DE69924313T2

DE69924313T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigtem Gas

Info

Publication number: DE69924313T2
Application number: DE69924313T
Authority: DE
Inventors: Izumi 5-chome Jun; Yasutake 5-chome Akinori; Tomonaga 5-chome Nariyuki; Tsutaya 5-chome Hiroyuki
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: US6533999B1; NO991576D0; ATE291481T1; NO991576L; DE69924313D1; CA2265083A1; EP0947233B1; EP0947233A1; CA2265083C; KR19990082788A; KR100331210B1; AU2358099A; AU723936B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas, wie verschiedene organische Verschmutzungen, übelriechende Komponenten und Bakterien, um das verunreinigte Gas ungefährlich zu machen und genauer betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas mit Ozon, um das verunreinigte Gas mit einer hohen Wirksamkeit ungefährlich zu machen.
Eine oxidative Behandlung mit Ozon ist als Verfahren zur Behandlung von verunreinigtem Gas, das z.B. verschiedene organische Verschmutzungen, übelriechende Komponenten und/oder Bakterien enthält, um dieses verunreinigte Gas unbedenklich zu machen, im Stand der Technik bekannt. Ozon, das selbst zersetzbar ist und somit wahrscheinlich nicht im behandelten Gas verbleibt, um schädliche Wirkungen auf den menschlichen Körper zu haben, wird als ein in der Zukunft umfangreich verwendetes Behandlungsmittel angesehen.
Zur Durchführung der Behandlung mit Ozon wird ein ozonhaltiges Gas aus einer ozonbildenden Vorrichtung (Ozonisator) in ein Schadstoffe enthaltendes verunreinigtes Gas injiziert. Im Allgemeinen ist die Konzentration an schädlichen Substanzen im verunreinigten Gas sehr niedrig mit dem Ergebnis, dass ein großer Teil des Ozons zersetzt ist, bevor es zu der oxidativen Zersetzung der Schadstoffe und zur Sterilisation beitragen kann. Daraus folgt, dass Ozon nicht in der Lage ist, verunreinigtes Gas mit hoher Wirksamkeit unschädlich zu machen.
Die US-A-5 248 395 offenbart ein System zur Behandlung von Dampf, der ungewünschte organische Substanzen enthält, bei dem der Dampf zu einem Zeolith-Molekularsieb geführt wird, wo er mit einem Oxidationsmittel, wie Ozon, behandelt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas, wie verschiedene organische Verschmutzungen, übelriechende Komponenten und/oder Bakterien, unter Verwendung von Ozon, das ein Oxidationsmittel mit hohem Sicherheitsfaktor darstellt, bereitzustellen.
Das obige Ziel und andere Ziele, die aus der folgenden Beschreibung deutlich werden, werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas, wie in Anspruch 1 definiert, erreicht.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung zur Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas, wie in Anspruch 3 definiert, bereit. In der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Adsorptionsschicht eine erste Adsorptionsschicht, die sich auf der anströmenden Seite befindet und ein mesoporöses Silikat enthält und eine zweite Adsorptionsschicht, die sich auf der abströmenden Seite befindet und ein dealuminiertes Faujasit enthält.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein ozonzersetzendes Mittel auf der abströmenden Seite der Adsorptionsschicht bereitgestellt werden. In diesem Fall wird das durch die Adsorptionsschicht strömende Gas in Kontakt gebracht mit dem Ozon zersetzendem Mittel, um Ozon zu zersetzen, das in dem durch die Adsorptionsschicht geströmten Gas vorhanden ist, so dass das Ozon nicht in den abströmenden Gasfluss entweicht.
Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht unbedingt alle notwendigen Merkmale, so dass die Erfindung auch eine Unterkombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
Die Erfindung kann besser aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Abbildungen verstanden werden. Die Abbildungen zeigen:
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas darstellt;
2 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen dem Molarverhältnis von Ozon zu Isopropylalkohol (IPA), der IPA-Konzentration am Auslass und der Ozon- Konzentration am Auslass im Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung, die später beschrieben wird, darstellt;
3 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen der Flussrate des Gases am Einlass, der IPA-Konzentration am Auslass und der Ozon-Konzentration am Auslass im Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung, die später beschrieben wird, zeigt; und
4 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen der Behandlungstemperatur, der IPA-Konzentration am Auslass und der Ozon-Konzentration am Auslass im Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung, die später beschrieben wird, darstellt.
