Ozongeräte und Ionisatoren
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RLT Ozongeräte und Ionisatoren Inhalt 1 Grundlagen .................................................................................................................... 3 1.1 1.1.1 Was ist bei den Staubpartikeln so gefährlich? .................................................. 3 1.1.2 VOC ................................................................................................................. 4 1.1.3 Luftgüte ............................................................................................................ 6 1.2 Elektrostatisches Feld der Erde ........................................................................ 6 1.2.2 Ionisation ......................................................................................................... 8 1.2.3 Anwendungen der Ionisation .......................................................................... 10 Ozon ..................................................................................................................... 11 1.3.1 Herkunft ......................................................................................................... 11 1.3.2 Physikalische Eigenschaften .......................................................................... 12 1.3.3 Gesundheitliche Gefahren ............................................................................. 12 1.3.4 Ozonbildung ................................................................................................... 13 1.3.5 Ozonloch ....................................................................................................... 14 1.3.6 Ozonkonzentration in geschlossenen Räumen ............................................... 17 Geräte .......................................................................................................................... 18 2.1 3 Ionisation ................................................................................................................ 6 1.2.1 1.3 2 Eine gute Luft .......................................................................................................... 3 Ozonherstellung .................................................................................................... 18 2.1.1 Siemensröhre ................................................................................................ 19 2.1.2 Patt Fläche .................................................................................................... 19 2.1.3 Unterschiede beider Systeme ........................................................................ 20 2.1.4 Lebensdauer .................................................................................................. 20 2.1.5 Regelbarkeit / Steuerbarkeit ........................................................................... 20 2.1.6 Anwendbarkeit in rauer Umgebung ................................................................ 20 2.1.7 Industrialisierbarkeit ....................................................................................... 21 Umrechnung von gm³ in ppm ....................................................................................... 21 1 Grundlagen 1.1 Eine gute Luft Frage: Was ist eine gute Luft? Beziehungsweise, wie definieren wir eine saubere Luft? Jeder wird eine saubere Luft anders bewerten. Gewünscht wird eine Luft wie in der Alpen oder an der See. Allgemein gibt es Kriterien, die die meisten Menschen für eine saubere Luft definieren: eine optimale Luftzusammensetzung eine Luftfeuchtigkeit von etwa 20 bis 40% eine Temperatur zwischen 15°C und 25°C keine Staubanteile Nun, was tun bei geschlossenen Räumen? Um Energie zu sparen, sollte der direkte Kontakt mit der Außenluft vermieden werden. Dies führt aber zu stickigen Räumen mit hohen Staubanteilen, also nicht gerade das, was man eine gute Luft nennen kann. Mit kontrollierter Wohnraumlüftung kann man zwar die Energieverluste drastisch einschränken, aber die Luft von außen ist auch nicht immer optimal. Ideal wäre also ein System in der die Luft von außen gereinigt und die Innenluft regeneriert wird. Rein im Umluftbetrieb kann leider nicht gefahren werden, da nach gegebener Zeit der Kohlendioxidanteil so hoch wäre, dass eine gute Sauerstoffversorgung nicht mehr möglich ist. Dazu kommen noch die Ausdünstungen von Mensch und Material, im allgemeinen VOC genannt. Zusammen mit den Staubpartikeln in der Luft sorgen sie für eine schlechte Luft. 1.1.1 Was ist bei den Staubpartikeln so gefährlich? Jede Hausfrau kennt es: man kann machen was man will, Staub setzt sich überall hin. Grobstaub ist zwar lästig, im Grunde aber nicht gefährlich. Gesundheitlich bedenklich werden die Stäube erst, wenn sie so klein sind, dass