Photokatalyse (z.B. TiO2)
Heterogene Photokatalyse mit Titandioxid (TiO₂) ist ein chemikalienfreies AOP-Verfahren, bei dem UV-Licht einen Halbleiterkatalysator aktiviert und so reaktive Oxidationsspezies erzeugt. Peschl Ultraviolet setzt dieses Prinzip ein, wenn ein Reagenzien-freier, kontinuierlicher Betrieb gefordert ist – etwa für die Behandlung von Pharma-Prozesswasser, ultrareinem Wasser oder bei der Elimination von Hormonen und multiresistenten Keimen.
- 1. Mechanismus
Halbleiterphotolyse Grundprinzip
TiO₂ ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von ca. 3,2 eV (Anatas-Phase). UV-Licht mit λ < 385 nm überträgt genügend Energie, um Elektronen (e⁻) vom Valenzband in das Leitungsband anzuheben:
TiO₂ + hν → e⁻ (Leitungsband) + h⁺ (Valenzband)
Die entstehenden Elektron-Loch-Paare (e⁻/h⁺) reagieren mit adsorbierten Wasser- und Sauerstoffmolekülen an der Katalysatoroberfläche:
h⁺ + H₂O(ads) → OH• + H⁺
h⁺ + OH⁻ → OH•
e⁻ + O₂ → O₂•⁻ (Superoxidradikal)
O₂•⁻ + H⁺ → HO₂• → H₂O₂ → OH•Beide Radikalspezies – OH• und O₂•⁻ – greifen organische Schadstoffe unselektiv an und mineralisieren sie vollständig zu CO₂ und H₂O. Der Katalysator wird dabei nicht verbraucht (regenerierbar).
Bei UVA-LED-Anregung (365 nm) lässt sich TiO₂ mit energieeffizienteren Lichtquellen betreiben; dotierte Varianten (z. B. N-TiO₂, sichtbarlichtaktiv) sind in Entwicklung. - 2. Einsatzbereich
Photokatalyse ist besonders wirtschaftlich bei sehr niedrigen Schadstoffkonzentrationen (µg/L-Bereich), wo andere AOP-Verfahren unverhältnismäßig hohe Reagenziendosierungen benötigen würden. Anwendungsfelder umfassen Reinswasser-Systeme der Pharma- und Halbleiterindustrie, die Elimination von Hormonen und Zytostatika aus Krankenhausabwasser sowie die Desinfektion multiresistenter Keime (MRSA, ESBL).
Kriterium TiO₂-Photokatalyse UV/H₂O₂ (AOP) Chemikalieneinsatz Keiner H₂O₂-Dosierung erforderlich Optimale Konzentrationsrange µg/L–mg/L (Spurenstoffe) mg/L–g/L (höhere Frachten) UV-Wellenlänge < 385 nm (UV-A/UV-C) 254 nm (UV-C) Singulett-Sauerstoff Ja (Nebenspezies) Nein Typische Einsatzfelder Pharma, Reinswasser, Krankenhaus Industrie, Kommunalabwasser