Während der Untersuchungen zu Maßnahmen, um verunreinigtes Gas, das Schadstoffe enthält, durch Verwendung von Ozon unschädlich zu machen, haben die Autoren gefunden, dass Ozon und Schadstoffe in einer Gasphase selektiv an einem Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Anteil adsorbieren, um die Konzentration an Ozon und Schadstoffen am Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt gegenüber der Gasphase zu erhöhen, mit dem Ergebnis, dass das Ozon effizient die Schadstoffe in unschädliche Substanzen umwandelt. D.h., in der vorliegenden Erfindung wird zuerst das Schadstoffe enthaltende verunreinigte Gas mit Ozon vermischt, gefolgt von einem Durchleiten der Mischung durch eine Adsorptionsschicht, die ein Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt enthält, wie im Anspruch 1 definiert.
Die vorliegende Erfindung kann ein verunreinigtes Gas, das verschiedene Schadstoffe enthält, einschließlich organischen Verunreinigungen, wie VOC (flüchtige organische Verbindungen, Isopropylalkohol (IPA), Ethylacetat, BTX (Benzole, Toluole, Xylene) und halogenierte Verbindungen), die als Schadstoffe durch die japanische Umweltbehörde gekennzeichnet wurden und Dioxin; übelriechende Komponenten, wie Mercaptane und Wasserstoffsulfid, und/oder Bakterien ungefährlich machen. Der Ausdruck „verunreinigtes Gas unschädlich oder ungefährlich zu machen" soll so verstanden werden, dass es die Zersetzung von organischen Stoffen und übelriechenden Komponenten durch eine Oxidationsreaktion mit Ozon umfasst, genauso wie es eine Sterilisation von Bakterien mit Ozon beinhaltet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Ozon zuerst zu dem verunreinigtem Gas gegeben.
Ozon kann durch verschiedene Ozon herstellende Vorrichtungen (Ozonisatoren), die allgemein bekannt sind, hergestellt werden. Ein Ozonisator vom Korona-Entladungssystem, einem UV-Licht-Lampensystem und einem Wasserelektrolysesystem kann erfindungsgemäß zur Herstellung von Ozon verwendet werden. Bei dem Wasserelektrolysesystem wird eine Ionen-Austauschmembran, die einer speziellen Behandlung unterworfen wurde, zwischen einer gasdurchlässigen Elektrode (Wasserstoffelektrode), die aus Kohlenstoff und Flurharz besteht und einer Bleidioxidelektrode (Ozonelektrode) eingefügt, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Ein Ionen ausgetauschtes Wasser, das als Ausgangswasser der Ozonelektrode zugeführt wird, wird elektrolysiert, um Ozon und Sauerstoff an der Ozonelektrode und Wasserstoff an der Wasserstoffelektrode herzustellen. Da ein sauberes Ozongas mit einer hohen Konzentration erhalten werden kann, ist der Ozonisator mit einem Wasserhydrolysesystem insbesondere zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Behandlung von verunreinigtem Gas geeignet. Die Menge an Ozon kann in Abhängigkeit von der Art, den Konzentrationen usw. der Schadstoffkomponenten, die in dem verunreinigten Gas enthalten sind, eingestellt werden, liegt aber im Allgemeinen bei 1 bis 20 Mol, bevorzugt bei ca. 3 bis 10 Mol pro Mol Schadstoff bei einer üblichen Behandlung des verunreinigten Gases. Die Konzentration an Schadstoffen in dem verunreinigten Gas kann einfach durch bekannte Verfahren gemessen werden, wie mit Hilfe der Gaschromatographie.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das mit Ozon vermischte verunreinigte Gas dann durch eine Adsorptionsschicht, die ein Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt, wie in Anspruch 1 definiert, enthält, geleitet. Die erfindungsgemäß verwendeten Adsorptionsmittel sind Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt und adsorbieren nicht nur Ozon, sondern auch die Schadstoffe. Die erfindungsgemäß verwendeten Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt sind dealuminierte Faujasite (z.B. ultrastabile Zeolithe vom Y-Typ (USYs)) und mesoporöse Silikate (z.B. MCM-41 (kommerziell erhältlich von Mobil Oil Corp.), FSM-16 (kommerziell erhältlich von Toyota Chuo Kenkyusho, Japan), niedrig-Temperatur sauer-synthetisierte mesoporöse Silikate, hergestellt unter Verwendung von Tetraethoxysilan als Silikaquelle, die im folgenden als „niedrig-Temperatur mesoporöse Silikate I" bezeichnet werden oder niedrig-Temperatur sauer-synthetisierte mesoporöse Silikate hergestellt unter Verwendung einer niedermolekulargewichtigen Kieselsäure als Silikaquelle, die im folgenden als „niedrig-Temperatur mesoporöses Silikat II" bezeichnet wird. Diese Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt sind kommerziell erhältlich.
