DE69838857T2

DE69838857T2 - Verfahren zur Behandlung eines kontaminierten Gases

Info

Publication number: DE69838857T2
Application number: DE69838857T
Authority: DE
Inventors: Brian Edward London Butters; Anthony Leonard London Powell
Original assignee: Purifics Environmental Technologies Inc
Current assignee: Purifics Environmental Technologies Inc
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: WO1999012853A1; CA2304766A1; CA2304766C; DE69838857D1; DE69825068T2; KR20010023858A; EP1021375A1; US6136203A; EP1021375B1; US6398971B1; DE69825068D1; JP2001515786A

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Die vorliegende Erfindung ist eine Teilanmeldung von EP 98 942 423.9 und beansprucht die Priorität der US Provisional Application der Serial Number 60/058,411 , mit dem Titel "Photocatalytic Air Treatment", mit den genannten Anmeldern Brian E. Butters und Anthony L. Powell, eingereicht am 10. September 1997.
VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist verwandt mit US Patent Nr. 5,462,674 , "Method and System for Photocatalytic Decontamination", Erfinder Brian E. Butters und Anthony L. Powell, erteilt am 31. Oktober 1995; US Patent Nr. 5,589,078 , "Advanced Filtration Technique for Fluid Purification", Erfinder Brian E. Butters und Anthony L. Powell, erteilt am 31. Dezember 1996; und US Patent Nr. 5,554,300 , "Purification System", Erfinder Brian E. Butters und Anthony L. Powell, erteilt am 10. September 1996.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur photokatalytischen Behandlung von kontaminiertem Gas.
HINTERGRUND
In der Vergangenheit wurden Behandlungssysteme und -techniken zum Entfernen von Kontaminationen aus kontaminiertem Gas entwickelt. Manche von diesen Behandlungssystemen und -techniken umfassen Behandlungen unter Verwendung eines photokatalytischen Verfahrens. Übliche photokatalytische Behandlungsmethoden machen typischerweise von einer Technik Gebrauch, bei der ein Photokatalysator an ein Substrat oder einen Wirbelschichtreaktor gebunden oder daran fixiert ist. Photokatalytische Reaktionen werden danach hervorgerufen durch Bestrahlen des fixierten Photokatalysators mit elektromagnetischer Strahlung wie etwa Ultraviolettlicht, um ihn auf diese Weise zu aktivieren. Resultierende photokatalytische Reaktionen führen eine Zerstörung von Kontaminationen, wie etwa von flüchtigen organischen Kontaminationen oder anderen biologisch schädlichen Verbindungen, die in der Nähe des aktivierten Photokatalysators sind, herbei.
Es können mehrere signifikante Probleme angetroffen werden, wenn bekannte photokatalytische Systeme und Techniken zur Behandlung von Luft verwendet werden. Ein Problem ist die Erfordernis, den "Massentransfer" zu maximieren, was die Anzahl von Kollisionen zwischen Kontaminationen und einem aktivierten Photokatalysator ist. Photokatalytische Zerstörung findet nur an der Oberfläche des Photokatalysators statt, wo der Photokatalysator die Kontaminationen kontaktiert. Wenn ein unzureichender Grad an Massentransfer auftritt, gelangen Kontaminationen direkt durch das Behandlungssystem hindurch, ohne dem Photokatalysator ausgesetzt zu werden. Demzufolge sind bekannte Systeme zur photokatalytischen Behandlung von Luft signifikant überdimensioniert, um Massentransferlimitationen zu überwinden, was die Kosteneffizienz derartiger Systeme vermindert.
Ein weiteres bekanntes Problem mit bekannten photokatalytischen Systemen zur Behandlung von Luft ist Fouling. Feuchte Luftströme können Foulingstoffe enthalten, welche oxidieren und/oder sich auf der Oberfläche des Photokatalysators ansammeln. Ein Beschichten oder Bedecken des Photokatalysators mit Foulingsstoffen erniedrigt daher die Effizienz des Photokatalysators erheblich, aufgrund einer Verringerung der wirksamen Oberfläche des Photokatalysators, welche für eine Bestrahlung zur Verfügung steht. Um die schädlichen Wirkungen, die durch Fouling hervorgerufen werden können, zu verhindern, muss der Photokatalysator häufig gereinigt oder ersetzt werden. Dies ist eine zeitaufwendige und somit teure Prozedur. Zusätzlich vermindert das Binden oder Fixieren eines Photokatalysators an ein Substrat oder einen Bettreaktor, und das Halten des Photokatalysators in einem immobilisierten Zustand, die Effizienz und Wirksamkeit des Photokatalysators. Beispielsweise wird typischerweise die Kristallstruktur eines Photokatalysators auf unerwünschte Weise verändert, wenn ein Photokatalysator während des Anbindens des Photokatalysators an ein Substrat erwärmt wird. Es ist auch unerwünscht, einen bereits gebundenen oder fixierten Photokatalysator auszutauschen, da ein derartiger Austausch eine zeitaufwendige und teure Prozedur ist.