sie nicht von der Lunge nach draußen transportiert werden. Partikel, die größer sind als PM10 (10μm) können noch vom Körper gebunden und über Husten nach außen transportiert werden. Bei kleineren Partikeln ist dies nicht mehr möglich. Besonders Partikelgrößen von PM 0,1 und kleiner werden über die Lungenateriolen in die Blutbahn aufgenommen und verursachen so gesundheitliche Probleme, wie Herzinfarkte oder Thrombosen, so eine medizinische Studie der North Western University of Chicago. Das Umwelt Bundesamt (UBA) stellt fest, dass die Wirkungen von vorübergehenden Beeinträchtigungen der Atemwege bis zur vermehrten Krankenhausaufnahmen sowie einer Zunahme der Sterblichkeit reichen. Immungeschwächte Patienten oder Menschen, die bereits unter Allergien, Asthma oder Herz- /Kreislauf-Beschwerden leiden, sind besonders gefährdet. 1.1.2 VOC Volatile Organic Compound (übersetzt: Flüchtige Kohlenwasserstoffe; VOC) sind instabile und chemisch gut reagierende C-H-Verbindungen (ketten- oder ringförmig), welche bei Erreichen geringer Aktivierungsenergien schnell mit anderen Oxydativen (z.B. O2 oder O oder über Zwischenreaktionen mit O3) zu vorrangig CO2 und H2O reagieren. Mitunter genügt nur die Konzentrationserhöhung eines der Reaktionspartner (meist der Oxydative) um eine sogenannte Kaltoxidation einzuleiten. Das Wort flüchtig impliziert, dass die zu der Gruppe der VOC zählenden Stoffe aufgrund ihres hohen Dampfdruckes bzw. niedrigen Siedepunktes schnell verdampfen (sich verflüchtigen). Flüchtige organische Verbindungen werden gemäß der WHO nach ihrem Siedepunkt bzw. der daraus resultierenden Flüchtigkeit eingeteilt: VOCs werden von einer Vielzahl anthropogener und biogener Prozesse in die Umwelt emittiert. Pflanzen, Tiere, Böden und Meere sind natürliche Quellen; die industrielle Lösemittelanwendung und deren Verwendung im Wohnungsbau sowie der Verkehr gehören zu den wichtigsten anthropogenen Quellen. Alle Lebewesen (Menschen, Tiere, Pflanzen, Mikroorganismen) emittieren organische Verbindungen in die Umwelt. So stellen z. B. Sümpfe gewaltige Methan-Quellen dar. Viele Pflanzen emittieren Terpene und andere organische Stoffe. Bei der vom Menschen verursachten Freisetzung von flüchtigen organischen Verbindungen dominieren die Verwendung von Lösemitteln und der Straßenverkehr. Betrachtet man die Methan-Emission aus dem Reisanbau als anthropogene Quelle für VOCs, so ergibt sich hier ebenfalls eine signifikante Quelle. Neben den VOCs in der Atmosphäre finden sich flüchtige organische Stoffe auch in der Innenraumluft. Quellen für diese VOCs sind u. a. Baustoffe, Möbel und Teppiche, Reinigungsmittel, sowie der Konsum von Tabakprodukten. sVOC ist die Abkürzung für „semivolatile organic compounds”, die englische Bezeichnung für „mittel bis schwerflüchtige organische Verbindungen”. Beschreibung Very Volatile Organic Compound (VVOC) Volatile Organic Compound (VOC) Semi Volatile Organic Compound (SVOC) Organic compound associated with particulatematter or particulate organic matter (POM) Siedebereich <0 bis 50 .... 100°C 50 ....100 bis 240 ....260°C 240...260 bis 380...400°C 380°C Die sVOC lassen sich in vielen Holzschutzmitteln und in einigen hochsiedenden Lösemittelersatzstoffen nachweisen, sowie in vielen Klebern und Lacken. Zu den sVOC gehören auch polycyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Pestizide, Flammschutzmittel, PVC und Weichmacher. Gerade bei letzteren werden enorme Konzentrationen in Bau- und Raumausstattungsmaterialien nachgewiesen. Wie bei den anderen Kriterien sind für die Konzentrationen der VOCs in den einzelnen Raumluftqualitäten in der VDI 6022 Blatt 3 (Entwurf) Orientierungswerte angegeben. 1.1.3 Luftgüte Luftgetragene Ionen haben keine Bedeutung für den Chemismus der stofflichen Umwandlung oxidierbarer Luftbestandteile! Wirksam in Bezug auf Luftqualität ist allein die oxidative Wirkung des Ozon! Übliche klassische Ionisatoren erzeugen lt. Aussage einschlägiger Anbieter Ionenkonzentrationen von einigen 10.000 Ionen je cm3. Gleichzeitig erzeugen diese Ionisatoren aber auch Ozon in einer Konzentration von wenigen hg , in kleiner Luftströmung oder in Räumen meist ca. 20 ppb. Dies liegt an der unteren Geruchsschwelle und wird deshalb häufig nicht wahrgenommen. Eine Ozonkonzentration von 20ppb = 20 * 10−9 oder 20 Ozonmoleküle auf 109 (1 Milliarde) Luftmoleküle (N2, O2) lässt sich umrechnen auf die Anzahl der Ozonmoleküle je cm3: 1 Mol eines Gases enthält NL = 6,011 * 1023 Teilchen (Atome/Moleküle) (Losschmidtzahl) 1 Mol eines Gases hat bei Standardbedingungen ein Volumen von VM = 22,4 Liter Mol (Molvolumen) Damit ergibt sich die Zahl n der Moleküle je cm³ n= Nl = VM 1 Mol cm3 * 103 Mol 6,011 22,4 = 2,7 * 1019cm1 3 Ein cm3 Luft enthält also 2, 7 * 1019 Moleküle. Bei einer sehr geringen Ozonkonzentration von 20ppb (20 * 10−9) sind also 5, 4 * 1011 Ozonmoleküle in jedem cm³ enthalten. Vergleicht man dies mit 10.000 Luftionen je cm³, ergibt sich ein Verhältnis von 1: 54.000.000, d.h. auf 1 Ion in der Luft kommen 54 Millionen Ozonmoleküle. Dies dürfte deutlich machen, dass alle oxidativen Wirkungen vom Ozon ausgehen und nicht von den Ionen, zumal wenn man zusätzlich berücksichtigt, das Ozon nach dem Fluor das stärkste bekannte Oxidationsmittel ist. Im Chemismus der Luftreinigung und Luftsterilisierung mit Hilfe chemo-physikalischer Verfahren spielen Luftionen keine bzw. eine untergeordnete Rolle. 