EP4587174A1 - Fotoreaktoren - Google Patents

Fotoreaktoren

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Publication number
EP4587174A1
EP4587174A1 EP23772132.9A EP23772132A EP4587174A1 EP 4587174 A1 EP4587174 A1 EP 4587174A1 EP 23772132 A EP23772132 A EP 23772132A EP 4587174 A1 EP4587174 A1 EP 4587174A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cavity
concentrator
geometry
photoreactor
deformation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23772132.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Kant
Michael Rubin
Roland Dittmeyer
Geoffrey Alan Ozin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP4587174A1 publication Critical patent/EP4587174A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
    • B01J19/122—Incoherent waves
    • B01J19/127—Sunlight; Visible light
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00002—Chemical plants
    • B01J2219/00018—Construction aspects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00087—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00243—Mathematical modelling

Definitions

  • EP 1 848 528 B1 describes a panel-like photoreactor that resembles a tube bundle made of a large number of parallel glass tubes.
  • the wall thickness of the glass tubes is chosen so “high” (at least 10% of the inside diameter) that light that falls on the tube bundle from one side also hits deeper tubes.
  • the tube walls also have the task of an “optical "Dilution too.
  • the tubes are arranged in the bundle in such a way that a panel-like overall structure results. It is argued that the arrangement proposed by also with Offers advantages in terms of light scattering in the reaction zone. Scattered light from one of the tubes in the system would most likely hit the reaction zone in one of the neighboring tubes. This ensures sufficient photocatalytic efficiency.
  • EP 2 194 117 A1 discloses a channel-like photoreactor which is characterized by a trapezoidal cross section. The cross section is suggested to ensure homogeneous illumination of the reaction zone in photoreactions.
  • the application focus in EP 2 194 117 Al is on biological photosynthesis by algae.
  • the object of the present invention was therefore to provide improved photoreactors with respect to the prior art, with which the disadvantages of the prior art can be avoided and particularly good results can be achieved while at the same time reducing the use of materials.
  • the reference system in the context of the present invention is an observer standing upright on the ground in front of the object under discussion.
  • a particular object of the present invention is a photoreactor, in particular for solar-assisted photosynthesis, in particular configured as a flow reactor, comprising a concentrator and a cavity, the concentrator having a V-shaped cross section that is open at the bottom (i.e.
  • the ratio of d4 to dl is in a range of 0.5 to 2.5.
  • a single photoreactor can of course be set up/arranged with several other photoreactors in the immediate vicinity.
  • Single reactor just means that the Reactors are not connected to each other, but are each operated independently and the cavities do not form a connected flow channel.
  • the concentrator legs in the variant with a V-shaped cross section do not have to run continuously in a straight line, but can, independently of one another, be curved over the entire length or partially.
  • the bend depends on the location and incidence of light and can easily be adjusted by a specialist based on his or her specialist knowledge.
  • the bend corresponds to that of a compound parabolic concentrator (CPC).
  • a compound parabolic concentrator is understood to mean a reflective, non-imaging optical device that uses specially configured parabolic properties to exploit the maximum concentration of light energy.
  • the wide (upper or cavity-facing) end of the CPC collects divergent light or light that comes from different directions of incidence throughout the day, which is then reflected in the CPC and concentrated at the narrow (lower or cavity-facing) output end or in the cavity.
  • CPCs are defined by an acceptance angle, which indicates the angular range over which the CPC can collect light.
  • a CPC in the context of the present invention can be viewed as a variant derived from the V-shaped cross section, in which the legs do not run in a straight line, but are curved.
  • the expression “ellipsoidal, preferably circular, cross-section” means that the inner wall, apart from the at least one deformation, corresponds to an ellipse (i.e. a unit circle stretched on the x and y axes) when viewed in the flow direction; particularly preferably, the cross section corresponds, apart from the at least one deformation, to a unit circle; in particular, the inner wall can represent an oval and thereby deviate from the unit circle by a maximum of 20%, preferably a maximum of 10%, particularly preferably a maximum of 5% and in particular a maximum of 2% ( i.e. stretched “in the direction of” oval).
  • the concentrator may be integrally formed with the cavity or may be mounted on the cavity; In the latter option, it is important to ensure that the lower opening of the concentrator is adapted to the opening of the cavity, as this allows optimal light transfer from the concentrator into the cavity (so that the entire size of the cavity entrance is used or not just part of it). of the light is blocked by the outer wall of the cavity).
  • the photoreactor according to the invention and therefore also the concentrator and cavity, are preferably elongated and straight, in other words, when viewed in the flow direction, they have a depth whose amount is greater, in particular significantly greater, than the height of the photoreactor (i.e. the sum of the heights of cavity and concentrator).
  • This example accordingly represents a particularly preferred embodiment of the present invention for use as a single photoreactor.
  • the latter example is particularly well suited, but by no means limited to, for example the photocatalytic reduction of 2 mM potassium trioxalatoferrate solution.
  • the depth in the flow direction i.e. length of the distance that the medium flows along the reactor
  • it is significantly larger than the "height" of the duct cross-section, in this example (very) much larger than 100 mm.
  • the exact dimensions of the photoreactors according to the invention can be adjusted in terms of their dimensions - while adhering to the above conditions (1), (2) and (3). The expert can therefore easily adapt this based on his general specialist knowledge, if necessary with the help of simple preliminary tests.
  • the photoreactors according to the invention are preferably used to collect and use sunlight.
  • the photoreactors according to the invention with other light, for example UV light or infrared light, preferably UV light, or a combination of UV light, visible light and / or infrared light in proportions that differ from sunlight.
  • the surfaces or the reflective layers of the concentrator and/or cavity can optionally be adapted to the wavelengths of the incident light, for example by changing the coating or coating composition) of the reflective layer. This makes it possible to use the photoreactors according to the invention for a wide variety of applications.
  • the deformations are indentations or bulges in relation to the ellipsoidal, preferably circular, cross section of the cavity with deformation depths in the range between 1% and 20% of the diameter of the cavity (d3), the deformations preferably being dent-shaped, that is, smooth indentations and bulges or bulges or depressions.
  • indentations or bulges are also designed at other locations on the cavity surface in order to further reflect the light in the cavity.
  • a whole series of deformations are preferably designed so that the light is reflected as often as possible within the cavity and therefore shines through the reaction volume as often as possible; in particular, the rays cross each other as often as possible where a photocatalyst (if used) is arranged, or where a reaction takes place (should take place).
  • the photoreactors according to the invention are not limited to use for reactions induced or assisted by light; they can also be used as species Heat collector can be used and use the captured (sun) light to heat liquids flowing through the cavity, preferably water.
  • “Mirrored” can be inherent to the material, for example with some metals, or can be achieved by applying material to the concentrator or cavity surface. Possibilities for such an application include dip coating, vapor deposition, PVD, CVD (physical or chemical vapor deposition). Processing the surfaces of the structure, particularly by polishing, can also result in a reflective surface.
  • the surfaces can be reworked, for example using micro-milling, manual polishing and/or galvanic silver coating to increase reflectivity.
  • components that are manufactured using wire erosion, polymer extrusion, etc. can also be reworked using other processes.
  • flame polishing is recommended, for example, and for wire-eroded components, suspension polishing, etc.
  • optical coatings used for the present invention for example silver or aluminum
  • the optical coatings used for the present invention have the specified reflectivities in the relevant UV-VIS band. Reflectance values of less than 80% lead to poorer results, as the proportion of absorbed light would become too large due to the multiple reflections.
  • the material of the concentrator and/or cavity is optically transparent (for example PMMA), either the inside or the outside can be coated. The latter is often easier for purely practical reasons and therefore in some Embodiments preferred. If the materials are opaque, the reflective layer is of course applied to the inside.
  • the reflective coating can consist of, or be based on, aluminum or silver.
  • the coating can also contain materials that cause a wavelength shift in the incident light, if desired.
  • the concentrator and cavity are made of a transparent polymer, preferably polymethyl methacrylate, and the outer sides of the concentrator or cavity or concentrator and cavity are highly reflective for the incident light, in particular have a reflectance of at least 80% , and are preferably polished or mirrored.
  • one or more photocatalyst(s) are arranged in the cavity, preferably on a translucent and/or (translucent) support that absorbs only weak light.
  • Translucent here means that the absorption coefficient of the carrier must be significantly smaller than that of the photocatalyst used so that the proportion of light absorbed by the catalyst is large compared to the proportion absorbed by the carrier.
  • the quantification of this property depends on the respective system, i.e. radiation belt, reflectivity in the cavity, type of catalyst and type of reaction medium and therefore cannot be generally defined. However, the expert can easily adapt this based on his general specialist knowledge, if necessary with the help of simple preliminary tests.
  • a translucent vessel preferably a tube, in particular made of glass or plastic that is transparent to the incident light
  • one or more photocatalyst(s) can then be arranged, in particular also on a corresponding support.
  • these supports can be any structures and/or materials, as long as they allow sufficient incident light to pass through to the photocatalyst or provide as little shadow as possible. Materials that are transparent to the incident light are therefore preferred.
  • “weakly light-absorbing” in the context of the carrier means a proportion of the light absorbed by the carrier of the light coupled into the system of less than 20%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5% (with single beam passage, not cumulated over several beam passages).
  • Suitable materials for the carriers are in particular plastics (such as PMMA) or glass. These carriers can, for example, have the shape of grids. Aerogels are also suitable.
  • cooling or heating structures in particular cooling fins or heat transfer channels, are arranged around the outside of the cavity.
  • the photoreactor is surrounded on the outside by support structures, which can optionally have devices for connecting to further photoreactors, preferably click connections, push-in connections, screw connections or clamp connections.
  • the cooling or heating structures mentioned can be incorporated into or integrated into these support structures.
  • the photoreactors viewed in flow directions, have connections at one or both ends of the respective cavities, via which liquid can be supplied and drained away from the reaction medium.
  • the photoreactors are configured as individual reactors and have no connections. Filling with reaction medium is then carried out by the concentrator.
  • This configuration is particularly suitable for laboratory experiments, mechanistic studies and the like.
  • the subject of the present invention is a photoreaction array comprising a plurality of photoreactors according to the invention, optionally surrounded by a housing (closed at the bottom and on several, preferably all, sides) and open at the top (i.e. the light incident side) or a bottom and top (i.e. the light incident side). ) open surround.
  • These arrays are particularly suitable when there is a lot of light and a large area, such as building roofs and sunlight.
  • the photoreactors in the arrays are aligned along an east-west axis, in particular in such a way that the projection of the reaction channels into a horizontal plane is parallel to an east-west axis. This can be achieved on the roofs of houses that are not aligned along an east-west axis by arranging the arrays at an angle on the roof.
  • the aperture normal is preferably aligned with the sun's path at the equinox, resulting in a latitude-dependent tilt of the arrays.
  • Another particular subject of the present invention is a method for producing photoreactors, preferably the photoreactors according to the invention, comprising the steps a) production of concentrator and cavity by additive manufacturing processes, in particular 3D printing or extrusion; b) if the surfaces of the concentrator and/or cavity do not already have a sufficiently high degree of reflectance for the incident light due to the production in step a), treating the inner or outer surfaces of the concentrator and cavity by polishing or mirroring, in particular as described above Solution deposition, CVD, PVD, c) optionally inserting a reaction vessel, in particular a tube, preferably made of glass or plastic (as described above), into the cavity.
  • a reaction vessel in particular a tube, preferably made of glass or plastic (as described above
  • the geometry of the cavity is determined beforehand (and in conjunction with a (suitable) concentrator), preferably using an algorithm, in particular based on MATLAB®, through the following steps: i) Presenting a cavity with a predetermined geometry , preferably ellipsoidal or in particular circular cross-section, ii) specifying deformation parameters that describe at least one deformation with regard to the location on the wall of the cavity, width and depth of the at least one deformation, iii) deforming the cavity geometry based on the deformation parameters, in particular at the location the impact of the primary light beam, iv) determining the reflection values, in particular the frequency of reflections, of the primary light beam within the cavity, reflection values, and optionally storing the determined values, or determining the functionality of the modified geometry with regard to the photocatalytic efficiency achieved, and optionally storing the determined values, va) repeating steps ii) to iv) several times, with changed deformation parameters being specified in step ii),
  • the changed deformation parameters can represent other, alternative deformations and/or superpositions of the first at least one deformation with further deformations.
