Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Der bereits entwickelte Prototyp zum photokatalytischen Abbau von Kohlenwasserstoffen f\u00fcr die Umluftaufbereitung im Automobil (DBU-Projekt AZ 22695-31) soll in diesem Folgeprojekt weiter an die Anforderungen und Rahmenbedingen angepasst, sowie in seiner Leistungsf\u00e4higkeit optimiert werden.Wie die vorangegangenen Untersuchungen gezeigt haben, entstehen bei dem photokatalytischen Abbau vor allem Aldehyde als Zwischenprodukte. Ziel ist es, die Freisetzung oder Bildung der Aldehyde durch ein geeignetes Reaktorkonzept oder eine Modifikation des Photokatalysators zu verhindern. Im Rahmen des Projektes sind daher zahlreiche Anstrengungen unternommen worden, die Herstellung der Titandioxidschichten zu optimieren und die photokatalytische Aktivit\u00e4t gegen\u00fcber der reinen Anatasmodifikation auch noch einmal deutlich zu steigern. Selbstverst\u00e4ndlich spielt hierbei auch die optische Leistung der Strahlenquelle eine au\u00dferordentlich wichtige Rolle.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas erste Teilziel war die Optimierung und Verbesserung des Katalysators gegen\u00fcber Aldehyden unter Laborbedingungen. F\u00fcr die Modifikationen des Titandioxids wurde das SOLECTRO-Verfahren sukzessive optimiert bzw. weiterentwickelt. Neben den naheliegenden Parametern, wie der Schichtdicke, der Adhesion und dem Verh\u00e4ltnis von Anatas- und Rutilmodifikation beim Titandioxid wurde auch der pH-Wert der Schichten gezielt ver\u00e4ndert.
\nHierbei wurde insbesondere untersucht, ob der pH-Wert einen ma\u00dfgeblichen Einfluss auf den Abbau von Aldehyden hat. Daneben wurde die Herstellung der Titandioxid-Schichten \u00fcber das SOLECTRO-Verfahren so modifiziert, dass Edelmetalle, wie Platin, Palladium und Gold in situ in die Schichten eingebracht werden konnten. Insbesondere der Vergleich der Laborversuche an der Uni Jena und die praxisnahen Tests bei MANN+HUMMEL erlaubten ein tieferes Verst\u00e4ndnis der Abbaumechanismen. Sehr erfolgreich verliefen die Versuche mit den Hydroxyapatit-modifizierten Titandioxid-Gittern.
\nParallel erfolgte die Auslegung des photokatalytischen Systems f\u00fcr einen Schadstoff-Speicherbetrieb. Dieser ist f\u00fcr den Betrieb im Automobil hervorragend geeignet. In der Startphase des Fahrzeugs werden die Schadstoffe mit einem technopor-System zun\u00e4chst adsorbiert und quasi zwischengespeichert. Im Dauerbetrieb werden die Schadstoffe durch W\u00e4rme wieder freigesetzt und durch den Photokatalysator abgebaut. Es wurde ein Reaktor mit Schadstoffzwischenspeicher konzipiert. Ein weiteres Ziel war es, das Verh\u00e4ltnis Abbauraten zu Lampenleistung zu verbessern, hierbei wurden Hochleistungs-UV-Dioden getestet. Untersuchungen unter praxisnahen Bedingungen flankierten das Projekt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Modifikation des Titandioxids war der Ausgangspunkt f\u00fcr die Weiterentwicklung des photokatalytischen Systems. Durch \u00e4ndern der Einfl\u00fcsse, wie Stromdichte und Titan-Quelle, war es m\u00f6glich, optimale Beschichtungsparameter zu ermitteln. Der Einfluss des pH-Wertes beim Abbau war von besonderem Interesse. Ein alkalisch modifiziertes Titandioxid sollte Aldehyde an der Oberfl\u00e4che aufnehmen und- im Sinne einer Aldolreaktion- zu h\u00f6hermolekularen Verbindungen kondensieren. Ein \u00e4hnlicher Effekt wurde f\u00fcr sauer funktionalisierte Titandioxide angenommen. Leider konnte nur unter Laborbedingungen bei den sauren Systemen ein entsprechender Einfluss im Vergleich zu den Standardsystemen gefunden werden. In den Praxistests bei MANN+HUMMEL fand sich f\u00fcr beide Systeme keine Verbesserung gegen\u00fcber den Standard-Gittern. Ein weiterer Ansatz besch\u00e4ftigte sich mit dem Einsatz von Edelmetallen, welche kontrolliert in-situ in die Titandioxid-Schichten eingebaut worden. Als Edelmetalle wurden Platin, Palladium und Gold verwendet. Eine hohe Affinit\u00e4t der Edelmetalle zu Acetaldehyd war daher naheliegend. F\u00fcr die gleichm\u00e4\u00dfige und vor allem wirksame Deposition im Titandioxid war eine Vielzahl von Versuche notwendig. Die Versuche unter Laborbedingungen zeigten eine Erh\u00f6hung der Abbauleistung. Leider konnten diese Resultate durch die Praxis-Tests zun\u00e4chst nicht best\u00e4tigt werden. Sp\u00e4ter stellte sich jedoch heraus, dass die katalytische Aktivit\u00e4t durch den Edelmetalleintrag steigt, jedoch die tempor\u00e4re Kapazit\u00e4t f\u00fcr den Schritt der Adsorption sinkt. Daher sind bei den in der Praxis vorkommenden hohen Durchstr\u00f6mungsgeschwindigkeiten keine hohen Abbauleistungen messbar. Dennoch konnten die Erkenntnisse f\u00fcr ein neues Konzept genutzt werden: Ordnet man verschiedene modifizierte Titandioxide in Richtung der Durchstr\u00f6mung in Reihe an, k\u00f6nnen die Modifikate verschiedene Abbau-Aufgaben wahrnehmen. Beispielsweise k\u00f6nnen durch ein Modifikat gezielt Aromaten gecrackt werden, wobei Aldehyde entstehen. Diese Aldehyde k\u00f6nnen dann durch ein weiteres Modifikat gezielt abgebaut werden. Ein grundlegendes Problem ist der Abbau von Aldehyden im photokatalytischen Reaktor. Jedoch konnten hydroxyapatit-modifizierte Systeme entwickelt werden, die auch unter praxisrelevanten Bedingungen einen deutlich schnelleren Abbau zeigen. Es wurden Umsatzsteigerungen im Bereich von 20 %, verglichen mit Standard-Titandioxid, erreicht. Als Weiterentwicklung der positiven Hydroxyapatitbelegung ist die in-situ Deposition des Titandioxids mit dem Strontiumhydroxyapatit zu sehen. Die so generierten Schichten wiesen die h\u00f6chsten Umsatzraten von Acetaldehyd in den Laborversuchen auf (80%).
