Projekt-960: Photokatalytische Abgasreinigung: Abbau von Chlorkohlenwasserstoffen
Projektleitung
Rupert Bauer
Forschungseinrichtung
Technische Universität Graz - Fakultät für Technische Chemie, Verfahrenstechnik und Biotechnologie Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Projektnummer
40236Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft
Navigation
Projektziele
Die Methode der heterogenen Photokatalyse (Titandioxid/UV-Verfahren) soll praxisbezogen anhand des Abbaus von chlorierten Kohlenwasserstoffen (Trichlorethen, Tetrachlorethen und Dichlormethan) getestet werden, um somit die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens in industriellen und gewerblichen Anlagen auszuloten
Der Aufgabenbereich umfasste
*den Umbau der bestehenden Anlage mit dem Ziel, Abgasströme, die Schadstoffe in geeigneter Konzentration enthalten, zu testen;
*eine qualitative Analyse der Abbauprodukte (Ausführen einer qualitativen Analyse mittels GC/MS, um Zwischen- und Endprodukte zu identifizieren);
*eine quantitative Analyse der Abbauprodukte von Dichlormethan, Trichlorethen und Tetrachlorethen (Integration eines zweiten Gaschromatographen, der mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor zur Kohlendioxidbestimmung ausgerüstet ist, und Inbetriebnahme des Analysengerätes; Optimierung des Systems GC/ECD; Aufstellung von Kalibrierkurven für Edukte und Produkte);
*die Aufstellung von Chlor- und Kohlenstoffbilanzen und
*die Beschreibung von kinetischen Grundlagen (Bestimmung der Reaktionsordnung, Aufklärung der Adsorptionsmechanismen, Erstellung der Reaktionsmechanismen).
Der Aufgabenbereich umfasste
*den Umbau der bestehenden Anlage mit dem Ziel, Abgasströme, die Schadstoffe in geeigneter Konzentration enthalten, zu testen;
*eine qualitative Analyse der Abbauprodukte (Ausführen einer qualitativen Analyse mittels GC/MS, um Zwischen- und Endprodukte zu identifizieren);
*eine quantitative Analyse der Abbauprodukte von Dichlormethan, Trichlorethen und Tetrachlorethen (Integration eines zweiten Gaschromatographen, der mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor zur Kohlendioxidbestimmung ausgerüstet ist, und Inbetriebnahme des Analysengerätes; Optimierung des Systems GC/ECD; Aufstellung von Kalibrierkurven für Edukte und Produkte);
*die Aufstellung von Chlor- und Kohlenstoffbilanzen und
*die Beschreibung von kinetischen Grundlagen (Bestimmung der Reaktionsordnung, Aufklärung der Adsorptionsmechanismen, Erstellung der Reaktionsmechanismen).
Berichte
Kurzfassung
Beim photokatalytischen Abbau von TCE werden bis zu einer Konzentration von ca. 500 ppm Konversionen von annähernd 100 % erzielt, bei der Oxidation von PCE und DCM rund 90 bzw. 40 %.
*Im Feedstrom muss eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 1,5 Vol % gegeben sein, um eine optimale Katalysatorleistung sicherzustellen.
*Bei Raumtemperatur (20 °C) ist die Katalysatoraktivität maximal.
*Bei Wasserdampfkonzentrationen > 800 mg/m³ nimmt die Konversion der eingesetzten Chlorkohlenwasserstoffe ab.
*Beim Abbau von Trichlorethen entstehen die Zwischenprodukte DCAC, DCAA, TCM und TCC bzw. die Produkte Kohlendioxid und Salzsäure. Im Fall von Tetrachlorethen bilden sich neben CO2 und HCl Trichloressigsäure, Trichloracetylchlorid, Tetrachlorkohlenstoff und Trichlormethan, die Oxidation von DCM führt zu CO2, HCl, TCC und TCM.
*Unter gegebenen Betriebsbedingungen kann eine vollständige Mineralisierung der Edukte nur bei kleinen Ausgangskonzentrationen erreicht werden.
*Die Entstehung der unerwünschten Zwischenprodukte kann durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter vermieden werden. Ein kleiner Durchfluss, die Anwesenheit von Wasserdampf und eine hohe Sauerstoffkonzentration im Volumenstrom beeinflussen die Produktverteilung und begünstigen eine vollständige Oxidation.
Hydroxyl- und Chlorradikale greifen primär an den Schadstoffmolekülen an. Ebenso denkbar ist eine Oxidation durch Sauerstoffradikale.
*Sauerstoff- und Substanzmoleküle adsorbieren an verschiedenen Adsorptionsplätzen, Wasser- und Substanzmoleküle an denselben Plätzen. Bei hohen Konzentrationen können Wassermoleküle demnach die untersuchten Chlorkohlenwasserstoffe von der Oberfläche verdrängen (kompetitive Adsorption).
*TCE und PCE adsorbieren im Vergleich zu DCM vermehrt an der Katalysatoroberfläche, die Anzahl der Moleküle/nm² ist dementsprechend höher. Ihre Bindung an Titandioxid ist demnach stärker als die von DCM. Dichlormethanmoleküle werden von TCE- oder PCE -Molekülen von der Oberfläche verdrängt.
*Die Reaktionsordnung hinsichtlich TCE, PCE oder DCM geht von erster Ordnung in nullter Ordnung bei hohen Konzentrationen über. Ist die Sauerstoffkonzentration hoch, so ist die Reaktionsgeschwindigkeit unabhängig von der Sauerstoffkonzentration.
Über einen Messzeitraum von zwei Jahren konnte keine Deaktivierung des Titandioxid – Katalysators festgestellt werden.
Das Projekt wurde von der Abteilung I/1/U beauftragt.