Photokatalytischer Filter

Bei photokatalytisch wirkenden Filtern für die Luftreinhaltung wird die zu reinigende Luft über TiO2-beschichtete Substrate geleitet. Bei UV-Beleuchtung entstehen bekannter­maßen Hydroxyl- und Perhydroxyl-Radikale, die eine stark oxidierende Wirkung aufweisen.

Entsprechende Systeme werden heute durch überströmbare photokatalytisch aktive Substrate realisiert, die um eine geeignete UV-Quelle angeordnet sind. Dieser technisch leicht zu realisierende Aufbau weist zwei grundsätzliche Nachteile auf, die den Hintergrund für das beantragte Forschungsvorhaben darstellen: Zum einen stellt die konventionelle UV-Quelle Totraum im Filtervolumen dar, zum anderen werden nur die der UV-Quelle zugewandten Oberflächen von der UV-Strahlung erreicht und aktiviert. In Folge ist das Filtervolumen nur zu einem gewissen Anteil katalytisch wirksam.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Erarbeitung von (textilen) Konzepten, die über lichtleitende Fasern, z.B. PMMA-Lichtwellenleiter, UV-Licht in unmittelbare Nähe von photokatalytisch aktiven und durchströmbaren Trägerstrukturen transportieren. Die Lichtwellen­leiter sollten hierzu modifiziert werden, sodass es über deren Länge in Teilbereichen zur radialen Auskopplung von UV-Licht kommt, das außerhalb des eigentlichen Filters in den Lichtwellenleiter eingeleitet wird. Hierzu wurden u.a. mechanische Aufrauhung und Beschichtung mit lichtstreuenden Nanokomposits untersucht. Weiterhin kann die Lichtauskopplung auch durch die textile Konstruktion promoviert werden.

Emissionen von technischer Gewebe, in die PMMA-Monofile eingearbeitet wurden: Die in Bildmitte und rechts gezeigten Muster zeigen infolge einer lichtstreuenden Beschichtung bei Einkopplung von UV-Licht eine deutliche Lichtabgabe.

 

Zunächst sollen entsprechende lichtgebende Strukturen mit separaten, katalytisch aktiven Strukturen kombiniert werden (Zweikomponentensystem). So wurden unterschiedliche lichtgebende Strukturen aufgebaut, z.B. mittels gitterförmiger Träger mit eingeflochtenen Lichtwellenleitern, deren radiale Lichtabgabe durch mechanische Störung der Oberfläche erzwungen wurde. Mit dieser Konstruktion wurde am Ort der Trägeroberfläche eine Bestrahlungsstärke von über 10 W/m² UV-A bei einer Trägergröße von insgesamt 50 mm x 100 mm erzielt. In einem weiteren Entwicklungs­schritt wurde der Träger der Lichtwellenleiter direkt mit photo­katalytischem Material (P25) beschichtet und als Grundlage für die Anfertigung eines Demonstrators eingesetzt. Das erste Modell für ein durchströmbares photokatalytisch aktives Filter bestand aus einer Kombination von Lichtwellenleitern mit radialer Lichtabgabe und einer durchströmbaren TiO2-beschichteten Trägerstruktur. Unter­suchungen zum erreichbaren photokatalytischen Abbau in der Luftreinigung (ISO-Reihe 22197) zeigten für das Prüfgas Isopropanol bereits einen signifikanten photokatalytischen Abbau im Labormaßstab. Der spezifische Schadstoffabbau (bezogen auf den Energieverbrauch des Schadstofffilters) des durchströmten und von einer textilen Struktur beleuchteten Systems  war im besten Beispiel  mehr als doppelt so hoch wie im konventionellen System.

Zusammenfassend ist das untersuchte Konzept dazu geeignet, die Leistungsfähigkeit photokatalytischer Systeme durch volle Durchströmbarkeit und optimale Raumausnutzung zu erhöhen. Für Anwender ist hieraus ein klarer energetischer Nutzen abzuleiten.

Detailaufnahmen der Trägerstruktur zur Aufnahme der Lichtwellenleiter und der TiO2-Beschichtung.

 

Photokatalytischer Abbau von Isopropanol im Demonstrator 1, gemessen im Reingas der Messapparatur bei einem Volumenstrom von 0,5 L/min.

 

Angaben zum Forschungsvorhaben

Forschungsthema: „Einsatz lichtführender textiler Strukturen mit TiO2-Beschichtung zur Entwicklung neuartiger durchströmender photokatalytischer Filter“
IGF-Forschungsvorhaben Nr. 18058 BG
Laufzeit 01.02.2014  bis 31.07.2016

Ansprechpartner:
Dr. Thomas Bahners, Tel. +49 2151/843-2016, e-Mail: bahners@dtnw.de

Gemeinschaftsprojekt mit

- Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. Duisburg

- Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V., Leipzig