Ziel der Entwicklung

Zielstellung:
Im Projekt wurde ein Sensorsystem zur Durchbruchserkennung von Adsorptionsfiltern entwickelt. Es erlaubt die sichere Überwachung des Zustands eines Sorptionsmittels zur Luft-/Gasreinigung und generiert bei Überschreitung eines Schwellwertes ein Signal, wenn das Sorptionsmittel nahezu aufgebraucht ist. Ein Austausch des verbrauchten Sorptionsmittels bzw. Luftfilters kann somit bedarfsgerecht erfolgen, sodass einerseits dessen Kapazität möglichst gut ausgenutzt werden kann, und andererseits die Schutzwirkung über der gesamten Nutzungsdauer beibehalten wird.
Motivation:
Die Reinigung der Luft in Innenbereichen ist seit 2020 stark in den Fokus gerückt. Neben partikulären Belastungen können auch gasförmige Stoffe schnell gesundheitlich bedenkliche Auswirkungen zur Folge haben. Um diese Komponenten der Luft zu entziehen, ist die Anwendung von Sorptionsmitteln (meist Aktivkohle) üblich. So sind die meisten Küchenabzugshauben und viele Raumluftreiniger mit einer solchen Technologie ausgestattet. Weitere Einsatzgebiete von Sorptionsmitteln findet man in der Belüftung von Schutzräumen/ -kabinen, in der Abluftreinigung industrieller Zielstellung:
Im Projekt wurde ein Sensorsystem zur Durchbruchserkennung von Adsorptionsfiltern entwickelt. Es erlaubt die sichere Überwachung des Zustands eines Sorptionsmittels zur Luft-/Gasreinigung und generiert bei Überschreitung eines Schwellwertes ein Signal, wenn das Sorptionsmittel nahezu aufgebraucht ist. Ein Austausch des verbrauchten Sorptionsmittels bzw. Luftfilters kann somit bedarfsgerecht erfolgen, sodass einerseits dessen Kapazität möglichst gut ausgenutzt werden kann, und andererseits die Schutzwirkung über der gesamten Nutzungsdauer beibehalten wird.
Motivation:
Die Reinigung der Luft in Innenbereichen ist seit 2020 stark in den Fokus gerückt. Neben partikulären Belastungen können auch gasförmige Stoffe schnell gesundheitlich bedenkliche Auswirkungen zur Folge haben. Um diese Komponenten der Luft zu entziehen, ist die Anwendung von Sorptionsmitteln (meist Aktivkohle) üblich. So sind die meisten Küchenabzugshauben und viele Raumluftreiniger mit einer solchen Technologie ausgestattet. Weitere Einsatzgebiete von Sorptionsmitteln findet man in der Belüftung von Schutzräumen/ -kabinen, in der Abluftreinigung industrieller Prozesse sowie in der Bereitstellung sauberer Prozessluft und zunehmend auch in der stationären Raumluftfiltration.
Die Frage nach dem richtigen Zeitpunkt des Austausches vom Sorptionsmittel stellt für die Betreiber ein Problem dar. Selbst wenn die Sorptionseinheit mit einer kostenintensiven Technologie zum Gasmonitoring ausgestattet ist (nur bei Großanlagen), kommt die Information für den notwendigen Wechsel des Sorptionsmittels erst mit oder nach dem Durchbruch der Sorptionsschicht. Bei kleineren Filtern für die Belüftung von Innenräumen oder in mobilen Anwendungen ist während des Betriebs keine Information über den Zustand und die verbleibende Schadstoffkapazität des Sorptionsmittels verfügbar.
Für Gasreinigungseinheiten, welche dem Arbeits-/ Gesundheitsschutz dienen, muss ein entsprechend frühzeitiger Wechsel der Sorptionseinheit vorgesehen werden. Beispielsweise legt die Handlungsanweisung 581 der BG Bau zwar fest, dass Fahrerkabinen beim Einsatz in kontaminierten Bereichen über ein entsprechend ausgestattetes Lüftungssystem verfügen müssen, die Normen für den Sorptionsfilter beinhalten aber nur die Art der Prüfung des Filters und keine Empfehlungen für die Einsatzdauer.
Auch in der industriellen Abluftbehandlung zur Reduzierung kritischer gasförmiger Komponenten werden häufig Sorptionsmittel als Schüttbett eingesetzt. Den Betreibern solcher Anlagen fehlt es hier ebenfalls an einem Indikator für den Zustand ihrer Sorptionsmittel. Somit erfolgt der Austausch dann entweder viel zu früh, was letztlich zu erhöhten Kosten für die Abluftbehandlung führt, oder zu spät, was eine unzulässige Umweltbelastung durch Emissionen nach sich zieht. Auch hier ist eine Sensorik notwendig, welche dem Betreiber meldet, wann sein Sorptionsmittel aufgebraucht ist und ausgetauscht werden sollte.

