Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das Vorhaben betrifft die Entwicklung und Kommerzialisierung eines Verfahrens zur Abwasserreinigung, wobei die Verfahrensidee auf die bekannte heterogene Photokatalyse des TiO2 mit dessen schadstoffabbauender Wirkung vor allem infolge der Reaktion der gebildeten \u00e4u\u00dferst reaktiven OH-Radikale zu-r\u00fcckgeht. Bisher wird die Abbaugeschwindigkeit insbesondere durch eine unzureichende Erzeugung von OH-Radikalen inakzeptabel limitiert. Mit dem Einsatz von Ozon sollen nun die Folgereaktion so gesteuert werden, dass die Ausbeuten an OH-Radikalen um mehr als eine Gr\u00f6\u00dfenordnung steigen und entsprechend die Effizienz des Schadstoffabbaus zunimmt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben beinhaltet im Wesentlichen drei Arbeitsschritte:
\n1.\tAufbau einer Laborversuchsanordnung zur Charakterisierung von fixierten Katalysatoren mittels Modellverbindungen (z. B. Dichloressigs\u00e4ure, Oxals\u00e4ure, Methylenblau) bei UVA-Bestrahlung, Ums\u00e4tze in Abh\u00e4ngigkeit insbesondere von Modellschadstoffkonzentration, Ozonkonzentration, Durchflussge-schwindigkeit, pH-Wert, Dauer und Intensit\u00e4t der Bestrahlung
\n2.\tFixierung des Photokatalysators TiO2, Standardfixierung: TiO2 (P 25 DEGUSSA) auf Borosilikatglas; Fixierung auf UVA-transparenten organischen Polymeren (z. B. PMMA, Fluorpolymere)
\n3.\tBereitstellung eines Reaktorprototyps mit der Kombination: fixierter TiO2-Katalysator\/UVA\/Ozon; Testung von Modell- und Realsystemen
\nDer 1. Arbeitsschritt wird haupts\u00e4chlich von der BTU bestritten, der Schwerpunkt der Bearbeitung liegt in den ersten 6 Monaten. Etwas zeitversetzt beginnt der 2. Arbeitsschritt bei dem damit beauftragten Leib-nizinstitut f\u00fcr Katalyse (LIKAT). Der Bearbeitungsschwerpunkt des von HDT umzusetzenden 3. Arbeitsschrittes liegt in den letzten 6 Monaten. F\u00fcr die L\u00f6sung der Aufgaben des 1. Arbeitsschrittes werden die UV-Spektroskopie, Gaschromatographie, Ionenchromatograghie herangezogen. Im Ergebnis des 2. Arbeitsschrittes soll eine geeignete Prozedur zur Standardfixierung m\u00f6glichst des kommerziell verf\u00fcgbaren TiO2 (P25) sowohl auf Flach- als auch Rohrprofilen gefunden werden. An ausgew\u00e4hlten Mustern werden die Beschichtungen charakterisiert. Die Tests im Rahmen des 3. Arbeitsschrittes werden durch analytische Leistungen der BTU unterst\u00fctzt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Der Photokatalysator TiO2 wurde in seiner fixierten Form eingesetzt und daran ein Abbau der Modellverbindungen Dichloressigs\u00e4ure (DCA) und Oxals\u00e4ure (OS) unter dem Einfluss von Ozon charakterisiert. Zuerst wurde in dem eigens daf\u00fcr gebauten Planarreaktor die photokatalytische Oxidation der beiden Modellsubstanzen insbesondere in Abh\u00e4ngigkeit der Konzentration, der Bestrahlungszeit und Verweilzeit (Variation der Dicke und Str\u00f6mungsgeschwindigkeit der bestrahlten Fl\u00fcssigkeitsschicht) untersucht. Als fixierter Referenzkatalysator diente das selbstreinigende TiO2-beschichtete Fensterglas Pilkington AktivTM. Die damit erhaltenen Ums\u00e4tze der abgebauten Modellverbindungen wurden als wesentliches Krite-rium bei der Suche nach einem geeigneten Katalysator genutzt. F\u00fcr die Katalysatorbereitstellung wurde im Wesentlichen nanoskaliges TiO2 (P25 von DEGUSSA) als Precursor eingesetzt und auf Borosili-katglas als UVA-durchl\u00e4ssige Unterlage fixiert. Eine Standardfixierung der aus einer w\u00e4ssrigen Suspension abgeschiedenen Katalysatorschicht wurde nach einer Temperung bei 475 \u00b0C erhalten. Verbesserte Rezepturen ergaben sich mit Kali- und Lithiumwasserglas als anorganische Bindemittel und der kommer-ziell verf\u00fcgbare Polysiloxan-Lack KASI\u00ae -GL als organisches Bindemittel. Eine weitere geeignete Fixierungsm\u00f6glichkeit lieferte eine Plasmaabscheidung (Fremdleistung Fa. Ultrakat). S\u00e4mtliche hergestellten Katalysatorschichten bauten die Modellverbindungen in dem untersuchten Konzentrationsbereich von 10-4 bis 10-2 mol l-1 und in Anwesenheit von 25 mg l-1 Ozon ann\u00e4hernd gleich schnell wie Pilkington AktivTM ab. Dabei ist hervorzuheben, dass die Ozonierung mit einem Photokatalysator auf das F\u00fcnffache beschleunigt wurde und der zus\u00e4tzliche Energieaufwand unterhalb von 10 % verharrte.
