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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Sauerstoffgewinnung nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und
12.
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Stand der Technik
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Neben
dem Linde-Verfahren, das die Verflüssigung von Gasen, im Falle
von Gasgemischen, deren anschließende Zerlegung durch Destillation
in ihre Bestandteile ermöglicht
(die kryogene Luftverflüssigung
wurde 1895 von Professor Dr. Carl von Linde entwickelt und die Luftzerlegung
1902) sind weitere Verfahren zur Sauerstoffgewinnung bekannt. So
ist beispielsweise aus der
EP
0 306 840 A2 ein Verfahren zur Abtrennung von Sauerstoff
aus einem Gasgemisch mit Hilfe von Alkalinitraten, -nitriten, -Oxiden
und -superoxiden bekannt, die Sauerstoff aufnehmen und nach Zusatz
eines Übergangsmetalloxides
wieder abgeben. Diese Salze werden in Form von Schmelzen eingesetzt
und ab- und desorbieren Sauerstoff nach Redoxreaktionsmechanismen,
d.h. ausschließlich
durch Chemiesorption. Die Salzschmelzen werden bei hohen Verfahrenstemperaturen
im Bereich 450° bis
675°C erzeugt
und sind stark korrosiv.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren
zur Sauerstoffgewinnung nach dem einleitend dargelegten Stand der
Technik zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der
Ansprüche
1 und 12 gelöst.
Durch die Unteransprüche
werden vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
beschrieben.
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Demnach
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Sauerstoffgewinnung
mittels einer mit einem Sauerstoff enthaltenden Stoffgemisch, insbesondere
Luft, beaufschlagten, ionischen Flüssigkeit. Sie zeichnet sich
dadurch aus, dass die ionische Flüssigkeit mit Sauerstoffadsorbienten
und/oder Sauerstoffabsorbienten versetzt wird. Als besonders vorteilhaft
wird es dabei angesehen, wenn die oxophilen Substanzen in der ionischen
Flüssigkeit
gelöst und/oder
suspendiert sind.
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Die
Kombination von Sauerstoffad- und/oder -absorbienten und ionischen
Flüssigkeiten
ermöglicht
einerseits die Aufnahme einer größeren Menge von
Sauerstoff, und hat andererseits den weiteren Vorteil der erleichterten
Sauerstoffaufnahme, z.B. auf Grund chemischer Wechselwirkungen bei
den einzelnen Sorbtionsvorgängen.
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Ionische
Flüssigkeiten
sind niedrigschmelzende Salze mit Schmelzpunkten unterhalb von 80°C. Sie sind
nicht flüchtig,
besitzen keinen bzw. einen kaum messbaren Dampfdruck. Je nach Zusammensetzung
des Kation/Anionen-Paares sind eine Vielzahl von Ionischen Flüssigkeiten
bekannt, die auch einen Schmelzpunkt unterhalb von Raumtemperatur
bis hin zu minus 30°C
besitzen. Repräsentative
Kationen solcher niedrigschmelzender ionischen Flüssigkeiten
sind: Mono-, Di- und/oder
Trialkyl-substituierte Imidiazolium-, Pyridinium-, Pyrrolidinium-, Pyrazolium-,
Triazolium-, Guandinium-, Morpholinium-, ternär substituierte Alkylslfonium-,
quaternär substituiertes
Alkylammonium- und pentär
substituierte Alkylphosphonium-Kationen.
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Die
Alkylgruppe können
unverzweigte und verzweigte C1-C20 Kohlenstoffatome enthaltende Ketten
sein und zusätzlich Heteroatome
in Form von Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe
oder Amidgruppe enthalten. Ebenfalls ist die Substitution von Wasserstoff
durch Fluor im Zuge einer Teilfluorierung bis hin zur Perfluorierung
der Alkylreste möglich.
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Entsprechende
Anionen sind: Halogenide (Cl–, Br–,
I–),
Tetrafluoroborat (BF4 –),
Hexafluorophosphate (PF6 –),
Tri(pentafluoroethyl)-trifluorphosphat ((C2F5)3PF3 –),
Hexafluoroantimonat (SbF6 –),
Sulfat (SO4 2–),
organischen Sulfaten R-O-SO3 –,
organischen Sulfonsäuren
R-SO3 –, Bis(sulfon)imiden R-SO2-N-SO2-R als auch
Carboxylaten R-COO–, mit R=C1-C12-Alkylkette
oder Tolylrest mit z.T. unterschiedlichen Fluorierungsgraden.
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Eine
Auswahl an konkreten ionischen Flüssigkeiten ist im Folgenden
aufgeführt,
ohne jedoch die Stoffklasse der ionischen Flüssigkeiten für die Anwendungen
zu limitieren: N-Butyl-N-trimethyl-ammonium-bis(trifluoromethylsulfonyl)imid,
Diethyl-methyl-sulfonium-bis(trifluoromethylsulfonyl)imid, 1-Butyl-3-methyl-pyrrolidiniumbis(trifluoromethylsulfonyl)imid-1-tert-Butyl-3-methyl-imidazolium-bis(trifluoromethylsulfonyl)imid.
