DE4238324A1

DE4238324A1 - Verfahren und Einrichtung zur Entgiftung von schadstoffhaltigen Gasen

Info

Publication number: DE4238324A1
Application number: DE19924238324
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Balg; Markus Dr Oldani
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1994-05-19

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entgiftung von schadstoffhaltigen, Sauerstoff enthaltenden Gasen sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ozon ist bekanntlich ein starkes Oxidationsmittel. Früher wurde Ozon hauptsächlich bei der Wasseraufbereitung verwendet. In der jüngsten Vergangenheit wird Ozon zunehmend auch als Bleichmittel, z. B. in der Papierindustrie, oder zur Entgiftung von Abgasen eingesetzt (vgl. B.Eliasson et al "Ozone synthesis from oxygen in dielectric barrier discharges" in J.Phys. D:Appl. Phys. 20 (1987) 1421-1437).

Mit den neuen leistungsfähigen UV- und VUV-Excimerstrahlern (vgl. B.Eliasson et al "New excimer UV sources for industrial applications" in ABB Review 3/91, S. 21-28) lassen sich ge zielt Molekülbindungen spalten (Photospaltung oder Photolyse). Mit UV-Strahlung geeigneter Wellenlänge kann die Photospaltung in der Umwelttechnik zum Abbau von Verunreinigungen in Luft und Wasser eingesetzt werden. So lassen sich zum Beispiel gif tige chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffverbindungen in Lösungsmitteldämpfen und im Trink- und Reinstwasser durch Einsatz von UV-Strahlung geeigneter Wellenlänge abbauen. Neben der direkten Photospaltung der Zielsubstanz können UV-Photonen auch zur Erzeugung reaktionsfreudiger Radikale eingesetzt werden, die dann die Zielsubstanz auf chemischem Wege angrei fen. Als Beispiele seien Stickstoff-, Sauerstoff- oder Wasser stoffatome genannt, aber auch NH₂- oder OH-Radikale genannt.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Entgiftung von schadstoffhaltigen, Sauer stoff enthaltenden Gasen zu schaffen, welche die positiven Ei genschaften sowohl der Ozonbehandlung als auch der Behandlung mit UV-Strahlung in sich vereinigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zu behandelnde Gas sowohl UV-Strahlung als auch der Einwirkung von Ozon ausgesetzt wird.

Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Einrichtung umfaßt dabei die folgenden Merkmale:

- ein doppelwandiges Rohr aus dielektrischem Material, des sen äußere Wand mit einer Außenelektrode versehen ist, und dessen innere Wand für UV-Strahlung transparent ist,
- eine im Inneren des doppelwandigen Rohres angeordnete Elektrodenanordnung, die in mindestestem einem ersten Längsabschnitt von der Innenwand des Rohres durch einen Spalt beabstandet ist, und die in mindestens einem zwei ten Längsabschnitt im wesentlichen an der besagten Innen wand anliegt,
- durch den Innenraum des doppelwandigen Rohres (1) ist ein Gas hindurchführbar,
- der Ringraum zwischen innerer und äußerer Wand des dop pelwandigen Rohres ist mit einem unter Entladungsbedin gungen UV-Strahlung aussendendem Füllgas gefüllt,
- an die Außenelektrode und die besagte Elektrodenanord nung im Inneren des doppelwandigen Rohres ist eine Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung angeschlos sen.

Der Erfindung liegt dabei die neue Erkenntnis zugrunde, daß allein durch Variation des Abstandes zwischen dem Dielektrikum und der Innenelektrode abschnittsweise gezielt Ozon bzw. UV- Strahlung erzeugt werden kann, wobei sich beide Abschnitte synergistisch fördern: Die im ersten Abschnitt (Ozonstufe) stattfindende Zugabe von Ozon fördert gewisse Vorreaktionen mit den im Gas enthaltenen Schadstoffen, die mit UV-Strahlung (in der UV-Stufe) allein nicht oder nur unvollkommen ablaufen würden. Zudem wird in der UV-Stufe überschüssiges Ozon wieder abgebaut. Die Einrichtung ermöglicht zudem einen einfachen und wirtschaftlichen Aufbau. Sie kann durch Parallel- und/oder Hintereinanderschalten mehrerer dieser Einrichtungen, z. B. in der Art von Rohrbündelreaktoren, wie sie aus der Ozontechnik bekannt sind, ohne weiteres für größere Gasdurchsätze erwei tert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläu tert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche matisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Ent giftung schadstoffhaltiger Gase im Längsschnitt;

Fig. 2 ein vereinfachtes Ablaufschema zur Entgiftung unter Verwendung einer Einrichtung nach Fig. 1:

Wege zur Ausführung der Erfindung

Gemäß Fig. 1 ist ein doppelwandiges Rohr 1, z. B. ein Quarzrohr mit kreisrundem oder ovalem Querschnitt, an beiden Stirnseiten durch Deckel 2, 3 verschlossen. Die Außenwand 4 des doppelwan digen Quarzrohres ist außen mit einer Außenelektrode 6 ver sehen, die beispielsweise aus einer auf diese Wand aufge brachte Metallschicht, die für die erzeugte Strahlung reflek tierend wirkt und z. B. aus Aluminium besteht. Diese Schicht 6 dient gleichzeitig als Reflektor. Der zwischen den beiden Rohrwänden 4, und 5 vorhandene Raum 7 bildet den Entladungs raum für den Excimerstrahler. Die Spaltweite w₁ ist überall diesselbe und liegt typisch bei einigen Millimetern. Zumindest die Innenwand 5 ist für die im Entladungsraum erzeugte UV- Strahlung transparent.