Mit bekannten Methoden zur photokatalytischen Behandlung von Luft ergeben sich Sicherheitsprobleme, wenn explosive Verhältnisse von Kontaminationen in einem gegebenen Luftstrom vorhanden sind. Dies folgt daraus, dass eine direkte photokatalytische Behandlung die explosiven Kontaminationen potentiell zur Zündung bringen könnte, aufgrund einer Temperaturerhöhung oder durch die Zündungsquelle eines Bestrahlungselements.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher ein Bedarf an einem System zur photokatalytischen Behandlung von kontaminiertem Gas entstanden, welches unter anderem die vorstehend genannten Defekte von bekannten photokatalytischen Behandlungsverfahren überwindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zur photokatalytischen Behandlung von kontaminiertem Gas bereitgestellt, welches die mit bekannten Systemen und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminierten Medien assoziierten Nachteile und Probleme im Wesentlichen beseitigt oder verringert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein in einer flüssigen Phase arbeitendes photokatalytisches Verfahren zur Behandlung von verschiedenen Typen von kontaminierten Gasen, umfassend Luft, verwendet. Beispielsweise kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Flüssigkeit wie etwa Wasser oder eine andere geeignete Substanz dazu verwendet werden, in Verbindung mit einem photokatalytischen Verfahren zu zirkulieren und die Dekontamination eines kontaminierten Gases zu bewirken. Durch Transfer von kontaminierenden Medien in eine flüssige Phase, in welcher sie durch ein photokatalytisches Verfahren dekontaminiert werden, werden signifikante Vorteile abgeleitet.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Behandlung von kontaminiertem Gas. Das System umfasst einen Konverter, wie etwa einen Gaswäscher, welcher dazu verwendet wird um Gaskontaminationen in ein flüssiges Medium wie etwa eine photokatalytische Aufschlämmung zu transferieren. Ein photokatalytisches System ist mit dem Konverter verbunden, und wird dazu verwendet, um die Kontaminationen unter Verwendung einer photokatalytischen Reaktion zu unschädlichen Verbindungen zu oxidieren und/oder reduzieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von kontaminierten Medien in einem einzigen Behälter. Das Verfahren umfasst das Einspritzen eines kontaminierten gasförmigen Mediums in den Behälter. Danach wird eine photokatalytische Aufschlämmung in einer derartigen Weise zu dem Behälter zugegeben, so dass sie die Kontaminationen aus dem kontaminierten gasförmigen Medium adsorbiert, wie etwa, indem man einen Strom der katalytischen Aufschlämmung in Gegenstromrichtung zu dem Strom des kontaminierten Gases verursacht. Die photokatalytische Aufschlämmung mit den adsorbierten Gaskontaminationen wird danach elektromagnetischer Strahlung wie etwa Ultraviolettstrahlung ausgesetzt, so dass die Kontaminationen zu unschädlichen Verbindungen reduziert werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt viele wichtige technische Vorteile bereit. Ein wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein System und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminiertem Gas, welches einen erhöhten Massentransfer zwischen der organischen Kontamination der Luftphase und dem Photokatalysator bereitstellt, was Probleme überwindet, welche mit einer schlechten Adsorption von organischen Verbindungen der Mediumphase an den Photokatalysator assoziiert sind.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein System und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminierten Medien, bei dem die Skalierung von Reaktoren für erhöhte Luftstromraten in einfacher Weise bewerkstelligt werden kann, durch Erhöhen der Anzahl und der Größe der Düsen, und der Größe der Reaktionskammer. Auf diese Weise können in einfacher Weise Luftbehandlungssysteme implementiert werden, welche Luftvolumina von bis zu hunderttausenden Kubikfuß pro Minute behandeln können.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein System und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminierten Medien, welches eine Zugabe von irreversiblen Elektronenakzeptoren wie etwa Wasserstoffperoxid zu einer die kontaminierten Medien enthaltenden photokatalytischen Aufschlämmung ermöglicht, um die Reaktionskinetik zu erhöhen und somit die Größe der Anlage zu verringern. Dieses Verfahren ermöglicht, organische Schadstoffe in einer Stickstoffumgebung, wie etwa unter Stickstoffschutzschichten in Verfahrenstanks, zu behandeln, wobei Oxidationsmittel zu der photokatalytischen Aufschlämmung zugegeben werden können ohne eine Explosionsgefahr hervorzurufen.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein System und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminierten Medien, bei dem der Photokatalysator mobilisiert ist und während des Verfahrens verändert werden kann, wie etwa durch Abziehen der gebrauchten photokatalytischen Aufschlämmung und Zugeben von ungebrauchter photokatalytischer Aufschlämmung. Auf diese Weise kann die Behandlung kontinuierlich durchgeführt werden, ohne die Erfordernis von regelmäßigen Abschaltungen um die Photokatalysatorelemente auszuwechseln.