigen Sorptionsmaterialien enthaltene Wasser ebenfalls mit ausgetrieben. Dieses Wasser kann zusammen mit dem ggf. bei der Reaktion entstehenden Wasser zu unerwünschten (Ne­ ben)-Reaktionen führen. Es ist daher vorteilhaft, wenn das Wasser durch eine Trocknungsanlage, wie z.B. ein Moleku­ larsieb, entfernt wird.
Andere gasförmige Verbindungen und Substanzen, wie z.B. Chlorwasserstoff, die bei den Umwandlungen ggf. freige­ setzt werden, können durch geeignete chemische Filter, im Falle von Chlorwasserstoff beispielsweise durch Calcium­ carbonatfilter, gebunden werden.
Atmosphärische Gase, insbesondere Sauerstoff und Stick­ stoff, können in manchen Fällen die photolytische Umwand­ lung der desorbierten chemischen Substanzen in unerwünsch­ ter Weise beeinflussen; es ist daher vorteilhaft, diese ggf. durch Inertgase, wie z.B. Argon oder andere Edelgase, zu ersetzen. Stäube können gleichfalls die Quantenausbeute verringern und werden daher bevorzugt durch Partikelfilter aus dem Spülmediumkreislauf entfernt.
Zur Erleichterung der Desorption wird die Apparatur vor­ zugsweise im Bereich unter 105 Pa gefahren. Der Reaktions­ raum ist zur Erhöhung der Reaktionswahrscheinlichkeit innen verspiegelt. Die Verspiegelung erfolgt durch be­ schichtete Aluminiumreflektoren, die bei 250 nm ein Re­ flektionsvermögen von wenigstens 70% aufweisen. Poliertes beschichtetes Aluminium ist resistent gegen viele chemi­ sche Stoffe und leicht zu reinigen. Sinkt der Wirkungsgrad der Reflektoren zu sehr ab, werden diese ausgetauscht.
Die Leistungsabgabe der Bestrahlungsquellen muß der Aus­ legung der Apparatur angepaßt sein. Um ein breites Wir­ kungsspektrum zu erreichen, können die UV-Quellen aus Quecksilbernieder- und hochdrucklampen bestehen; dadurch wird ein erheblicher Teil der eingesetzten Energie im Spektralbereich von 185 nm bis 300 nm frei.Es können auch entsprechende Laser eingesetzt sein. Je nach Ausführung der Apparatur können die UV-Quellen direkt durch den Spül­ gasstrom gekühlt werden, oder, wenn dessen Temperatur in Abhängigkeit von den ablaufenden Reaktionen zu hoch steigt, als Tauchlampen mit Stickstoffkühlung ausgeführt werden. In diesem Falle ist die Verwendung von Quarzrohren zur Aufnahme der Lampen unerläßlich. Pro 1 kW eingesetzter elektrischer Leistung werden bei den Niederdrucklampen pro Sekunde 5 x 1020 Quanten (dem entsprechen 3 Molquanten/h) im interessierenden Wellenlängenbereich freigesetzt, bei den Hochdrucklampen etwa 2 x 1020 Quanten (entsprechend 1,2 Molquanten/h) pro Sekunde. Die tatsächliche Quantenaus­ beute hängt von der Art der ablaufenden photochemischen Primär- und Sekundärreaktionen ab und kann ggf. deutlich über 1 liegen. Die Temperaturführung erfolgt bevorzugt durch rekuperativen Wärmetausch, durch gezielte Dosierung der Reaktionspartner oder auch durch Veränderung der Lam­ penleistung. Das ggf. entstehende Kondensat im Reaktions­ raum wird vorteilhafterweise durch ein Drainageventil im Boden des Reaktionsraums abgeleitet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß aus festen oder flüssigen Materialien desorbierte Substanzen in der Anlage zu weniger gefähr­ lichen oder ungefährlichen Materialien umgewandelt werden können. Die Vorrichtung ist also geeignet, um chemische Verbindungen durch photochemische Umwandlungen in er­ wünschte oder weniger gefährliche Substanzen und Stoffe umzuwandeln.
Das nachstehende Ausführungsbeispiel soll in Verbindung mit der aus einer Figur bestehenden Zeichnung und den verschiedenen Verwendungsformen die Erfindung näher er­ läutern. Die Ausführungsbeispiele dienen dabei lediglich zur Erläuterung und sollen die Erfindung nicht beschrän­ ken.
