DE10133831C1 - Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Entfernen gasförmiger Schadstoffe aus der Raumluft - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Entfernen gasförmiger Schadstoffe aus der RaumluftInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Entfernen von gasförmigen Schadstoffen aus der Raumluft, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Aufgabe ist es hierbei, unerwünschte Immissionen aus der Raumluft selektiv und vollständig mit relativ geringem apparativem und energetischem Aufwand zu entfernen. DOLLAR A Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die in der zu reinigenden Luft enthaltenen Schadstoffe durch Einwirkung optischer Strahlung aufgrund resonanter und/oder nichtresonanter Einfach- und/oder Mehrfachphotonenanregung ionisiert werden, so dass die ionisierten Schadstoffe durch ein elektrisches Feld abgesaugt und aus der zu reinigenden Luft entfernt werden. Ein geringer Teil der für die Ionisierung erforderlichen Energie kann dabei auch in Form von Mikrowellenenergie oder feldelektrischer Energie aufgebracht werden. DOLLAR A Die Erfindung findet hauptsächlich in Klimaanlagen und anderen Luftzirkulationssystemen Anwendung.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum selektiven Ent
fernen von gasförmigen Schadstoffen aus der Raumluft, insbesondere in Fahrzeug-
Personenkabinen und Flugzeugkabinen.
Luftschadstoffe in Innenräumen, in denen sich Menschen aufhalten, wie beispielsweise in
Flugzeugen, Pkws, Büros usw. stellen ein erhebliches Problem für das gesundheitliche
Wohlbefinden dar. Sie werden aus Einrichtungsgegenständen, Oberflächenbeschichtungen
usw., sowie bei Tätigkeiten wie z. B. Kochen und Braten, aber auch durch die im Raum
befindlichen Personen emittiert. Zusätzlich können luftfremde Stoffe auch von außen (z. B.
Immissionen aus Verkehr und/oder Industrie) in Innenräume gelangen. Um nachteilige
Einflüsse auf den menschlichen Organismus zu vermeiden, sind umfangreiche
Filterungsmaßnahmen zur Aufbereitung bzw. Reinigung der Raumluft erforderlich.
Es sind Vorrichtungen zur Reinigung von Luft bekannt, die auf nicht-regenerativen
Adsorptionsverfahren basieren. Hierbei werden im wesentlichen Filter mit Aktivkohle,
modifizierter Aktivkohle oder Zeolithe verwendet. In DE 198 23 611 A1 und DE 197 30 291 A1
sind z. B. Vorrichtungen zum Entfernen von Schad- bzw. Geruchsstoffen und toxischen
Gasen aus Luftströmen beschrieben, wobei in der zuletzt genannten Patentanmeldung zwei
Adsorber vorgesehen sind, die wechselweise auf Adsorptionsbetrieb und
Desorptionsbetrieb schaltbar sind (regeneratives Verfahren). Speziell im niedrigen
Konzentrationsbereich, d. h. im Immissionsbereich mit Konzentrationen, die typischerweise
im ppb-Bereich liegen (im Folgenden auch als "indoor air" bezeichnet), ist jedoch die
Effizienz herkömmlicher Adsorbentien beschränkt, da die Beladung linear mit der Schad
stoffkonzentration (Henry'sches Gesetz) abnimmt. Um eine gute Filterwirksamkeit zu
erhalten, müssen die Adsorberfilter nach einer gewissen Zeit ausgewechselt bzw. rege
neriert werden. Zudem ist die Wirksamkeit und Effizienz der Luftreinigung stark von
Umwelteinflüssen, insbesondere von Temperatur und Feuchte, abhängig. Auch ist bekannt,
dass mikrobieller Bewuchs bzw. eine Akkumulation von Pilzen, Bakterien und Pollen die
Filter zu einem nicht zu vernachlässigenden Gesundheitsrisiko werden lassen. Ferner sind
Vorrichtungen mit derartigen Filtersystemen in der Regel mit einem großen Bauvolumen
verbunden, das insbesondere bei Fahr- und Flugzeugen nicht zur Verfügung steht.
