Projekt 26226/01

Fotokatalytische Umluftaufbereitung im Automobil

Projektträger

MANN + HUMMEL Innenraumfilter GmbH & Co. KG
Kulmbacher Str. 12
95502 Himmelkron
Telefon: 09254 275-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der bereits entwickelte Prototyp zum photokatalytischen Abbau von Kohlenwasserstoffen für die Umluftaufbereitung im Automobil (DBU-Projekt AZ 22695-31) soll in diesem Folgeprojekt weiter an die Anforderungen und Rahmenbedingen angepasst, sowie in seiner Leistungsfähigkeit 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 Aktivität gegenüber der reinen Anatasmodifikation auch noch einmal deutlich zu steigern. Selbstverständlich spielt hierbei auch die optische Leistung der Strahlenquelle eine außerordentlich wichtige Rolle.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas erste Teilziel war die Optimierung und Verbesserung des Katalysators gegenüber Aldehyden unter Laborbedingungen. Für die Modifikationen des Titandioxids wurde das SOLECTRO-Verfahren sukzessive optimiert bzw. weiterentwickelt. Neben den naheliegenden Parametern, wie der Schichtdicke, der Adhesion und dem Verhältnis von Anatas- und Rutilmodifikation beim Titandioxid wurde auch der pH-Wert der Schichten gezielt verändert.
Hierbei wurde insbesondere untersucht, ob der pH-Wert einen maßgeblichen Einfluss auf den Abbau von Aldehyden hat. Daneben wurde die Herstellung der Titandioxid-Schichten über 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 Verständnis der Abbaumechanismen. Sehr erfolgreich verliefen die Versuche mit den Hydroxyapatit-modifizierten Titandioxid-Gittern.
Parallel erfolgte die Auslegung des photokatalytischen Systems für einen Schadstoff-Speicherbetrieb. Dieser ist für den Betrieb im Automobil hervorragend geeignet. In der Startphase des Fahrzeugs werden die Schadstoffe mit einem technopor-System zunächst adsorbiert und quasi zwischengespeichert. Im Dauerbetrieb werden die Schadstoffe durch Wärme wieder freigesetzt und durch den Photokatalysator abgebaut. Es wurde ein Reaktor mit Schadstoffzwischenspeicher konzipiert. Ein weiteres Ziel war es, das Verhältnis Abbauraten zu Lampenleistung zu verbessern, hierbei wurden Hochleistungs-UV-Dioden getestet. Untersuchungen unter praxisnahen Bedingungen flankierten das Projekt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Modifikation des Titandioxids war der Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung des photokatalytischen Systems. Durch ändern der Einflüsse, wie Stromdichte und Titan-Quelle, war es möglich, optimale Beschichtungsparameter zu ermitteln. Der Einfluss des pH-Wertes beim Abbau war von besonderem Interesse. Ein alkalisch modifiziertes Titandioxid sollte Aldehyde an der Oberfläche aufnehmen und- im Sinne einer Aldolreaktion- zu höhermolekularen Verbindungen kondensieren. Ein ähnlicher Effekt wurde für 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 für beide Systeme keine Verbesserung gegenüber den Standard-Gittern. Ein weiterer Ansatz beschäftigte 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 Affinität der Edelmetalle zu Acetaldehyd war daher naheliegend. Für die gleichmäßige und vor allem wirksame Deposition im Titandioxid war eine Vielzahl von Versuche notwendig. Die Versuche unter Laborbedingungen zeigten eine Erhöhung der Abbauleistung. Leider konnten diese Resultate durch die Praxis-Tests zunächst nicht bestätigt werden. Später stellte sich jedoch heraus, dass die katalytische Aktivität durch den Edelmetalleintrag steigt, jedoch die temporäre Kapazität für den Schritt der Adsorption sinkt. Daher sind bei den in der Praxis vorkommenden hohen Durchströmungsgeschwindigkeiten keine hohen Abbauleistungen messbar. Dennoch konnten die Erkenntnisse für ein neues Konzept genutzt werden: Ordnet man verschiedene modifizierte Titandioxide in Richtung der Durchströmung in Reihe an, können die Modifikate verschiedene Abbau-Aufgaben wahrnehmen. Beispielsweise können durch ein Modifikat gezielt Aromaten gecrackt werden, wobei Aldehyde entstehen. Diese Aldehyde können 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 höchsten Umsatzraten von Acetaldehyd in den Laborversuchen auf (80%).
Im Bereich der Beleuchtungsquelle ist es besonders wichtig, dass mit einer möglichst geringen Einspeisung vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs eine möglichst hohe photokatalytische Aktivität erzielt wird. So mußte das UV-A-LED System optimiert werden. Es konnten erfolgreich Hochleistungs-UV-Arrays für den Dauerbetrieb konzipiert werden und eine Steigerung der Lichtleistung um ca. 200 % erzielt werden. Für die UV-A-Dioden mit einer optischen Leistung von 250 mW/cm² (UV-A-Dioden) wurden sowohl im Dauer- als auch im Pulsbetrieb Energiemessungen vorgenommen. Durch Erhöhung der Stromstärke von 500 mA auf 700 mA konnte bei diesen UV-A-Dioden eine optische Leistung von ca. 300 mW/cm² erreicht werden. Der anhand der theoretischen Leistungsaufnahme abgeschätzte Energiebedarf für die gesamte Lebensdauer des photokatalytischen Systems kann durch die Verwendung der UV-A-Dioden um 33 % gegenüber der Verwendung von Linex®-Lampen gesenkt werden. Als energieintensiv erwies sich dagegen der Dauerbetrieb bei Übersteuerung dieser UV-A-Dioden. Bei diesem Betriebsmodus liegt der ermittelte Energiebedarf ca. 114 % über dem Wert, der für Linex®-Lampen ermittelt wurde. Eine Reduktion der damit verbundenen Umweltbelastungspotentiale ist z.B. durch den Pulsbetrieb der UV-A-Dioden möglich. Die UV-A-Dioden zeigten unter Laborbedingungen einen Abbau der organischen Schadstoffe auf ca. 65 % der Ausgangskonzentration innerhalb einer Stunde. Bei der Übersteuerung dieser UV-A-Dioden mit einer Stromstärke von 800 mA konnten die Schadstoffe auf 23 % ihrer Ausgangskonzentration abgebaut werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