1.2 Ionisation 1.2.1 Elektrostatisches Feld der Erde Das elektrostatische Feld der Erde resultiert daraus, dass die Erdoberfläche eine Überschussladung von −6 * 105C aufweist. Diese Überschussladung entsteht durch ionisierende Strahlung aus dem Weltraum. Dabei werden positiv ionisierte Teilchen in Richtung der Erde beschleunigt. Die negativ geladenen Teilchen werden von der Erde weg beschleunigt. In der Nähe der Erdoberfläche kann man etwa 1000 Ionen feststellen, wobei ein Kubikzentimeter bei cm3 19 Normaldruck 3 * 10 Moleküle enthält. Die Atmosphäre ist also dort nur schwach ionisiert, sie enthält sowohl positive als auch negative Ionen, wobei die Anzahl positiver Ionen überwiegt. Die Ionendichte nimmt mit der Höhe zu und hat ihr Maximum in der Ionosphäre. Dort ist ein erheblicher Teil der Gasmoleküle durch die UV-Strahlung der Sonne ionisiert. Diese positive Raumladung der Atmosphäre bewirkt durch Influenz eine Konzentration negativer Ladung an der Erdoberfläche. Zwischen dieser und der positiven Raumladung entsteht das elektrische Feld. Durch den Überschuss an positiver Ladung in den unteren Schichten der Atmosphäre wird das elektrische Feld der Erde teilweise abgeschirmt, so dass die die Feldstärke schnell mit der Höhe über dem Erdboden abnimmt, deutlich schneller als bei einem r2-Zusammenhang. In der Höhe von Ionosphäre und Magnetosphäre ist die Feldstärke bereits auf einige Volt pro Kilometer abgesunken. Im in der Messtechnik ermittelten Mittel beträgt die Feldstärke in der Luft (in einigen Metern über dem Erdboden) 130 mV . Aus dem Zusammenhang Q = r* E * A lässt sich die Überschussladung der Erde berechnen. Hierbei ist Q die elektrische Ladung der Erde r die Dielektrizitätskonstante und damit etwa die Permativität der Luft, E die in der Luft gemessene und gemittelte Feldstärke und A die Erdoberfläche mit 5,1 ∗ 1014 m2. Es ergibt sich, dass die zeitlich gemittelte Ladung der Erde Q = 6 * 105C beträgt. Ionen werden durch das Erdfeld – zusätzlich zur Schwerebeschleunigung – beschleunigt. Die Beschleunigung erhält man aus der Gleichung a= E*Q m wobei a die Beschleunigung des Ions aufgrund der des Erdfeldes und m die Masse des Ions ist. Beispielsweise ist die Beschleunigung eines einfach positiv geladenen Sauerstoffatoms, welche etwa in der Ionosphäre aufgrund der Sonnenwinde entstehen, wegen des elektrostatischen Erdfeldes etwa 80 Millionen Mal so groß wie die lokale Schwerebeschleunigung. Jedoch werden die so beschleunigten Ionen durch die Kollision mit anderen Atomen in der Atmosphäre gebremst, weshalb die so beschleunigten Ionen üblicherweise Geschwindigkeiten von 100 mV (360 km h ) aufweisen. Bei wolkenlosem Himmel im ebenen Gelände lassen sich in der Luft elektrische Feldstärken zwischen 100 und 300 mV von oben nach unten mittels Potentialsonden oder mit um die horizontale Achse drehbaren Plattenkondensatoren, sogenannten Rotationsvoltmetern feststellen. Bei Gewittern entstehen aufgrund der Ladungstrennung in den Wolken jedoch auch wesentlich höhere Feldstärken von 25 kV bis 35 kV , die man am Boden beobachten kann. Ab diesen Feldstärken kommt es auch in m m Form von Blitzen zu Entladungen (Ladungsausgleich). Wenn man einen elektrisch leitfähigen Körper in das elektrostatische Feld der Erde einführt, so bildet die Oberfläche diese Körpers aufgrund von Influenz eine Äquipotentialfläche. Daraus resultiert, dass ein leitfähiger Körper das elektrostatische Feld quasi um sich herum führt. Er bleibt aufgrund der Influenz selbst spannungsfrei. Wird der elektrisch leitfähige mit der Erde verbunden, so weist dieser das gleiche Potential wie die Erde auf, was man zum Beispiel im Fall des Blitzableiters nutzt. dass sich das elektrische Potential auf der Oberfläche eines leitfähigen Körpers gleichmäßig verteilt, führt auch dazu, dass der etwa leitfähige menschliche Körper keine Spannungsdifferenzen in der Luft fühlen kann, sondern bestenfalls eine geringe Kraft zwischen Körpern mit unterschiedlicher Ladung. Extrembeispiele von Luftionisation sind Ionisationswolken, hervorgerufen durch den NEMP ~ 15 kV bei m der Detonation von Nuklearwaffen, oder den EMP reiner EMP-Waffen (bzw. anderer EMP verursachender Effekte). 