Des weiteren sind Vorrichtungen und Verfahren zum Reinigen von Luft bekannt, die eine
Ionisation des gesamten Luftvolumens durchführen. Die Ionisation kann dabei, wie in DE 197 36 293 A1
beschrieben, durch Korona-Entladung erfolgen. Es sind aber auch andere
Luftionisierer bekannt, die Ionisationskammern und elektrostatische Filteranlagen umfassen
(vgl. DE 298 08 126 U1). Aufgrund des Erfordernisses, die gesamte Luft zu ionisieren, sind
hohe Leistungen erforderlich, da die hierzu verwendeten Ionisationsstrecken mit
entsprechender Hochspannung versorgt werden müssen. Gleichzeitig ist der Wirkungsgrad
in der Regel enttäuschend. Andererseits sind viele derartige Systeme nicht effektiv genug,
um die immer strenger werdenden gesetzlichen Auflagen zu erfüllen. Ein weiterer Nachteil,
der auf die Ionisierung der Sauerstoffmoleküle und Stickstoffmoleküle zurückzuführen ist, ist
die Bildung von reaktivem Ozon bzw. Stickoxiden.
Ähnlich ist es bei plasmaoxidativen und photochemischen Luftreinigungsverfahren, die auf
einen vollständigen Abbau der Schadstoffe abzielen. Die Entstehung unerwünschter
Nebenprodukte ist auch hier nicht auszuschließen, da nicht nur gewünschte Bestandteile,
sondern im Prinzip alle Bestandteile bzw. Komponenten der Luft ionisiert werden. Dabei
kann wiederum Ozon entstehen, das unter Radikalbildung weiter reagiert, so dass
unerwünschte Stoffe entstehen. Um einen möglichst vollständigen Abbau zu induzieren
sind sowohl hohe Elektronenenergien/Photonenenergien als auch Radikalkonzentrationen
notwendig, was wiederum hohe elektrische Leistungen erfordert. Außerdem ist der
Energieaufwand uneffektiv, da auch nicht störende Bestandteile der Raumluft ionisiert
werden. Ferner haben auch diese Vorrichtungen den Nachteil, dass sie viel Raum
beanspruchen, ein beträchtliches Gewicht haben und in der Wartung sehr aufwendig sind.
Ferner sind Vorrichtungen bekannt, die zum Entfernen von Staubpartikeln und anderen
makroskopischen Teilchen aus einem Gasstrom dienen. Eine derartige Anordnung ist
beispielsweise in US 4,543,484 beschrieben, die unter Verwendung eines
hochenergetischen Laserstrahls die zu entfernenden Teilchen entweder zerstäubt oder
elektrisch auflädt. Die geladenen Teilchen werden dann unter Einwirkung eines elektrischen
Feldes entfernt. Nachteilig sind auch in diesem Fall die erforderlichen hohen elektrischen
Leistungen und die großen Abmessungen.
Ferner ist aus DE 36 85 580 T2 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Reinigung von Luft
durch Bestrahlung mittels Ultraviolettstrahlen bekannt, wobei die in der Luft enthaltenen
feinen Partikel elektrisch aufgeladen werden und mit Hilfe eines elektrischen Feldes aus der
Luft entfernt werden.
Zudem ist aus DE 36 25 771 C2 ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ionisieren von
Schwebeteilchen mittels optischer Strahlung bekannt, wobei die Elektronenaustrittsarbeit
des Schwebeteilchenmaterials im wesentlichen durch Mehrphotonenabsorption
überwunden wird.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zum Entfernen von gasförmigen Schadstoffen aus der Raumluft, sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wodurch es möglich ist,
unerwünschte Immissionen in der Raumluft selektiv und vollständig mit relativ geringem
apparativem und energetischem Aufwand zu entfernen.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch die
Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und
Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus
den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entfernen von gasförmigen Schadstoffen aus der
Raumluft, das beispielsweise in Flugzeugkabinen und Kraftfahrzeug-Personenkabinen
Anwendung finden kann, zeichnet sich dadurch aus, dass die zu reinigende Luft zunächst in
einen Reinigungsraum geleitet wird und dann mit optischer Strahlung bestrahlt wird, so dass
die in der zu reinigenden Luft enthaltenen Schadstoffe durch Einfach- und/oder
Mehrfachphotonenanregung ionisiert werden. Die ionisierten Schadstoffe werden
anschließend durch Anlegen eines elektrischen Feldes abgesaugt und dadurch aus der zu
reinigenden Luft entfernt. Zweckmäßigerweise erfolgt die Einfach- und/oder mehrfach
photonenanregung resonant und/oder nicht resonant.