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein System und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminierten Medien, bei dem die photokatalytischen Zusammenstellungen keinem anorganischem Fouling mit Substanzen wie etwa Eisen und Calcium unterliegen. Die vorliegende Erfindung verwendet ein verteiltes photokatalytisches Element, welches gegenüber anorganischem Fouling beständig ist.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein System und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminierter Luft, welches keine Steuerung des Feuchtigkeitsgrads der kontaminierten Luft erfordert. Ein nochmals weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein System und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminierten Medien, welches ein geschlossenes Regelsystem verwendet, das keine kontinuierliche Zugabe von flüssigem Medium oder von Luft erfordert.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein System und Verfahren zur photokatalytischen Behandlung von kontaminierter Luft, welches dazu verwendet werden kann, um auf sichere Weise Explosivstoffe (beispielsweise Nitroglyzerin) oder entflammbare Kontaminationen in der wässrigen Phase anstatt in der Luftphase zu behandeln. Auf diese Weise kann unbeabsichtigte Explosion oder Zündung vermieden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bestandteile bezeichnen, und worin:
1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Behandlung von Kontaminationen aus Luft gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein schematisches Diagramm eines Behandlungssystems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Fließdiagramm eines Verfahrens zur Behandlung von kontaminiertem Gas gemäß der Ausführungsform von 1 ist;
4 ein Fließdiagramm eines Verfahrens zur Behandlung von kontaminiertem Gas gemäß der Ausführungsform von 2 ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende Beschreibung erläutert im Detail, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Behandlung von kontaminiertem Gas durch die Verwendung eines photokatalytischen Behandlungssystems auf Basis einer photokatalytischen Aufschlämmung. In genaueren Worten stellt die vorliegende Erfindung den Transfer von organischen Kontaminationen aus einer Gasphase in eine flüssige Phase, und die nachfolgende Behandlung derartiger Kontaminationen durch Verwendung einer photokatalytischen Aufschlämmung, die bevorzugt einen frei in einer wässrigen Phase suspendierten Photokatalysator wie etwa TiO₂ umfasst, bereit. Das Einbringen der Kontaminationen in eine wässrige Phase, wobei der Photokatalysator in einer photokatalytischen Aufschlämmung suspendiert ist, überwindet Massentransferprobleme, indem die Häufigkeit von Kollisionen zwischen Kontaminationen und photokatalytischen Partikeln erhöht wird. Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Regulierung des pH-Werts des wässrigen Stroms von Kontaminationen bereit, so dass unter anderem Foulingstoffe im Wesentlichen davon abgehalten werden können, sich an die Oberfläche der in der photokatalytischen Aufschlämmung vorhandenen photokatalytischen Partikel anzulagern. Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Technik bereit, bei der Kontaminationen effizient zerstört werden, durch die Verwendung eines in einem wässrigen Modus arbeitenden photokatalytischen Systems.
Organische Kontaminationen aus Luft können mit ausreichenden Verhältnissen von Wasseroberfläche zu Gasvolumen leicht in die wässrige Phase gewaschen werden. Ein Luftwäscher kann eine Säule mit einem gepackten Bett umfassen, wobei Wasser oder eine andere geeignete Flüssigkeit das Bett herunter fließen gelassen wird, während unten kontaminierte Luft eingeführt wird, so dass ein Phasentransfer stattfindet. Ebenfalls oder alternativ kann eine Düse verwendet werden um Wasser als feine Partikel in eine Kammer einzusprühen, welche das kontaminierte Gas enthält, um die Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen auf derartige Weise zu erhöhen. Die Verwendung von Wasser, welches frei von organischen Kontaminationen ist, wird die Effizienz der Luftwäsche verbessern, so dass Abflusswasser, das aus den Behandlungssystemen abgezogen wird, von organischen Kontaminationen gereinigt werden sollte, bevor es erneut für weiteres Waschen verwendet werden kann.
1 ist ein Blockdiagramm eines Systems 200 zur Behandlung von Kontaminationen aus Luft gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 200 wird dazu verwendet, um Gaskontaminationen in die wässrige Phase zu transferieren. Bevorzugt wird System 200 zur Behandlung von Kontaminationen aus Luft unter Verwendung von Wasser als ein Waschlösungsmittel in einem geschlossenen Regelsystem verwendet, wodurch schädliche Emissionen während der Behandlung der Kontaminationen aus Luft somit beseitigt werden. Andere Lösungsmittel und andere Medien können ebenfalls oder alternativ dekontaminiert werden, wie vorstehend beschrieben.