Der Innenraum des doppelwandigen Quarzrohres 1 ist mit einer spiraligen Innenelektrodenanordnung 8 versehen. Im linken Ab schnitt O ist der Außendurchmesser der Spirale so gewählt, daß der mittlere Abstand w₂ zwischen dieser und der Innenwand 5 etwa 0,5 bis 5 mm beträgt, während im rechten Abschnitt U die Spirale im wesentlichen an dieser Innenwand anliegt. An stelle einer Spirale kann auch eine netz- oder maschengitter artige Elektrode verwendet werden. Im Grenzfall kann die Elek trode im Abschnitt O ein etwa koaxial zum Quarzrohr 1 verlau fender gestreckter Draht 8a (in Fig. 1 strichliert eingezeich net) sein, der im Abschnitt U in eine Spirale übergeht. Sowohl spiralige als auch gitterartige Elektroden gilt, daß sie einen Gasstrom in Rohrlängsrichtung passieren lassen können.

Die beiden Elektroden 6 und 8 sind mit den beiden Polen einer Wechselstromquelle 9 verbunden. Die Wechselstromquelle liefert eine einstellbare Wechselspannung in der Größenordnung von mehreren 100 Volt bis 20000 Volt bei Frequenzen im Bereich des technischen Wechselstroms bis hin zu einigen 1000 kHz, abhän gig von der Elektrodengeometrie, Druck im Entladungsraum 7 und Zusammensetzung des Füllgases.

Das Füllgas ist, z. B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metall dampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Gemisch, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases, vorzugsweise Ar, He, Ne, als Puffergas.

Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz/Substanzgemisch gemäß nachfolgender Tabelle Verwendung finden:

Füllgas
Strahlung
Helium\|60-100 nm
Neon	80-90 nm
Argon	107-165 nm
Argon + Fluor	180-200 nm
Argon + Chlor	165-190 nm
Argon + Krypton + Chlor	165-190, 200-240 nm
Xenon	160-190 nm
Stickstoff	337-415 nm
Krypton	124, 140-160 nm
Krypton + Fluor	240-255 nm
Krypton + Chlor	200-240 nm
Quecksilber	185, 254, 320-370, 390-420 nm
Selen	196, 204, 206 nm
Deuterium	150-250 nm
Xenon + Fluor	340-360 nm, 400-550 nm
Xenon + Chlor	300-320 nm

Daneben kommen eine ganze Reihe weiterer Füllgase in Frage:

- Ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit einem Gas bzw. Dampf aus F₂, J₂, Br₂, Cl₂ oder eine Verbindung die in der Entladung ein oder mehrere Atome F, J, Br oder Cl abspaltet;
- ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit O₂ oder ei ner Verbindung, die in der Entladung ein oder mehrere 0- Atome abspaltet;
- ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) mit Hg.

Bei der Funktionsweise der beschriebenen Anordnung ist nun zwischen den beiden Abschnitten O und U zu unterscheiden.

Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 4 und 8 bildet sich im Entladungsraum 7 im rechten Abschnitt U eine Vielzahl von Entladungskanälen (Teilentladungen) im Ent ladungsraum 7 aus. Diese treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases in Wechselwirkung, was schlußendlich zur UV oder VUV-Strahlung führt.

Im linken Abschnitt O hingegen reichen die Feldstärken im Ent ladungsraum 7 nicht aus, um dort Excimere zu bilden. Vielmehr wirken die beiden Quarzwände 3 und 4 sowie der Entladungsraum 7 dort wie die Serienschaltung dreier Kapazitäten. Das Wech selspannungspotential liegt also zwischen der inneren Wand 5 und der Elektrode 8 an. Wird nun (bestimmungsgemäß) durch den Innenraum des doppelwandigen Quarzrohres 1 ein sauerstoffhal tiges Gas geleitet, entstehen im zweiten Entladungsraum 10 stille elektrische Entladungen, die mit dem Sauerstoff in Wechselwirkung treten. Dabei bildet sich in bekannter Weise Ozon. Die Leistungsverteilung zwischen den Abschnitten O und U kann optional durch Auftrennen der Elektrodenanordnung 8 in zwei getrennte Elektroden und separate elektrische Anspeisung erfolgen.

Wird nun durch den Innenraum 10 das zu entgiftende, Sauerstoff enthaltende Gas geleitet, wird schon im ersten Abschnitt, dem Ozonteil O, durch Zugabe von Ozon ein Teil der Schadstoffe, insbesondere flüchtige organische, insbesondere chlorierte Kohlenwasserstoffe eliminiert oder zumindest chemisch in Be standteile zerlegt. In dem sich unmittelbar daran anschließenden zweiten Abschnitt, dem UV-Teil U, erfolgt die weitere Einwirkung auf die Schadstoffe bzw. deren Spaltpro dukte auf photolytischem Wege.