Die dealuminierten Faujasite sind ultrastabile Zeolithe vom Y-Typ (USY) mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von ca. 10 bis 400, sie können erhalten werden durch Behandlung eines Zeoliths vom Na-Y-Typ mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von ca. 5 mit Ammoniakwasser, um einen Hauptteil des im Zeolithgerüst vorhandenen Aluminiums zu entfernen.
Die mesoporösen Silikate sind poröse Körper auf Silika-Basis mit Mesolücken von 10 bis 1000 Angström, diese können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden. Durch Regulation der Herstellungsbedingungen kann das SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis der mesoporösen Silikate über einen breiten Bereich variiert werden.
Die erfindungsgemäß verwendeten Adsorptionsmittel haben ein SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von 10 bis zu einem, so dass es im Wesentlichen aus SiO₂ alleine besteht. Zum Beispiel ist MCM-41 ein poröser Körper auf Silikabasis mit einer spezifischen Oberfläche von ca. 1.600 m²/g und einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von ca. 1000. Dieses kann durch ein von der Mobil Oil Corp. entwickeltes Verfahren erhalten werden (siehe U.S.-Patente 5,378,440; 5,364,797; und 5,348,687, und C. T. Kresge, M. E. Leonowiez, W. J. Roth, J. C. Vartuli und J. S. Beck, Nature, 359, 710 (1992)). Insbesondere kann die Reaktion bei 140°C mit einem pH-Wert von 13,5 unter Verwendung von Wasserglas oder Natriumsilikat, das als Silikaquelle verwendet wird, Aluminiumsulfat als eine Aluminiumquelle und einem kationischen Tensid (mit mindestens 8 Kohlenstoffatomen), das als organisches Templat verwendet wird, durchgeführt werden, um MCM-41 zu erhalten. FMS-16 ist ein poröser Körper auf Silikabasis mit einer chemischen Struktur, die ähnlich der von MCM-41 ist und mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von ca. 1000. Das Material kann durch Interkalation zwischen Kanemit, das von Kuroda, Inagaki, et al. (siehe JP 8067578 , und S. Inagaki, Y. Fukushima und K. Kuroda, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 680 (1993)) entwickelt wurde und einem kationischen Tensid hergestellt werden. Die niedrig-Temperatur mesoporösen Silikate I können durch ein von Stucky et al. vorgeschlagenen Verfahren synthetisiert werden (siehe Q. Huo, D. I. Margolese, U. Ciesla, D. G. Demuth, P. Peng, T. E. Gier, P. Siger, A. Firouzi, B. F. Chmelka, F. Schuth und G. D. Stucky, Chem. Mater., 6, 1176 (1994)). Genauer kann das Material durch Umsetzen von Tetraethoxysilan (TEOS), das als Silikaquelle verwendet wird, Aluminiumsulfat, das als Aluminiumquelle verwendet wird und einem kationischen Tensid, das als organisches Templat verwendet wird, bei Raumtemperatur und einem pH-Wert von 1 oder weniger, erhalten werden. Weiterhin können die niedrig-Temperatur mesopörosen Silikate II durch ein von Y. M. Setoguchi, Y. Teraoka, I. Moriguch, S. Kagawa, N. Tomonaga, A. Yasutake, und J. Izumi, Journal of Porous Materials, 4, 129-13 (1997)) beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Genauer kann das Material hergestellt werden durch Umsetzen von Kieselsäure, die keine polykondensierten Silika enthält und als Silikaquelle verwendet wird, Aluminiumsulfat, das als Aluminiumquelle verwendet wird und einem kationischen Tensid, das als organisches Templat verwendet wird, bei Raumtemperatur und einem pH-Wert von 1 oder kleiner. Durch Einstellen der Reaktionsbedingungen kann das SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis des mesoporösen Silikats über einen breiten Bereich variiert werden, von solchen mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von ca. 10 bis zu solchen, die im Wesentlichen aus SiO₂ alleine bestehen.
Die Autoren haben experimentell gefunden, dass unter den Adsorptionsmitteln mit hohem Silika-Gehalt dealuminierte Faujasite mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von 20 oder größer und mesoporöse Silikate mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von 20 oder größer eine hohe Ozon-adsorbierende Fähigkeit aufzeigen, die Zersetzung des adsorbierten Ozons unterdrücken und so als bevorzugte Adsorptionsmittel verwendet werden können. Es wurde weiterhin gefunden, dass Pentazil-Zeolithe mit hohem Silika-Gehalt, die sicherlich eine hohe Ozon adsorbierende Fähigkeit aufzeigen, dazu neigen, eine hohe Rate der Ozonzersetzung aufzuweisen. Im Hinblick auf sowohl die Ozonadsorptionsfähigkeit und die Ozonzersetzungsrate sind mesoporöse Silikate mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von 20 oder größer, die am meisten befriedrigenden Adsorptionsmittel. Dann folgen dealuminierte Faujasite mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von 20 oder mehr und Pentazil-Zeolithe mit hohem Silika-Gehalt mit einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von 70 oder mehr den mesoporösen Silikaten in der genannten Reihenfolge.