1.2.2 Ionisation Ionisation heißt jeder Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen entfernt werden, so dass das Atom oder Molekül als positiv geladenes Ion (Kation) zurückbleibt. Der umgekehrte Vorgang, bei dem ein Elektron von einem positiven geladenen Atom oder Molekül eingefangen wird, wird als Rekombination bezeichnet. Eine weitere Form der Ionisation, die vor allem in der Chemie relevant ist, ist die Anlagerung von Elektronen an ein neutrales Atom oder Molekül, so dass ein negatives Ion (Anion) entsteht. Ebenfalls kann Ionisation durch Anlagerung von Ionen (Protonen, Anionen, Kationen) erfolgen, zum Beispiel in der Massenspektroskopie. Wird ein Kern eines Atoms aus der Elektronenhülle herausgestoßen,- zum Beispiel durch ein schnelles Neutron - wird er ebenfalls dadurch zu einem Ion. Jedoch ist für diesen Vorgang die Bezeichnung Ionisation nicht üblich. Für alle Ionisationsprozesse gilt, dass zur Trennung des Elektrons vom Atom oder Molekül Energie aufgebracht werden muss (Ionisationsenergie). Ionisationsenergien liegen typischerweise in der Größenordnung mehrerer Elektronenvolt (zum Beispiel Argon: 15, 7eV ). Ionisationsenergien sind abhängig vom zu ionisierenden Material und dessen aktuellem Anregungszustand. So wird es zunehmend schwieriger, bereits ionisierte Atome oder Moleküle zu ionisieren. Die Ionisierungsenergie steigt mit jedem zu entfernenden Elektron aus der Elektronenschale exponentiell an. Typische Ionenkonzentrationen sind: Ein Gas mit einem erheblichen Anteil Ionen und freien Elektronen bei insgesamt gleich großen positiven und negativen Ladungsmengen nennt man Plasma. Nahezu die gesamte sichtbare Materie im Universum ist mehr oder weniger ionisiert. Ionen cm3 Gebirge, Meer Stadtrand, Wiesen, Felder Innerstädtische Parkanlagen An Straßen (Bürgersteige) Innerstädtische Wohnungen Geschlossene klimatisierte Räume 5.000 700 - 1.500 400 - 600 100 - 200 40 - 50 0 - 25 In der Natur werden Ionen auf eine Vielzahl von Möglichkeiten erzeugt, beispielsweise durch UVStrahlung, von Pflanzen oder „fallendes Wasser”. Am Strand, wo Wasser immer fließt, hat man etwa 2000 negative und etwa 1000 positive Ionen. Dieses Verhältnis von zwei zu eins wirkt sich auf das menschliche Wesen am günstigsten aus. Ein natürlicher „Ionengenerator” ist die Dusche. Fallendes Wasser bildet tausende von negativen Ionen, indem anderseits neutrale Luftpartikel gespalten werden. Negative Ionen sind Vitamine der Luft. Negative Ionen reduzieren Neurosen, Ängste, regen den Appetit und Durst an und stimulieren selbst das sexuelle Verhalten. Sie verbessern die Leistung, schärfen die mentalen Funktionen, reduzieren durch Konzentrationsstärke, Fehler. Hyperaktive Kinder werden ruhiger, sie schaffen Erleichterung bei Heuschnupfen, Migräne oder Verbrennungen und postoperativen Schmerzen, sie beschleunigen den Heilungsprozess von offenen Wunden und hinterlassen weniger Narben. In Experimenten des Tchijevski- Teams wurde nachgewiesen: Bakterien zersetzen sich pro Minute zu 34% bei Luft mit positiven Ionen, jedoch zu mehr als 78% mit negativen Ionen. 1.2.3 Anwendungen der Ionisation Durch die ionisierte Luft werden kleinste Staubpartikel wie ein Magnet angezogen. Es ist wie die Staubanziehung bei einem alten Fernseher. Der Feinstaub bindet sich zu größeren Staubteilchen zusammen (agglomeriert) und setzt sich an großen Flächen nieder (sedimentiert). „Aktivierte Luft” ist ein Sammelbegriff für elektrisch positiv und negativ, einfach oder mehrfach geladene Teilchen (atomarer oder molekularer Größe) in der Luft. Die raumklimatische Bedeutung liegt in erster Linie in der Erhaltung der elektrischen Leitfähigkeit der Raumluft, der Gewährleistung eines Ausgleichs der statischen Elektrizität sowie der Reinhaltung der Raumluft durch Sedimentation und natürliche Oxidation. Hierbei werden auch die feinsten Schwebstoffe aus der Raumluft wie Rauch, Viren, Mikroorganismen durch rasche Bildung von Kondensationskernen entfernt und aboxidiert. Bei dieser Betrachtung stellt sich die Frage, wie kommt unsere Erde mit den emittierten Stoffen und ihrem Abbau klar. Dazu ist das Verständnis für die gaschemischen Prozesse der Außenluft notwendig. Der Schlüssel für den ständigen Abbau der Emissionen ist die bereits beschriebene „aktivierte Luft”. Sie entsteht in der Natur durch UV-Einstrahlung der Sonne, Luftreibung und Temperaturunterschiede zwischen Luftschichten. Dabei werden insbesondere an den Sauerstoff und an Spurenelemente Elektronen angelagert oder diese Moleküle geben Elektronen ab. Es entsteht also ein dauerhaftes, in seiner Stärke schwankendes elektrisches Feld. Deutlich sieht man dies an Gewittererscheinungen, Wetterleuchten oder „Nordlichtern/Polarlicht”. Aber man kann diese