"Entwicklung und Anpassung der Photokatalysatorabscheidung und Aufbau photokatalytischer In-situ-Analytik". Schlussbericht zum Vorhaben

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer effizienten, sicheren, umweltfreundlichen, ökonomischen und chemikalienfreien Oxidationstechnologie auf Basis der Photokatalyse zur Reinigung von Wasser. Die Technologie kombiniert hierbei die Vorteile der UV-Bestrahlung und Ozonisierung mit einer zusätzlichen Oxidationswirkung durch photoaktiviertes TiO2. Es wurden zwei Reaktortypen zur Wassereinigung entwickelt, die aus einer herausnehmbaren photokatalytischen Einheit, in der ein Katalysatorträger eingebracht wird, bestehen. Die verschiedenen Katalysatorträgermaterialien wurden mittels thermischer Atomlagenabscheidung photokatalytisch ausgerüstet, um den variablen industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Die Ergebnisse des Teilprojekts ""Entwicklung und Anpassung der Photokatalysatorabscheidung und Aufbau photokatalytischer Insitu-Analytik"" des Fraunhofer IST bestehen in der Konzeptionierung, Konstruktion und Inbetriebnahme einer Beschichtungsanlage auf Basis der thermischen Atomlagenabscheidung. Diese Beschichtungstechnologie ermöglicht die homogene und uniforme Schichtabscheidung des Photokatalysators auf komplex-geometrischen Materialien bzw. Katalysatorträgern. Im Rahmen des Teilprojektes wurde weiterhin erfolgreich ein Prozessfenster zur Abscheidung hochaktiver TiO2-Photokatalysatoren auf 2D-Oberflächen identifiziert und auf 3D-Substrate übertragen, sodass die funktionelle Ausrüstung auf den spezifizierten Katalysatorträgern ermöglicht wurde. Sie entwickelten Schichtsysteme zeichnen sich durch eine hohe Abbaurate im Methylenblauabbau bzw. einer hohen Photoneneffizienz auf den untersuchten Substratmaterialien mit maximalen Werten von bis zu 0,13% aus. Die Langzeitstabilität konnte im untersuchten Zeitraum auf mindestens 3 Monate bestätigt werden. Beim Transfer auf die 3D-Katalysatorträger konnten Photoneneffizienzen bis 0,33% beim Farbstoffabbau erreicht werden. Weiterhin wurde im Teilvorhaben auf Basis des photokatalytischen Abbaus eines Modellschadstoffes eine In-situ-Analytik entwickelt, um eine Wirksamkeitsanalyse von Live-Systemen und Prototypen zu ermöglichen. Durch die Kombination von Transmissionsmessungen im Kreislauf- bzw. Durchflussverfahren mit Methylenblau, die im zu überprüfenden Photokatalysereaktor abgebaut werden, wurde eine schnelle Rückkopplung der photokatalytischen Wirksamkeit derartiger Systeme erreicht. Der In-situ-Messaufbau konnte erfolgreich mit der bestehenden Normanalytik zur Ermittlung der photokatalytischen Wasserreinigungsleistung abgeglichen und kalibriert werden, sodass mit dem entwickelten Setup der Methylenblauabbau von unterschiedlichsten Reaktorkonzepten getestet und validiert werden kann.

Main goal of the project was the development of an efficient, safe, chemical-free, economic advanced oxidation process for water purification application based on photocatalysis. This solution combines the advantages of UV-treatment were developped, based on a modular and removable photocatalytic unit, where the catalyst support is implemented. Different catalyst support materials were functionalized with active films my thermal atomic layer deposition to address various industrial requirements and needs. The results of the sub-project "Development and Adaptation of Photocatalyst Deposition and Implementation of In-situ-Photocatalysts-Evaluation" of Fraunhofer IST consists of the conception, construction, and commissioning of a coating system based on thermal atomic layer deposition. This coating technology allows the deposition of homogenous and uniform photocatalytic films on complex-shaped geometries and catalyst support. Furthermore, a process window for the deposition of highly active TiO2-photocatalysts on 2D surfaces was identified and transferred to 3D surfaces, allowing functionalization on different specified catalyst supports. The developed thin film coatings are characterized by a high degradation of methylene blue and a high photonic efficiency up to 0.13% for the tested substrate materials. Long term stability of at least 3 months was proven. Transferring to 3D surfaces showed photonic efficiencies up to 0.33% for photocatalytic dye removal. In addition to the thin film development an In-situ-setup for photocatalytic performance tests was developed, allowing effectiveness measurements of the developed reactor prototypes. By combining transmission measurements of aqueous methylene blue solutions for closed-loop and flow through-systems a fast feedback loop for photocatalytic performance was established. This In-situ-setup was successfully aligned and calibrated with existing standards for determination of photocatalytic water treatment based on methylene blue, so that this setup allows effectiveness measurements on various reactor types and geometries.