  • the location of the at least one deformation is randomly specified during the first run of step ii). In further preferred embodiments, in the first pass of step ii), the location of at least one deformation is selected so that it corresponds to the location of the impact of the primary light beam, or includes this location.
  • the termination of repeating steps ii) to iv) occurs as soon as a deformation or a number of deformations results in an improvement in the reflection values (increase in the frequency of reflection) or an increase in the photocatalytic efficiency.
  • the changed deformation parameters for step ii) are achieved by optimizing deformation parameters that have led to an improvement in the reflection values (increase in the frequency of reflection) or an increase in the photocatalytic efficiency, in one Optimization method, for example a "pattern search" method. These parameters are then saved. In a next pass (repetition of steps ii) to iv)), these improved deformation parameters are then used as a comparison, an improvement in the reflection values (increase in the frequency of reflection ) or an increase in photocatalytic efficiency is then assessed against these already improved parameters and not against the original parameters. This can be repeated until no further improvement can be achieved.
  • the improved deformation parameters can be completely new deformations that are set instead of the first deformation, whereby the at least one deformation from the first run of the method is/are replaced.
  • the location of at least one deformation is selected so that it corresponds to the location of the impact of the primary light beam, or includes this location.
  • the termination of repeating steps ii) to iv) occurs as soon as a deformation or a number of deformations results in an improvement in the reflection values (increase in the frequency of reflection) or an increase in the photocatalytic efficiency.
  • the changed deformation parameters for step ii) are achieved by optimizing deformation parameters that have led to an improvement in the reflection values (increase in the frequency of reflection) or an increase in the photocatalytic efficiency, in one Optimization method, for example a "pattern search" method. These parameters are then saved. In a next pass (repetition of steps ii) to iv)), these improved deformation parameters are then used as a comparison, an improvement in the reflection values (increase in the frequency of reflection ) or an increase in photocatalytic efficiency is then assessed against these already improved parameters and not against the original parameters. This can be repeated until no further improvement can be achieved.
  • the improved deformation parameters can be completely new deformations that are set instead of the first deformation, whereby the at least one deformation from the first run of the method is/are replaced.
  • the concentrator is preferably designed symmetrically, i.e. both sides or both walls are of the same height.
  • the concentrator is designed non-symmetrically. This variant can be used in particular in lighting situations in which it is not possible to align the aperture normal to the sun's path during the equinox.
  • the coatings on the walls of the concentrator and/or cavity can be designed in such a way that they cause a shift in the wavelengths of the incident light. In some variants, this can be useful and preferred in order to adapt the incident light, which is preferably sunlight, to the absorption properties of the photocatalyst (or catalyst system) arranged in the reaction space (in the cavity) and/or the reactant(s).
  • a thermally activated catalyst (or catalyst system) can be used, which is heated and activated by the light rays incident and reflected in the cavity.
  • the entrance of the cavity through which the light collected by the concentrator enters the cavity can be a simple window or, when using reaction tubes in the cavity, a simple hole.
  • an optical lens or lens group may be disposed in this input, making it possible to precisely control the incident light, for example to focus on a desired location or to distribute the incident rays.
  • an optical element can be arranged in this input, which selectively reflects or transmits light of certain wavelengths, which is particularly the case in the case of wavelength shifts in the cavity (for example through appropriate coatings on the inner walls of the cavity or arranged in the cavity ( Reaction media, carriers and / or catalysts) allow the incident light in the corresponding wavelengths to pass through, but do not allow light of corresponding other wavelengths to escape, which means that loss due to re-emerging light rays can be prevented or reduced.
  • the panel-like, microstructured and inexpensive to produce photoreactor design according to the invention is characterized by a clever optical design, which, among other things, ensures high photocatalytic efficiencies in photosynthesis throughout the entire year without mechanically aligning the reactor panels to the current sun position. In particular with a preferred east-west orientation and an inclination of the photoreactors according to the invention that is adapted to the latitude).
  • the geometry of the microstructuring allows cost-effective production, for example via additive manufacturing processes such as 3D printing or extrusion of polymers (for example with subsequent vapor deposition using aluminum).
  • the photoreactor design according to the invention can also minimize the amount of expensive photocatalysts used through high catalyst utilization.
  • the homogeneous illumination of the reaction zone ensured by the specific structure ensures that a photocatalyst used can be operated at its optimal operating point.
  • the core element of the photoreactor design is a microstructured reaction channel that directs light coming from different directions into a mirrored cavity.
  • the microstructuring is caused by the deformations described above achieved or presented.
  • Many photoreactors (array) arranged in parallel make it possible to cover (any) large areas.
  • the cavity contains a photocatalyst supported on a transparent, preferably porous, structure, which absorbs the introduced light and uses it to convert, for example, CO2 and water into an energy source.
  • Light that is not absorbed during a first pass through the reaction zone or is scattered by the catalyst is preferably directed back to the catalyst by the mirrored walls of the cavity.
  • optical dilution of the catalyst and the resulting good optical connection guarantees optimal operating conditions for the entire photocatalyst in the system.
  • "optimal" means that the catalyst is operated with high catalyst utilization and at the same time without any loss in the quantum yield achieved. Both properties taken together - a high radiation transport efficiency and the optimal possible operating conditions - guarantee a high photocatalytic efficiency of the entire system.
  • the arrays of photoreactors can be manufactured via cost-effective extrusion of plastics with a subsequent optical coating, for example via physical vapor deposition (PVD) of aluminum or silver.
  • PVD physical vapor deposition
  • the photocatalyst can be introduced into these polymer-based and optically coated molded extrudates, for example by gelling catalyst-loaded silica alcogels with subsequent supercritical drying and the associated formation of a translucent airgel.
  • the photoreactor panels (arrays) according to the invention are characterized by a clever optical design that ensures high photocatalytic efficiency and good catalyst utilization in a wide angle of incidence range.
  • the materials that can be used for production also enable cost-effective production.
  • That the ratio of the aperture width of the concentrator (dl) to the width of the entrance into the cavity (d2) is in a range of 2 to 3.
  • That the ratio of the length of the concentrator (d4) to the aperture width of the concentrator is in a range of 0.5 to 2.5.
  • the characteristic diameter of the cavity d3 can be determined as a function of the reaction volume as follows: i) The characteristic diameter of the cavity is determined so that the reaction volume can be illuminated with a given absorption coefficient. ii) The characteristic diameter of the cavity is simultaneously determined so that a "sensible" number of passages of the light beam ensures the absorption of the majority (>90%) of the coupled radiation.
  • the absorption coefficient of the reaction volume is set such that a significant proportion of the light that is absorbed in the cavity is absorbed in the reaction volume (and not in a possibly transparent but still slightly absorbing wall or an optical coating). iii) In other words, the absorption coefficient of the reaction volume is determined (by appropriate optical dilution of the photocatalyst system used) such that, despite parasitic absorption occurring (if any) in the wall of the cavity and the optical coating of the cavity, C
  • T,A is at least 60 % ( fulfillment of criterion (1)).
  • the absorbance of the reaction volume is typically in a range from 0.2 to 1.1. Accordingly, if the walls of the cavity consist of a material that is transparent to the incident light and are treated with a mirror on the outside, then in preferred variants of the present invention the diameter of the cavity (d3) and the absorption coefficient of the reaction volume (ORV) are dependent the reflectivity of the optical coating of the cavity (R) and the absorption coefficient (ow) of the wall of the cavity and its wall thickness (d5), so that a number of 2 to 10 passages of a coupled beam leads to an absorption of the beam energy of at least 90% and the achieved radiation transfer efficiency I-
  • Ideal radiation paths are characterized by two properties:
  • the ratio between beam segment length in the reaction volume and in the cavity wall is maximum. This minimizes losses due to parasitic absorption in the cavity wall.
  • the optical elements at the entrance to the cavity or on the wall of the cavity are so pronounced that coupled beams are transmitted as often as necessary (approx. 2 to 10 times, see above) if possible through this center of the reaction volume.
  • a derivation of suitable geometries is possible by means of (free) form optimization tailored to the respective material system, for example as shown above using algorithms, preferably based on MATLAB®, C++, Python, in particular MATLAB®.
  • Figure 1 shows a schematic cross-sectional representation of a photoreactor 1 according to the invention.
  • the concentrator KO and the (optical) cavity KA are each enclosed in curly brackets.
  • different areas are shown, on the one hand as I the entrance into the cavity and as II the area of the cavity in which, after a first beam passage through the cavity (the reaction volume), light rays hit the (mirrored) inner wall of the cavity in the center of the cavity.
  • the walls of concentrator KO and cavity KA are shown as hatched, bordered areas. This illustrates that in this example they consist of a material that is optically transparent to the incident light.
  • the outer surfaces of concentrator KO and cavity KA are also coated with a reflective layer, which is represented by a thicker line. It can be seen from this figure that the sizes dl, d2 and d4 act on the respective "ends" of the coatings and not on the inner walls (they would attack on the inner walls if they were coated or the walls were made of reflective metal). Size d3, however, on the inner walls of the cavity.
  • the photoreactor design was demonstrated in a laboratory reactor for a model photocatalytic reaction.
  • the geometric dimensions were scaled to ensure better handling.
  • the photoreactor was modeled in terms of radiation technology in a MATLAB®-based simulation environment and optimized in terms of geometry using optimization algorithms developed specifically for the application.
  • the aim of the optimization was to achieve the highest possible photocatalytic efficiency with vertical incidence of light into the concentrator.
  • the optimized geometry was manufactured in stainless steel via 3D printing. The optical surfaces were then reworked using micro-milling, manual polishing and a galvanic silver coating to ensure high reflectivity in the relevant wavelength range.
  • the optics produced in this way were used in a solar-assisted, photocatalytic example reaction (photocatalytic reduction of iron (III) oxalate to iron (II) oxalate).
  • a comparison between simulated and experimentally determined photocatalytic efficiencies showed a good agreement between simulation and reality.
  • the variation of the angle of incidence of the light carried out in the experiment and in the simulation also showed that in an angle of incidence range of plus/minus 20° to the vertical, the tested (inventive) geometry reliably coupled light into the reaction zone. There was therefore no need to align it with the sun.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Fotoreaktoren insbesondere für sonnengestützte Fotosynthesen, umfassend einen Konzentrator und eine Kavität, insbesondere konfiguriert als Durchflussreaktor, wobei die Kavität eine derartige Deformierung aufweist, dass der vom Auftreffpunkt reflektierte Strahl nicht direkt wieder aus der Kavität heraus reflektiert wird.

Description

Fotoreaktoren
Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated by reference in their entirety).
Die vorliegende Erfindung betrifft Fotoreaktoren insbesondere für sonnengestützte Fotosynthesen, umfassend einen Konzentrator und eine optische Kavität, insbesondere konfiguriert als Durchflussreaktor, wobei die optische Kavität eine derartige Geometrie aufweist, dass der vom Auftreffpunkt reflektierte Strahl nicht direkt wieder aus der Kavität heraus reflektiert wird.
Fotoreaktoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es existieren unterschiedliche Bauformen, z.B. paneelartige Fotoreaktoren ohne nennenswerte Manipulation des einfallenden Lichts oder konzentrierende Fotoreaktoren, die einfallendes Licht durch optische Bauteile vor der Einkopplung in das Reaktionsvolumen aufkonzentrieren. Letztere umfassen typischerweise einen Konzentrator, mit dem das Licht gesammelt wird, und eine optische Kavität, in die das gesammelte Licht geleitet wird und die das Reaktionsvolumen bildet. Die optischen Kavitäten können dabei unterschiedlichste Formen aufweisen, zum Beispiel Röhrenform. Die Konzentratoren können ebenfalls unterschiedlichste Formen aufweisen, es muss jedoch sichergestellt sein, dass das gesammelte Licht in die optische Kavität geleitet wird. Zum Beispiel können die Konzentratoren Parabolspiegel sein, die das Licht konzentriert in die optische Kavität einspiegeln; beispielsweise liegt dann der Fokus der Lichtstrahlen im Eingang in die optische Kavität.