Feldunterschiede auch fühlen, z. B. nahezu jeder hat schon beim Öffnen einer Autotür bei inversen Wetterlagen einen leichten elektrischen Schlag bekommen. Vereinfacht betrachtet haben wir somit Stoffe und Gase (Luft + Luftbestandteile), welche eine unterschiedliche elektrische Ladung aufweisen. Diese geladenen Stoffe oder Gasmoleküle werden durch die Spannungsdifferenz zu großen Flächen von diesen angezogen. Somit wird die Außenluft durch einfache physikalische Vorgänge stets gereinigt. Dieses Naturgesetz hat in den 70er Jahren der französische Atomphysiker Prof. Bricard im Rahmen eines Forschungsauftrages der französischen Regierung, über Klimaauswirkungen von Atomtests gefunden und formuliert: Das Produkt aus Kleinionen und Feinstaub ist konstant und beträgt 1,4*107 1.3 Ozon Ozon (O3) ist ein natürliches Gas, welches in geringer Konzentration auch in der Erdatmosphäre vorhanden ist: Gas Stickstoff Sauerstoff Argon Kohlendioxid Neon Helium Methan Krypton Wasserstoff Distickstoffoxid Xenon Ozon FCKW usw… Prozent N2 02 Ar C02 Ne He CH4 Kr H2 N2 O Xe 03 78,8 20,95 0,93 0,0375 ppm 375 18,2 5,2 1,7 1,1 0,5 0,3 0,09 0,03 0,0008 1.3.1 Herkunft Das Wort stammt vom griechischen ozein ab, was so viel wie Geruch bedeutet. 1840 wurde es vom deutschen Chemiker Schönbein zum ersten Mal entdeckt, aber erst 1872 charakterisiert. Es hat bei einer Konzentration von 0,01 bis 0,02 ppm einen leicht süßlichen Geruch, der ab 0,1 ppm zu einem scharfen stechenden Geruch wechselt, welcher zum Fernbleiben drängt. Leider gewöhnen sich unsere Nasen schnell an den Geruch. Die biozide Wirkung ist etwa eineinhalb Mal stärker als Chlor und ab einer Konzentration von größer 5 ppm wirkt Ozon für den Menschen tödlich. Im Ruhezustand werden vom Menschen 40% bis 50% des inhalierten Ozons schon von den Schleimhäuten von Nase, Mund und Rachen aufgenommen. Das in der Lunge aufgenommene Ozon liegt bei ca. 90%. 1.3.2 Physikalische Eigenschaften Ozon ist bei Zimmertemperatur und normalem Luftdruck gasförmig und ist farblos, bzw. hat bei hohen Konzentrationen eine leicht bläuliche Farbe. Es ist diamagnetisch und verflüssigt sich bei einer Temperatur von −110, 5°C zu einer tiefblauen Flüssigkeit. Ozon unterhält die Verbrennung sehr viel stärker als bimerer Sauerstoff, das heißt, etliche Materialien flammen schon bei Raumtemperatur bei Kontakt auf. Gemische aus reinem Sauerstoff und Ozon ab einem Volumenanteil von 11,5% können sich schon bei normalem Luftdruck und entsprechend hoher Zündenergie explosionsartig zersetzen. Durch Beimischung von 1% Methan oder NO2 wird die Zündgrenze auf ca. 5% herabgesetzt. Die Menge an Ozon wird in Dobson-Einheiten (also pro Erdoberfläche) oder in ppm (also pro Stoffmenge Luft) angegeben. Die höchste Konzentration mit einigen ppm weist Ozon in der Stratosphäre auf. Ozon ist ein sehr instabiles Molekül, das heißt, es verwandelt sich zu elementarem Sauerstoff zurück. Die Halbwertszeit liegt zwischen zwei und sechs Minuten. Wegen der hohen Relativität von Ozon sind nur wenige Materialien gegen Ozon beständig. Dazu gehören rostfreier Stahl (Qualität 316L), Glas, Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxylalkan (PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Perfluorkautschuk. Bedingt beständig ist Viton, das unter Ozon keiner mechanischen Wechselbelastung ausgesetzt werden darf. Geeignete Werkstoffe Glas Keramik Edelstahl Rein Aluminium Teflon Fluor-Kautschuk Verbindungen ungeeignete Werkstoffe Kupfer Titan Zirkon (und deren Legierungen) Eisen Kunststoffe Gummi 1.3.3 Gesundheitliche Gefahren Empfohlener WHO Grenzwert bei 8h Dauerbelastung g 60 ppb Empfohlener EU Grenzwert bei 8h Dauerbelastung 120 m3 110 g Reizgrenze der menschlichen Schleimhaut Ca. 50 m3 m3 55 ppb g ca. 25 ppb 1.3.3.1 Ozon in der Atemluft Die EU hat schon seit längerer Zeit Richtwerte für die Ozonkonzentration festgelegt. Keine Gefahr für die Gesundheit besteht laut EU-Richtlinie durch Ozon unter einem Gehalt von110 . Ab einem EinStunden-Mittelwert von 180 mg3 erfolgt die Unterrichtung der Bevölkerung, da bei dieser Konzentration die Leistungsfähigkeit empfindlicher Menschen bereits beeinträchtigt werden kann. Ab ungefähr 200 mg3 Ozon können Symptome wie Tränenreiz, Schleimhautreizungen in Rachen, Hals und Bronchien, Kopfschmerzen, verstärkter Hustenreiz, Verschlechterung der Lungenfunktion auftreten. Ab einem Ein-Stunden-Mittelwert von 360 mg3 werden Warnungen ausgesprochen, da ab dieser Konzentration Gefahr für die menschliche Gesundheit bestehen kann. Eine lang anhaltende Erhöhung der Ozonkonzentration in der Atemluft führt zu einem erhöhten Risiko, an Atemwegserkrankungen zu sterben. Ionisatoren bilden Ozon, um die Gerüche der Umgebungsluft zu spalten und zu eliminieren. Allerdings bergen die Abbauprodukte von Nikotin und Zigarettenrauch, neben dem Ozon selbst, hohe gesundheitliche Risiken, so dass z.B. die Deutsche Lungenstiftung davor warnt, den schlechten Geruch verrauchter Räume mit Ozon generierenden Luftreinigern zu beseitigen. 