Diese Adsorptionsmittel können einzeln oder in Form einer Mischung verwendet werden und können in beliebige Formen geformt werden, d.h. als Körner, Pellets, Raschig-Ringe, Waben (honeycombs) usw. in Abhängigkeit vom Verwendungszweck ausgebildet sein. Die adsorbierende Schicht, wie sie erfindungsgemäß verwendet wird, ist eine Doppelschichtstruktur umfassend eine erste Adsorptionsschicht, die sich auf der anströmenden Seite befindet und ein mesoporöses Silikat enthält, dass wirksam eine hohe Konzentration an Ozon adsorbieren kann, und eine zweite adsorbierende Schicht, die sich auf der abströmenden Seite befindet und ein dealuminiertes Faujasit, das wirksam eine geringe Konzentration Ozon adsorbieren kann. Die adsorbierende Schicht dieser Doppelschichtstruktur erlaubt eine Verbesserung der Wirksamkeit des verwendeten Ozons.
In der vorliegenden Erfindung ist die Temperatur des verunreinigten Gases, das durch die Adsorptionsschicht strömt, nicht besonders eingeschränkt, sollte aber bevorzugt bei 0°C bis 100°C und bevorzugter bei 15°C bis 50°C liegen.
Wie oben beschrieben wird in der vorliegenden Erfindung Ozon mit einem Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas vermischt und ermöglicht, dass das mit Ozon vermischte verunreinigte Gas durch eine Adsorptionsschicht, die ein Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt enthält, fließen kann, wie in Anspruch 1 definiert. Als Ergebnis findet eine Oxidationsreaktion zwischen den Schadstoffen und dem Ozon innerhalb der Adsorptionsschicht statt, um die Schadstoffe zu zersetzen. Die erfindungsgemäße besondere Technik erlaubt die Umwandlung der Schadstoffe in unschädliche Substanzen mit einer Wirksamkeit, die deutlich höher ist als die von herkömmlichen Techniken, bei denen einfach Ozon zu dem Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas hinzu gegeben wird.
Als Ergebnis von intensiven Untersuchungen zur Adsorption von Ozon in einer Gasphase haben die Autoren gefunden, dass Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt in Form von dealuminiertem Faujasit und mesoporösem Silikat wirksam Ozon und zur gleichen Zeit Schadstoffe, wie organische Verschmutzungen, Bakterien und übelriechende Komponenten, adsorbieren. Es wurde gefunden, dass das adsorbierte Ozon effizient die adsorbierten organischen Verunreinigungen und übelriechenden Komponenten oxidiert und gleichzeitig die Bakterien tötet und dass Ozon in Sauerstoff umgewandelt wird, dies führte zu der vorliegenden Erfindung.
Ohne dass die vorliegende Erfindung an eine Theorie gebunden ist, wird angenommen, dass die Ozonkonzentration (O₃) und die Konzentration der organischen Verunreinigung (ORG) in der Adsorptionsschicht mit hohem Silika-Gehalt ca. 10 bis 100fach zu der in der Gasphase ist. Andererseits ist die Umsetzungsrate von Ozon mit einem verunreinigten Gas zur Oxidation der Verunreinigungen in unschädliche Verbindungen proportional zu dem Produkt (O₃)·(ORG) der Ozonkonzentration (O₃) und der Konzentration an organischen Verunreinigungen (ORG). Es folgt, dass die Umsetzungsrate des Adsorptionsmittels mit hohem Silika-Gehalt sich um ca. das 100 bis ca. 10000 fache gegenüber einer Gasphase erhöht. Dadurch können die Schadstoffe innerhalb eines verunreinigten Gases sehr effizient durch ein in Kontakt bringen eines Ozon zugesetzten verunreinigten Gases mit einem Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt erfindungsgemäß unschädlich gemacht werden.