EP 1 848 528 Bl beschreibt einen paneelartigen Fotoreaktor, der einem Rohrbündel aus einer Vielzahl an parallelen Glasröhren gleicht. Die Wandstärke der Glasrohre wird so „hoch" gewählt (mind. 10% des Innendurchmessers), dass Licht, das von einer Seite auf das Rohrbündel fällt, auch in tiefere liegende Rohre trifft. Den Rohrwänden kommt demnach neben der Fluidführung die Aufgabe einer „optischen" Verdünnung zu. Die Rohre sind im Bündel so eingeordnet, dass eine panelartige Gesamtstruktur resultiert. Es wird argumentiert, dass die von vorgeschlagene Anordnung auch mit Hinblick auf Lichtstreuung in der Reaktionszone Vorteile biete. Gestreutes Licht aus einem der Rohre würde in dem System mit großer Wahrscheinlichkeit die Reaktionszone in einem der benachbarten Rohre treffen. So sei eine ausreichende fotokatalytische Effizienz gewährleistet. Um eine „Selbstverschattung" der Reaktionszone durch intensive Lichtabsorption und/oder Streuung zu vermeiden, müsse der Innendurchmesser der Rohre kleiner als 10 mm sein. Das Konzept der EP 1 848 528 Bl adressiert die Herausforderung von Streuverlusten durch eine geeignete Anordnung von mehreren Reaktionszonen nebeneinander. Dies geschieht jedoch mit einem erheblichen Materialaufwand. Es müssen sehr viele Glasrohre nebeneinander angeordnet und fluidisch angebunden werden. Um der Herausforderung zu begegnen größere Katalysatorvolumina optisch anzubinden, wird der Einsatz von dickwandigen Glasröhren vorgeschlagen, was das Argument des Materialaufwandes noch einmal verstärkt. Ferner führt die Anordnung von „parasitär" absorbierenden Volumina - im Fall der EP 1 848 528 Bl große Glasvolumina - im beleuchteten Reaktionsvolumen auch immer zu Absorptionsverlusten, die vermieden werden sollten.
EP 2 194 117 Al offenbart einen kanalartigen Fotoreaktor, der sich durch einen trapezförmigen Querschnitt auszeichnet. Der Querschnitt wird vorgeschlagen, um in Fotoreaktionen einen homogene Ausleuchtung der Reaktionszone zu gewährleisten. Der Anwendungsfokus in EP 2 194 117 Al liegt auf biologischer Fotosynthese durch Algen.
Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten kann eine Fotosynthese, inbesondere im Fall einer Fotosynthese von Energieträgern, nur sinnvoll sein, wenn ein ausreichender fotokatalytischer Wirkungsgrad erreicht wird und die eingesetzte Reaktionstechnik kostengünstig auf großen Flächen eingesetzt werden kann. Um die Wirtschaftlichkeit bei der Synthese von Energieträgern zu erhalten, erscheint ein energetischer Wirkungsgrad von zumindest 5-10% sinnvoll. Dieser Wert wäre dem erreichten Systemwirkungsgrad von technisch weiter entwickelten Power-to-Fuel Technologien (strombasierte synthetische chemische Energieträger) ähnlich.
Es existieren ausgehend vom bekannten Stand der Technik noch weitere Verbesserungspotentiale, insbesondere ist der Ausnutzungsgrad des einfallenden Lichts bzw. die Strahlungstransporteffizienz von der Fotoreaktorapertur in das Reaktionsvolumen, und der Materialeinsatz in der Konstruktion von Fotoreaktoren für sonnengestützte Fotosynthesen noch verbesserungswürdig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, im Hinblick auf den Stand der Technik verbesserte Fotoreaktoren zur Verfügung zu stellen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik umgangen werden und besonders gute Ergebnisse bei gleichzeitig reduziertem Materialeinsatz erzielt werden können.
Weitere Aufgabenstellungen ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung.
Gelöst werden diese und andere Aufgaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff «umfassen» jeweils als besonders bevorzugte Ausgestaltung auch «bestehend aus» ein; das heißt eine entsprechende Liste kann neben den explizit genannten Elementen auch weitere Elemente enthalten (= umfassen), oder sie kann genau diese Elemente enthalten (=bestehen aus) (wobei unwesentliche Elemente wie Schrauben, Markierungen etc. nicht berücksichtig sind).
Bei relativen Angaben wie oben, unten, links, rechts oder Ähnlichem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bezugssystem von einem aufrecht auf dem Erdboden vor dem diskutierten Objekt stehenden Beobachter ausgegangen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „und/oder" dass beide in dem Zusammenhang genannten Elemente jeweils einzeln als auch die Kombination der in dem Zusammenhang genannten Elemente umfasst ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle Mengenangaben, sofern nicht anders angegeben, als Gewichtsangaben zu verstehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Umgebungstemperatur" eine Temperatur von 20°C. Temperaturangaben sind, soweit nicht anders angegeben, in Grad Celsius (°C). Sofern nichts Anderes angegeben wird, werden die angeführten Reaktionen bzw.
Verfahrensschritte bei Atmosphärendruck, d.h. bei etwa 1013 kPa durchgeführt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Aperturweite" (bzw. Aperturweite des Konzentrators oder Linienkonzentrators (auch als dl angegeben) die Entfernung zwischen den das einfallende Licht reflektierenden Schichten der beiden Schenkel des Konzentrators (bei reflektierenden metallischen Oberflächen also zwischen den beiden Innenseiten, bei einseitig reflektierend beschichteten transparenten Oberflächen zwischen den beschichteten Seiten) an der im Querschnitt breitesten Stelle des Konzentrators, also am Ende des Konzentrators, das am weitesten von der Kavität entfernt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Weite des Eingangs in die Kavität" (auch als d2 angegeben) die Entfernung zwischen den das einfallende Licht reflektierenden Schichten der beiden Schenkel des Konzentrators (bei reflektierenden metallischen Oberflächen also zwischen den beiden Innenseiten, bei einseitig reflektierend beschichteten transparenten Oberflächen zwischen den beschichteten Seiten) an der Öffnung zur Kavität (an der Stelle, wo Konzentrator und Kavität miteinander verbunden sind).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Länge des Konzentrators" (auch als d4 angegeben) die Höhe der Konzentratorseiten gemessen von der obersten Spitze der das einfallende Licht reflektierenden Schicht bis zum Kontaktpunkt der das einfallende Licht reflektierenden Schicht an der Kavitätsaußenwand.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Durchmesser der Kavität" (auch als d3 angegeben) den inneren Durchmesser der Kavität, also die Breite gemessen an der breitesten Stelle der Kavität zwischen den Innenwänden der Kavität, im Falle einer ellipsoiden Ausgestaltung der größte innere Durchmesser.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „Wandstärke des transparenten Materials" (auch als d5 angegeben) die Dicke der Wände des Konzentrators beziehungsweise der Kavität, wenn die Wände aus optisch (für die eingestrahlten Lichtstrahlen, also deren Wellenlängen (ganz oder nur zum Teil)) durchlässigem Material bestehen und bevorzugt an der Außenseite reflektierend (beschichtet) sind. Allgemein dargestellt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fotoreaktordesign welches insbesondere für sonnengestützte Fotosynthesen, z.B. von Energieträgern aus CO2 und Wasser oder zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung ist demnach auch im Bereich Reaktionstechnik angesiedelt.
Ein besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fotoreaktor, insbesondere für sonnengestützte Fotosynthesen, insbesondere konfiguriert als Durchflussreaktor, umfassend einen Konzentrator und eine Kavität, wobei der Konzentrator in Durchflussrichtung gesehen einen unten (also an dem Ansatz der Kavität) offenen V-förmigen Querschnitt aufweist, oder als Compound Parabolic Concentrator (CPC) (einen deutschen Begriff scheint es aktuell nicht zu geben) ausgestaltet ist, der an seinem unteren Ende direkt in Kontakt mit der Kavität steht und dort einen Eingangsbereich zur Kavität bildet, und eine Aperturweite dl, eine Weite des Eingangs in die Kavität d2 und eine Länge d4 aufweist; die Kavitätsinnenwand in Durchflussrichtung gesehen einen ellipsoiden, bevorzugt kreisförmigen, Querschnitt mit einem Durchmesser d3 aufweist, der im Bereich des Auftreffens des primären einfallenden Lichtstrahls mindestens eine derartige Deformierung aufweist, dass der vom Auftreffpunkt reflektierte Lichtstrahl nicht direkt wieder aus der Kavität heraus reflektiert wird; und wobei
(1) das Verhältnis von dl zu d2 in einem Bereich von 2 bis 3 liegt,
(2) das Verhältnis von d4 zu dl in einem Bereich von 0,5 bis 2,5 liegt.
Optional ist
(3)a für eine Konfiguration als Einzelfotoreaktor dl kleiner als d3 oder gleich d3, und
(3)b für eine Konfiguration als einer von mehreren zusammengeschalteten Fotoreaktoren (als Fotoreaktorenarray) dl größer als d3.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass ein Einzelfotoreaktor selbstverständlich mit mehreren anderen Fotoreaktoren in unmittelbarer Nähe aufgebaut/angeordnet werden kann. Einzelreaktor bedeutet lediglich, dass die Reaktoren nicht miteinander verbunden sind, sondern jeder für sich selbst betrieben werden und die Kavitäten keinen verbundenen Durchflusskanal bilden.
Die Konzentratorschenkel bei der Variante mit V-förmigen Querschnitt müssen nicht durchgehend geradlinig verlaufen, sondern können, jeweils unabhängig voneinander, über die ganze Länge oder teilweise gebogen sein. Dabei ist die Biegung abhängig von Standort und Lichteinfall und kann durch den Fachmann aufgrund seines Fachwissens ohne weiteres angepasst werden. In einer bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung entspricht die Biegung derjenigen eines Compound Parabolic Concentrator (CPC).
Unter einem Compound Parabolic Concentrator (CPC) wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein reflektierendes, nicht-abbildendes optisches Gerät verstanden, das speziell konfigurierte parabolische Eigenschaften nutzt, um die maximale Konzentration der Lichtenergie auszunutzen. Das breite (obere beziehungsweise kavitätsabgewandte) Ende des CPC sammelt divergentes Licht oder Licht, das im Tagesverlauf aus verschiedenen Einfallsrichtungen kommt, das dann im CPC reflektiert und am schmalen (unteren beziehungsweise kavitätszugewandten) Ausgangsende oder in der Kavität konzentriert wird. CPCs werden durch einen Akzeptanzwinkel definiert, der den Winkelbereich angibt, in dem das CPC Licht sammeln kann. Insofern kann ein CPC im rahmend der vorliegenden Erfindung als eine von dem V-förmigen Querschnitt abgeleitete Variante angesehen werden, bei welcher die Schenkel nicht geradlinig verlaufen, sondern gebogen sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „ellipsoider, bevorzugt kreisförmiger, Querschnitt", dass die Innenwand, abgesehen von der mindestens einen Deformierung, in Durchflussrichtung gesehen einer Ellipse (also einen an der x- und der y-Achse gestreckten Einheitskreis) entspricht; insbesondere bevorzugt entspricht der Querschnitt, abgesehen von der mindestens einen Deformation, einem Einheitskreis, insbesondere kann die Innenwand ein Oval darstellen und dabei um maximal 20%, bevorzugt maximal 10%, besonders bevorzugt maximal 5% und insbesondere maximal 2%, vom Einheitskreis abweichen (also „in Richtung" oval gestreckt sein). Diese Abweichung bezieht sich dabei auf die Grundform, nicht auf die durch die mindestens eine Deformation hervorgerufenen Abweichungen vom Einheitskreis. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Konzentrator integral mit der Kavität geformt sein, oder er kann auf die Kavität aufgesetzt sein; bei letzterer Möglichkeit ist darauf zu achten, dass die untere Öffnung des Konzentrators an die Öffnung der Kavität angepasst ist, da auf diese Art und Weise optimaler Lichtübergang vom Konzentrator in die Kavität ermöglicht wird (damit die ganze Größe des Kavitätseingangs genutzt wird beziehungsweise nicht ein Teil des Lichts durch die Außenwand der Kavität blockiert wird).
Der erfindungsgemäße Fotoreaktor, mithin also auch Konzentrator und Kavität sind bevorzugt länglich und gerade ausgeformt, haben also mit anderen Worten in Durchflussrichtung gesehen eine Tiefe deren Betrag größer, insbesondere deutlich größer, ist, als die Höhe des Fotoreaktors (also als die Summe der Höhen von Kavität und Konzentrator).
Beispielsweise können die erfindungsgemäßen Fotoreaktoren folgende Dimensionen aufweisen: ein spezifisches, erfolgreich getestetes Beispiel für einen Einzelkanalreaktor wies folgende Kenndaten auf: dl = 5 mm; d2 = 2.3 mm; d3 = 7.8 mm; d4 = 11 mm. Dieses Beispiel stellt demgemäß eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für den Einsatz als Einzelfotoreaktor dar.