1-Octyl-3-iso-propyl-imidazolium-Tris(pentafluoroethly)trifluoro-phosphat,
tri(hexyl)tetradecyiphosphonium-tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphat.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
können
als Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten ungesättigte aliphatische
Kohlenwasserstoffe, ungesättigte
Fettsäuren,
deren Ester, Fette, Öle, Übergangsmetalle und/oder
dgl. sowie Mischungen daraus verwendet werden. Die Ester der ungesättigten
Fettsäuren
können
u.a. auch funktionelle Gruppen wie z.B. Hydroxylgruppen umfassen.
Die Übergangsmetalle
können vorzugsweise
Zn Cu Fe Co Ni Cr Mo und Mn sein, die in der Form ihrer Metallsalze,
wie z.B. Nitrate, Halogenide, Sulfate, Phosphate oder als Aminkomplexe bzw.
als Chelatkomplexe im weitesten Sinne, wie z. B. Derivate mit Acetylacetonatoliganden,
Porphyrinliganden und Komplexe mit schwefelhaltigen Liganden der
ionischen Flüssigkeit
zugesetzt werden. Ebenfalls sind Mischungen dieser Sauerstoffadsorber
in der ionischen Flüssigkeit
möglich.
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Im
Weiteren ist die Zugabe dieser Metalle auch in der Form von Fettsäuresalzen
an eine ionische Flüssigkeit
möglich.
Mögliche
Fettsäuren
sind Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Arachidonsäure aber
auch fettsäureverwandte
Verbindungen, wie Naphtensäure.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
können
als Sauerstoffsorbienten auch lineare Kohlenwasserstoffe mit ungesättigten
Gruppen wie z. B. Oligomere mit Butadien-, Isopren-, und/oder 1,3-Pentadieneinheiten
verwendet werden.
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Die
Beaufschlagung der mit Sauerstoffsorbienten versetzten ionischen
Flüssigkeit
kann beispielsweise über
Einblasen von feinverteilter Luft, über Rieselbettkontaktoren und/oder
Membrankontaktoren oder auch aus einer Kombination solcher Vorgehensweisen
erfolgen. Die Anreicherungen von Sauerstoff und dessen Austauschgeschwindigkeit kann
bei diesem Verfahren durch Erhöhen
des Prozessdruckes gegenüber
dem Normaldruck vervielfacht werden.
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Als
besonders vorteilhaft wird eine Kreislaufführung für die mit Sauerstoffsorbienten
versetzte ionische Flüssigkeit
angesehen. Damit ist einerseits ein Nachführen von bezüglich des
aufzunehmenden Sauerstoffs geringer konzentrierter ionischer Flüssigkeit
möglich.
Andererseits kann auf Grund der günstigen Fließeigenschaften
der ionischen Flüssigkeit eine
stark mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeitsmenge an einen vom
Sauerstoffaufnahmeort verschiedenen Ort, z.B. einem Speicher oder
Zwischenspeicher, aber auch an eine z.B. getrennt ausgebildete Sauerstoffentnahmestelle
oder -vorrichtung verbracht werden.
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Die
Freisetzung des in der mit Sauerstoffsorbienten versetzten ionischen
Flüssigkeit
gebundenen Sauerstoff kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
durch Beaufschlagung dieser Sauerstoffträger mit einem Sauerstoff aufnehmenden
Fluid, vorzugsweise einem für
die Umwelt unschädlichen Ballastgas
erfolgen. Als Ballastgas kann z.B. Kohlenstoffdioxid und/oder Edelgas,
vorzugsweise Argon verwendet werden. Gegebenenfalls kann dem Ballastgas
auch Wasser beigemengt werden. Damit ist z.B. eine Einflussnahme
auf den Wiedergewinnungsprozess des Sauerstoffs möglich. Die
Beimengung von Wasser kann so z.B. bei Temperaturen zwischen 10° und 250°C erfolgen,
vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 80° und 200°C. Damit ist insbesondere eine
gute Einstellmöglichkeit
für die
Menge und den Gehalt an Ballastgas im Sauerstoff-Entnahmeprozess
möglich.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
kann das so mit Sauerstoff angereicherte Ballastgas einem Oxidationsprozess
zugeführt
werden. Besonders bevorzugt eignen sich hierbei geschlossene Verbrennungsvorgänge, da
dabei das Abgas wieder aufgefangen und wiederverwendet werden kann.
Dies ist auch im Hinblick auf die Bereitstellung von Ballastgasen,
insbesondere in der Form von Edelgasen, vorteilhaft, da diese selbst
bei ihrer Gewinnung eine verhältnismäßig hohen
Prozessaufwand erfordern.