Es wird weiterhin angemerkt, dass das Ozon in der Gasphase auch mit anderen Substanzen als den Schadstoffen kollidiert. Die Ozonmoleküle, die mit der anderen Substanz kollidieren, werden zersetzt. Dies führt dazu, dass diese nicht zu der Reaktion einer Umwandlung von Schadstoffen in unschädliche Substanzen beitragen. Es folgt, dass das Ozon in der Gasphase nicht in der Lage ist, Schadstoffe wirksam in unschädliche Substanzen umzuwandeln. Erfindungsgemäß adsorbieren aber Ozon und Schadstoffe selektiv an das Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass Ozonmoleküle mit anderen Substanzen kollidieren, deutlich verringert ist. Ozon wird dadurch effektiv für die Umwandlung von Schadstoffen in harmlose Substanzen verbraucht.
Bei der üblichen Behandlung des verunreinigten Gases gemäß der vorliegenden Erfindung verbleibt nicht-reagiertes Ozon am Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt und entweicht somit eigentlich nicht in den abströmenden Fluss. Wenn allerdings eine große Menge Ozon zugefügt wird, wie zum Töten bestimmter Bakterien oder aus anderen Gründen, kann nicht-reagiertes Ozon in den abströmenden Fluss entweichen. In einem solchen Fall ist es möglich, dass entweichendes Ozon in Kontakt mit einem ozonzersetzenden Mittel, wie einem verbrauchenden Adsorptionsmittel (z.B. Aktivkohle), dass das Ozon in Kohlendioxid oxidieren kann, oder einer Verbindung auf Aluminabasis zu bringen, so dass das austretende Ozon komplett zersetzt wird. Es ist klar, dass die Schicht mit dem ozonzersetzenden Mittel stromabwärts der Adsorptionsschicht, wie sie erfindungsgemäß dargestellt wird, angeordnet ist. Es ist üblich Aktivkohle zur Behandlung von entweichendem Ozon einzusetzen. Allerdings, wie oben ausgeführt, ist die Umsetzungsrate bei der Behandlung von Schadstoffen in harmlose Substanzen innerhalb einer Gasphase, wie es im Stand der Technik durchgeführt wird, gering. Die geringe Umsetzungsrate führt zu hohen Konzentrationen an austretendem Ozon, mit dem Ergebnis, dass die Aktivkohle durch das Ozon in großen Mengen verbraucht wird und somit die Aktivkohle häufig erneuert werden muss. Eine Verbesserung dieser Situation ist von hoher Wichtigkeit. Die vorliegende Erfindung weist in diesem Aspekt große Vorteile auf. Insbesondere, da die Konzentration an entweichendem Ozon erfindungsgemäß weniger als 1/10 des Wertes des Standes der Technik ist, ist die Häufigkeit der Erneuerung von Aktivkohle erfindungsgemäß weniger als 1/10 des Niveaus des Standes der Technik. Mit anderen Worten, die Lebenszeit der Aktivkohle ist erfindungsgemäß deutlich verbessert, d.h. mehr als 10 Mal so lange als im Stand der Technik.
In der vorliegenden Erfindung kann eine Filterschicht zur Entfernung von Staub, wenn notwendig, stromaufwärts von dem Ort, an dem Ozon in das verunreinigte Gas, das Schadstoffe enthält, injiziert wird oder auf der abströmenden Seite der Adsorptionsschicht, die ein Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt enthält, angeordnet sein. Ob die Verwendung der Filtereinrichtung notwendig ist oder die Verwendung der Filterschicht kann in Abhängigkeit von der Situation in der Vorrichtung, den Eigenschaften der Schadstoffe usw. entsprechend bestimmt werden.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Bearbeitung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas zeigt. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Vorrichtung 10 einen Adsorber oder eine Adsorptionsvorrichtung 18 mit einer darin angeordneten Adsorptionsschicht 181. Die Adsorptionsschicht 181 enthält ein erfindungsgemäßes Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Adsorptionsschicht eine erste Adsorptionsschicht 181a, die auf der anströmenden Seite angeordnet ist und ein mesoporöses Silikat enthält und eine zweite Adsorptionsschicht 181b, die auf der abströmenden Seite angeordnet ist und ein dealuminiertes Faujasit enthält, wie mit Hilfe der durchbrochenen Linie gezeigt.
Eine Zuleitung für verunreinigtes Gas 12 ist mit dem Adsorber 18 verbunden, um verunreinigtes Gas, das Schadstoffe enthält und von einer Quelle von verunreinigtem Gas 11 gebildet wurde, einzublasen. In dieser Ausführungsform ist die Zuleitung 12 mit dem unteren Bereich des Adsorbers 18 verbunden.