Ein kontaminierter Gasstrom wie etwa Luft mit Luftkontaminationen wird mittels Leitung 202 in einen Gaswaschturm 204 transferiert, der ein Konverter ist, in dem die Kontaminationen von der Gasphase in eine wässrige Phase konvertiert oder transferiert werden. Oben am Gaswaschturm 204 befindet sich eine Düse 206, welche ein Lösungsmittel wie etwa Wasser, photokatalytische Aufschlämmung oder eine andere geeignete Flüssigkeit nach unten in den Gaswaschturm 204 dispergiert. Die zerstäubten Moleküle der Flüssigkeit können dem Gaswaschturm 204 zugeführt werden durch Lösungsmittelzufuhrleitungen 212 mittels beispielsweise einer Pumpe (nicht abgebildet). Der kontaminierte Luftstrom, der nach oben durch den Gaswaschturm 204 geführt wird, trifft daher im Gaswaschturm 204 auf das sich nach unten bewegende Lösungsmittel. Die Kontaminationen, wie etwa flüchtige organische Verbindungen oder andere Kontaminationen, werden danach wie etwa mittels Adsorption oder Absorption von der Gasphase in die wässrige Phase transferiert und wandern nach unten zum Boden von Gaswaschturm 204. Die in wässriger Phase mit dem Wasser, photokatalytischer Aufschlämmung oder anderer Flüssigkeit vorliegenden Kontaminationen werden danach mittels Pumpe 216 zu einem photokatalytischen System 218 geführt. Das photokatalytische System 218 ist bevorzugt derart konfiguriert, so dass es in einem wässrigen Modus arbeitet. Gas, das im Wesentlichen frei von Kontaminationen ist, wird durch einen Gasauslass 208 oben am Gaswaschturm 204 abgelassen. Dieses Gas kann ebenfalls in einem geschlossenen Regelsystem verwendet werden. Obwohl ein Gaswaschturm 204 gezeigt ist, können zwei oder mehr Gaswaschtürme 204 verwendet werden, von denen jeder größenmäßig derart ausgelegt ist, so dass das Niveau der Behandlung zur Entfernung von Kontaminationen erhalten wird, welches erforderlich ist um Kontaminationen aus dem kontaminierten Gasstrom zu entfernen. Die zusätzlichen Gaswaschtürme 204 können auch in Reihe miteinander verbunden sein, um das Niveau an Kontaminationen auf ein vorbestimmtes akzeptables Niveau zu verringern, wobei das Niveau an Kontaminationen über einen breiten Bereich variieren kann, wodurch somit ermöglicht wird, nicht benötigte Stufen des Gaswaschsystems abzuschalten, um so Energie einzusparen.
Kontaminationen der wässrigen Phase werden bevorzugt mittels Pumpe 216 zu dem wässrigen photokatalytischen System 218 geführt. Derartige Kontaminationen können beispielsweise in einem Vorratstank (nicht abgebildet) gelagert werden, bevor sie dem wässrigen photokatalytischen System 218 zugeführt werden. Das wässrige photokatalytische System 218 ist operativ um derartige Kontaminationen zu behandeln, wie etwa durch Oxidation oder auch Reduktion der Kontaminationen zu unschädlichen Materialien. Als ein Beispiel, jedoch nicht als Einschränkung, ist ein geeignetes wässriges photokatalytisches System 218, das verwendet werden kann um Kontaminationen zu entfernen, das photokatalytische System auf Basis einer Aufschlämmung, welches offenbart ist in US Patent Nr. 5,462,674 , "Method and System for Photocatalytic Decontamination", Erfinder Brian E. Butters und Anthony L. Powell, erteilt am 31. Oktober 1995, und in US Patent Nr. 5,589,078 , "Advanced Filtration Technique for Fluid Purification", Erfinder Brian E. Butters und Anthony L. Powell, erteilt am 31. Dezember 1996, welche beide durch Bezugnahme für alle Zwecke hierin aufgenommen sind. Andere geeignete photokatalytische Systeme, wie beispielsweise etwa diejenigen, welche offenbart sind in den US Patenten Nr. 5,118,422 und 5,174,877 , erteilt an Cooper et al., können innerhalb des Grundgedankens und Umfangs der vorliegenden Erfindung jedoch ebenfalls verwendet werden. Das wässrige photokatalytische System 218 kann ein Reinigungssubsystem 218a umfassen, welches operativ ist um die Oxidations- und Reduktionsnebenprodukte aus dem Kondensat und/oder Lösungsmittel zu entfernen, wie etwa durch Ionenaustausch, reverse Osmose, Destillation oder andere geeignete Verfahren.
Das wässrige photokatalytische System 218 ist derart bemessen, so dass es Kontaminationen, wie etwa organische Kontaminationen, in einer Geschwindigkeit oxidiert oder reduziert, welche schneller ist als die Geschwindigkeit, mit der diese in den Gaswaschturm 204 eingebracht werden.
Das in System 200 gezeigte und ausgeführte Gaswaschsystem und Verfahren stellen verschiedene Vorteile bereit. Erstens trägt die Zerstörung von Kontaminationen in der wässrigen Phase dazu bei, das Niveau an Kontaminationen in dem Lösungsmittel, das dem Gaswaschturm 204 zugeführt wird, zu minimieren, während das System 200 als ein geschlossenes Regelsystem beibehalten wird, so dass es nicht erforderlich ist, zusätzliches Lösungsmittel zuzugeben, außer um Verdampfung, Spritzer, Lecks und andere unbeabsichtigte Verluste zu kompensieren. Zweitens können Explosivstoffe wie Nitroglyzerin und entflammbare Kontaminationen sicher in der wässrigen Phase behandelt werden, ohne die Gefahren mit sich zu bringen, welche bei Behandlung derartiger Kontaminationen in der Luftphase entstehen würden.