1.3.4 Ozonbildung Wie oben gezeigt, gehört Ozon zu den Spurengasen in der Luft. Es hat keine eigene Quelle auf der Erdoberfläche sondern wird ausschließlich durch photochemische Prozesse (durch intensives Sonnenlicht ausgelöste Reaktionen) in der Atmosphäre gebildet. So wird bimerer Sauerstoff mit Ultraviolettstrahlung der Wellenlängen zwischen 160nm und 180nm zu molekularen Sauerstoff umgewandelt kJ 02 + (h ∗ v) ⟶ 2 0 ; ΔH = 498 mol der sich dann mit bimeren Sauerstoff zu Ozon vereinigt. kJ 0 + 02 → 03; ΔH = -103 mol kJ 302 → 203; ΔH = 286 mol Ozon ist aber seinerseits auch mit Hilfe von Ultraviolettlicht der Wellenlänge 240nm bis 300nm umwandelbar: 03 + (h ∗ v) → 0 + 02 Das bedeutet, dass Ozon in der Atmosphäre photochemisch erzeugt und wieder abgebaut wird. In der Stratosphäre existiert eine auf diese Weise gebildete Ozonschicht (Ozonosphäre, etwa 35 bis 40 km hoch), die kurzwelliges Licht fast vollständig ausfiltert. 1.3.5 Ozonloch Das Ozonloch wurde zwischen 1956 und 1957 zum ersten Mal gemessen. Als Ozonloch wird eine Zone in der Ozonosphäre bezeichnet, indem sich die Konzentration um 50 % oder weniger verringert hat. Die Konzentration an Ozon ist vom Sonneneintrag abhängig. Sie verschwindet innerhalb der Nacht und bildet sich neu, wenn die Sonne wieder scheint. Es ist einer der wenigen Spurengasen, die Strahlen sowohl im ultravioletten wie auch im infraroten Bereich absorbieren können. In der Nähe der Erdoberfläche wird Ozon hauptsächlich über Stickoxide hergestellt. N02 + (h ∗ v) → N0 ∗ 0 0 + 02 → 03 Stickstoffdioxid (NO2) wird durch energiereiche Strahlung in Stickstoffmonoxid (NO) und elementarem Sauerstoff gespalten, welcher dann mit dem Luftsauerstoff zur Ozonbildung zur Verfügung steht. Dieser Vorgang wird durch vorhandene Kohlenwasserstoffe erheblich beschleunigt. Die bei Verbrennungsprozessen gebildeten Stickoxide liegen zunächst überwiegend als Stickstoffmonoxid vor. NO reagiert sehr rasch mit Ozon, so dass Ozon in Anwesenheit von NO schnell abgebaut wird. N0 + 03 → N02 + 02 Daraus folgt dass sich die Ozonkonzentration in der Atmosphäre aus einem dynamischen Gleichgewicht zwischen ozonbildenden und ozonabbauenden Reaktionen ergibt, bei dem auch die meteorologischen Bedingungen eine wichtige Rolle spielen. Insgesamt handelt es sich um einen Komplex photochemischer Reaktionen von denen hier nur die wichtigsten kurz dargestellt wurden. Der Ozongehalt der Atmosphäre wird in Dobson-Einheiten gemessen (DU, englisch: Dobson Units). Gedanklich geht man dabei von einer Säule aus, die aus der Atmosphäre „herausgeschnitten” wird und die vom Erdboden bis zur Obergrenze der Atmosphäre reicht. Wenn aus dieser Luftsäule alle Gase außer dem Ozon entfernen würden, ergäbe das Ozon aus allen atmosphärischen Schichten eine nur wenige Millimeter dicke Ozonschicht. Unter mittlerem Atmosphärendruck entspricht die Dicke dieser Ozonschicht dem Zahlenwert für die Ozonmenge in DU: Ist die Ozonschicht 1 mm mächtig, dann beträgt der Ozongehalt 100 DU. Im Mittel liegt der Ozongehalt der Atmosphäre etwa bei 310 DU. Die „Ozonschicht” ist im Mittel also 3,1 mm mächtig. Von einem Ozonloch spricht man, wenn der Wert unter 200 DU sinkt, weil dann schädigende UV-Strahlung in größerem Maße zur Erde dringen kann. Etwa 90 % des in der Atmosphäre vorkommenden Ozons befinden sich in der Stratosphäre in einer Höhe von 15 bis 35 km. Die restlichen 10 % befinden sich in der Troposphäre. Obwohl Ozon ein gesundheitsschädliches Gas ist, sind die natürlich auftretenden Ozonkonzentrationen in unserer Atemluft unproblematisch. Bei hoher Abgasbelastung und starker Sonneneinstrahlung können sich jedoch gesundheitsschädlich hohe Ozongehalte in Bodennähe ergeben. 1.3.5.1 Stadt und Wald Das Ausmaß der Ozonbildung ist von den Konzentrationen der Vorläuferstoffe und außerdem auch noch von der Intensität und Energie der Sonneneinstrahlung abhängig. Diese Tatsache erklärt sowohl den ausgeprägten Jahresgang der Ozonwerte mit einem Maximum im Sommerhalbjahr als auch den auftretenden Tagesgang mit einem Maximum am Nachmittag. Ein hoher Unterschied des Ozongehaltes besteht auch zwischen Stadt- und Waldgebiet. Dies liegt am höheren NO Gehalt in Stadtgebieten, denn NO baut Ozon rasch ab. (NO Jahresmittel 2007: Stadt: 22−32 mg3 Wald ca. 3 mg3 ) Daher nehmen die Ozongehalte nachts sehr stark ab, wohingegen diese im Waldgebiet nur sehr wenig absinken. Das höhere NO-Konzentrationsniveau ist generell dafür verantwortlich, dass hier häufig die niedrigen Ozonwerte beobachtet werden, obwohl gerade hier die Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe schwerpunktmäßig emittiert werden. Auch zwischen der Lufttemperatur und der Ozonkonzentration besteht ein Zusammenhang. Dieser kann dazu genutzt werden, um eine Vorhersage für den am nächsten Tag zu erwartenden Ozonwerte zu treffen. So traten die höchsten Jahresmittelwerte an den Stationen im ländlichen Raum auf, die niedrigsten in städtischen Gebieten. Die höheren Ozonwerte in Waldgebieten und ländlichen Gebieten sind auf die hier geringeren Konzentrationen an ozonzerstörenden Reaktionspartnern wie Stickstoffmonoxid oder Staub zurückzuführen. 