\nDie mechanische Festigkeit der Plasmabeschichtung ist am h\u00f6chsten, die der Standardbeschichtung am niedrigsten. Dazwischen liegt die Rezeptur mit Kaliwasserglas. Sie verspricht auch vor dem Hintergrund einer sicherlich hohen Ozonresistenz die optimale L\u00f6sung, weshalb diese M\u00f6glichkeit weiterverfolgt wird.
\nEin Prinzipversuch an einer Abwassercharge (Abwasser nach biologischer Kl\u00e4rung aus Kunststoffpyrolyseprozess, Fa. KUG) wies ebenfalls auf eine photokatalytische Beschleunigung der Ozonierung hin.
\nAuf Basis der Erkenntnisse aus den Untersuchungen am Planarreaktor wurde ein neuartiger Dreiphasenfallfilmreaktor gebaut. Dessen UVA-Strahler (Leuchtstoffr\u00f6hre) ist koaxial in einem senkrechten Hohlzylinder aus zwei ineinander gesteckten und stirnseitig verkapselten Borosilikatglasrohren angeordnet. Die beiden innen liegenden Zylinderfl\u00e4chen tragen die Photokatalysatorschichten, auf denen die Fallfilme er-zeugt werden. Die Reaktorgeometrie liefert ein f\u00fcr den Stofftransport des Ozons und des Schadstoffes beg\u00fcnstigendes hohes Verh\u00e4ltnis von Oberfl\u00e4che\/Volumen der bestrahlten Fl\u00fcssigkeit. Zugleich wird eine verlustarme \u00dcbertragung der Photonen zum Photokatalysator gew\u00e4hrleistet. Die Superhydrophilie des Photokatalysators sorgt f\u00fcr einen ungew\u00f6hnlich guten Fl\u00fcssigkeitsverlauf bzw. eine gleicherma\u00dfen gute Filmbildung.
\nK\u00fcnftigen Untersuchungen ist eine weitergehende Testung und Charakterisierung der Leistungsf\u00e4higkeit des Dreiphasenfallfilmreaktors vorbehalten.
\nDie photokatalytische Ozonierung soll als Verfahren den Bedingungen und Belangen der Kl\u00e4rung des o. g. Abwassers angepasst und angewendet werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ergebnisse wurden pr\u00e4sentiert: Delta Umwelttechnik (Prof. Welzel), Institut f\u00fcr Umwelttechnologien (Dr. Mie\u00dfner), LIKAT (Dr. J\u00e4hnisch)<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Unter dem Einfluss von Ozon verf\u00fcnffachte sich der Umsatz pro Zeiteinheit der Modellschadstoffe DCA und OS. Dem liegt ein synergistischer Effekt zu Grunde, der sich darin zeigt, dass bei einer gemeinsam ablaufenden Photokatalyse und Ozonierung f\u00fcnf Mal mehr umgesetzt wird als bei einer getrennten Prozessf\u00fchrung. Bemerkenswerterweise ist der Energieaufwand der Photokatalyse gegen\u00fcber dem der Ozonierung mit etwa 5 % fast vernachl\u00e4ssigbar. Der gebaute innovative Dreiphasenfallfilmreaktor beg\u00fcnstigt in erheblichem Ma\u00dfe den Transport der Schadstoffe, des Ozons und der Photonen zum Photokatalysator. Als vorteilhaft f\u00fcr die Qualit\u00e4t des Fallfilmes erwies sich dabei die Superhydrophilie des bestrahlten TiO2. Folgenden n\u00e4chstliegenden Aufgaben sollte nachgegangen werden:
\n\tvereinfachte Herstellung der Verkapselungen der Reaktor-Borosilikatglasrohre
\n\tEinsatz von kommerziell verf\u00fcgbaren 1,5m-UVA-Strahlern mit entsprechenden Borosilikatglasrohren
\n\tEinsatz von Luft statt Sauerstoff bei der Erzeugung von Ozon
\n\tLangzeitverhalten von Beschichtungen vorrangig mit Bindemittel Kaliwasserglas
\n\tEinsatz plasmabeschichteter Borosilikatglasrohre
\n\tAnpassung von Reaktorparametern f\u00fcr einen L\u00f6sungsweg zur Reinigung des o. g. KUG-Abwassers<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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