Die Bestrahlungsvorrichtung besteht aus einem Bestrah­ lungsraum 1 und einer Extraktionskammer 7 mit festen oder flüssigen zu regenerierenden Sorptionsmaterialien 8, wie Aktivkohlen oder Lösungsmitteln, die in die Strömungsphase überführbare Substanzen, wie beispielsweise Kohlenwasser­ stoffe, adsorbiert enthalten. Diese Substanzen werden durch Spülmedien desorbiert und dem Reaktionsraum 1 zuge­ führt. Durch Verspiegelung 2 des Reaktionsraumes 1 wird die Reaktionswahrscheinlichkeit erhöht. Die Temperatur­ führung wird auf dreifache Weise kontrolliert, a) durch rekuperativen Wärmetausch 4 und 11, b) durch gezielte Dosierung der Reaktionspartner sowie c) durch Veränderung der Lampenleistung.
Zur Senkung des Wasserdampfgehaltes der fluiden Phase dient eine Trocknungsanlage 12, z.B. ein Molekularsieb. Es sind ferner verschiedene Hilfseinrichtungen 6, 10 a und 13 vorhanden, die beim Anfahren und bei der Außerbetriebnahme der Apparatur benötigt werden.
Das innenverspiegelte 2 Reaktionsgefäß 1 mit einem Volumen von 1,8 m3 umschließt die Strahlungsquellen 3, die vom jeweiligen Fluid, z.B. schadstoffbeladenem Argon, umflos­ sen werden, das sich dabei erwärmt. Zufuhr und Abfuhr der Fluide erfolgt über spezielle, die Fluide gleichmäßig verteilende Bauelemente 1 a. Das bestrahlte Fluid kann durch rekuperativen Wärmetausch 4 je nach Bedarf erwärmt oder abgekühlt werden. Auf der Abströmseite dieser Zone sitzen Filter 5, die sowohl bestimmte Reaktionsprodukte, z.B. Chlorwasserstoff, als auch Stäube aus den Spülmedien entfernen können. Über die Rohrleitung 6 können unbelade­ nes Spülmedium und andere Stoffe, z.B. Reaktionspartner, zugeführt werden. Das aus Filter 5 ausströmende Fluid wird über das Element 7 a in die Kammer 7 (Volumen etwa 0,35 m ) mit den beladenen festen oder flüssigen Materialien 8, z.B. Aktivkohlen oder Lösungsmitteln, zugeführt und durch­ strömt diese. Das beladene Fluid wird dann über das Fil­ ter 9 (Partikelabscheider), die Pumpe 10 und die Trock­ nungsanlage 12 (Molekularsieb) wieder dem Reaktionsraum 1 zugeführt. Der Betriebsdruck liegt vorzugsweise unter 105 Pa, um die Desorption der adsorbierten Substanzen und Verbindungen zu erleichtern. Die Kühlung 11 senkt im Be­ darfsfalle die Temperatur der fluiden Phase vor Eintritt in den Reaktionsraum 1 auf unter 333 K, idealerweise auf Temperaturen um 300 K. Der Boden des Reaktionsraumes 1 ist in etwa 3° bis 8°, vorzugsweise 5°, geneigt und als Spie­ gelfläche ausgestaltet; das Kondensat, das sich bei be­ stimmten Betriebszuständen, wie etwa dem Abfahren der Anlage, bildet, wird zum Sumpf 13 mit dem Drainageventil geleitet, wo es abgezogen werden kann. Die Rohrleitung 10 a hat die Aufgabe, im Bedarfsfalle vor dem Anfahren der Apparatur mittels der Pumpe 10 atmosphärische Gase, ins­ besondere Sauerstoff und Stickstoff, aus der Apparatur abzuführen.
Hilfseinrichtungen, wie z.B. Temperaturfühler, Strömungs­ meßgeräte, Stromzuführungen, Wartungsöffnungen, Bedie­ nungselemente, Nebenanlagen im Zusammenhang mit den Ven­ tilen 6, 10 a und 13 und Vorrichtungen zur Analyse des jeweiligen Spülmediums und zur Kontrolle der UV-Quellen sind im Rahmen des dem Fachmann geläufigen Wissens ein­ setzbar.