Das Verfahren zeichnet sich somit vorteilhafterweise dadurch aus, dass lediglich die in der
zu reinigenden Luft enthaltenen Schadstoffe ionisiert werden und nicht etwa Bestandteile
der Luft, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Argon etc.. D. h., es werden ausschließlich
die in der zu reinigenden Luft enthaltenen Schadstoffmoleküle selektiv durch
Photoionisation ionisiert und mittels eines elektrischen Feldes aus dem Luftstrom entfernt.
Die Energie der eingestrahlten Photonen (bzw. Lichtquanten) reicht dabei nicht aus, um
Luftbestandteile zu ionisieren, so dass eine Trennung aufgrund des elektrischen Feldes von
ionisierten Schadstoffmolekülen und nicht ionisierten Luftmolekülen auf einfache Weise
möglich ist. Diese Art der Ionisation beinhaltet auch, dass keine unerwünschten bzw.
schädlichen Nebenprodukte erzeugt werden, wie es bei anderen Ionisations- oder
Oxidationsverfahren der Fall ist.
Vorteilhafterweise wird die selektive Photoionisation dadurch erzielt, dass die Energie der
optischen Strahlung, die auf die zu reinigende Luft einwirkt, kleiner ist, als die
Energiedifferenz zwischen Grundzustand und Ionisationsgrenze der Luftmoleküle, wobei
die Energie aber ausreichend groß ist, um die sich in der zu reinigenden Luft befindenden
Schadstoffmoleküle zu ionisieren.
Da die Ionisierungsenergie der Luft-Hauptbestandteile Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid,
Argon etc. über typischerweise 12,5 eV liegt, wobei dieser Wert der Ionierungsenergie von
Sauerstoff entspricht, wird vorzugsweise eine Energie kleiner als 12,5 eV verwendet. Die
Wellenlänge der verwendeten optischen Strahlung liegt typischerweise im UV, wobei es
vorteilhaft ist, Mehrphotonenprozesse einzusetzen.
Dabei können Photonen gleicher Energie bzw. Wellenlänge oder auch Photonen
unterschiedlicher Wellenlängen verwendet werden. Es ist vorteilhaft, wenn beim
Mehrphotonenprozeß eines oder auch mehrere Zwischen-Niveaus durch eine geeignete
Wahl der Anregungswellenlängen resonant angeregt werden, da dann die
Anregungswirkungsquerschnitte besonders groß sind. Dabei gilt es, die Wellenlängen so zu
wählen, dass die Energie der eingestrahlten Photonen der Energie des ersten
Zwischenniveaus oder die Summe aus den Energien der eingestrahlten Photonen der
Energie wenigstens eines Zwischenniveaus oder auch den Energien mehrerer
Zwischenniveaus entspricht. Je näher die Photonenenergien bei den Energieniveaus liegen,
um so größer ist auch die Anregungswahrscheinlichkeit.
Mittels einer zeitlichen Änderung der Wellenlänge der Strahlung ist es auch möglich,
nacheinander verschiedene Schadstoffmoleküle zu ionisieren, da unterschiedliche
Schadstoffmoleküle im allgemeinen unterschiedliche Ionisierungsenergien aufweisen. Die
Wellenlänge der optischen Strahlung wird dabei vorzugsweise zeitlich zwischen 200 nm und
330 nm variiert. Die bedeutet, dass die Ionisierung verschiedener Schadstoffmoleküle auch
dadurch realisiert werden kann, dass die Bandbreite der verwendeten optischen Strahlung
in geeigneter Weise ausgewählt wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform können zwei oder mehrere Bestrahlungsquellen
verwendet werden, die optische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge emittieren.