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 über die Fortschritte auf diesem Gebiet regelmäßig unterrichtet. Die Fa. Continental bekräftigte ebenfalls ihr Interesse an einem photokatalytischen Reaktor. Da die Prozesse in der Reifenindustrie häufig zu unerwünschten Geruchsbelästigungen führen, sieht Continental in der photokatalytischen Umluftaufbereitung einen geeigneten Weg, die Geruchsträger und Schadstoffe effizient und kostengünstig abzubauen. Im Rahmen des Projektes ergab sich auch eine vertiefte Zusammenarbeit mit der Firma Osram-Radium,die auch entsprechende Strahlenquellen zur Verfügung gestellt hatte.


Fazit

Die photokatalytische Umluftaufbereitung wird in Zukunft sicher nicht nur bei Automobilen eine Rolle spielen, sondern generell in Industrien, wo es auf einen zuverlässigen, effizienten und kostengünstigen Abbau von Schadstoffen in geringen Konzentrationen ankommt. Gerade beim Abbau der Aldehyde konnte mit dieser Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Effizienzsteigerung geleistet werden.
Auch wenn technisch noch nicht alle Hürden für 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.

Übersicht

Fördersumme

51.941,00 €

Förderzeitraum

01.03.2008 - 31.12.2008

Internet

www.mann-hummel.com

Bundesland

Bayern

Schlagwörter

Klimaschutz
Umweltforschung
Umwelttechnik