Ein Gebläse 13 ist an der Zuleitung 12 angebracht und wird zum Einblasen des verunreinigten Gases von der Quelle des verunreinigten Gases 11 in den Adsorber 18 verwendet. Eine Heizvorrichtung oder eine Kühlvorrichtung 14 kann an der Zuleitung 12 unterhalb des Gebläses 13 angeordnet sein und kann, wenn gewünscht, zur Regulation der Temperatur des verunreinigten Gases, das durch die Leitung 12 fließt (oder der Adsorptionstemperatur), verwendet werden. Ein Mischer 15, wie eine Vormischkammer, ist an der Zuleitung 12 stromabwärts der Kühlvorrichtung oder der Heizvorrichtung 14 angeordnet. Weiterhin ist eine Ozon-Zuführleitung 17 zur Zufuhr eines ozonhaltigen Gases, das in einem Ozonisator 16 gebildet wurde, mit dem Mischer 15 verbunden. Das verunreinigte Gas und das ozonhaltige Gas werden ausreichend in dem Mischer 15 vermischt, und das Mischgas wird dem Adsorber 18 zugeführt. Die Flussrate des verunreinigten Gases kann mit Hilfe des Gebläses 13 reguliert werden.
Weiterhin ist eine Austrittsleitung zum Austragen des behandelten Gases, das durch die Adsorptionsschicht 181 aus dem Adsorber 18 fließt, mit einem oberen Bereich des Adsorbers 18 verbunden.
Die Schadstoffe und das Ozon, die in dem Mixgas enthalten sind und zu dem unteren Bereich des Adsorbers 18 durch die Zuleitung 12 zugeführt wurden, co-adsorbieren an dem Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt, das in der Adsorptionsschicht 181 enthalten ist. Als Ergebnis wird eine Umsetzung zwischen den adsorbierten Schadstoffen und dem adsorbierten Ozon, die beide in hoher Konzentration in dem Adsorptionsmittel vorhanden sind, durchgeführt, um wirksam die Schadstoffe zu zersetzen. Normalerweise tritt kein nicht-umgesetztes Ozon in das behandelte Gas, das nach außen durch die Auslassleitung 19 austritt, aus. Allerdings ist es möglich, wenn gewünscht, eine Schicht 182 des ozonzersetzenden Mittels stromabwärts von der Adsorptionsschicht 181 anzuordnen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist eine perforierte Trennplatte 183, z.B. eine gelochte Metallplatte zwischen der Adsorptionsschicht 181 und der Schicht 182 mit dem ozonzersetzenden Mittel, die stromabwärts von der Adsorptionsschicht 181 angeordnet ist (oder oberhalb der Adsorptionsschicht 181 in der Zeichnung), angeordnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben, Schadstoffe wirksam in unschädliche Substanzen umzuwandeln. Weiterhin entweicht kein nicht-reagiertes Ozon in das behandelte Gas. Was weiterhin angemerkt wird ist, dass ein leistungsfähiges System zur Säuberung von verunreinigtem Gas, bei dem die Schadstoffe zersetzende Funktion und die stabilisierende Funktion, die inhärent für das Ozon ist, voll genutzt werden kann, erfindungsgemäß mit einer einfachen Vorrichtung realisiert werden kann. Daraus folgt, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden kann, einschließlich z.B. dem Reinigen, dem Desodorisieren und/oder dem Sterilisieren der Luft in Verwaltungsgebäuden, Hospitälern, Hotels, Nahrungsmittelfabriken, Räumen im Untergrund, Sporthallen und Zügen; dem Reinigen von Schmutzgasen, die Spuren organischer Substanzen enthalten oder die aus Druckanlagen, Spritzgussanlagen, Reinräumen und Lackfabriken austreten; der Behandlung von Schmutzgasen, die im Staubverbrennungsöfen gebildet werden; Desodorisieren von Abgasen, die in Fermentationsanlagen und Mülllagerstätten gebildet werden und Entfernen von übelriechenden Gerüchen aus unbehandelten Abwässern und Abwasser-Behandlungsverfahren.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1:
Luft, die 100 ppm Isopropylalkohol (IPA) als Schadstoff enthält, das als Pseudoabgas einer Druckanlage verwendet wurde, wurde mit einer Behandlungsvorrichtung des in 1 gezeigten Aufbaus mit Ausnahme, dass die Schicht 182 eines ozonzersetzenden Mittels und eine Trennplatte 183 nicht in der Vorrichtung waren, unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen behandelt. Jedes der in Tabelle 1 gezeigten Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt A bis D wurden in die Adsorptionsschicht 181 beladen.
