Projekt 03206/02

Design eines automatisierten Mehrzweckphotoreaktors im Baukastenprinzip

Projektträger

Friedrich-Schiller-Universit√§t JenaInstitut f√ľr Technische Chemieund Umweltchemie
Lessingstr. 12
07743 JenaZielsetzung und Anlass des Vorhabens Auf der Basis der aus den bisherigen Arbeiten (Projekt: Az 03206) und der Literatur gewonnenen Erkenntnisse soll ein neuer, flexibler Mehrzweckphotoreaktor im Baukastenprinzip konzipiert und gebaut werden. Dieser Reaktor ist hinsichtlich ausgew√§hlter praxisrelevanter Reaktionsparameter zu automatisieren und zu optimieren. Mit den kinetischen Daten wird die Grundlage f√ľr die Proze√ümodellierung und ein scale-Up zur kleintechnischen Anlage geschaffen. Die Realisierung der optischen Me√üeinrichtungen zur Filmdickenbestimmung stellt ein innovatives Verfahren dar. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenErste Arbeiten sollen sich mit der Optimierung der Konstruktion des vorhandenen D√ľnnschichtrollenphotoreaktors befassen. Dazu ist eine Literaturrecherche zur Thematik der Verteilereinbauten zur Parametrisierung von Photoreaktoren anzufertigen. Auf der Basis der erhaltenen Literatur und unter Ber√ľcksichtigung der geometrischen Verh√§ltnisse am D√ľnnschichtrollenphotoreaktor erfolgt die Konstruktion eines Prototypen des neuen Mehrzweckphotoreaktors. F√ľr die weiteren Untersuchungen sollen beide Photoreaktoren in einen Batchproze√ü √ľberf√ľhrt werden. Dabei ist der Aufbau so vorzunehmen, da√ü geeignete Stellen f√ľr Me√ü- und Regeleinheiten vorhanden sind beziehungsweise Dosierkreisl√§ufe zugeschaltet werden k√∂nnen. F√ľr die Me√üdatenerfassung und zur Anlagensteuerung mu√ü ein Proze√üleitsystem programmiert werden. S√§mtliche Me√üstellen beziehungsweise Ger√§teansteuerungen sind darin einzubinden. Aussagen zur Strahlungsbilanz und zur Geometrie des Films sollen √ľber eine optische Me√üstelle erhalten werden. Mit den quantitativen Daten erfolgt √ľber die Methode der statistischen Versuchsplanung die Optimierung der Reaktionsparameter f√ľr Modellsysteme. Die daraus erhaltenen Erkenntnisse zur Parametrisierung werden auf praxisrelevante Systeme √ľbertragen. Durch die Variation der Reaktormaterialien sollen potentielle Photokatalysatoren auf ihre Eignung untersucht werden. Ergebnisse und Diskussion Ein modularer D√ľnnfilm-UV-Reaktor (BKR) wurde aufbauend auf dem Prinzip der Filmerzeugung durch einen rotierenden Verteiler entwickelt. Verschiedene Reaktorkombinationen k√∂nnen durch den Wechsel der Bauteile zusammengestellt werden. Der Austausch der Zylinderk√∂rper ist mit wenigen Handgriffen in kurzer Zeit m√∂glich. Zwei Reaktoren (Miniplants) sind f√ľr die Untersuchungen vorhanden. Diese w√ľrden f√ľr die verschiedenen Behandlungen (Modellsubstanz, reale Abw√§sser, Farbstoffe) entsprechend zusammengesetzt. Wie beschrieben ist, sind alle Photoreaktoren in den Kreislaufbetrieb √ľberf√ľhrt und mit der notwendigen Me√ü- und Steuertechnik verbunden. Mit Hilfe eines Softwaretools wurde speziell f√ľr die Photoreaktoren eine Proze√üsteuerung programmiert. Die Software bietet durch eine modulare Struktur die M√∂glichkeit, einfach Me√ü- und Testaufgaben zu √§ndern bzw. weitere Sensoren in das System zu integrieren. Als online-Methode kann mit der Fl√ľssigchromatographie der Reaktionsverlauf verfolgt werden. √úber die Kopplung k√∂nnen prinzipiell auch andere Me√ümethoden eingebunden werden. An einer ausgew√§hlten Modellsubstanz erfolgte die Optimierung der Reaktionsf√ľhrung mit dem Ziel, die Substanz 2-Fluorphenol in k√ľrzester Zeit aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen. Alle