Dadurch, dass Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig oder alternierend auf
die zu reinigende Luft einwirkt, kann die Ionisation verschiedener Schadstoffmoleküle
erfolgen.
Bei einer mehr als zweistufigen Photonenanregung ist es ferner zweckmäßig, dass die
optische Strahlung auch Wellenlängen im sichtbaren oder im infraroten Bereich enthält,
wobei die Wellenlängen zwischen 340 nm und 1 mm liegen. Die dazwischen liegenden
Werte sind jeweils auswertbar.
Daneben ist es bei einer derartigen mehr als zweistufigen Photonenanregung zweckmäßig
außer bzw. neben optischer Strahlung auch Mikrowellenstrahlung und/oder elektrische
Feldenergie zuzuführen.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die optische Strahlung in gepulster Form auf die zu reinigende
Luft einwirkt, wobei die Repititionsrate zwischen 1 Hz und 200 GHz und die Pulsdauer
typischerweise zwischen einer ms und 10 fs liegt, z. B. im pico- oder nanosekunden-
Bereich.
Die gepulste Bestrahlung der zu reinigenden Luft hat insbesondere den Vorteil, dass höhere
Intensitäten der optischen Strahlung, eingesetzt werden können, so dass eine effektive
Ionisation über Einfach- und Mehrfach-Prozesse und somit eine effektive Entfernung von
gasförmigen Schadstoffen aus der Luft möglich ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entfernen von gasförmigen Schadstoffen aus der
Luft, beispielsweise in Flugzeugkabinen und Fahrzeug-Personenkabinen, umfasst einen
Reinigungsraum, in dem sich die zu reinigende Luft befindet, mindestens eine
Strahlungsquelle, die optische Strahlung emittiert und auf die zu reinigende Luft einstrahlt,
so dass die in der zu reinigenden Luft enthaltenen Schadstoffe durch Einfach- und/oder
Mehrfachphotonenanregung ionisiert werden. Weiterhin ist eine Elektrodenanordnung zum
Erzeugen eines elektrischen Feldes integriert, wodurch die ionisierten Schadstoffe
abgesaugt und aus der zu reinigenden Luft entfernt werden. Zweckmäßigerweise erfolg
dabei die Einfach- und/oder Mehrfachphotonenanregung resonant und/oder nicht
resonant. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt vor allem darin, dass mit geringem
apparativem Aufwand eine effektive Reinigung der Luft, unabhängig von Temperatur und
Feuchte, durchführbar ist. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung geringe
Abmessungen auf, so dass sie leicht in bekannte Systeme, wie z. B. Klimaanlagen, eingebaut
werden kann, ohne dass umfangreiche Modifikationen erforderlich sind.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Reinigungsraum auf, der eine
Einlassöffnung zum Einströmen der zu reinigenden Luft und zwei Auslassöffnungen
aufweist, wobei die erste Auslassöffnung zum Abführen der ionisierten Schadstoffe und die
zweite Auslassöffnung zum Weiterleiten der gereinigten Luft dient.
Ferner weist der Reinigungsraum vorzugsweise ein Fenster auf, durch das die von der
Strahlungsquelle emittierte optische Strahlung auf die zu reinigende Luft eingestrahlt wird.
Somit wird die zu reinigende Luft in einen abgeschlossenen Raum geleitet, der sich einfach
in bestehende Anordnungen integrieren lässt. Ferner ist dadurch eine Trennung von
Strahlungsquelle und zu reinigender Luft gewährleistet, so dass beispielsweise die
Strahlungsquelle jederzeit leicht auswechselbar ist.
Zudem ist es vorteilhaft, eine durchstimmbare Strahlungsquelle zu verwenden, so dass die
optische Strahlung zeitlich über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich variiert. Dadurch
ist es möglich, nacheinander verschiedene Schadstoffe zu ionisieren. Weiterhin ermöglicht
die Verwendung einer durchstimmbaren Strahlungsquelle die Einstellung einer günstigen
Wellenlänge, bei der gleichzeitig mehrere Schadstoffmoleküle ionisiert werden.