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Neben
dem oben dargelegten Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung
auch eine Vorrichtung zur Sauerstoffgewinnung mittels einer mit
einem Sauerstoff enthaltenden Stoffgemisch, insbesondere Luft, beaufschlagten
ionischen Flüssigkeit,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass die ionische Flüssigkeit
mit Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten versetzt
ist. Auch bei einer solchen Vorrichtung ist eine im Kreislauf geführte Fluidführung für die ionische
Flüssigkeit
vorgesehen und eine Beaufschlagung der mit Sauerstoff angereicherten,
ionischen Flüssigkeit
mit einem Sauerstoff aufnehmenden Fluid, vorzugsweise einem Ballastgas.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgend darauf Bezug
nehmenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigt die
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1 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Sauerstoffgewinnung
mittels einer mit einem Sauerstoff enthaltenden Sauerstoffgemisch, insbesondere
Luft, beaufschlagten ionischen Flüssigkeit.
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Der
in der 1 dargestellte, schematische Verfahrensablauf
zur Sauerstoffgewinnung umfasst eine entsprechende Vorrichtung 1,
in welcher eine mit Sauerstoffsorbienten 3 versetzte ionische
Flüssigkeit 2 im
Kreislauf geführt
wird. Die Kreislaufführung
der ionischen Flüssigkeit
kann z.B. durch eine entsprechend geeignete Fluidleitung erfolgen.
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Zur
Gewinnung von Sauerstoff aus einem Sauerstoff enthaltenden Sauerstoffgemisch,
insbesondere aus Luft, ist erfindungsgemäß eine Verbindung dieser Flüssigkeitsführung 4 mit
einer Beaufschlagungseinheit 5 vorgesehen. In dieser Beaufschlagungseinheit 5 kann
der zu gewinnende Sauerstoff z.B. durch Einblasen von feinverteilter
Luft, über Rieselbettkontaktoren
und/oder Membrankontaktoren oder auch einer Kombination daraus der
mit den Sauerstoffsorbienten versetzten ionischen Flüssigkeit 2 zugeführt werden.
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Die
Sauerstoffzuführrichtung
ist symbolisch durch den Pfeil 6 dargestellt. Die mit Sauerstoffsorbienten
versetzte, ionische Flüssigkeit 2 wird
entsprechend des ringförmigen
Pfeiles 7 in der Flüssigkeitsführung 4 im
Kreise geführt.
Dadurch wird ein ständiger
Abtransport von sauerstoffangereicherter, ionischer Flüssigkeit
vom Ort der Sauerstoffbeaufschlagung in der Beaufschlagungseinheit 5 erreicht. Eine
demgegenüber
geringere Sauerstoffkonzentration aufweisende, ionische Flüssigkeit
kann dadurch für
weitere und insbesondere rasche Sauerstoffaufnahme der Beaufschlagungseinheit 5 zugeführt werden.
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In
einer zweiten Beaufschlagungseinheit 8 wird die mit Sauerstoff
angereicherte, ionische Flüssigkeit
mit einem Sauerstoff aufnehmenden Fluid 9, vorzugsweise
einem Ballastgas 9 beaufschlagt, um den Sauerstoff wieder
aus der Sauerstoffgewinnungslösung
freizusetzen. Als Ballastgas eignen sich insbesondere Kohlenstoffdioxid
und/oder Edelgas, vorzugsweise Argon. Auch das Ballastgas 9 wird
entsprechend der beiden Teilkreispfeile 10 und 11 in
einem zum überwiegenden
Teil geschlossenen Kreislauf 12 geführt. Dieser Kreislauf 12 kann
z. B. durch einen Oxidationsprozess 13 hindurchgeführt werden, der
hier beispielhaft als eine innere Verbrennung in einem Kraftstoffmotor 14 symbolisch
dargestellt ist. Die Oxidationsrückstände 15 können über die
Abgasleitung des Motors 14 der ionischen Flüssigkeit
zu der Beaufschlagungseinheit 16 wieder zugeführt werden.
Die Beaufschlagungseinheiten 8 und 16 können als
gemeinsame Einheit ausgebildet sein. Sie können jedoch auch sowohl körperlich
als auch örtlich
voneinander getrennt in der Vorrichtung 1 angeordnet sein.
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Zum
Austrag der über
die Abgasleitung 17 rückgespeisten
Oxidationsrückstände können diese über eine
weitere Beaufschlagungseinheit 18 wieder aus der ionischen
Flüssigkeit
entnommen und z.B. an die Umgebungsluft abgegeben werden. Auch für die beiden
Beaufschlagungseinheiten 5 und 18 gilt, dass diese
sowohl als eine gemeinsame Einheit als auch als getrennte Einheiten
ausgebildet und gegebenenfalls körperlich
und auch örtlich
voneinander getrennt in der Vorrichtung 1 angeordnet sein
können.
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Der
Austrag der Oxidationsrückstände aus der
ionischen Flüssigkeit
ist symbolisch durch den Pfeil 19 gezeigt.