Beispiel:
In ein Gefäß 7 mit einem Volumen von 350 l wurden 80 kg einer verbrauchten Filteraktivkohle, die als hauptsäch­ liche Verunreinigung 50 Mol Formaldehyd enthielt, einge­ bracht. Dieses Material wurde mit Argon, dessen Temperatur sich im stätionären Zustand bei einem Druck von 8 x 104 Pa auf etwa 325 K einstellt, durchspült. Die Desorption erfolgte über einen Zeitraumes von circa 130 bis 160 Minu­ ten, wobei das Desorptionsfluid im Kreislauf geführt wur­ de. Der Filter 5 und die Trocknungsanlage 12 wurden bei diesem Schadstoff durch einen by-pass überbrückt. Die Strahlungsquellen waren Quecksilberniederdrucklampen, die zusammen eine Leistung von 7,0 kW besaßen. Die Gesamt­ strahlungsintensität lag bei 21 Molquanten/h. Abhängig von der desorbierten Menge Formaldehyd wurden nach und nach 50 Mol Sauerstoff dem Argon zugefügt, um in einer kontrol­ lierten Reaktion das Formaldehyd zu Wasser und Kohlen­ dioxid abreagieren zu lassen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und erläuterten Ausführungsformen begrenzt, die lediglich die Erläuterung einer vorteilhaften Art der Verwirklichung der Erfindung darstellen und Modifikationen in Form, Größe, Anordnungen von Teilen und Betriebedetails unterworfen sein können. Die Erfindung soll derartige Abänderungen umfassen.
Bezugszeichenliste
 1  Reaktionsgefäß, Bestrahlungskammer, Reaktionsraum
 1 a Fluidverteiler
 2  Innenverspiegelung
 3  Bestrahlungseinrichtung, Strahlungsquelle (UV-Quelle)
 4  Wärmeaustauscher (Rekuperator)
 5  Filter
 6  Ventil
 7  Kammer, Extraktions-, Desorptionsraum
 7 a Fluidverteiler
 8  festes oder flüssiges Material
 9  Filter, Partikelabscheider
10  Pumpe
10 a Ventil
11  Wärmeaustauscher (Rekuperator)
12  Trocknungsanlage
13  Drainageventil zum Abfluß

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Bestrahlen von chemischen Substanzen und Verbindungen, gekennzeichnet durch
  • a) mindestens eine Kammer (7) für extrahierbares Material mit Zu- und Ableitungen für Fluide,
  • b) einen bevorzugt innenverspiegelten Reaktionsraum (1) mit einer Bestrahlungseinrichtung (3), und
  • c) einen Fluidkreislauf, der Kammer (7) und Reaktionsraum (1) verbindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungseinrichtung (3) Licht mit einer Wel­ lenlänge zwischen 50 nm und 450 nm und bevorzugt zwischen 185 nm und 300 nm aussendet.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ggf. Pumpen (10), Filter (5, 9), Partikelabscheider (9), Absorptionsfil­ ter (5), insbesondere Calciumcarbonatfilter, Trocknungsan­ lagen (I 12),insbesondere Molekularsiebe, Wärmetauscher (4, 11), insbesondere Rekuperatoren, Ventile (6, 10 a, 13), insbesondere Beschickungs-und Ablaßventile, Wartungsöff­ nungen, Strömungsmeßgeräte, Stromzuführungen, Fluidvertei­ ler (1 a, 7 a) aufweist.
4. Verfahren zum Bestrahlen von chemischen Substanzen und Verbindungen gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • a) Durchleiten von Fluiden durch flüssige und/oder feste Materialien (8) in einer Kammer (7),
  • b) Einleiten des Fluids in einen innenverspiegelten Reak­ tionsraum (1),
  • c) Bestrahlen des eingeleiteten Fluids im Reaktionsraum (1) mit Licht, und
  • d) Rückführen mindestens eines Teils des Fluids in die Kammer (7).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit Licht einer Wellenlänge zwischen 50 nm und 450 nm, bevorzugt zwischen 185 nm und 300 nm, durchge­ führt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mit chemischen Substanzen beladene Fluid durch Filter (5, 9, 12) geschickt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid vor Eintritt in den Reak­ tionsraum (1) gekühlt wird, bevorzugt auf Temperaturen unter 333 K und besonders bevorzugt auf Temperaturen zwi­ schen 280 und 320 K.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck unter 105 Pa liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid Inertgase eingesetzt werden, bevorzugt CO2, N2, Argon.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluid reaktionsfähige Substanzen zugesetzt werden.
11. Verwendung der Vorrichtung zum Entsorgen und/oder Wiederaufbereiten von schadstoffbehafteten festen oder flüssigen Materialien.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzubereiteten Materialien ausgewählt sind aus: Adsorptionssubstanzen, insbesondere Aktivkohlen, Lösungs­ mitteln, insbesondere organischen und wäßrigen Lösungs­ mitteln.
13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schadstoffe aromatische und aliphatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere halogenierte Kohlenwas­ serstoffe, Cyanate, Isocyanate, Amine, Aldehyde wie Form­ aldehyd, Atrazin, metallorganische Verbindungen sind.
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