1.3.5.2 Ozonabbau über der Antarktis Über der Antarktis wird der Abbau von Ozon durch das Zusammenspiel zweier Faktoren verstärkt. Der erste Faktor ist die extreme Kälte der Polarnacht, die zur Bildung von Wolken in der Stratosphäre führt (polar stratospheric clouds, PSC). In den stratosphärischen Wolken werden unter den dort herrschenden stratosphärischen Bedingungen aus FCKW und anderen Stoffen Chlormoleküle (Cl2) freigesetzt. Der zweite wichtige Faktor ist der antarktische Polarwirbel, der ebenfalls in der Polarnacht entsteht. Dieses Windsystem verhindert den Luftaustausch mit angrenzenden Luftschichten, so dass sich die Chlormoleküle in den stratosphärischen Wolken anreichern. Wenn im Frühjahr die Sonne zurückkommt, wird das angereicherte Chlor zunächst in das Ozon abbauende Chloroxid (ClO) umgewandelt. Die Folge ist ein lawinenartiger Verlust von Ozon. Erst mit zunehmender Stärke der Sonneneinstrahlung bildet sich wieder so viel Ozon, dass der Verlust (mehr oder weniger) ausgeglichen wird. Und durch das sommerliche Aussetzen des Polarwirbels, können zudem wieder ozonreichere Luftmassen einströmen. 1.3.6 Ozonkonzentration in geschlossenen Räumen Wird Ozon permanent in einen geschlossenen Raum eingeleitet, reichert sich dieser an und die Konzentration steigt. Der natürliche Zerfall von Ozon wirkt diesem entgegen, so dass sich bei einer bestimmten Produktionsrate (in mg ) nach einiger Zeit ein Gleichgewichtszustand ergibt, über den die h dann bestehende Konzentration (in ppb ) nicht mehr ansteigen kann. Weil Ozonkonzentrationen von mehr als 50ppb in Innenräumen nach einer Empfehlung der US-EPA nicht zulässig sind, muss technisch sichergestellt sein, dass sich eine derartige Konzentration niemals ergeben kann. Da viele Ozongeneratoren ( Siemensröhren ) ohne weiteres auf eine Produktionsleistung von 50 - 150 mg kommen, errechnen sich bei üblichen Raumgrößen h außerordentlich kritische Ozonkonzentrationen von bis zu 300ppb, wenn ozonisierte Luft ohne weitere Vorkehrungen in die Räume eingeblasen würde. In den viel kleineren Kfz.-Kabinen muss durch sorgfältige Abstimmung der Faktoren Produktionsmenge von Ozon (mg/h) Abscheideleistung des Sorbtions-Katalysators Luftvolumen dafür gesorgt werden, dass im Grenzfall Umluftbetrieb es niemals zu einer kritischen Ozonkonzentration kommen kann. ETR hat durch Messungen nachgewiesen, dass die Ozonkonzentrationen in Fahrzeugen auch bei Umluftbetrieb nach einer Stunde Werte zwischen 10-20 ppb aufweist und damit weder riechbar ist noch physiologisch bedenklich ist. 1.3.6.1 Mathematische Beschreibung der Gesetzmäßigkeiten Für eine gegeben Ozonquelle mit konstanter Emissionsmenge E und der Annahme eines exponienziellen Zerfallsgesetztes (wie bei Radioaktivität) ergibt sich die Ozonmenge in Abhängigkeit von der Zeit mit folgender Differentialgleichung c(t) = E e-t wobei E die Ozoemission pro Zeiteinheit ist (die vom Lüfter je Stunde abgegebene Ozonmenge in Mikrogramm). E= [g]O3 h Mit der Halbwertszeit t 12 ~ 0,5h ergibt sich = In2 t1 ~ 1,39 2 Mit t → ∞ ergibt sich die sich im Raum einstellende Gleichgewichtskonzentration C(t → ∞) = E g Mit einem Molgewicht von 48 mol und einem Molvolumen VM = 22,4 Liter ergibt sich bei g Standardbedingungen eine Dichte von ρ(O3) = 2,14 l 2 Geräte 2.1 Ozonherstellung Zur Herstellung wird meistens getrocknete Luft oder Sauerstoff (Taupunkt mind. 65 °C) als Trägergas eingesetzt. In selteneren Fällen wird Sauerstoff mit Argon, Kohlenstoffdioxid u.ä. gemischt. Im Ozonerzeuger werden die Sauerstoffmoleküle durch stille elektrische Entladung zu Sauerstoffatomen dissoziiert, wonach noch im Plasma der Entladungsfilamente die Ozonsynthese und Ozonanreicherung stattfindet. In Luft bewegen sich typische Endkonzentrationen zwischen einem und fünf Prozent Massenanteil, in Sauerstoff zwischen sechs und dreizehn Prozent Massenanteil. Die in der Praxis eingesetzten technischen Vorrichtungen können auf folgenden Elektrodenkonfigurationen basieren: ineinander geschobene Röhren (z. B. metallisch innenbeschichtetes Glasrohr im Stahlrohr) parallele Platten drahtumwickelte Elektroden für Oberflächenentladungen Spitze zu Platte 2.1.1 Siemensröhre Bei Anlagen mit mehr als 