Ein weiteres Beispiel für ein Kanalarray, also für die Zusammenschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Fotoreaktoren, wies folgende Kenndaten auf: dl = 9 mm; d2 = 3.3 mm; d3 = 8 mm; d4 = 14.3 mm. Dieses Beispiel stellt demgemäß eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für den Einsatz in Fotoreaktorarrays dar.
Letzteres Beispiel ist besonders gut geeignet, aber keinesfalls darauf beschränkt, für zum Beispiel die fotokatalytische Reduktion von 2 mM Kaliumtrioxalatoferratlösung. Die Tiefe in Durchflussrichtung (also Länge der Strecke, die das Medium den Reaktor entlangfließt) variiert abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall stark (beispielsweise in Abhängigkeit der chemischen Reaktion, der angestrebten Umsätze etc.). In der Regel ist sie deutlich größer als die „Höhe" des Kanalquerschnitts, bei diesem Beispiel (sehr) viel größer als 100 mm. Wie dem Fachmann bekannt ist, lassen sich die genauen Dimensionen der erfindungsgemäßen Fotoreaktoren - unter Einhaltung der obigen Bedingungen (1), (2) und (3) in ihren Dimensionen anpassen. Der Fachmann kann dies also aufgrund seines allgemeinen Fachwissens ohne weiteres anpassen, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einfacher Vorversuche.
Die erfindungsgemäßen Fotoreaktoren werden bevorzugt eingesetzt, um Sonnenlicht aufzufangen und zu nutzen. Es ist jedoch ebenfalls möglich die erfindungsgemäßen Fotoreaktoren mit anderem Licht zu verwenden, zum Bescheid UV-Licht oder Infrarotlicht, bevorzugt UV-Licht, oder eine Kombination von UV-Licht, sichtbarem Licht und/oder Infrarotlicht in von Sonnenlicht abweichenden Anteilen. Zu diesem Zweck können die Oberflächen beziehungsweise die reflektierenden Schichten von Konzentrator und/oder Kavität gegebenenfalls an die Wellenlängen des einfallenden Lichts angepasst werden, zum Beispiel durch Änderung der Beschichtung bzw. Beschichtungszusammensetzung) der reflektierenden Schicht. Dadurch ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Fotoreaktoren für verschiedenste Anwendungen möglich.
In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind die Deformierungen jeweils Ein- oder Ausbeulungen in Bezug auf den ellipsoiden, bevorzugt kreisförmigen, Querschnitt der Kavität mit Deformationstiefen im Bereich zwischen 1% und 20% des Durchmessers der Kavität (d3), wobei die Deformierungen bevorzugt dellenförmig, das heißt glatte Ein- und Ausbeulungen beziehungsweise Vorwölbungen oder Vertiefungen, sind.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen sind auch an anderen Orten der Kavitätsoberfläche Ein- oder Ausbeulungen ausgestaltet, um das Licht weiter in der Kavität zu reflektieren. Bevorzugt sind eine ganze Reihe an Deformationen ausgestaltet, so dass das Licht möglichst oft innerhalb der Kavität reflektiert wird und mithin möglichst oft das Reaktionsvolumen durchstrahlt, insbesondere bevorzugt kreuzen sich die Strahlen möglichst oft dort, wo ein Fotokatalysator (falls verwendet) angeordnet ist, oder wo eine Reaktion stattfindet (stattfinden soll).
Die erfindungsgemäßen Fotoreaktoren sind nicht auf den Einsatz für durch das Licht induzierte oder unterstützte Reaktionen beschränkt; sie können auch als Art Wärmekollektor genutzt werden und das eingefangene (Sonnen-)Licht dazu verwenden, durch die Kavität strömende Flüssigkeiten, bevorzugt Wasser, zu erhitzen.
In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind die Innenseiten des Konzentrators oder der Kavität oder des Konzentrator und der Kavität für das einfallende Licht hochreflektierend, das heißt sie weisen einen hohen Reflexionsgrad von >80%, bevorzugt >90%, für das einfallende Licht auf.
Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Oberflächen verspiegelt oder poliert werden.
„Verspiegelt" kann dabei materialinhärent sein, zum Beispiel bei manchen Metallen, oder durch Aufträgen von Material auf Konzentrator- bzw. Kavitätenoberfläche erreicht werden. Möglichkeiten für eine solche Auftragung sind Tauchbeschichtung, Bedampfung, PVD, CVD (physical bzw. chemical vapour deposition). Die Bearbeitung der Oberflächen der Struktur, insbesondere durch Polieren, kann auch zu einer spiegelnden Oberfläche führen.
Die Oberflächen können, sofern sie aus Metall bestehen, zum Beispiel über Mikrofräsen, händische Politur und/oder galvanische Silberbeschichtung nachbearbeitet werden, um die Reflektivität zu erhöhen. Weiterhin können Bauteile, die zum Beispiel über Drahterosion, Polymerextrusion etc. hergestellt werden, auch über andere Verfahren nachbearbeitet werden. Für den Fall, dass als Material PMMA (Polymethylmethacrylat) verwendet wird, bietet sich zum Beispiel eine Flammpolitur an und beispielsweise bei drahterodierten Bauteilen eine Suspensionspolitur etc.
Dabei ist darauf zu achten, dass die für die vorliegende Erfindung eingesetzten optische Beschichtungen (zum Beispiel Silber oder Aluminium) im relevanten UV-VIS- Band die genannten Reflektivitäten aufweisen. Werte des Reflexionsgrades von kleiner als 80% führen zu schlechteren Ergebnissen, da durch die Mehrfachreflektionen der Anteil an absorbiertem Licht zu groß werden würde.
Sofern das Material von Konzentrator und/oder Kavität optisch durchlässig ist (zum Beispiel PMMA) kann entweder die Innenseite oder die Außenseite beschichtet werden. Letzteres ist oft aus rein praktischen Gründen einfacher und daher in einigen Ausführungsformen bevorzugt. Sofern die Materialien opak sind, ist die reflektierende Schicht selbstverständlich auf der Innenseite aufgebracht.
Die spiegelnde Beschichtung kann in Varianten der vorliegenden Erfindung aus Aluminium oder Silber bestehen, oder darauf beruhen.
Die Beschichtung kann auch Materialien enthalten, die eine Wellenlängenverschiebung des eingefallenen Lichts bewirkt, sofern dies gewünscht ist.
Insofern ist sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung Konzentrator und Kavität aus einem transparenten Polymer, bevorzugt Polymethylmethacrylat, gefertigt, und die Außenseiten von Konzentrator oder Kavität oder Konzentrator und Kavität sind für das einfallenden Licht hochreflektierend, weisen insbesondere einen Reflexionsgrad von mindestens 80% auf, und sind bevorzugt poliert oder verspiegelt.
In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in der Kavität ein oder mehrere Fotokatalysator(en) angeordnet, bevorzugt auf einem lichtdurchlässigen und/oder (transluzenten) nur schwach Licht absorbierenden Träger. Lichtdurchlässig bedeutet hier, dass der Absorptionskoeffizient des Trägers deutlich kleiner sein muss als der des eingesetzten Fotokatalysators, damit der Anteil des Lichts, der vom Katalysatorabsorbierte Anteil groß im Vergleich zum Anteil des vom Träger absorbierten Anteils ist. Die Quantifikation dieser Eigenschaft ist dabei abhängig vom jeweiligen System, also Strahlungsgürtel, Reflektivität in der Kavität, Typ des Katalysators und Typ des Reaktionsmediums und daher nicht allgemein festzulegen. Der Fachmann kann dies jedoch aufgrund seines allgemeinen Fachwissens ohne weiteres anpassen, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einfacher Vorversuche. Besonders bevorzugt ist es anbei in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wenn in der Kavität ein lichtdurchlässiges Gefäß, bevorzugt ein Rohr, insbesondere aus Glas oder für das einfallende Licht transparenten Kunststoff, angeordnet ist; in diesen Ausführungsformen können dann ein oder mehrere Fotokatalysator(en) angeordnet sein, insbesondere auch auf einem entsprechenden Träger. Diese Träger können im Prinzip beliebige Strukturen und/oder Materialien sein, solange diese ausreichend einfallendes Licht auf den Fotokatalysator durchlassen beziehungsweise möglichst wenig abschatten. Bevorzugt sind daher für das einfallende Licht transparente Materialien.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet „schwach Licht absorbierend" im Kontext des Trägers einen Anteil des vom Träger absorbierten Lichts am in das System eingekoppelten Licht von weniger als 20%, bevorzugt weniger 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% (bei einfachem Strahlendurchgang, nicht kumuliert über mehrere Strahlendurchgänge). Geeignete Materialien für die Träger sind insbesondere Kunststoffe (wie zum Beispiel PMMA) oder Glas. Diese Träger können zum Beispiel die Form von Gittern haben. Geeignet sind auch Aerogele.
In einigen weiteren Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind außen um die Kavität herum Kühl- oder Heizstrukturen, insbesondere Kühlrippen oder Wärmeträgerkanäle angeordnet.
In manchen bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist der Fotoreaktor außen von Stützstrukturen umgeben, die optional Einrichtungen zum Verbinden mit weiteren Fotoreaktoren aufweisen können, bevorzugt Click- Verbindungen, Einschiebeverbindungen, Schraubverbindungen oder Klemmverbindungen. Die genannten Kühl- oder Heizstrukturen können in diesen Stützstrukturen eingearbeitet sein bzw. in diese integriert sein.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung weisen die Fotoreaktoren, in Durchflussrichtungen gesehen, Anschlüsse an einem oder beiden Enden der jeweiligen Kavitäten auf, über welche Flüssigkeit, zum Bescheid Reaktionsmedium, zu- und abgeleitet werden kann.
Über entsprechende Anschlüsse können auch mehrere Fotoreaktoren „in Reihe" geschaltet werden, so dass sich ein Durchflusskanal ergibt.
In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind die Fotoreaktoren als Einzelreaktoren konfiguriert und haben keine Anschlüsse. Das Befüllen mit Reaktionsmedium erfolgt dann durch den Konzentrator. Diese Konfiguration eignet sich besonders gut für Laborversuche, mechanistische Untersuchungen und ähnliches. Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Fotoreaktionsarray umfassend eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Fotoreaktoren, optional eingefasst durch ein (unten und an mehreren, bevorzugte allen, Seiten geschlossenes und) oben (das heißt der Lichteinfallseite) offenes Gehäuse oder eine unten und oben (das heißt der Lichteinfallseite) offene Einfassung.
Diese Arrays sind insbesondere geeignet, wenn viel Licht und eine große Fläche vorhanden sind, beispielsweise Gebäudedächer und Sonnenlicht.
Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Arrays auf Dächern, erfolgt in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung eine Ausrichtung der Fotoreaktoren in den Arrays entlang einer Ost-West Achse, insbesondere derart, dass die Projektion der Reaktionskanäle in eine horizontale Ebene parallel zu einer Ost-West Achse ist. Dies kann auf Hausdächern von Häusern, die nicht entlang einer Ost-West Achse ausgerichtet stehen, durch eine schräge Anordnung der Arrays auf dem Dach realisiert werden. Ferner wird die Aperturnormale in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auf den Sonnenpfad zur Tag- und Nachtgleiche ausgerichtet, was zu einer breitengradabhängigen Neigung der Arrays führt.