Das System 200 kann verwendet werden um Kontaminationen an Ort und Stelle, wo sie erzeugt werden, zu reduzieren oder zu oxidieren, was die Kosten, Haftpflichten und das Potenzial für Schäden beseitigt, welche mit der Handhabung und dem Transport von organischen Kontaminationen aus Luft assoziiert sein können. Wenn ein wässriges photokatalytisches System auf Basis einer Aufschlämmung verwendet wird um die Kontaminationen zu behandeln, werden jegliche Salze, die durch die Zerstörung verschiedener Kontaminationen erzeugt werden könnten, eine geringe oder keine Beeinträchtigung des Leistungsvermögens des Behandlungssystems auf Basis der photokatalytischen Aufschlämmung haben.
2 ist ein schematisches Diagramm von Behandlungssystem 400 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Behandlungssystem 400 umfasst einen Reaktor 406 mit einem Verteiler 416, welcher konfiguriert ist, um photokatalytische Aufschlämmung in den Reaktor 406 einzuspritzen. Beispielsweise kann der Verteiler 416 mehrere Düsen oder andere Einspritzvorrichtungen oben am Reaktor aufweisen, um Lösungsmittelpartikel im Mikrometerbereich und/oder Submikrometerbereich, die eine oder mehrere photokatalytische Verbindungen enthalten, nach unten in den Reaktor 406 zu dispergieren, oder er kann photokatalytische Aufschlämmung in flüssiger Phase in den Reaktor 406 einspritzen. Der Reaktor 406 umfasst des Weiteren eine oder mehrere Strahlung-emittierende Vorrichtungen 420 wie etwa Ultraviolettlampen, welche in Nähe der Oberseite des Reaktors angeordnet sein können. Unten am Reaktor 406 ist ein Lufteinlassverteiler 408 bereitgestellt, und wird dazu verwendet um einen kontaminierten Gasstrom von Gaseinlass 402 und Gebläse 404 innerhalb des Reaktors 406 nach oben zu führen.
Das Behandlungssystem 400 verwendet bevorzugt Zerstäubung einer photokatalytischen Aufschlämmung auf Basis von Lösungsmittel, wie etwa TiO₂, das in Wasser aufgelöst ist. Das Zerstäuben kann mittels verschiedener Verfahren bewerkstelligt werden, wie etwa durch die Verwendung eines Verteilers 416 mit einer für Zerstäubung konfigurierten Düse oder durch die Verwendung von akustischer Energie oder von anderen geeigneten Systemen oder Verfahren. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden eine oder mehrere photokatalytische Verbindungen zu einem geschlossenen Wasserzufuhrkreislauf zugegeben um eine photokatalytische Aufschlämmung 410 zu bilden. Eine Pumpe 412 wie etwa diejenigen, welche in einem Luftwäscher verwendet werden, wird verwendet um photokatalytische Aufschlämmung 410 durch die Zufuhrleitung 414 für photokatalytische Aufschlämmung zum Verteiler 416 zu fördern. Innerhalb des Reaktors 406 ist eine Anordnung von Strahlung-emittierenden Vorrichtungen 420 wie etwa Ultraviolettlampen bereitgestellt, um die erforderliche Energie zuzuführen um Photokatalyse zu fördern. Die Strahlung-emittierenden Vorrichtungen sind derart angeordnet, so dass die Bestrahlung des Strömungsfelds der photokatalytischen Aufschlämmung innerhalb des Reaktors 406 maximiert ist. Das Behandlungssystem 400 kombiniert somit das Verfahren, Kontaminationen in eine wässrige Phase zu transferieren, wie etwa mittels Adsorption, und das Verfahren einer Photokatalyse, wie etwa mit einer photokatalytischen Aufschlämmung, innerhalb eines einzigen Reaktors, so dass sie praktisch gleichzeitig durchgeführt werden.
Das kontaminierte Gas wie etwa Luft wird bevorzugt in Gegenstromrichtung zu der photokatalytischen Aufschlämmung durch den Reaktor 406 transferiert, um die Reynolds-Zahl der photokatalytischen Aufschlämmung und somit die Vermischung oder den Massentransfer zu erhöhen. Das kontaminierte Gas wird die photokatalytische Aufschlämmung als eine Funktion der Reynolds-Zahl kontaktieren. Die Geschwindigkeit, mit der die Kontaminationen wie etwa flüchtige organische Verbindungen reduziert oder oxidiert werden, ist ebenfalls eine Funktion der Reynolds-Zahl. Nach der Behandlung wird die Luft, welche zur Entfernung von Kontaminationen behandelt worden ist, über den Auslass 418 abgelassen, und die photokatalytische Aufschlämmung 410 wird mittels Pumpe 412 und Zufuhrleitung 414 für die photokatalytische Aufschlämmung zur fortgesetzten Verwendung rezirkuliert. Die abgelassene Luft kann, falls erforderlich, mit zusätzlichen Reaktorstufen behandelt werden um das Niveau an Kontaminationen auf ein vorbestimmtes akzeptables Niveau zu verringern, aber bevorzugt wird eine einzige Reaktorstufe verwendet. Der Reaktor 406 arbeitet somit um gasförmige Kontaminationen in die flüssige Phase zu transferieren, und um Kontaminationen durch wässrige Photokatalyse zu unschädlichen Verbindungen umzusetzen.