Vorzugsweise wird eine gepulste Strahlungsquelle verwendet, da auf diese Weise höhere
Energiebeiträge für eine Einfach- und/oder Mehrfachphotoionisierung der Schadstoffe zur
Verfügung stehen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden zwei oder mehrere Strahlungsquellen
verwendet, die optische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, so dass
gleichzeitig verschiedene Schadstoffe ionisiert werden. Dabei ist es zweckmäßig, einen UV-
Laser, eine UV-Lichtquelle oder dergleichen als Strahlungsquelle zu verwenden. Daneben
kann alternativ oder zusätzlich - vorzugsweise bei einer mehr als zweistufigen
Photoanregung-Miktowellenstrahlung und/oder elektrische Feldenergie verwendet
werden.
Vorteilhafterweise findet die erfindungsgemäße Vorrichtung Anwendung in Klimaanlagen
oder anderen Luftzirkulationssystemen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen in näheren
Einzelheiten erläutert, in denen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines Luftzirkulationskreislaufes, der die
erfindungsgemäße Vorrichtung enthält;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung zum Entfernen von
gasförmigen Schadstoffen aus der Raumluft; und
Fig. 3 ein Termschema, dass das Prinzip der Photoionisation erläutert.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen "geschlossenen" Luftzirkulationskreislauf 1,
in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet ist. Mit Bezugsziffer 2 ist ein ab
geschlossener Raum bezeichnet, in dem sich Luft 3 befindet. Dieser abgeschlossene Raum 2
kann eine Fahrgastzelle eines Pkws, eine Flugzeugkabine oder ein beliebiger anderer Raum
sein. Da eine Frischluftzufuhr in vielen Anwendungsbereichen begrenzt ist, wird die Luft 3
in der Regel recht schnell verbraucht. Es sammeln sich vermehrt Schadstoffe an, die nega
tive Auswirkungen auf das Wohlbefinden und auf den menschlichen Organismus haben.
Die in Fig. 1 mit Bezugsziffer 3a bezeichneten Schadstoffe sind typischerweise VOC's
(Volatile Organic Compounds), wie beispielsweise Benzinkohlenwasserstoffe, Lösungs
mittel, Geruchsstoffe, usw. Die Konzentration der Schadstoffe 3a liegt bei dem hier
betrachteten Anwendungsgebiet im Bereich von einigen ppb's (µg m-3) bis in den unteren
ppm-Bereich (mg/m-3); d. h. im Immissionskonzentrationsbereich. Somit adressiert die
folgende Erläuterung vorrangig den Bereich "indoor air". Dies bedeutet jedoch nicht, dass
die vorliegende Erfindung auf einen derartigen Anwendungsbereich beschränkt ist.
Um für die Passagiere bzw. Personen, die sich in dem Raum 2 aufhalten, ein möglichst an
genehmes und gesundes Raumklima zu schaffen, und um deren Wohlbefinden zu fördern,
ist eine Reinigung der Luft von Schadstoffen 3a erforderlich. Zu diesem Zweck wird über die
Auslassöffnung 4 des Raumes 2 die zu reinigende Luft abgeführt und an eine Reinigungs
einheit 6 weitergeleitet. Dies erfolgt beispielsweise in dem in Fig. 1 gezeigten Luftzirkula
tionskreislauf 1 mit Hilfe eines nicht dargestellten Ventilators oder anderen geeigneten
Mitteln zum Umwälzen bzw. Zirkulieren von Luft. Gegebenenfalls kann dem Kreislauf 1 an
einer geeigneten Stelle Frischluft zugeführt werden. Dies ist aber in Fig. 1 nicht dargestellt.
Die Bestandteile der Reinigungseinheit 6 sind in Fig. 2 im einzelnen schematisch dargestellt.