Ein weiterer besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Fotoreaktoren, bevorzugt der erfindungsgemäßen Fotoreaktoren, umfassend die Schritte a) Herstellung von Konzentrator und Kavität durch additive Fertigungsprozesse, insbesondere 3D-Druck oder Extrusion; b) sofern die Oberflächen von Konzentrator und/oder Kavität nicht schon aufgrund der Herstellung in Schritt a) einen ausreichend hohen Reflexionsgrad für das einfallende Licht aufweisen, Behandeln der inneren oder äußeren Oberflächen von Konzentrator und Kavität durch Polieren oder Verspiegeln, insbesondere wie oben beschrieben mittels Lösungsabscheidung, CVD, PVD, c) optional Einsetzen eines Reaktionsgefäßes, insbesondere eines Rohres, bevorzugt aus Glas oder Kunststoff (wie oben beschrieben), in die Kavität. In bevorzugten Varianten dieses Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird die Geometrie der Kavität zuvor (und in Verbindung mit einem (geeigneten) Konzentrator), bevorzugt mithilfe eines Algorithmus, insbesondere basierend auf MATLAB®, durch folgende Schritte ermittelt: i) Vorlegen einer Kavität mit vorgegebener Geometrie, bevorzugt ellipsoiden oder insbesondere kreisrundem Querschnitt, ii) Vorgeben von Deformationsparametern, die mindestens eine Deformation mit Hinblick auf Ort an der Wand der Kavität, Breite und Tiefe der mindestens einen Deformation beschreiben, iii) Verformen der Kavitätsgeometrie auf Grundlage der Deformationsparameter, insbesondere am Ort des Auftreffens des primären Lichtstrahls, iv) Ermitteln der Reflektionswerte, insbesondere der Häufigkeit der Reflektionen, des primären Lichtstrahls innerhalb der Kavität, Reflektionswerte, und optional Speichern der ermittelten Werte, oder Ermitteln der Funktionalität der modifizierten Geometrie mit Hinblick auf die erreichte fotokatalytische Effizienz, und optional Speichern der ermittelten Werte, v-a) mehrfaches Wiederholen der Schritte ii) bis iv), wobei in Schritt ii) jeweils geänderte Deformationsparameter vorgegeben werden, und Vergleich der jeweils ermittelten Reflektionswerte oder fotokatalytischen Effizienz mit den bisher ermittelten Ref lektionswerten oder Werten der fotokatalytischen Effizienz, v-b) Beenden des Wiederholens der Schritte ii) bis iv) sobald die Reflektionswerte oder die fotokatalytische Effizienz in einer Kavitätsgeometrie mit einer oder mehreren Deformationen eine gewünschte Qualität erreicht hat, bevorzugt wenn die optimale, insbesondere höchste, Häufigkeit der Reflektionen des primären Lichtstrahls innerhalb der Kavität erreicht wurde, vi) Ausgabe der ermittelten Kavitätsgeometrie.
Die geänderten Deformationsparameter können dabei andere, alternative Deformationen darstellen und/oder Überlagerungen der ersten mindestens eine Deformation mit weiteren Deformationen.
In bevorzugten Ausgestaltungen wird beim ersten Durchlauf des Schritts ii) der Ort der mindestens einen Deformation zufällig vorgegeben. In weiter bevorzugten Ausgestaltungen wird beim ersten Durchlauf des Schritts ii) der Ort mindestens einer Deformation so ausgewählt, dass er dem Ort des Auftreffens des primären Lichtstrahls entspricht, oder diesen Ort umfasst.
In manchen bevorzugten Ausführungsformen dieses Gegenstands der vorliegenden Erfindung erfolgt das Beenden des Wiederholens der Schritte ii) bis iv) sobald eine Deformation oder eine Anzahl an Deformationen eine Verbesserung der Reflektionswerte (Erhöhung der Reflektionshäufigkeit) oder eine Erhöhung der fotokatalytischen Effizienz nach sich zieht.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen dieses Gegenstands der vorliegenden Erfindung werden (die) geänderte(n) Deformationsparameter für Schritt ii) durch eine Optimierung von Deformationsparametern, die zu einer Verbesserung der Reflektionswerte (Erhöhung der Reflektionshäufigkeit) oder einer Erhöhung der fotokatalytischen Effizienz geführt haben, in einem Optimierungsverfahren zum Beispiel einem „Patternsearch" Verfahren, erhalten. Bevorzugt werden diese Parameter dann gespeichert. In einem nächsten Durchgang (Wiederholung der Schritte ii) bis iv)) werden dann diese verbesserten Deformationsparameter als Vergleich zugrunde gelegt, eine Verbesserung der Reflektionswerte (Erhöhung der Reflektionshäufigkeit) oder eine Erhöhung der fotokatalytischen Effizienz wird dann gegenüber diesen bereits verbesserten Parametern beurteilt und nicht gegenüber den ursprünglichen Parametern. Dies kann solange wiederholt werden, bis keine Verbesserung mehr erzielt werden kann.
Die verbesserten Deformationsparameter können dabei vollständig neue Deformationen sein, die anstelle der ersten Deformation gesetzt werden, wobei die mindestens eine Deformation aus dem ersten Durchlauf des Verfahrens also ersetzt wird/werden.
In anderen, oft bevorzugten, Varianten werden die Deformationsparameter also die Deformation oder Deformationen aus dem ersten Durchlauf angenommen und in den nächsten Durchläufen jeweils weitere zusätzliche Deformationen hinzugefügt; die resultierende Geometrie ist in der Regel (aber nicht zwingend - es kann auch sein, dass die ersten Deformationsparameter die besten Ergebnisse liefern) eine Geometrie mit zahlreichen (auch überlagerten) Deformationen. Noch ein weiterer besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Optimierung der Kavitätsgeometrie eines Fotoreaktors, bevorzugt eines erfindungsgemäßen Fotoreaktors, bevorzugt mithilfe eines Algorithmus, insbesondere basierend auf MATLAB®, umfassend die Schritte i) Vorlegen einer Kavität mit vorgegebener Geometrie, bevorzugt ellipsoiden oder insbesondere kreisrundem Querschnitt, ii) Vorgeben von Deformationsparametern, die mindestens eine Deformation mit Hinblick auf Ort an der Wand der Kavität, Breite und Tiefe der mindestens einen Deformation beschreiben, iii) Verformen der Kavitätsgeometrie auf Grundlage der Deformationsparameter, insbesondere am Ort des Auftreffens des primären Lichtstrahls, iv) Ermitteln der Reflektionswerte, insbesondere der Häufigkeit der Reflektionen, des primären Lichtstrahls innerhalb der Kavität, Reflektionswerte, und optional Speichern der ermittelten Werte, oder Ermitteln der Funktionalität der modifizierten Geometrie mit Hinblick auf die erreichte fotokatalytische Effizienz, und optional Speichern der ermittelten Werte, v-a) mehrfaches Wiederholen der Schritte ii) bis iv), wobei in Schritt ii) jeweils geänderte Deformationsparameter vorgegeben werden, und Vergleich der jeweils ermittelten Reflektionswerte oder fotokatalytischen Effizienz mit den bisher ermittelten Reflektionswerten oder Werten der fotokatalytischen Effizienz, v-b) Beenden des Wiederholens der Schritte ii) bis iv) sobald die Reflektionswerte oder die fotokatalytische Effizienz in einer Kavitätsgeometrie mit einer oder mehreren Deformationen eine gewünschte Qualität erreicht hat, bevorzugt wenn die optimale, insbesondere höchste, Häufigkeit der Reflektionen des primären Lichtstrahls innerhalb der Kavität erreicht wurde, vi) Ausgabe der ermittelten Kavitätsgeometrie.
In bevorzugten Ausgestaltungen wird beim ersten Durchlauf des Schritts ii) der Ort der mindestens einen Deformation zufällig vorgegeben.
In weiter bevorzugten Ausgestaltungen wird beim ersten Durchlauf des Schritts ii) der Ort mindestens einer Deformation so ausgewählt, dass er dem Ort des Auftreffens des primären Lichtstrahls entspricht, oder diesen Ort umfasst. In manchen bevorzugten Ausführungsformen dieses Gegenstands der vorliegenden Erfindung erfolgt das Beenden des Wiederholens der Schritte ii) bis iv) sobald eine Deformation oder eine Anzahl an Deformationen eine Verbesserung der Reflektionswerte (Erhöhung der Reflektionshäufigkeit) oder eine Erhöhung der fotokatalytischen Effizienz nach sich zieht.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen dieses Gegenstands der vorliegenden Erfindung werden (die) geänderte(n) Deformationsparameter für Schritt ii) durch eine Optimierung von Deformationsparametern, die zu einer Verbesserung der Reflektionswerte (Erhöhung der Reflektionshäufigkeit) oder einer Erhöhung der fotokatalytischen Effizienz geführt haben, in einem Optimierungsverfahren zum Beispiel einem „Patternsearch" Verfahren, erhalten. Bevorzugt werden diese Parameter dann gespeichert. In einem nächsten Durchgang (Wiederholung der Schritte ii) bis iv)) werden dann diese verbesserten Deformationsparameter als Vergleich zugrunde gelegt, eine Verbesserung der Reflektionswerte (Erhöhung der Reflektionshäufigkeit) oder eine Erhöhung der fotokatalytischen Effizienz wird dann gegenüber diesen bereits verbesserten Parametern beurteilt und nicht gegenüber den ursprünglichen Parametern. Dies kann solange wiederholt werden, bis keine Verbesserung mehr erzielt werden kann.
Die verbesserten Deformationsparameter können dabei vollständig neue Deformationen sein, die anstelle der ersten Deformation gesetzt werden, wobei die mindestens eine Deformation aus dem ersten Durchlauf des Verfahrens also ersetzt wird/werden.
In anderen, oft bevorzugten, Varianten werden die Deformationsparameter also die Deformation oder Deformationen aus dem ersten Durchlauf angenommen und in den nächsten Durchläufen jeweils weitere zusätzliche Deformationen hinzugefügt; die resultierende Geometrie ist in der Regel (aber nicht zwingend - es kann auch sein, dass die ersten Deformationsparameter die besten Ergebnisse liefern) eine Geometrie mit zahlreichen (auch überlagerten) Deformationen.
Schließlich ist ein besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Fotoreaktoren und/oder des erfindungsgemäßen Fotoreaktionsarrays für fotokatalytische Reaktionen, bevorzugt Fotosyntheseprozesse, zum Einsatz auf Flächen von 5 cm2 bis zum mehreren Hektar, bevorzugt freien Geländeflächen oder Gebäudeaußenflächen, insbesondere auf Dächern, oder zum Erhitzen und/oder Entkeimen von durch die Kavität strömender Flüssigkeiten, bevorzugt Wasser, oder zur (katalytischen) Umsetzung von CO2 und H2O zu chemischen Energieträgern.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Konzentrator bevorzugt symmetrisch ausgestaltet, d.h. beide Seiten bzw. beide Wände sind gleich hoch.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Konzentrator nichtsymmetrisch ausgestaltet. Diese Variante kann insbesondere in Beleuchtungssituationen in denen eine Ausrichtung der Aperturnormalen zum Sonnenpfad bei Tag- und Nachtgleiche nicht möglich ist, zum Einsatz kommen.
In weiteren Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können die Beschichtungen der Wände von Konzentrator und/oder Kavität derart ausgeführt sein, dass sie eine Verschiebung der Wellenlängen des einfallenden Lichtes bewirken. Dies kann in manchen Varianten sinnvoll und bevorzugt sein, um das einfallenden Licht, welches bevorzugt Sonnenlicht ist, an die Absorptionseigenschaften des jeweils in dem Reaktionsraum (in der Kavität) angeordneten Fotokatalysators (bzw. Katalysatorsystems) und/oder den/die Reaktanten anzupassen.
In weiteren Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann statt einem Fotokatalysator ein thermisch aktivierbarer Katalysator (oder Katalysatorsystem) eingesetzt werden, der durch die mittels des einfallenden und in der Kavität reflektierten Lichtstrahlen erwärmt und aktiviert wird.
Der Eingang der Kavität, durch die das von Konzentrator gesammelte Licht in die Kavität eintritt, kann ein einfaches Fenster oder bei der Verwendung von Reaktionsrohren in der Kavität ein einfaches Loch sein. Dies sind die Regelfälle und daher bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in diesem Eingang eine optische Linse oder Linsengruppe angeordnet sein, wodurch es möglich wird, das einfallende Licht genau zu steuern, zum Beispiel auf einen gewünschten Ort zu fokussieren oder die einfallenden Strahlen zu verteilen. In noch anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in diesem Eingang ein optisches Element angeordnet sein, das selektiv Licht bestimmter Wellenlängen zurückwirft beziehungsweise durchlässt, was insbesondere im Fall von Wellenlängenverschiebungen in der Kavität (zum Beispiel durch entsprechende Beschichtungen der Kavitätsinnenwände oder in der Kavität angeordnete (Reaktionsmedien, Träger und/oder Katalysatoren) zwar das einfallende Licht in den entsprechenden Wellenlängen durchlässt, aber kein Licht entsprechender anderer Wellenlängen austreten lässt, wodurch Verlust durch wiederaustretende Lichtstrahlen verhindert oder reduziert werden kann.