Photoreaktoren wurden unter der gleichen Zielstellung f√ľr wesentliche Reaktionsparameter und ausgew√§hlte Betriebszust√§nde optimiert. Anhand der Vorgaben durch die statistische Versuchsplanung wurden f√ľr definierte Parameters√§tze Experimente durchgef√ľhrt. Berechnungen mit multipler-linearer Regression ergaben f√ľr die jeweiligen Reaktoren Modellgleichungen. Mit diesen Gleichungen wurde die Reaktionsf√ľhrung optimiert. Als Ergebnis liefert die Rechnung die optimalen Parameters√§tze. Aus dem Vergleich der Daten erh√§lt man Reaktorparameter f√ľr ein scale-up und/ oder scale-down. Dabei handelt es sich um die fl√§chennormierte Geschwindigkeitskonstante. Normiert wird auf die bestrahlte Fl√§che in dem Reaktionszylinder. Berechnungen f√ľr ein scale-down und auch ein scale-up liegen bereits vor. Die Baukastenreaktoren mit unterschiedlichen Zusammenstellungen (L√§nge, Strahler) wurden an mehreren Abwasserproben getestet. Dabei zeigte sich die Eignung der Reaktoren auch f√ľr reale Abw√§sser. Getestet wurden: 1. kontaminiertes Grundwasser und 2. schwermetallhaltiges Proze√üabwasser (nicht n√§her beschrieben, da Schutzrechte bestehen) Eine Methode zur optischen Filmdickenbestimmung konnte noch nicht vollst√§ndig aufgebaut werden. In Vorversuchen wurden Kalibraitionsreihen f√ľr die Filmdicke als Funktion der Intensit√§tsdifferenz gemessen. Eine √úbertragung der Me√üanordnung auf die Photoreaktoren gelang teilweise. Jedoch f√ľhrten die Ergebnisse der online-Messungen noch nicht zu den berechneten Filmdicken. Untersuchungen zur optischen Filmdickenmessung werden im Rahmen einer Qualifikationsarbeit fortgef√ľhrt. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation a.) Poster auf dem Umwelttechnologieforum (UTECH) in Berlin im Februar 1997 mit dem Titel Proze√üautomatisierung eines Miniplant-Photoreaktors b.) Patentanmeldung unter der Patentnummer: 197 22 920.4 mit der Bezeichnung Apparatur zur photolytischen Bestrahlung fluider Medien im Mai 1997 c.) Ausstellung eines Prototypen des Modularen D√ľnnfilm-UV-Reaktors auf der ACHEMA in Frankfurt/Main im Juni 1997 d.) Ausstellung eines Prototypen auf der Leipziger INNOVATIONS-Messe im September 1997 e.) Ver√∂ffentlichung der Arbeitsergebnisse in der GIT-Laborfachzeitschrift unter dem Titel Automatisierung von Reaktoren im Laborma√üstab, Artikel angenommen, Ver√∂ffentlichung in 2/98 f.) Ver√∂ffentlichung in Chemie-Ingenieur-Technik, Artikel in Arbeit g.) Abstract in der Zeitschrift Markt und Mittelstand 12/97 zu Verfahren und Apparatur zur Abwasserreinigung mittels UV-Licht Fazit Die Vielzahl der Ver√∂ffentlichungen zur Thematik der UV-Behandlung von Abfallstoffen in der Fachliteratur zeigen das grundlegende Interesse die Wirtschaft an dieser alternativen Technologie. W√§hrend der Pr√§sentationen der Anlage (Frankfurt, Leipzig) best√§tigte das rege Interesse, da√ü die UV-D√ľnnfilmtechnik sich als ein leistungsf√§higes, problemorientiertes Verfahren parallel zu den etablierten Verfahren der UV-Abwasserbehandlung entwickelt hat. Die Anwendungsm√∂glichkeiten des Baukastenreaktors sind bedingt durch die Modularit√§t sehr vielf√§ltig. Mit dem erworbenen Wissensstand k√∂nnen weitere Reaktoren f√ľr spezielle Aufgaben gebaut werden. Detaillierte Anfragen liegen dazu schon mehrfach vor.

√úbersicht

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0 36 41/94 84 30

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Th√ľringen

Fördersumme

32.697,12 ‚ā¨

Förderzeitraum

01.01.1997 - 31.12.1997

Internet

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