Die Reinigungseinheit 6 ist in Fig. 2 gestrichelt gezeichnet und umfasst ihrerseits einen
Reinigungsraum 6a, eine Strahlungsquelle 10 und Elektroden 12 und 13, die mit einer
Spannungsversorgung 14 verbunden sind. Die zu reinigende Luft 3 wird über eine Einlass
öffnung 7 in den Reinigungsraum 6a geleitet. Anschließend wird die von der Strahlungs
quelle 10 emittierte optische Strahlung S auf die zu reinigende Luft eingestrahlt. Die
Strahlungsquelle 10 befindet sich außerhalb des Reinigungsraumes 6a, so dass die optische
Strahlung S durch ein in der Außenwand des Reinigungsraumes 6a angebrachtes Fenster
11 auf die zu reinigende Luft eingestrahlt wird. Die Energie der von der Strahlungsquelle 10
emittierten optischen Strahlung S wird dabei derart ausgewählt, dass sie lediglich ausreicht,
um die in der zu reinigenden Luft enthaltenen Schadstoffmoleküle zu ionisieren, nicht aber
die Luftbestandteile. Die Bestandteile der Luft sind im wesentlichen Sauerstoff, Stickstoff,
Argon und Kohlendioxid und werden im Folgenden der Einfachheit halber als
"Luftbestandteile" bezeichnet. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die
Ionisierungsenergie der aus der zu reinigenden Luft zu entfernenden Schadstoffmoleküle
unterhalb der der Luftbestandteile bzw. -moleküle liegt. Da die Ionisierungsenergien von
Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Argon bekannterweise bei 12.5 eV, 14.4 eV,
15.5 eV bzw. 15.7 eV liegen, bedeutet dies, dass bei Bestrahlung der zu reinigenden Luft
mit Quantenenergien kleiner 12.5 eV (z. B. 12 eV, 11.5 eV, 11 eV etc.) gewährleistet ist, dass
lediglich die Schadstoffmoleküle ionisiert werden und nicht die Moleküle der
Luftbestandteile. Die ionisierten Schadstoffmoleküle werden dann aufgrund eines
elektrischen Feldes E, dass zwischen den Elektroden 12 und 13 innerhalb des
Reinigungsraumes 6a anliegt, abgesaugt und über die Auslassöffnung 8 abgeführt.
Die so gereinigte Luft wird über die Auslassöffnung 9 weitergeleitet, beispielsweise zurück
in den abgeschlossenen Raum 2, wie in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet ist. Aufgrund der
geeigneten Energiewahl wird eine Ionisation der Luftbestandteile durch Einwirken der
optischen Strahlung S vermieden, was ansonsten ein Abtrennen der ionisierten
Schadstoffmoleküle aus der zu reinigenden Luft nicht möglich machen würde. Mit anderen
Worten, aufgrund der selektiven Auswahl der zur Anregung der Elektronen ausgewählten
Energie werden nur die Schadstoffmoleküle ionisiert und abtransportiert. D. h., die
Entstehung unerwünschter Neben- bzw. Reaktionsprodukte infolge von Fragmentation oder
Radikalbildung wird vermieden, da im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik
bekannten Ionisationsverfahren, wie beispielsweise bei der Plasma-Ionisation, hierbei eine
sogenannte "weiche" Ionisation durchgeführt wird.
Im Folgenden wird anhand von Fig. 3 der prinzipielle physikalische Prozess, der während
der Bestrahlung der zu reinigenden Luft mit optischer Strahlung abläuft, beschrieben.
Fig. 3 zeigt ein Termschema eines zu ionisierenden Moleküls. Es sind drei verschiedene
energetische Zustände dargestellt, der Grundzustand GZ, ein Zwischenzustand ZZ sowie
die Ionisationsgrenze IG. Aufgrund der Einwirkung der optischen Strahlung werden
Elektronen aus dem Atomverband der Schadstoffmoleküle befreit, d. h. Elektronen werden
über die Ionisationsgrenze angehoben. Ist die Photonenenergie der einwirkenden optischen
Strahlung dabei größer als der energetische Abstand zwischen Ionisationsgrenze und
Grundzustand, erfolgt die Auslösung des Elektrons in einem einzigen Schritt, und es bleibt
ein positiv geladenes Molekül zurück. Der durch die Einstrahlung von Lichtquanten
angeregte Ionisationsprozess führt also in einem einstufigen Prozess zur direkten Ionisation
des Moleküles.