Zu der vorliegenden Erfindung lässt sich darüber hinaus folgendes festhalten:
Das erfindungsgemäße panelartige, mikrostrukturierte und kostengünstig herstellbare Fotoreaktordesign zeichnet sich durch eine geschickte optische Auslegung aus, die unter anderem ohne ein mechanisches Ausrichten der Reaktorpaneele zur aktuellen Sonnenposition hohe fotokatalytische Wirkungsrade in Fotosynthesen im gesamten Jahresgang sicherstellt. Insbesondere bei bevorzugter Ost-West-Ausrichtung und an den Breitengrad angepassten Neigung der erfindungsgemäßen Fotoreaktoren).
Eine teure und wartungsintensive Sonnennachführung, wie zum Beispiel bei CSP (concentrated solar power) Kraftwerken oder im Bereich solarer Kraftstoffe meist notwendig, entfällt. Die Betriebskosten werden durch den Wegfall der Sonnennachführung signifikant gesenkt. Die Geometrie der Mikrostrukturierung erlaubt eine kostengünstige Herstellung z.B. über additive Fertigungsprozesse wie 3D- Druck oder Extrusion von Polymeren (zum Beispiel mit anschließender Bedampfung durch Aluminium). Das erfindungsgemäße Fotoreaktordesign kann ferner durch eine hohe Katalysatorausnutzung die eingesetzte Menge teurer Fotokatalysatoren minimieren. Die durch den spezifischen Aufbau sichergestellte homogene Ausleuchtung der Reaktionszone stellt sicher, dass ein eingesetzter Fotokatalysator an seinem optimalen Betriebspunkt gefahren werden kann.
Das Kernelement des Fotoreaktordesigns ist ein mikrostrukturierter Reaktionskanal, der aus verschiedenen Richtungen einfallendes Licht in eine verspiegelte Kavität leitet. Die Mikrostrukturierung wird dabei durch die oben beschriebenen Deformationen erreicht beziehungsweise dargestellt. Viele parallel angeordnete Fotoreaktoren (Array) erlauben es (beliebig) große Flächen abzudecken. In der Kavität befindet sich in manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein auf einer transparenten, bevorzugt auch porösen, Struktur geträgerter Fotokatalysator, der das eingeleitete Licht absorbiert und für die Umsetzung von z.B. CO2 und Wasser zu einem Energieträger nutzt. Licht, dass bei einer ersten Passage der Reaktionszone nicht absorbiert wird oder vom Katalysator gestreut wird, wird von den verspiegelten Wänden der Kavität bevorzugt zurück zum Katalysator geleitet.
Die Geometrie der Kavität ist in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Hinblick auf die Fähigkeit einfallendes, transmittiertes und gestreutes Licht in die Reaktionszone zu leiten, optimiert.
Letztere Eigenschaft der Kavität stellt eine hohe Strahlungstransporteffizienz trotz optischer Verdünnung des Katalysators sicher. Die optische Verdünnung des Katalysators und die damit sichergestellte gute optische Anbindung garantiert optimale Betriebsbedingungen für den gesamten im System befindlichen Fotokatalysator. In diesem Kontext bedeutet „optimal", dass der Katalysator bei hoher Katalysatorausnutzung und gleichzeitig ohne Einbußen in der erreichten Quantenausbeute betrieben wird. Beide Eigenschaften zusammengenommen — eine hohe Strahlungstransporteffizienz und möglichst optimale Betriebsbedingungen — garantieren eine hohe fotokatalytische Effizienz des Gesamtsystems.
Die Fertigung der Arrays von Fotoreaktoren kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung über kostengünstige Extrusion von Kunststoffen mit einer anschließenden optischen Beschichtung, zum Beispiel über physikalische Dampfabscheidung (PVD) von Aluminium oder Silber erfolgen.
Der Fotokatalysator kann in diese polymerbasierten und optisch beschichteten Formextrudate zum Beispiel durch Gelierung von katalysatorbeladenen Silica- Alkogelen mit anschließender überkritischer Trocknung und damit einhergehender Bildung eines transluzenten Aerogels eingebracht werden.
Die fotokata lytisch aktiven Paneele (also die erfindungsgemäßen Fotoreaktorarrays beziehungsweise eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Fotoreaktoren) werden in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse integriert und am Einsatzort optimal zur örtlichen Beleuchtungssituation statisch ausgerichtet. Eine optimale Ausrichtung bedeutet in diesem Kontext, dass durch geeignete Neigung und Orientierung der Paneele die im Jahresmittel erreichte fotokatalytische Effizienz maximal ist. Für unterschiedliche Ausrichtungen der Dachfläche (Himmelsrichtung und Neigung) sowie unterschiedliche Aufstellungsorte (Breitengrad) lässt sich über die Geometrieoptimierung der verspiegelten Wände der Fotoreaktoren eine bestmögliche Strahlungstransporteffizienzen erreicht. So kann in Varianten der vorliegenden Erfindung eine ökonomisch sinnvolle Zahl an unterschiedlichen Geometrien hergestellt werden, die für jeweils einen Bereich an Dachausrichtungen und -neigungen sowie Breitengrad optimiert ist. Die modulare Bauweise ermöglicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine unkomplizierte Erweiterung bestehender Systeme und einen einfachen Austausch von Paneelen, deren fotokatalytische Effizienz in Folge möglicher Alterungserscheinungen des Katalysators oder der optischen Beschichtung über die Zeit nachgelassen hat.
Die erfindungsgemäßen Fotoreaktorpaneele (-arrays) zeichnen sich durch ein geschicktes optisches Design aus, das einen hohen fotokatalytischen Wirkungsgrad und eine gute Katalysatorausnutzung in einem breiten Einfallswinkelbereich sicherstellt. Die zur Herstellung verwendbaren Materialien ermöglichen ferner eine kostengünstige Herstellung.
Neu ist bei der vorliegenden Erfindung die Geometrie des Reaktionskanals, der Licht nur leicht aufkonzentriert (Konzentrationsfaktor C = 2 - 3, insbesondere 2,5) und in die eigentliche Reaktionszone in der verspiegelten Kavität leitet. Die passend gewählten Dimensionen der Reaktionszone bzw. eine passend gewählte optische Schichtdicke - letzteres für den Fall, dass die Wände von Kavität und/oder Konzentrator für das einfallende Licht optisch transparent und von außen verspiegelnd beschichtet sind - gewährleisten ferner, dass schon eine Anzahl von zwei bis zehn Strahlenpassagen zu einer signifikanten Absorption im Reaktionsvolumen führen und trotzdem das gesamte Reaktionsvolumen ausgeleuchtet wird. Durch das geringe Konzentrationsverhältnis der konzentrierenden Optik und die kanalartige Geometrie wird ein effizienter Betrieb auch ohne Sonnennachführung sichergestellt.
Da Fotokatalysatorsysteme trotz optischer Verdünnung in der Regel sehr geringe Penetrationstiefen für Licht zulassen (im Bereich weniger Mikrometer bis hunderte Mikrometer), liegen die oben genannten passend gewählten Dimensionen im Bereich weniger hundert Mikrometer bis maximal einige Zentimeter. Demnach ist es grundsätzlich nicht möglich größere Bulkvolumina effektiv direkt auszuleuchten und eine Milli- bis Mikrostrukturierung der Reaktionszone ist letztlich unumgänglich.
Das neue Fotoreaktordesign kombiniert die Vorteile von Fotoreaktionstechnik mit aufwändigen nachgeführten Optiken, die unter allen Einfallswinkeln einfallendes Licht effizient zum Fotokatalysator leiten, mit der einfachen Bauweise eines schlichten Fotoreaktorpaneels (-arrays), das einfach erweiterbar, kostengünstig zu produzieren und unkompliziert in Betrieb und Wartung ist. Die Mikrostrukturierung gewährleistet eine homogene Ausleuchtung der Reaktionszone, eine hohe Katalysatorausnutzung und die Gewährleistung idealer Betriebsbedingungen für das gesamte Katalysatorvolumen.
Das erfindungsgemäße Fotoreaktordesign besteht also im Wesentlichen aus einem Konzentrator und einer optischen Kavität. In der Kavität befindet sich das Reaktionsvolumen. Dabei übernehmen die beiden Hauptkomponenten - Konzentrator und Kavität - folgende Funktionalität:
Der Konzentrator „fängt" Licht im relevanten Einfallswinkelbereich ein und leitet es in die Kavität.
Die Kavität stellt durch die Deformationen der kreisförmigen Grundgeometrie Mehrfachpassagen von eingekoppelten Strahlen durch das Reaktionsvolumen sicher.
In besonderen Ausführungsformen der vorliegende Erfindung weisen die Fotoreaktoren gemäß vorliegender Erfindung die folgenden fünf Eigenschaften auf (insbesondere mit denen sie effiziente, kostengünstige, sonnenlichtgestützte Fotosynthese ermöglichen):
1. Sie stellen sicher, dass ein möglichst großer Anteil des einfallenden Lichtes in der Reaktionszone absorbiert wird (= weisen eine hohe Strahlungstransporteffizienz im relevanten Wellenlängenbereich - C|T,A- auf).
2. Sie stellen sicher, dass im gesamten Reaktionsvolumen die für die Synthese idealen Bedingungen herrschen. Dies gilt insbesondere für die lokale volumetrische Photonenabsorptionsrate - -, das Maß dafür, wie viel Licht pro Zeiteinheit und Volumen an einem Ort im Reaktionsvolumen absorbiert wird (= lokale Prozessintensität). 3. Kriterium 1. ist im gesamten Einfallswinkelbereich gültig, der sich aus dem Tages- und Jahresgang der Sonne ergibt.
4. Kriterium 3. ist ohne eine Nachführung zur Sonne erfüllt.
5. Die Geometrie des Reaktors ist mit kostengünstigen Materialien und mit bekannten Massenfertigungsverfahren herstellbar.
(Zusatzinformation: Aus dem Tageslauf der Sonne am Himmel ergibt sich ein benötigter Akzeptanzwinkel von ±90° in der Ebene der Sonnenbahn und aus dem Jahresverlauf ein Akzeptanzwinkel von ±23.5 ° in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Ekliptik.)
(a) Kriterium 2. ist nur erfüllbar, wenn das Reaktionsvolumen „durchleuchtet" werden kann, also optisch nicht dicht ist. Die Ausleuchtung wird dabei homogener, wenn bei einer Strahlpassage nur ein kleiner Anteil der Energie (= Photonen) des Strahls absorbiert wird. Dies hat zur Konsequenz, dass ein großer Anteil des auf das Reaktionsvolumen gelenkten Lichts dieses „durchleuchtet" und nicht absorbiert wird. Dies bedeutet wiederum, dass der Anteil, des auf das Reaktionsvolumen gelenkten Lichts, der im Reaktionsvolumen absorbiert wird, klein ist (= r]T,A ist klein).
Weiterhin sind Kriterium 1. und (a), damit auch Kriterium 1. und Kriterium 2., nur vereinbar, wenn Licht, dass das Reaktionsvolumen „durchleuchtet"', ohne absorbiert zu werden, umgelenkt und erneut durch das Reaktionsvolumen geleitet wird.
Unter zusätzlicher Berücksichtigung von Kriterium 4., ergibt sich damit ein Fotoreaktordesign, dass bei variablem Einfallswinkel „Mehrfachpassagen" von einfallendem Licht durch das Reaktionsvolumen sicherstellen kann.
Um also die Erfüllung der Kriterien 1. bis 5. sicherzustellen, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung demgemäß wichtig:
Dass das Verhältnis der Aperturweite des Konzentrators (dl) zur Weite des Eingangs in die Kavität (d2) in einem Bereich von 2 bis 3 liegt.
Dass das Verhältnis der Länge des Konzentrators (d4) zur Aperturweite des Konzentrators in einem Bereich von 0,5 bis 2,5 liegt.
Dass die Aperturweite (dl) größer als der Durchmesser der Kavität (d3) ist.
In manchen speziellen Ausführungsformen der vorliegende Erfindung kann die Festlegung descharakteristischen Durchmessers der Kavität d3 in Abhängigkeit des Reaktionsvolumens wie folgt erfolgen: i) Der charakteristische Durchmesser der Kavität wird so festgelegt, dass das Reaktionsvolumen mit einem gegebenen Absorptionskoeffizienten durchleuchtet werden kann. ii) Der charakteristische Durchmesser der Kavität wird gleichzeitig so festgelegt, dass eine „sinnvolle" Anzahl von Passagen des Lichtstrahls zur Absorption des Großteils (>90%) der eingekoppelten Strahlung sorgt.