\nIm Bereich der Beleuchtungsquelle ist es besonders wichtig, dass mit einer m\u00f6glichst geringen Einspeisung vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs eine m\u00f6glichst hohe photokatalytische Aktivit\u00e4t erzielt wird. So mu\u00dfte das UV-A-LED System optimiert werden. Es konnten erfolgreich Hochleistungs-UV-Arrays f\u00fcr den Dauerbetrieb konzipiert werden und eine Steigerung der Lichtleistung um ca. 200 % erzielt werden. F\u00fcr die UV-A-Dioden mit einer optischen Leistung von 250 mW\/cm\u00b2 (UV-A-Dioden) wurden sowohl im Dauer- als auch im Pulsbetrieb Energiemessungen vorgenommen. Durch Erh\u00f6hung der Stromst\u00e4rke von 500 mA auf 700 mA konnte bei diesen UV-A-Dioden eine optische Leistung von ca. 300 mW\/cm\u00b2 erreicht werden. Der anhand der theoretischen Leistungsaufnahme abgesch\u00e4tzte Energiebedarf f\u00fcr die gesamte Lebensdauer des photokatalytischen Systems kann durch die Verwendung der UV-A-Dioden um 33 % gegen\u00fcber der Verwendung von Linex\u00ae-Lampen gesenkt werden. Als energieintensiv erwies sich dagegen der Dauerbetrieb bei \u00dcbersteuerung dieser UV-A-Dioden. Bei diesem Betriebsmodus liegt der ermittelte Energiebedarf ca. 114 % \u00fcber dem Wert, der f\u00fcr Linex\u00ae-Lampen ermittelt wurde. Eine Reduktion der damit verbundenen Umweltbelastungspotentiale ist z.B. durch den Pulsbetrieb der UV-A-Dioden m\u00f6glich. Die UV-A-Dioden zeigten unter Laborbedingungen einen Abbau der organischen Schadstoffe auf ca. 65 % der Ausgangskonzentration innerhalb einer Stunde. Bei der \u00dcbersteuerung dieser UV-A-Dioden mit einer Stromst\u00e4rke von 800 mA konnten die Schadstoffe auf 23 % ihrer Ausgangskonzentration abgebaut werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Arbeiten im Rahmen des Projektes wurden mehrfach in Zeitungsberichten vorgestellt. Besonderes Interesse fanden die Ergebnisse bei den Automobilherstellern. Die Firma Daimler als auch die Firma Bosch wurde \u00fcber die Fortschritte auf diesem Gebiet regelm\u00e4\u00dfig unterrichtet. Die Fa. Continental bekr\u00e4ftigte ebenfalls ihr Interesse an einem photokatalytischen Reaktor. Da die Prozesse in der Reifenindustrie h\u00e4ufig zu unerw\u00fcnschten Geruchsbel\u00e4stigungen f\u00fchren, sieht Continental in der photokatalytischen Umluftaufbereitung einen geeigneten Weg, die Geruchstr\u00e4ger und Schadstoffe effizient und kosteng\u00fcnstig abzubauen. Im Rahmen des Projektes ergab sich auch eine vertiefte Zusammenarbeit mit der Firma Osram-Radium,die auch entsprechende Strahlenquellen zur Verf\u00fcgung gestellt hatte.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die photokatalytische Umluftaufbereitung wird in Zukunft sicher nicht nur bei Automobilen eine Rolle spielen, sondern generell in Industrien, wo es auf einen zuverl\u00e4ssigen, effizienten und kosteng\u00fcnstigen Abbau von Schadstoffen in geringen Konzentrationen ankommt. Gerade beim Abbau der Aldehyde konnte mit dieser Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Effizienzsteigerung geleistet werden.
\nAuch wenn technisch noch nicht alle H\u00fcrden f\u00fcr den Einsatz photokatalytischer Systeme im Automobil genommen sind, so wird doch mit zunehmender Miniaturisierung entsprechender Strahlenquellen auf LED-Basis ein kommerzieller Einsatz solcher Systeme immer wahrscheinlicher.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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