Da die für diesen Prozess erforderliche Wellenlänge relativ klein ist, ist es in der Regel
vorteilhaft, den ionisierten Zustand über eine Zwei- bzw. Mehrstufenanregung zu erzeugen.
Bei dieser alternativen Form der Photoionisation wird durch die Einwirkung der Photonen
zunächst das Molekül in einen intermediären Zustand angeregt. Dieser Prozess ist in Fig. 3
schematisch durch die Pfeile P angedeutet. Die Energie der eingestrahlten Photonen
entspricht dabei der Energiedifferenz ΔE zwischen intermediärem Zustand und
Grundzustand. Es handelt sich folglich bei der Anhebung des Elektrons in den
Zwischenzustand um eine resonante Photonenanregung. Das Elektron im Zwischenzustand
kann dann durch einen weiteren Anregungsprozeß über die Ionisationsgrenze gehoben
werden, so dass das Elektron herausgeschlagen wird und ein positiv geladenes Molekül
zurückbleibt. Dieser Prozess kann auch über mehrere Zwischenschritte erfolgen.
Um ausreichend hohe Leistungsdichten zur Durchführung einer derartigen
Multiphotonenanregung zu erreichen, werden vorzugsweise Laser verwendet. Derartige
Laser können UV-Laser oder andere geeignete Laser sein. Die verwendeten Laser können
bei diskreten Wellenlängen alternierend oder simultan emittieren oder auch durchstimmbar
sein, und emittieren pulsförmige Strahlung bei hohen Repetitionsraten, wodurch sich sehr
hohe Ionisationsausbeuten bis zu 100% erreichen lassen und eine quantitative Beseitigung
der Schadstoffe aus der Luft möglich ist. Die Repetitionsrate liegt typischerweise im Bereich
von einigen kHz. Wenn Ultrakurzpulslaser, beispielsweise ps-Laser, verwendet werden, liegt
die Repetitionsrate typischerweise im Bereich von etwa 100 MHz.
Des weiteren kann eine gleichzeitige Ionisation verschiedener Schadstoffmoleküle durch
eine geeignete Wahl der Bandbreite der auf die zu reinigende Luft einwirkenden optischen
Strahlung erzielt werden. Eine Bandbreite von typisch 10 nm erscheint hierfür geeignet.
Alternativ können zwei oder mehrere Strahlungsquellen verwendet werden, die optische
Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen und ggf. Bandbreiten emittieren.
Abschließend ist anzumerken, dass neben Lasern auch UV-Lampen als Strahlungsquellen
verwendet werden können. In diesem Fall reicht die Leistungsdichte im allgemeinen jedoch
nicht für eine Mehrfachanregung aus, so dass bei einer Verwendung von UV-Lampen
lediglich eine Photoionisation über einen einstufigen Prozess möglich ist.
Die beschriebene Erfindung kann in einer umluftbetriebenen, einer Frischluft zuführenden
Klimaanlage oder anderen Luftzirkulationssystemen eingesetzt werden, ist aber nicht auf
diese Anwendungsgebiete beschränkt. Die Erfindung ermöglicht weitgehend unabhängig
von Temperatur und Luftfeuchtigkeit eine hohe Reinigungswirkung im
Immissionskonzentrationsbereich bei energiesparendem, kontinuierlichem Betrieb ohne
Filterwechsel. Aufgrund des Verzichts auf einen Filterwechsel oder auf eine separate
Degradation der Absorberfilter wird die Wartung minimiert. Ferner wird infolge großer
Absaugquerschnitte ein sehr geringer Druckabfall hervorgerufen, was sich günstig im
Hinblick auf eine kontinuierliche und energiesparende Luftreinigung auswirkt.