Ferner wird der Absorptionskoeffizient des Reaktionsvolumens so festgelegt, dass ein signifikanter Anteil des Lichts, das in der Kavität absorbiert wird, im Reaktionsvolumen absorbiert wird (und nicht in einer eventuell transparenten, aber dennoch leicht absorbierenden Wand oder einer optischen Beschichtung). iii) Mit anderen Worten wird der Absorptionskoeffizient des Reaktionsvolumens so festgelegt (durch geeignete optische Verdünnung des eingesetzten Fotokatalysatorsystems), dass trotz auftretender parasitärer Absorption (falls gegeben) in der Wand der Kavität und der optischen Beschichtung der Kavität, C|T,A mindestens 60% beträgt (= Erfüllung des Kriteriums (1)).
Diese Überlegungen i) bis iii) stellen ein gekoppeltes System dar. In allen drei Überlegungen spielen optische Transporteigenschaften des Reaktionsvolumens und der Reaktorkomponenten und charakteristische Dimensionen der selbigen eine Rolle. Diese Herausforderung lässt sich wie folgt adressieren:
Gesucht ist die (dimensionslose) Absorbanz des Reaktionsvolumens (ARV) definiert nach Gleichung (1), so, dass die (dimensionslose) Strahlungstransporteffizienz I-|T,A einen maximalen Wert, jedoch mindestens 60% aufweist UND die (dimensionslose) Anzahl an Passagen eines Strahls (Nmin), die notwendig sind, um mindestens 90% des eingekoppelten Lichts zu absorbieren, in einem Bereich von 2 bis 10 liegt. Die dabei gegebenen Randbedingungen sind die (dimensionslose) Reflektivität der optischen Beschichtung (R) und die (dimensionslose) Absorbanz der Wand der Kavität (Aw), definiert nach Gleichung (2).
Die gesuchte Absorbanz des Reaktionsvolumens lässt sich nach Gleichung (3) abschätzen. Die dabei benötigte Anzahl an Passagen folgt aus den Gleichungen (4) und (5). fi = R exp(-2 iy) exp(- Rlz) (5)
Um die Überlegungen i) bis iii) zu erfüllen, liegt die Absorbanz des Reaktionsvolumens typischer Weise in einem Bereich von 0,2 bis 1,1. Entsprechend ergibt sich, wenn die Wände der Kavität aus einem für das einfallende Licht transparenten Material bestehen und außen verspiegelnd behandelt sind, dann sind in bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung der Durchmesser der Kavität (d3) und der Absorptionskoeffizient des Reaktionsvolumens (ORV), in Abhängigkeit der Reflektivität der optischen Beschichtung der Kavität (R) und des Absorptionskoeffizienten (ow) der Wand der Kavität und deren Wandstärke (d5) festgelegt, sodass eine Anzahl von 2 bis 10 Passagen eines eingekoppelten Strahls zu einer Absorption der Strahlenergie von mindestens 90% führt und die dabei erreichte Strahlungstransporteffizienz I-|T,A maximal wird, mindestens jedoch 60% beträgt. Dies ist für relevante Stoffsysteme und Wandstärken der Wand der Kavität (R>90% und Aw<<0.2) bei einer Absorbanz des Reaktionsvolumens (üRvd3) im Wertebereich von 0,2 bis 1,1 gegeben.
Ideale Strahlenpfade (in den Kavitäten der erfindungsgemäßen Fotoreaktoren) sind durch zwei Eigenschaften gekennzeichnet:
Das Verhältnis zwischen Strahlsegmentlänge im Reaktionsvolumen und in der Wand der Kavität ist maximal. Dies minimiert Verluste durch parasitäre Absorption in der Wand der Kavität.
Die Länge des Strahlensegments im Reaktionsvolumen ist maximal. Dies minimiert die Anzahl notwendiger Passagen und damit die Verluste durch parasitäre Absorption durch die optische Beschichtung.
In einer kreisähnlichen Geometrie, also einer kreisförmigen Geometrie mit entsprechenden Deformationen, gehen ideale Strahlenpfade durch das Zentrum der Geometrie.
Entsprechend ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung in manchen Ausführungsformen bevorzugt, wenn die optischen Elemente am Eingang in die Kavität oder an der Wand der Kavität sind so ausgeprägt sind, dass eingekoppelte Strahlen so oft wie notwendig (ca. 2- bis 10-mal, siehe oben) möglichst durch das Zentrum des Reaktionsvolumens geleitet werden. Eine Ableitung geeigneter Geometrien ist mittels einer (Frei-)formoptimierung abgestimmt auf das jeweilige Stoffsystem möglich, zum Beispiel wie oben dargestellt mittels Algorithmen, bevorzugt basierend auf MATLAB®, C++, Python, insbesondere MATLAB®.
Bei der vorliegenden Erfindung werden insbesondere bevorzugt Deformierungen der Art vorgesehen, dass die Mehrzahl einfallender Strahlen in möglichst vielen Passagen derart durch das Reaktionsvolumen geleitet wird, dass zum einen ein hoher Anteil der einfallenden Strahlungsenergie im Reaktionsvolumen absorbiert wird und zum anderen das gesamte Reaktionsvolumen möglichst homogen ausgeleuchtet wird. Entsprechend wird ein einfallender Strahl, insbesondere der primär einfallende Lichtstrahl, nicht sofort wieder aus der Kavität reflektiert. Dies führt hoher Strahlungstransporteffizienz und homogener Ausleuchtung des Reaktionsvolumens. Beides zusammengenommen stellt eine hohe fotokatalytische Effizienz in einer Fotosynthese sicher.
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, einen hohen fotokatalytischen Wirkungsgrad bei gleichzeitig niedrigen Systemkosten zu erreichen, indem aufgrund der Geometrie und des spezifischen Aufbaus der Fotoreaktoren:
1) keine Nachführung zum Sonnenstand erforderlich ist;
2) optimale Betriebsbedingungen für einen Katalysator gewährleistet sind;
3) die Katalysatorausnutzung (Wirkungsgrad), falls verwendet, hoch ist;
4) eine hohe Strahlungstransporteffizienz sichergestellt ist.
Zudem sind die Kosten im Rahmen der der vorliegenden Erfindung gering, indem:
5) über kostengünstige Verfahren, bevorzugt additive Fertigungsmethoden, insbesondere 3D-Druck und/oder Extrusion aus Polymeren gefertigt werden kann.
Weiterhin ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft, weil das System
6) modular erweiterbar und leicht zu warten ist.
Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen stehen in fachüblicher und bekannter Art und Weise miteinander in Wirkverbindung. Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, z.B. - aber nicht ausschließlich - diejenigen der verschiedenen abhängigen Ansprüche oder einzelner in den Figuren beschriebenen Ausgestaltungen, können in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden, sofern solche Kombinationen sich nicht widersprechen.
Die im Folgenden mit Bezugnahme auf die Figuren näher erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen dar, viele der im Folgenden in einzelnen Figuren dargestellten Merkmale bzw. Ausführungsformen sind mit in anderen Figuren oder der übrigen Beschreibung dargestellten Merkmalen und Ausführungsformen kombinierbar, insbesondere wo die Merkmale entsprechend beschrieben sind. Die Figuren sind überdies nicht limitierend auszulegen und nicht maßstabsgetreu. Weiterhin enthalten die Figuren nicht alle Merkmale, die übliche Vorrichtungen/Anlagen aufweisen, sondern sind auf die für die vorliegende Erfindung und ihr Verständnis wesentlichen Merkmale reduziert, beispielsweise sind Schrauben, Schläuche etc. nicht oder nicht im Detail dargestellt.
Gleiche Bezugszeichen/-ziffern bedeuten dabei gleiche oder gleichwirkende Vorrichtungsteile.
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Fotoreaktors 1. Der Konzentrator KO und die (optische) Kavität KA sind jeweils mit geschweiften Klammern umfasst. Ferner sind in der Figur die charakteristischen Größen der Aperturweite dl, der Weite des Eingangs in die Kavität d2, des charakteristischen Durchmessers der Kavität d3 (= größter Innendurchmesser) und der Länge des Konzentrators d4, sowie der Wandstärke der Kavitätswand d5 gezeigt. Weiterhin sind verschiedene Bereiche gezeigt, zum einen als I der Eingang in die Kavität und als II der Bereich der Kavität in dem nach einer ersten Strahlpassage durch die Kavität (das Reaktionsvolumen) im Zentrum der Kavität Lichtstrahlen auf die (verspiegelte) Innenwand der Kavität treffen. Die gestrichelten Linien in Figur 1 deuten dabei an, wie die Wände in Varianten der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein können. Einerseits ist angedeutet, dass die Schenkel des Konzentrators gebogen sein können (in Abweichung von der idealen V-Form bzw. als Querschnitt eines CPC). Andererseits sind bei der Kavität verschiedene Deformationen der Wand angedeutet, mittels derer die Reflektionsrichtungen eintretender Strahlen beeinflusst werden können.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Figur dazu dient, darzustellen, welche Elemente der erfindungsgemäßen Fotoreaktoren wo und wie angeordnet sind; die erfindungsgemäß erforderlichen Verhältnisse (1), (2) und (3) und die Dimensionen der Wandvariationen sollen durch die schematische Figur 1 nicht korrekt dargestellt werden.
In Figur 1 sind die Wände von Konzentrator KO und Kavität KA als schraffierte, umrandete Flächen dargestellt. Dies illustriert, dass sie in diesem Beispiel aus einem für das einfallende Licht optisch transparenten Material bestehen. In diesem Beispiel sind außerdem die Außenflächen von Konzentrator KO und Kavität KA mit einer verspiegelnden Schicht beschichtet, was durch eine dickere Linie repräsentiert wird. Man sieht aus dieser Figur, dass die Größen dl, d2 und d4 an den jeweiligen „Enden" der Beschichtungen angreifen und nicht an den Innenwänden (an den Innenwänden würden sie angreifen, wenn diese beschichtet wären oder die Wände aus reflektierendem Metall bestünden), Die Größe d3 hingegen an den Innenwänden der Kavität.
Figur 2 illustriert, ebenfalls nicht maßstabsgetreu, eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fotoreaktors. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch Figur 2 die erfindungsgemäß erforderlichen Verhältnisse (1), (2) und (3) nicht korrekt darstellen soll. Bei Figur 2 ist der erfindungsgemäße Fotoreaktor 1 von einer Stützstruktur 2 umgeben. Diese kann Kühl- oder Heizstrukturen enthalten (nicht gezeigt). Mit III ist ein Bereich mit schematisierten Deformationen zur Umlenkung der Reflektion einfallenden Lichts bezeichnet. Gezeigt ist hier an den beiden Seiten optionale Verbindungseinrichtungen (oder Verbindungsbereiche) IV, mit denen mehrere Fotoreaktoren miteinander verbunden werden können, zum Beispiel zum Aufbau erfindungsgemäßer Fotoreaktorarrays.
Figur 3 zeigt illustrativ für einen erfindungsgemäßen Fotoreaktor 1, der von einer Stützstruktur 2 umgeben ist, einen Strahlengang eines einfallenden primären Lichtstrahls 3, der durch eine Deformation an eine Wand der Kavität umgeleitet wird. Zusätzlich ist in dieser Figur eine Röhre 4 (zum Beispiel aus Glas oder Kunststoff) gezeigt, die in ihrer Mitte einen Fotokatalysator enthält und durch die das Reaktionsmedium geleitet wird. Man erkennt deutlich, wie der Lichtstrahl 3 mehrfach umgelenkt wird und insofern eine viel bessere Ausnutzung des Lichtstrahls gegeben ist, als wenn dieser direkt wieder aus der Kavität herausreflektiert würde.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung (einer Verwendung) eines erfindungsgemäßen Fotoreaktionsarrays 5, umfassend eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Fotoreaktoren 1, auf einem Hausdach. Der Ausschnitt zeigt dabei die Milli-/Mikrostruktur einer Paneel-artigen Fotoreaktionstechnik im Rahmen der vorliegenden Erfindung, bei der hunderte parallel angeordnete erfindungsgemäße Fotoreaktoren 1 jeweils kleine Reaktionsvolumina umschließen.