Das Behandlungssystem 400 stellt viele wichtige technische Vorteile bereit. Ein wichtiger Vorteil besteht darin, dass der Massentransfer zwischen den Kontaminationen der Gasphase und der photokatalytischen Aufschlämmung in hohem Maße erhöht ist. Eine Skalierung des Reaktors 406 für erhöhte Luftstromraten kann ebenfalls in einfacher Weise bewerkstelligt werden, durch Erhöhen der Größe des Lufteinlassverteilers 408, der Anzahl der Düsen 409 und der Größe des Reaktors 406. Dieser Vorteil ermöglicht eine Behandlung von Luftstromraten von mehr als einhunderttausend Kubikfuß pro Minute.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine effektive Belüftung für die photokatalytische Oxidation bereit. Ein Zusatzstoff, wie etwa irreversible Elektronenakzeptoren, beispielsweise Wasserstoffperoxid, kann ebenfalls zu der photokatalytischen Aufschlämmung zugegeben werden, von einem Elektronenakzeptortank 422 zu der Zufuhrleitung 414 für die photokatalytische Aufschlämmung unter Verwendung einer Pumpe 424 und einer Zufuhrleitung 426. Die Zusatzstoffe können Verbindungen umfassen, welche verwendet werden um die Wechselwirkung zwischen den Kontaminationen und der photokatalytischen Aufschlämmung zu verbessern, wie etwa ein Oxidationsmittel, Nährstoffe, oberflächenaktive Substanzen oder andere geeignete Verbindungen. Organische Schadstoffe können somit in reinem Stickstoff behandelt werden, wie etwa durch Behandlung des kontaminierten Gases mit photokatalytischer Aufschlämmung unter Verwendung einer Stickstoffschutzschicht in den Verfahrenstanks, während ein oder mehrere Oxidationsmittel in der Form von irreversiblen Elektronenakzeptoren direkt zu der photokatalytischen Aufschlämmung zugegeben werden können.
Das Behandlungssystem 400 umfasst eine mobilisierte photokatalytische Aufschlämmung, die je nach Zweckmäßigkeit während des Betriebs oder während einer kurzen Abschaltung ausgewechselt werden kann. Die im Behandlungssystem 400 verwendete photokatalytische Aufschlämmung unterliegt keinem anorganischem Fouling mit Substanzen wie etwa Eisen und Calcium. Die Bestrahlungsvorrichtungen 420, wie etwa Ultraviolettlampen 420, können während des Betriebs ausgewechselt werden, wodurch somit ermöglicht wird, dass der Betrieb des Systems aufrecht gehalten wird, während die Bestrahlungsvorrichtungen 420 gewartet werden. Weiterhin bestehen für das Behandlungssystem 400 keine zu steuernden Feuchtigkeitsfaktoranforderungen, da die photokatalytische Reaktion in einer wässrigen Lösung stattfindet. Dieses Merkmal beseitigt das Erfordernis, die Temperatur des Luftstroms zu steuern um ein gewünschtes Feuchtigkeitsniveau zu erhalten. Diese Vorteile resultieren in weniger Ausrüstung, Hardware, Steuerungssystemen, Energiesystemen, Instrumentierungssystemen und anderen Systemen und Komponenten als bei bekannten Systemen zur Verringerung von Kontaminationen.
3 ist ein Fließdiagramm eines Verfahrens 500 zur Behandlung von kontaminiertem Gas gemäß der Ausführungsform von 1 der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 500 beginnt mit Schritt 502, bei dem ein Gas, welches Kontaminationen wie etwa flüchtige organische Verbindungen mit sich führt oder umfasst, in einen Gaswäscher eingespritzt wird. Das Gas kann Luft sein, die in einem Bereich gesammelt worden ist, in dem flüchtige organische Verbindungen verwendet werden, Luft, die Verbrennungsgase aus einem Abfallverbrennungsverfahren umfasst, oder andere geeignete Gase, die Kontaminationen umfassen. Das Gas kann durch ein geeignetes Verfahren eingespritzt werden, wie etwa durch Einspritzung über einen Düsenverteiler in eine Flüssigkeit, ein Gas, ein Aerosol, ein permeables festes Material, oder andere geeignete Materialien.
Nachdem die Einspritzung des Gases in den Wäscher initiiert worden ist, geht das Verfahren über zu Schritt 504, bei dem eine Flüssigkeit durch den Wäscher zirkuliert wird. Die Flüssigkeit kann Wasser oder andere geeignete Lösungsmittel sein, welche verwendet werden um gasförmige Kontaminationen zu adsorbieren oder aufzulösen. Die Flüssigkeit kann durch den Wäscher zirkuliert werden, indem man die Flüssigkeit durch einen Verteiler von Strahldüsen einspritzt, so dass ein Aerosol gebildet wird, mit nachfolgender Sammlung an einen Schwerkraftsammelpunkt, durch Zirkulieren der Flüssigkeit in flüssiger Phase, oder durch andere geeignete Verfahren. Das Verfahren geht danach über zu Schritt 506.