Claims (18)
1. Verfahren zum selektiven Entfernen von gasförmigen Schadstoffen aus der
Raumluft, insbesondere in Fahrzeug-Personenkabinen und Flugzeugkabinen,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- - Einleiten der zu reinigenden Luft in einen Reinigungsraum (6a);
- - Bestrahlen der zu reinigenden Luft mit optischer Strahlung (S), so dass die in der zu reinigenden Luft enthaltenen Schadstoffe (3a) durch Einfach- und/oder Mehrfachphotonenanregung ionisiert werden;
- - Absaugen der ionisierten Schadstoffe durch Anlegen eines elektrischen Feldes (E), um die Schadstoffe aus der zu reinigenden Luft zu entfernen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfach-
und/oder Mehrfachphotonenanregung resonant oder nichtresonant erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der
optischen Strahlung (S) kleiner ist als die Energiedifferenz (ΔE) zwischen
Grundzustand (GZ) und Ionisationsgrenze (IG) der Luftbestandteile, wobei die
Energie ausreicht, um die sich in der zu reinigenden Luft befindenden Schadstoffe
(3a) zu ionisieren.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der
optischen Strahlung (S) kleiner als die Ionisationsenergie von Sauerstoff ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der
optischen Strahlung (S) kleiner als 12.5 eV ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der
optischen Strahlung (S) zeitlich durchstimmbar ist, so dass verschiedene Schadstoffe
nacheinander ionisiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der
optischen Strahlung (S) zeitlich zwischen 200 nm und 330 nm variiert.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass optische Strahlung
(S) unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig auf die zu reinigende Luft einwirkt, so
dass verschiedene Schadstoffe gleichzeitig ionisiert werden, wobei die Wellenlängen
im Bereich von 200 nm bis 330 nm liegen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehr als
zweistufigen Photonenanregung die optische Strahlung (S) auch Wellenlängen im
sichtbaren oder infraroten Bereich umfasst, wobei die Wellenlängen im Bereich von
331 nm bis 1 mm liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehr als
zweistufigen Photonenanregung optische Strahlung, Mikrowellenstrahlung
und/oder elektrische Feldenergie zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische
Strahlung (S) gepulst auf die zu reinigende Luft einwirkt, wobei die Repetitionsrate
zwischen 1 Hz und 200 GHz und die Pulslängen zwischen einer ms und 10 fs liegen.
12. Vorrichtung zum selektiven Entfernen von gasförmigen Schadstoffen aus der
Raumluft, insbesondere in Kraftfahrzeug-Personenkabinen und Flugzeugkabinen,
gekennzeichnet durch:
- - einen Reinigungsraum (6a), in dem sich die zu reinigende Luft befindet;
- - mindestens eine Strahlungsquelle (10), die optische Strahlung (S) emittiert und auf die zu reinigende Luft einstrahlt, so dass die in der zu reinigenden Luft enthaltenen Schadstoffe (3a) durch Einfach- und/oder Mehrfachphotonenanregung ionisiert werden;
- - eine Elektrodenanordnung (Elektroden 12, 13) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes (E), wodurch die ionisierten Schadstoffe abgesaugt und aus der zu reinigenden Luft entfernt werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfach-
und/oder Mehrfachphotonenanregung resonant oder nichtresonant erfolgt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass der
Reinigungsraum (6a) eine Einlassöffnung (7) zum Einströmen der zu reinigenden Luft
und zwei Auslassöffnungen (8, 9) aufweist, wobei die eine Auslassöffnung (8) zum
Abführen der ionisierten Schadstoffe und die andere Auslassöffnung (9) zum
Weiterleiten der gereinigten Luft dient.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass der
Reinigungsraum (6a) ein Fenster (11) aufweist, durch das die von der mindestens
einen Strahlungsquelle (10) emittierte optische Strahlung (S) auf die zu reinigende
Luft eingestrahlt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine
Strahlungsquelle (10) durchstimmbar ist und kontinuierlich oder gepulst optische
Strahlung (S) emittiert.
17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder
mehrere Strahlungsquellen (10) verwendet werden, die optische Strahlung (S)
unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, so dass gleichzeitig verschiedene
Schadstoffe ionisiert werden.
18. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17 in einer
Klimaanlage oder anderen Luftzirkulationssystemen.
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