Vorteile und Lösungen

Um das Fortschreiten der Adsorptionsfront innerhalb des Sorptionsmittels zu detektieren beziehungsweise eine momentane Schadstoffpräsenz zu lokalisieren, wurden miniaturisierte Sensorelemente entwickelt, die an verschiedenen Positionen direkt im Filter platziert werden können und dem Luftstrom ausgesetzt sind. Die schadstoffsensitiven Elemente basieren auf gedruckter Elektronik, sodass die Anfertigung der Sensoren später kostengünstig in den Herstellungsprozess des Filters integriert werden kann. Eine separate Datenerfassungs- und Auswertungseinheit überwacht den Zustand anhand der elektrischen Eigenschaften der sensitiven Elemente. Eine Veränderung der elektrischen Kapazität signalisiert vorhandenen Schadstoff an der entsprechenden Position des Sensorelementes und somit einen Durchbruch bzw. Verbrauch des stromaufwärts liegenden Sorptionsmittelanteils. Dieses Konzept erlaubt die Zustandsbestimmung unabhängig von der Filterhistorie.
Parallel dazu erfassen Temperatur- / Feuchtesensoren die Luftfeuchtigkeit am Einlass und Auslass des Filters. Aus dem Verlauf der Feuchtebilanz über der Lebensdauer des Filters können ebenfalls Rückschlüsse auf einen bevorstehenden Durchbruch geschlossen werden, da die Wassereinlagerung einen entscheidenden Faktor für die Beladung des Sorptionsmittels darstellt.

Zielgruppe und Zielmarkt

Der zukünftige Einsatz des Sensorsystems bringt Vorteile für Umwelt, betroffene Personen, Industrie und Gesellschaft:
– Kosteneinsparungen für den Betrieb von Sorptionsfiltern /-anlagen durch die komplette Ausnutzung des eingesetzten Sorptionsmittels,
– Sicherstellung des Umwelt-, Personen- bzw. Anlagenschutzes vor den zu filternden Schadstoffen,
– Möglichkeit der Prozessüberwachung und bessere Planbarkeit des erforderlichen Einsatzes / Wechsels der Sorptionsmittel,
– Schonung vorhandener Ressourcen und chemischer (teils fossiler) Grundstoffe

Zielgruppen sind Filterhersteller und Anlagenbetreiber im Bereich adsorptiver Gasfiltration. Zunächst sollen Anpassungen des Systems an die folgenden Anwendungen erfolgen:
– Kfz-Innenraumfilter (Nutzfahrzeuge)
– Sekundärluftreiniger
– mobile Absauggeräte (Industriearbeitsplätze)
– Abgasreinigung von Industrieanlagen

Das ILK Dresden gGmbH verfolgt als gemeinnütziges Forschungsinstitut nicht das Geschäftsmodell einer Serienproduktion bzw. verfügt auch nicht über entsprechende Kapazitäten. Daher wird eine Verwertung der Projektergebnisse durch FuE-Folgeaufträge zur Sensor-Weiterentwicklung und Übertragung auf spezifische Anwendungen sowie Mess- und Prüfdienstleistungen vorgesehen. Außerdem werden Lizenzvergaben der bereits erworbenen Schutzrechte zur Sensortechnologie an Transferpartner angestrebt.
Es bestehen Interessensbekundungen und kontinuierliche Nachfragen seitens mehrerer Firmen aus den o.g. Bereichen. Diese Partnerschaften werden für den Technologietransfer genutzt.
Durch die weitere Veröffentlichung der Projektergebnisse sowie den Rollout in Pilotanwendungen im Nachgang des Projektes soll die Technologie breiter bekannt gemacht und zusätzliche Anwendungsgebiete erschlossen werden.