In Schritt 506 wird die Flüssigkeit, welche adsorbierte Kontaminationen enthält, aus dem Wäscher entfernt, und das von Kontaminationen gereinigte Gas wird aus dem Wäscher abgelassen. Wenn das verwendete Gas Luft ist, ist das Niveau an Kontaminationen, das in dem abgelassenen Gas verbleibt, bevorzugt niedrig genug, so dass die Luft direkt an die Umgebung abgelassen oder wieder verwendet werden kann. Wenn das vorbestimmte Niveau einer Konzentration von Kontaminationen nicht erreicht worden ist, dann kann das abgelassene Gas für eine nachfolgende Entfernung von Kontaminationen zurück zu einer weiteren Gaswascheinheit geführt werden. Die Flüssigkeit, welche Kontaminationen enthält, kann durch Sammeln an einem Schwerkraftsammelpunkt entfernt werden, wie etwa dort, wo sich Aerosolpartikel einer Flüssigkeit ansammeln könnten, und kann danach für eine weitere Behandlung zu einem Aufbewahrungstank transferiert werden. Wenn die Flüssigkeit in flüssiger Phase durch den Wäscher zirkuliert wird, kann sie in ähnlicher Weise gesammelt und aus dem Wäscher heraus gepumpt werden. Die Flüssigkeit wird danach in Schritt 508 mittels wässriger Photokatalyse behandelt, wie etwa durch Transferieren der Flüssigkeit aus dem Aufbewahrungstank zu einem wässrigen photokatalytischen System auf Basis einer Aufschlämmung.
Das Verfahren 500 ist ein kontinuierliches Behandlungsverfahren, so dass die Schritte 502 bis 508 fortgeführt werden, nachdem sie initiiert worden sind. Weiterhin ist die gezeigte Reihenfolge der Schritte beispielhaft, und die Schritte können in einer geeigneten Weise initiiert werden. Beispielsweise kann das Zirkulieren von Flüssigkeit durch den Wäscher vor dem Einspritzen von Gas initiiert werden, oder andere Verfahrensschritte können je nach Zweckmäßigkeit untereinander ausgetauscht werden.
Das Verfahren 500 kann somit verwendet werden um Kontaminationen zu behandeln, indem diese unter Verwendung eines Gaswäschers und eines Lösungsmittels in flüssiger Form oder in Form eines Aerosols aus einer Gasphase entfernt werden, und danach unter Verwendung eines photokatalytischen Behandlungssystems reduziert werden. Die Kontaminationen können gasförmig sein, oder sie können von einer flüssigen oder festen Phase in eine Gasphase überführt werden, wie etwa durch Verbrennen oder Erwärmen. Mehrere Gaswaschstufen können verwendet werden um das Niveau an Kontaminationen auf ein vorbestimmtes Niveau zu verringern. Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung ein modulares und erweiterbares Verfahren zur Behandlung von Kontaminationen bereit, welches dort verwendet werden kann, wo die Kontaminationen erzeugt werden, um die Kosten und die Komplexität des Verfahrens zur Behandlung von Kontaminationen zu verringern.
4 ist ein Fließdiagramm eines Verfahrens 800 zur Behandlung von kontaminierten Medien gemäß der Ausführungsform von 2 der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 800 kann verwendet werden, um in einem einzigen Behälter kontaminierte Medien mit einer photokatalytischen Aufschlämmung zu behandeln. Das Verfahren 800 beginnt mit Schritt 802, bei dem Gas, welches Kontaminationen enthält, in den Behälter eingespritzt wird. Beispielsweise kann das Gas eingespritzt werden unter Verwendung eines Verteilers mit Gasdüsen, der Behälter kann mit photokatalytischer Aufschlämmung geflutet werden und das Gas kann durch ein Gitter eingespritzt werden um Mikroblasen zu erzeugen, oder es können andere geeignete Verfahren verwendet werden. Es kann jedes Verhältnis von Wasser zu Luft verwendet werden. Das Verfahren geht danach über zu Schritt 804, bei dem ein Elektronenakzeptor wie etwa Wasserstoffperoxid zu einer photokatalytischen Aufschlämmung zugegeben wird. Der Schritt 804 kann weggelassen werden, aber er verbessert typischerweise die Effektivität des photokatalytischen Verfahrens. Das Verfahren geht danach über zu Schritt 806.