Tabelle 1: verwendete Adsorptionsmittel
Tabelle 2: Testbedingungen
Die 100 ppm IPA enthaltene Luft wurde unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen behandelt und die IPA-Konzentration und die Ozon-Konzentration von in der Auslassleitung 19 des Adsorbers 18 gesammelten Gase wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in 2 gezeigt. Der experimentellen Daten stellten sich in den Fällen der Verwendung der Adsorptionsmittel A, B und C als im Wesentlichen gleich heraus. Daher werden diese Fälle als ein einziger Fall in der Abbildung 2 behandelt. Genauer gehören die Kurven a und b zu den Adsorptionsmitteln A, B und C, während die Kurven c und d zu dem Adsorptionsmittel D gehören. Die in Klammern dargestellten Werte stellen die Konzentrationen (ppm), aufgetragen auf den Ordinaten (zwei Ordinaten) dar. Tabelle 3 zeigt die IPA-Konzentrationen und Ozon-Konzentrationen im Auslassbereich bei einem Ozon/IPA-Molverhältnis von 5, 15 und 25.
Wie man aus der 2 erkennen kann, war ein Ozon/IPA-Molverhältnis von ca. 20 notwendig, um mindestens 50% IPA zu entfernen und die Menge an entweichendem Ozon lag bei ca. 10 ppm im Falle der Verwendung des Adsorptionsmittels D. In den Fällen, wo die Adsorptionsmittel A bis C verwendet wurden, wurden mindestens 50% IPA bei einem Ozon/IPA-Molverhältnis von nur 2 entfernt. Bei einem Ozon/IPA-Molverhältnis von 3 wurden mindestens 80% IPA entfernt. Entweichendes Ozon lag nur im Bereich von 1 ppm oder geringer bei einem Ozon/IPA-Molverhältnis von 10 oder weniger. Weiterhin betrug das entweichende Ozon 3 ppm bei einem Ozon/IPA-Molverhältnis von 15.
Tabelle 3: Auszug der Testergebnisse (Konzentrationen im Auslassgas in ppm)
Beispiel 2:
Die IPA-Konzentration und die Ozon-Konzentration in dem behandelten Gas wurden wie im Beispiel 1 gemessen. Bei diesem Experiment wurde die 100 ppm IPA enthaltende Luft mit Hilfe des Adsorptionsmittels A mit einer Menge von 1 m³ behandelt. Das Molverhältnis Ozon/IPA wurde auf 5 eingestellt, und die Adsorptionstemperatur wurde auf 25°C eingestellt. Weiterhin wurde die Flussrate der IPA-enthaltenden Luft in den Adsorber 18 durch Regulation mit Hilfe des Gebläses 13 verändert. Die 3 zeigt die Ergebnisse. Wie aus 3 deutlich wird, wurden mindestens 90% IPA bei einer Flussrate von 6000 m³N/h entfernt und mindestens 80% wurden entfernt, selbst wenn die Flussrate auf 8000 m³N/h erhöht wurde. Weiterhin betrug die Menge an entweichendem Ozon 1 ppm oder weniger. Die Tabelle 4 zeigt die IPA-Konzentration und die Konzentration an entweichendem Ozon in dem behandelten Gas bei Gasflussraten in Adsorber 18 von 2500 m³N/h, 5000 m³N/h, 7500 m³N/h und 10000 m³N/h, die aus der 13 genommen wurden.
Tabelle 4: Auszug der Testergebnisse (Konzentration im Auslassgas in ppm)
Beispiel 3
Die IPA-Konzentration und die Ozon-Konzentration in dem behandelten Gas wurden wie im Beispiel 1 gemessen. Bei diesem Experiment wurde die 100 ppm IPA enthaltende Luft unter Verwendung des Adsorptionsmittels A in einer Menge von 2 m³ behandelt. Das Molverhältnis Ozon/IPA wurde auf 5 eingestellt und die IPA-haltige Luft wurde in den Adsorber 18 mit einer Rate von 10⁴ m³N/h eingeführt. Die Adsorptionstemperatur (oder die Gastemperatur) wurde auf verschiedene Niveaus eingestellt. 4 zeigt die Ergebnisse. Wie aus 4 deutlich wird, betrug die Menge an entweichendem Gas 0,002 ppm oder weniger unter diesen Bedingungen. Mindestens 80% IPA wurden bei einer Adsorptionstemperatur von 60°C oder geringer entfernt und mindestens 90% IPA wurden entfernt, selbst wenn die Adsorptionstemperatur so erniedrigt wurde, dass sie in einem Bereich von 20°C bis 50°C fiel. Die Tabelle 5 zeigt die IPA-Konzentration und die Konzentration an entweichendem Ozon in dem behandelten Gas bei einer Adsorptionstemperatur von 0°C, 25°C, 35°C, 50°C und 75°C, diese wurden aus der 4 entnommen.