20 kg Ozon pro Stunde werden ¨üblicherweise nur Röhrenozonisatoren eingesetzt. In erster Näherung ist die Ozonanreicherung eine Funktion des elektrischen Energieeintrags pro Gasvolumen. Zur Optimierung des Wirkungsgrades können folgende Parameter variiert werden: Elektrodenabstand Elektrodenausrichtung Dielektrikumsmaterial Spitzenspannung und Frequenz Auch durch Überlagerung eines inhomogenen elektrischen Feldes während des Energieeintrags (Dielektrophorese) kann das chemische Gleichgewicht, welches sich aus Synthese und Zersetzung bei wenigen Gewichtsprozenten einstellt, zugunsten des Ozons verschoben werden. Obwohl die Ozonbildung aus Sauerstoff unter Wärmeabsorption erfolgt, sind Ozonerzeugerkessel in industriellen Anwendungen wassergekühlt, da fast 90 Prozent der eingetragenen Energie infolge der hohen Zersetzungsrate wieder abgeführt werden müssen. Für den Wirkungsgrad der Ozonsynthese ist die Gastemperatur ein weiterer dominierender Faktor. 2.1.2 Patt Fläche Wir verwenden im Gegensatz zu den Mitbewerbern sogenannte Pattflächen. Die Filamente sind hochmoderne Mikrosystemtechnik. Sie sind eine Weiterentwicklung in Form einer Miniaturisierung der ”Siemens-Röhre” aus den Anfängen des vorigen Jahrhunderts sowie einer auf jahrelanger wissenschaftlicher Arbeit basierenden Umsetzung von Grundlagen der kinetischen Gastheorie und Teilchenphysik für die reine Erzeugung von Kleinionen. Die derzeit vorrangig verwendete Technologie der dielektrisch behinderten Entladung in Verbindung mit separat betriebener reiner Koronarentladung garantiert eine stabile und definierte Erzeugung von aktivierter naturadäquater Luft und einen Betrieb mit geringstem Energiebedarf. 2.1.3 Unterschiede beider Systeme Siemens-Röhre - Luftgetragener Schmutz füllt bei der Siemensröhre den Luftspalt zwischen äußerem Drahtgitter und Glasdielektrikum auf. Der Schmutz stellt entweder einen elektrischen Leiter dar oder ist ein weiteres Dielektrikum. - Im Ergebnis lässt die Effizienz von Siemensröhren im praktischen Betrieb schnell nach. - Die Produktionsmenge nimmt über die Zeit ab. PATT-Modul - Die Entladung auf der Oberfläche des PATT-Moduls entfernt Schmutz. - Es kommt zu keiner Behinderung der Entladungstätigkeit. Langzeitkonstanz der Produktionsdaten von Ozon ist gewährleistet. 2.1.4 Lebensdauer: Siemensröhre abhängig von Applikation. Empfindlich gegen Verschmutzung und Feuchte. PATT-Flachmodul hat nach heutigem Kenntnisstand fast unbegrenzte Lebensdauer. 2.1.5 Regelbarkeit / Steuerbarkeit Grundlegendes Prinzip ist die Bestimmung der Zahl der effektiv erfolgten Entladungen / Zeiteinheit, bei bekannter Produktionsmenge von O3 je einzelner Entladung. Daraus wird rein elektronisch die Produktionsmenge O3 eingestellt und in Folge geregelt. Impulsenergie des PATT-Moduls ist langzeitkonstant, nicht verschmutzungsabhängig. Automatische Regelung und eigensicherer Betrieb ist möglich. Produktionsmenge ( O3 ) der Siemensröhre ist eine Funktion der Luftspaltverschmutzung. Regelung der Siemensröhre nur über nachgeschaltete O3-Messung denkbar: Kostenintensiv 2.1.6 Anwendbarkeit in rauer Umgebung PATT-Modul ist mit geringem Aufwand heizbar, um Betauung zu verhindern. Siemensröhre kann mit erheblichem Aufwand geheizt werden. PATT-Modul ist unempfindlich gegenüber Schmutz Siemensröhre reagiert mit irreversiblem Wirkungsgradverlust auf Schmutz PATT-Flachmodul ist kleiner und leichter als eine Siemensröhre mit vergleichbarer Produktionsleistung für aktive Sauerstoffionen (Ozon). 2.1.7 Industrialisierbarkeit PATT-Flachmodul wird mit planaren Fertigungsmethoden und mit sehr geringen Toleranzen und weitgehend automatisch produziert. Siemensröhre hat systematisch sehr große Herstellungstoleranzen. Toleranzen beeinflussen: o Zündspannung o Produktionsmenge aktiver Sauerstoffionen / Zeiteinheit 2.1.8 Umrechnung von g m3 in ppm Um einen Umrechnungsfaktor berechnen zu können, muss erst einmal festgestellt werden, wie viel Ozon bei einem Druck von einer Atmosphäre und einer Temperatur von 20C (293,15 K) in einem Kubikmeter enthalten wären, wenn kein anderes Gas gegenwärtig ist. Hierzu verwenden wir das Gesetz für ideale Gase. Dies wird folgendermaßen geschrieben: p ∗ v = n ∗ Rm ∗ T wobei p der Druck, V das Volumen, n die Anzahl Mole Gas (mol), Rm die molare Universalgaskonstante und T die Temperatur in Kelvin (0◦C=+273,15K) ist. Die Universalgaskonstante hat einen Wert von: J RM = 8,315 [ Mol*K ] Wandelt man jetzt nach n um ergibt sich N= 1,013 * 105[Pa] * 1[m3] J 8,315 [ Mol*K ] * 293,15…[K] = 41,56 [ mol m3 ] Mit dem Molekulargewicht von Ozon MOzon = 47,9982 [ g mol ] ergibt sich ein Gewicht von m = n ∗ MOzon = 1994,8052 [ g m3 ] ppm bedeutet parts per million, also ein Millionstel Anteil. daraus folgt, dass 1ppmOzon = 0,00199481 [ ist. g m3 ]