In Schritt 806 wird die photokatalytische Aufschlämmung in den Behälter eingespritzt. Beispielsweise kann die photokatalytische Aufschlämmung eingespritzt werden, indem man die photokatalytische Aufschlämmung durch einen Düsenverteiler einsprüht, um einen Aerosolnebel von Tröpfchen im Mikrometer- oder Submikrometerbereich zu erzeugen, die photokatalytische Aufschlämmung kann in flüssiger Phase in den Behälter gepumpt werden, oder andere geeignete Verfahren können verwendet werden um die photokatalytische Aufschlämmung in den Behälter einzuspritzen. Die eingespritzte photokatalytische Aufschlämmung und das eingespritzte Gas, welches Kontaminationen enthält, gehen danach eine Wechselwirkung ein, und die Kontaminationen werden vom Gas in die photokatalytische Aufschlämmung transferiert, wie etwa mittels Adsorption. Das Verfahren geht danach über zu Schritt 808, bei dem die photokatalytische Aufschlämmung, welche Kontaminationen enthält, einer Strahlung ausgesetzt wird, wie etwa ultravioletter Strahlung oder einer anderen geeigneten Strahlung, die verursacht, dass eine photokatalytische Oxidation und/oder Reduktion der Kontaminationen stattfindet. Die photokatalytische Aufschlämmung kann danach für eine nachfolgende Behandlung von Kontaminationen (falls erforderlich) entfernt werden, und das gereinigte Gas wird aus dem Behälter entlüftet. Wenn das Niveau an Kontaminationen im Gas nicht auf ein vorbestimmtes, akzeptables Niveau gesunken ist, dann kann das Gas für eine zusätzliche Dekontaminierung einer oder mehreren zusätzlichen Stufen zugeführt werden.

Claims

System zum Entfernen von Kontaminationen aus einem kontaminierten Gasstrom, umfassend: einen Dekontaminationstank (406), Lösungsmittelzuführleitungen (414), um dem Dekontaminationstank (406) Lösungsmittel bereitzustellen, eine mit den Lösungsmittelzuführleitungen (414) verbundene und an der Oberseite des Dekontaminationstanks (406) positionierte Düse (416), wobei die Düse (416) operativ ist um das Lösungsmittel nach unten in den Tank (406) zu dispergieren, eine Gasstrompassage (408), um einen kontaminierten Gasstrom durch den Tank (406) zu führen, wobei der kontaminierte Gasstrom nach oben durch das nach unten dispergierte Lösungsmittel gelenkt wird, wobei Kontaminationen von einer gasförmigen Phase zu einer wässrigen Phase transferiert werden und daraufhin nach unten zur Unterseite des Tanks (406) wandern, eine in dem Tank (406) positionierte photokatalytische Aufschlämmung (410) zur Aufnahme der Kontaminationen der wässrigen Phase, und ein Dekontaminationssystem (420), welches operativ ist um die Kontaminationen der wässrigen Phase aus der Aufschlämmung (410) zu entfernen.
System nach Anspruch 1, wobei die Aufschlämmung (410) TiO₂ und Wasser umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die Aufschlämmung (410) dem Dekontaminationstank (406) durch die Düse (416) als ein Bestandteil des Lösungsmittels bereitgestellt wird.
System nach Anspruch 3, wobei die Aufschlämmung (410) von der Düse (416) zerstäubt wird.
System nach Anspruch 1, wobei das Dekontaminationssystem (420) strahlungsemittierende Vorrichtungen (420) in dem Dekontaminationstank (406) umfasst, um mit der Aufschlämmung (410) zu reagieren, um Photokatalyse zu fördern.
System nach Anspruch 5, wobei die strahlungsemittierenden Vorrichtungen (420) Ultraviolettlampen (420) sind.
System nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Gasauslassöffnung (418) in dem Dekontaminationstank (406), um von Kontaminationen freies gasförmiges Medium auszutragen.
System nach Anspruch 1, wobei der Dekontaminationstank (406) ein Gaswaschturm (406) ist.
System nach Anspruch 1, wobei das System ein geschlossenes Regelsystem ist.
System nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Zusatzstoff (422), welcher der Aufschlämmung zugegeben ist, um eine Wechselwirkung zwischen der Aufschlämmung (410) und den Kontaminationen während der Dekontamination zu verbessern.
System nach Anspruch 10, wobei der Zusatzstoff (422) ein irreversibler Elektronenakzeptor (422) ist.
System nach Anspruch 11, wobei der irreversible Elektronenakzeptor (422) Wasserstoffperoxid ist.
System nach Anspruch 10, wobei der Zusatzstoff (422) Verbindungen umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Oxidationsmittel, Nährstoffen und oberflächenaktiven Mitteln.
System nach Anspruch 1, wobei das Dekontaminationssystem (420) ein photokatalytisches Dekontaminationssystem (218) umfasst.
System nach Anspruch 14, wobei das Lösungsmittel Wasser ist und das photokatalytische Dekontaminationssystem (218) in einem wässrigen Modus arbeitet.
System nach Anspruch 14, wobei das photokatalytische Dekontaminationssystem (218) derart bemessen ist, so dass Kontaminationen in einer Geschwindigkeit behandelt werden, welche schneller ist als eine Geschwindigkeit, mit der Kontaminationen in den Gaswaschturm (204) eingebracht werden.
System nach Anspruch 14, wobei die Aufschlämmung eine photokatalytische Aufschlämmung ist.
System nach Anspruch 14, wobei das photokatalytische Dekontaminationssystem (218) außerhalb des Dekontaminationstanks (204) ist und die Aufschlämmung von dem photokatalytischen Dekontaminationssystem (218) aufgenommen wird.
System nach Anspruch 14, wobei das System ein geschlossenes Regelsystem ist.