Materialanalytik und Innenluftchemie

Forschungsprojekt

GreenAir – Partikelfreie und energieeffiziente photokatalytische Luftreiniger

Raumluft kann, unter anderem, flüchtige Verbindungen, sogenannte VOC, enthalten, welche in hinreichend hohen Konzentrationen zu gesundheitlichen oder Geruchsproblemen führen. Vor dem Hintergrund zunehmend dichter Bauweise kann sich dieses Problem insbesondere dann verschärfen, wenn unzureichende Belüftung vorhanden ist. Luftreiniger sollen diese Stoffe aus der Raumluft entfernen. Dies kann durch einfache Adsorption, aber auch durch katalytischen Abbau erfolgen. In zahlreichen Geräten dieser Art kommt die sogenannte Photokatalyse zum Einsatz. Häufig werden jedoch Defizite beim Wirkungsgrad, bei der Energieeffizienz und bei der Lebensdauer der eingesetzten Materialien festgestellt. Außerdem emittieren die Geräte teilweise unerwünschte Nebenprodukte. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben wir die Grundlage für eine sinnvolle Alternative geschaffen: ein neues, nachhaltigeres Reaktorkonzept zur photokatalytischen Luftreinigung auf Basis partikelfreier photoaktiver PVD-Schichten in Kombination mit intelligenten, effizienten LED-Bestrahlungsquellen. 

© triplan Umwelttechnik GmbH
Photokatalytischer Luftreiniger
© triplan Umwelttechnik GmbH
Photokatalytischer Luftreiniger

Die Grundlage der für dieses Projekt erforderlichen Analytik flüchtiger Verbindungen basiert auf dem in ISO 22197-1 beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der photokatalytischen Luftreinigungsvermögens auf Basis des Abbaus von Stickstoffmonoxid als typischem Luftschadstoff. Hierbei wird ein Prüfkörper in einen durchströmten Photoreaktor platziert und die Oberfläche durch UV-Strahlung aktiviert, so dass gasförmiges Stickstoffmonoxid adsorbiert und im Idealfall zu Stickstoffdioxid und Nitrat umwandelt wird. Ein kontinuierlicher laminarer Gasstrom über der Probe wird über die Reaktorgeometrie sowie über einen 5-mm-Spalt realisiert. Weitere Teile der ISO 22197 betreffen den photokatalytischen Abbau von Acetaldehyd, Toluol, Formaldehyd und Methylmercaptan (Teile 2-5) und sollten, sofern möglich und nötig, ebenfalls bei der Beurteilung des Gesamtsystems Beachtung finden.

Zur Validierung bestehender Prüftechnik von Photokatalysereaktoren wie auch zur Konzeption eines zukünftigen Photoreaktors haben wir zunächst eine Literaturrecherche durchgeführt. Ziel war es, bereits existierende Reaktoren, die auf Basis photokatalytisch aktiver Materialien arbeiten, zusammenzuführen und im Hinblick auf ihre Praxistauglichkeit zu bewerten. Diese Übersicht zu Photokatalysereaktoren (Flat-plate-, Wirbelschicht-, ringförmige und sonstige Reaktoren) wurde genutzt, um ein Basiskonzept zur bestmöglichen Auslegung der Anforderungen des ISO-Standards 22197-1 zu erstellen, die erforderlichen Eigenschaften zu parametrisieren sowie das modulare Design des neu zu konstruierenden Reaktors bzw. Luftreinigers (Modul) zu konzeptionieren.

Grundsätzliche Zielvorgaben für das neue Reaktorkonzept unter Berücksichtigung der Anforderungen aktueller und zukünftiger Photokatalyse-Prüfnormen waren:

  • Reduzierung der Luftbelastung durch freigesetzte Kohlenwasserstoffe unter Vermeidung des Auftretens von Sekundäremissionen (Zero-Emissionssituation)
  • Auslegung und Auswahl der Materialien zur Ermöglichung eines dauerhaft umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Betriebs

Entsprechend der Vorgaben haben wir potentiell kritische Materialien, deren Einsatz im Reaktor  geplant war (z. B. Dichtungen, Platinen) hinsichtlich ihrer Eigenemission untersucht. Ziel war es, von vornherein solche Materialien auszuschließen, deren Eigenemission entweder die Abluft aus dem Reaktor kontaminieren oder dessen Funktionalität beeinträchtigen könnte.

Im Rahmen der Untersuchungen stellten wir fest, dass viele Materialien des geplanten Testreaktors zwar zur normgerechten Bestimmung von Abbauraten (NO, VOCs), aber aufgrund zum Teil nicht vermeidbarer hoher Blindwerte nur bedingt zur Bestimmung eventueller Abbauprodukte geeignet sind. Daraufhin entwickelten wir ein alternatives Konzept, in dem der Flachbettreaktor durch ein kompaktes Edelstahlgehäuse ersetzt wurde, das die Verwendung von Dichtungsmaterialien weitgehend vermeidet (Minizelle). Die Peripherie wurde in diesem Konzept weitgehend erhalten bzw. angepasst.

Prüfkammern nach ISO 16000-9 dienen normalerweise der Charakterisierung von primären und sekundären Emissionen aus Baustoffen und Konsummaterialen sowie anderen im Innenraum verwendeten Gegenständen. Dadurch wird die Vermeidung stark emittierender Stoffe automatisch zum Konzept. Infolge dessen eigenen sich solche Prüfkammern besonders, um auch geringe oder vorübergehend auftretende Emissionen an Nebenprodukten nachzuweisen. Darin können dann der komplette Luftreiniger bzw. Reinigungsstufen getestet werden, auch im Hinblick auf die Emission unerwünschter Partikel.

Zur Beurteilung des grundsätzlichen Leistungsvermögens des neu entwickelten Photoreaktors haben wir ein Benchmarking mit folgenden Reaktorvarianten vorgenommen:

  1. Modularer Durchflussreaktor (Minizelle) in Anlehnung an ISO 22197-1
  2. Modularer Flachbettreaktor gemäß ISO 22197-1
  3. Prüfkammern in Anlehnung an ISO 16000-9 für die Untersuchung kompletter Einheiten

Nach derzeitiger Datenlage versprechen die entwickelten Ansätze vergleichbare oder höhere Wirkungsgrade gegenüber anderen bekannten Systemen. Hinzu kommt eine geringere Neigung zur Bildung von Nebenprodukten und geringerer Energieverbrauch durch den Einsatz der LED-Technik. Allerdings muss auch langfristig die kostengünstige Umsetzung der PVD-Beschichtungen auf dreidimensionale Flächen gelingen. Zudem bietet die Neigung zur Bildung von Nebenprodukten noch Verbesserungspotential, ebenso die Effektivität der verwendeten Katalysatoren. Gemeinsam mit der Industrie haben wir in einem Folgeprojekt bereits einen Luftreiniger auf Basis der Projektergebnisse entwickelt.

Ergänzende Informationen finden Sie bei unserem Projektpartner, dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST:

Förderung

Fördermittelgeber:
Fraunhofer-Gesellschaft (Eigenforschung)

 

Projektpartner:
Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST

 

Laufzeit:
1.8.2011 bis 31.10.2013