Die beschriebene Einrichtung bewirkt also eine Zugabe von Ozon zu dem zu behandelnden Gas sowie eine anschließende Aktivie rung durch UV. Dadurch wird eine schnellere und effizientere Zersetzung der Schadstoffe bewirkt als bei Verwendung von UV oder Ozon allein. Zudem kann in der UV-Zone überschüssiges Ozon durch die Einwirkung von UV-Strahlung abgebaut werden. Die Elektrodenspirale 8 unterstützt dabei die intensive Durch mischung des Gases, wirkt also als Turbulenzerzeuger. Verstär ken kann man die Turbulenzerzeugung durch Leitbleche, die unregelmäßig verteilt im Inneren der Elektrodenspirale ange ordnet, z. B. an dieser befestigt sind.

Das aus der Entgiftungsstufe 11 (Fig. 2) ausströmende Gas wird anschließend einer Gaswäsche oder einem anderen Nachbehand lungsverfahren in einer Nachbehandlungsstufe 12 unterzogen. Die Reststoffe (Salze etc.) im Block 13 deponiert.

Die Erfindung ist auf das Ausführungsbeispiel keinesfalls be schränkt. So lassen sich ein oder mehrere ozon- und UV-bil dende Abschnitte in beliebiger Reihenfolge anordnen. Dabei sind Anordnungen denkbar, bei denen einer Ozonstufe O eine UV- Stufe U vorgeschaltet ist. Die Spaltungsmechanismen laufen dann dergestalt ab, daß im UV-Abschnitt photolytisch "aufbereitete" Schadstoffe im nachfolgenden Ozon-Abschnitt chemisch weiterreagieren.

Ferner kann es vorteilhaft sein, bei Serienschaltung mehrerer Stufen mit unterschiedlichen Gasfüllungen im ersten Entla dungsraum 7 zu arbeiten, um die Wellenlänge der UV-Strahlung dem jeweiligen Prozeß optimal anpassen zu können.

Für größere Gasdurchsätze können auch mehrere derartiger Ein richtungen parallelgeschaltet werden, wie es bei sogenannten Rohrbündel-Ozonisatoren in der Ozontechnik geläufig ist.

Bezeichnungsliste

1 doppelwandiges Quarzrohr
2, 3 Deckel
4, 5 Wände von 1
6 Außenelektrode an 4
7 erster Entladungsraum
8 Elektrodenspirale
8a Elektrodendraht
9 Wechselstromquelle
10 zweiter Entladungsraum
11 Entgiftungsstufe
12 Nachbehandlungsstufe
13 Reststoffdeponie
w₁ Spaltweite des ersten Entladungsraums 7
w₂ Spaltweite des zweiten Entladungsraums

Claims

1. Verfahren zur Entgiftung von schadstoffhaltigen, Sauer stoff enthaltenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Gas sowohl UV-Strahlung als auch der Einwirkung von Ozon ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe von Ozon durch stille elektrische Entladungen im durchströmenden Gas in situ erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Zugabe von Ozon der Gasstrom UV-Strahlung ausgesetzt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch

- ein doppelwandiges Rohr (1) aus dielektrischem Mate rial, dessen äußere Wand mit einer Außenelektrode (6) versehen ist, und dessen innere Wand (5) für UV- Strahlung transparent ist,
- eine im Inneren des doppelwandigen Rohres (1) ange ordnete Elektrodenanordnung (8), die in mindestestem einem ersten Längsabschnitt (O) von der Innenwand des Rohres (1) durch einen Spalt beabstandet ist, und die in mindestens einem zweiten Längsabschnitt (U) im wesentlichen an der besagten Innenwand an liegt,
- durch den Innenraum des doppelwandigen Rohres (1) ist ein Gas hindurchführbar,
- der Ringraum (7) zwischen innerer (5) und äußerer Wand (4) des doppelwandigen Rohres ist mit einem un ter Entladungsbedingungen UV-Strahlung aussendendem Füllgas gefüllt,
- an die Außenelektrode (6) und die besagte Elektro denanordnung (8) im Inneren des doppelwandigen Rohres (1) ist eine Wechselstromquelle (9) zur Spei sung der Entladung angeschlossen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung spiralig ausgeführt ist, wobei im ersten Längsabschnitt die Spirale von der Innenwand des Rohres beabstandest ist, im zweiten Abschnitt die Spirale an dieser Wand anliegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung gitter- oder netzförmig ist , wo bei im ersten Längsabschnitt das Gitter bzw. das Netz von der Innenwand des Rohres beabstandest ist, im zweiten Ab schnitt das Gitter bzw. das Netz an dieser Wand anliegt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (8) im ersten Längsabschnitt (O) aus einem gestrecktem Draht (8a) be steht, der im zweiten Längsabschnitt (U) in eine Spirale übergeht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (8) derart ausgebildet ist, daß sie als Turbulenzerzeuger für das durchströmende Gas wirkt.