Bezugszeichenliste:
1 Fotoreaktor
2 Stützstruktur (zum Beispiel bei 3D-gedrucktem Fotoreaktor)
3 primärer Lichtstrahl
4 Röhre (zum Beispiel aus Glas oder Kunststoff)
5 Fotoreaktorarray
KO Konzentrator
KA (optische) Kavität dl Aperturweite d2 Weite des Eingangs in die Kavität d3 charakteristischer Durchmessers der Kavität (Innendurchmesser) d4 Länge des Konzentrators d5 Wandstärke des transparenten Materials
I Eingangsbereich in die Kavität
II Bereich in dem der primäre Lichtstrahl auf die verspiegelte Innenwand der Kavität auftrifft
III Bereich mit schematisierten Deformationen zur Umlenkung der Reflektion einfallenden Lichts
IV Verbindungseinrichtung (Verbindungsbereich)
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht-limitierenden Beispiele weiter erläutert. Beispiel 1:
Das Fotoreaktordesign wurde in einem Laborreaktor für eine fotokatalytische Modellreaktion demonstriert. Die geometrischen Abmessungen wurden dabei skaliert, um eine bessere Handhabung zu gewährleisten. Die Kenndaten des Reaktors waren: dl = 5 mm; d2 = 2.3 mm; d3 = 7.8 mm; d4 = 11 mm.
Der Fotoreaktor wurde in einer MATLAB®-basierten Simulationsumgebung strahlungstechnisch abgebildet und mit eigens für den Anwendungsfall entwickelten Optimierungsalgorithmen hinsichtlich der Geometrie optimiert. Ziel der Optimierung war eine möglichst hohe fotokatalytische Effizienz bei senkrechtem Lichteinfall in den Konzentrator. Die optimierte Geometrie wurde via 3D-Druck in Edelstahl gefertigt. Die optischen Flächen wurden im Anschluss über Mikrofräsen, eine händische Politur und eine galvanische Silberbeschichtung nachbearbeitet, um im relevanten Wellenlängenbereich eine hohe Reflektivität zu gewährleisten.
Die so hergestellten Optiken wurden in einer sonnengestützten, fotokatalytischen Beispielreaktion (fotokatalytische Reduktion von Eisen-(III)-oxalat zu Eisen-(II)- oxalat) eingesetzt. Ein Abgleich zwischen simulierten und experimentell bestimmten fotokatalytischen Effizienzen zeigte eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Realität. Die im Experiment und in der Simulation durchgeführte Variation des Einfallswinkels des Lichts zeigte ferner, dass in einem Einfallswinkelbereich von plus/minus 20° zur senkrechten die getestete (erfindungsgemäße) Geometrie zuverlässig Licht in die Reaktionszone einkoppelte. Eine Ausrichtung zur Sonne musste demnach nicht erfolgen.
Beispiel 2:
Ein weiteres Beispiel wurde durchgeführt, wobei diesmal die Reaktoren als ein Kanalarray angeordnet wurden. Die Reaktoren wiesen jeweils die folgenden Kenndaten auf: dl = 9 mm; d2 = 3.3 mm; d3 = 8 mm; d4 = 14.3 mm.
In diesem Beispiel wurden die fotokatalytische Reduktion von 2 mM Kaliumtrioxalatoferratlösung untersucht. Es zeigte sich auch hier eine sehr hohe Effektivität der erfindungsgemäß Fotoreaktoren, womit gezeigt werden konnte, dass diese auch als Durchflussreaktoren sehr gute Ergebnisse erzielen. Es konnte anhand der Beispiele gezeigt werden, dass mit den erfindungsgemäßen Reaktoren beziehungsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafte Effekte erreicht werden und die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst werden konnten.

Claims

Ansprüche:
1. Fotoreaktor, insbesondere für sonnengestützte Fotosynthesen, umfassend einen Konzentrator und eine Kavität konfiguriert als Durchflussreaktor, wobei der Konzentrator in Durchflussrichtung gesehen einen unten offenen V- förmigen Querschnitt aufweist oder als Compound Parabolic Concentrator ausgestaltet ist, der an seinem unteren Ende direkt in Kontakt mit der Kavität steht und dort einen Eingangsbereich zur Kavität bildet, eine Aperturweite dl, eine Weite des Eingangs in die Kavität d2 und eine Höhe d4 aufweist; die Kavitätsinnenwand in Durchflussrichtung gesehen einen ellipsoiden Querschnitt mit einem Durchmesser d3 aufweist, der im Bereich des Auftreffens des primären einfallenden Lichtstrahls mindestens eine derartige Deformierung aufweist, dass der vom Auftreffpunkt reflektierte Lichtstrahl nicht direkt wieder aus der Kavität heraus reflektiert wird; und wobei
(1) das Verhältnis von dl zu d2 in einem Bereich von 2 bis 3 liegt,
(2) das Verhältnis von d4 zu dl in einem Bereich von 0,5 bis 2,5 liegt.
2. Fotoreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
(3)a für eine Konfiguration als Einzelfotoreaktor dl kleiner als d3 oder gleich d3 ist, oder
(3)b für eine Konfiguration als einer von mehreren zusammengeschalteten Fotoreaktoren dl größer als d3 ist.
3. Fotoreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformierungen in Form von Ein- oder Ausbeulungen in Bezug auf den ellipsoiden, bevorzugt kreisförmigen, Querschnitt der Kavität sind, wobei die Deformationstiefen im Bereich zwischen 1 % und 20 % des Durchmessers der Kavität d3 liegen und wobei die Deformierungen bevorzugt dellenförmig sind.
4. Fotoreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseiten von Konzentrator oder Kavität oder Konzentrator und Kavität für das einfallenden Licht hochreflektierend, das heißt einen Reflexionsgrad von mindestens 80% aufweisend, bevorzugt poliert oder verspiegelt, sind.
5. Fotoreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Konzentrator und Kavität aus einem transparenten Polymer, bevorzugt Polymethylmethacrylat, gefertigt sind, und die Außenseiten von Konzentrator oder Kavität oder Konzentrator und Kavität für das einfallenden Licht hochreflektierend, sind, insbesondere einen Reflexionsgrad von mindestens 80% aufweisen, und bevorzugt poliert oder verspiegelt, sind.
6. Fotoreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kavität ein oder mehrere Fotokatalysator(en) angeordnet sind, bevorzugt auf einem lichtdurchlässigen Träger, weiter bevorzugt in einem in der Kavität angeordneten lichtdurchlässigen Gefäß, insbesondere einem Rohr.
7. Fotoreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außen um die Kavität herum Kühloder Heizstrukturen, insbesondere Kühlrippen oder Wärmeträgerkanäle angeordnet sind.
8. Fotoreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoreaktor außen von Stützstrukturen umgeben ist, die optional Einrichtungen zum Verbinden mit weiteren Fotoreaktoren aufweisen können, bevorzugt Click-Verbindungen, Einschiebeverbindungen, Schraubverbindungen oder Klemmverbindungen.
9. Fotoreaktionsarray umfassend eine Mehrzahl von Fotoreaktoren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1 oder Anspruch 8, optional eingefasst durch ein Gehäuse oder eine unten offene Einfassung. Verfahren zur Herstellung von Fotoreaktoren nach einem der Ansprüche 1 bis
8, insbesondere nach Anspruch 1, umfassend die Schritte a) Herstellung von Konzentrator und Kavität durch additive Fertigungsprozesse, insbesondere 3D-Druck oder Extrusion; b) sofern die Oberflächen von Konzentrator und/oder Kavität nicht schon aufgrund der Herstellung in Schritt a) einen ausreichend hohen Reflexionsgrad für das einfallende Licht aufweisen, Behandeln der inneren oder äußeren Oberflächen von Konzentrator und Kavität durch Polieren oder Verspiegeln, insbesondere mittels Lösungsabscheidung, CVD, PVD; c) optional Einsetzen eines Reaktionsgefäßes in die Kavität. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Kavität zuvor, bevorzugt mithilfe eines Algorithmus, durch folgende Schritte ermittelt wurde: i) Vorlegen einer Kavität mit vorgegebener Geometrie, ellipsoiden oder insbesondere bevorzugt kreisrundem Querschnitt, ii) Vorgeben von Deformationsparametern, die mindestens eine Deformation mit Hinblick auf Ort an der Wand der Kavität, Breite und Tiefe der mindestens einen Deformation beschreiben, iii) Verformen der Kavitätsgeometrie auf Grundlage der Deformationsparameter, insbesondere am Ort des Auftreffens des primären Lichtstrahls, iv) Ermitteln der Reflektionswerte, insbesondere der Häufigkeit der Reflektionen, des primären Lichtstrahls innerhalb der Kavität, Reflektionswerte, und optional Speichern der ermittelten Werte, oder Ermitteln der Funktionalität der modifizierten Geometrie mit Hinblick auf die erreichte fotokatalytische Effizienz, und optional Speichern der ermittelten Werte, v-a) mehrfaches Wiederholen der Schritte ii) bis iv), wobei in Schritt ii) jeweils geänderte Deformationsparameter vorgegeben werden, und Vergleich der jeweils ermittelten Reflektionswerte oder fotokatalytischen Effizienz mit den bisher ermittelten Reflektionswerten oder Werten der fotokatalytischen Effizienz, v-b) Beenden des Wiederholens der Schritte ii) bis iv) sobald die Reflektionswerte oder die fotokatalytische Effizienz in einer
Kavitätsgeometrie mit einer oder mehreren Deformationen eine gewünschte Qualität erreicht hat, bevorzugt wenn die optimale, insbesondere höchste, Häufigkeit der Reflektionen des primären Lichtstrahls innerhalb der Kavität erreicht wurde, vi) Ausgabe der ermittelten Kavitätsgeometrie. Verfahren zur Optimierung der Kavitätengeometrie eines Fotoreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere nach Anspruch 1, bevorzugt mithilfe eines Algorithmus, umfassend die Schritte i) Vorlegen einer Kavität mit vorgegebener Geometrie, ellipsoiden oder insbesondere bevorzugt kreisrundem Querschnitt, ii) Vorgeben von Deformationsparametern, die mindestens eine Deformation mit Hinblick auf Ort an der Wand der Kavität, Breite und Tiefe der mindestens einen Deformation beschreiben, iii) Verformen der Kavitätsgeometrie auf Grundlage der Deformationsparameter, insbesondere am Ort des Auftreffens des primären Lichtstrahls, iv) Ermitteln der Reflektionswerte, insbesondere der Häufigkeit der Reflektionen, des primären Lichtstrahls innerhalb der Kavität, Reflektionswerte, und optional Speichern der ermittelten Werte, oder Ermitteln der Funktionalität der modifizierten Geometrie mit Hinblick auf die erreichte fotokatalytische Effizienz, und optional Speichern der ermittelten Werte, v-a) mehrfaches Wiederholen der Schritte ii) bis iv), wobei in Schritt ii) jeweils geänderte Deformationsparameter vorgegeben werden, und Vergleich der jeweils ermittelten Reflektionswerte oder fotokatalytischen Effizienz mit den bisher ermittelten Reflektionswerten oder Werten der fotokatalytischen Effizienz, v-b) Beenden des Wiederholens der Schritte ii) bis iv) sobald die Reflektionswerte oder die fotokatalytische Effizienz in einer Kavitätsgeometrie mit einer oder mehreren Deformationen eine gewünschte Qualität erreicht hat, bevorzugt wenn die optimale, insbesondere höchste, Häufigkeit der Reflektionen des primären Lichtstrahls innerhalb der Kavität erreicht wurde, vi) Ausgabe der ermittelten Kavitätsgeometrie. Verwendung der Fotoreaktoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder des Fotoreaktionsarrays nach Anspruch 9 oder der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 10 oder Anspruch 11 hergestellten Fotoreaktoren für fotokatalytische Reaktionen, bevorzugt Fotosyntheseprozesse, zum Einsatz auf freien Flächen, bevorzugt freien Geländeflächen oder Gebäudeaußenflächen, insbesondere auf Dächern, oder zur Umsetzung von CO2 und H2O zu chemischen Energieträgern, oder zur Wasseraufbereitung.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1848528B1 (de) 2005-02-19 2011-06-22 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Fotoreaktor
EP2194117A1 (de) 2008-12-02 2010-06-09 Reddy-Solutions Fotoreaktor
EP3070416A1 (de) * 2015-03-16 2016-09-21 ETH Zurich Sonnenstrahlungsführungsvorrichtung
US10981141B2 (en) * 2018-06-21 2021-04-20 Battelle Memorial Institute Enhanced microchannel or mesochannel devices and methods of additively manufacturing the same

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