Tabelle 5: Auszug der Testergebnisse (Konzentration im austretendem Gas in ppm)
Beispiel 4:
Die Luft, die eine vorbestimmte Menge an Ethylacetat, Methylmercaptan oder Dioxin als Schadstoff enthält, wurde mit der Behandlungsvorrichtung des in 1 gezeigten Aufbaus behandelt mit Ausnahme, dass die Schicht 182 des ozonzersetzenden Mittels und die Trennplatte 183 in der Vorrichtung nicht enthalten waren. Jedes der in Tabelle 1 gezeigten Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt wurde in die Adsorptionsschicht 181 in einer Menge von 1 m³ gegeben. In diesem Experiment wurde die Flussrate der Schadstoff enthaltenden Luft auf 5000 m³N/h eingestellt und die Behandlungstemperatur wurde auf 2,5°C eingestellt. Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse.
Wie aus Tabelle 6 deutlich wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren bei der Entfernung verschiedener Arten organischer Substanzen wirksam. Insbesondere die Adsorptionsmittel A bis C zeigen eine hohe Rate bei der Entfernung von Schadstoffen und zeigen nur wenig entweichendes Ozon. Von diesen Adsorptionsmitteln stellte sich Adsorptionsmittel A als eines heraus, das die erfindungsgemäße Wirkung besonders deutlich aufzeigt.
Tabelle 6: Behandlungsergebnisse
Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Erfindung auf die Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas mit Ozon gerichtet. In der vorliegenden Erfindung wird ein Adsorptionsmittel mit hohem Silika-Gehalt verwendet, das wirksam Ozon adsorbieren kann und weiterhin die Schadstoffe adsorbieren kann. Dies ermöglicht, wirksam Ozon zur Zersetzung der Schadstoffe und zur Tötung von Bakterien einzusetzen. Mit anderen Worten Ozon erlaubt die wirksame Umwandlung von Schadstoffen in unschädliche Substanzen. Weiterhin wird darauf aufmerksam gemacht, dass das erfindungsgemäß verwendete Adsorptionsmittel eine hohe adsorbierende Leistung aufzeigt, so dass es das Austreten von Ozon in das behandelte Gas unterdrückt. Weiterhin kann ein Austreten von Ozon vollständig verhindert werden, in dem eine Schicht eines ozonzersetzenden Mittels, wie eine Schicht mit Aktivkohle stromabwärts der adsorbierenden Schicht angeordnet wird, wenn notwendig.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas, dadurch gekennzeichnet, das es die Schritte enthält: Vermischen von Ozon mit Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas; und Ermöglichen, dass das mit Ozon vermischte verunreinigte Gas durch eine Adsorptionsschicht fließen kann, wobei die Adsorptionsschicht umfasst eine erste Adsorptionsschicht, die sich auf der anströmenden Seite befindet und ein mesoporöses Silikat mit einem Siliziumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von 10 oder größer aufweist und eine zweite Adsorptionsschicht, die sich auf der abströmenden Seite befindet und einem dealuminierten Faujasit mit einem Siliziumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von 10 bis 400 enthält, die sowohl Ozon als auch die Schadstoffe adsorbieren, so dass die Schadstoffe innerhalb der Adsorptionsschicht durch Einwirkung von Ozon unschädlich gemacht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Adsorptionsschicht strömende Gas in Kontakt gebracht wird mit einem ozonzersetzenden Mittel, um das verbleibende Ozon zu zersetzen.
Vorrichtung zur Behandlung von Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gas dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: einen Adsorber mit einer darin angeordneten Adsorptionsschicht, die Adsorptionsschicht umfasst eine erste Adsorptionsschicht, die auf der anströmenden Seite angeordnet ist und ein mesoporöses Silikat mit einem Siliziumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von 10 oder größer enthält und einer zweiten adsorbierenden Schicht, die sich auf der abströmenden Seite befindet und einen dealuminierten Faujasit mit einem Siliziumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von 10 bis 400 enthält, die sowohl Ozon als auch Schadstoffe adsorbieren; eine Zuführleitung für verunreinigtes Gas, zur Zufuhr eines Schadstoffe enthaltendem verunreinigten Gases in einen Adsorber; einen Ozonisator; eine Zuführleitung für Ozon, die mit der Zuführleitung für verunreinigtes Gas verbunden ist zum Zuführen von im Ozonisator generiertem Ozon in das verunreinigte Gas, dass durch besagte Zuführleitung für verunreinigtes Gas strömt; und eine Austrittsleitung zum Austragen des Gases, das durch die im Adsorber angeordnete Adsorptionsschicht fließt, aus dem Adsorber.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Adsorptionsschicht strömende Gas in Kontakt gebracht wird mit einem ozonzersetzenden Mittel, so dass das verbleibende Ozon zersetzt wird.