DE102006042320A1

DE102006042320A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Sauerstoffgewinnung

Info

Publication number: DE102006042320A1
Application number: DE200610042320
Authority: DE
Inventors: Ulrich Alkemade; Martin Rauscher; Alexander Martin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sauerstoffgewinnung mittels einer mit einem Sauerstoff enthaltendem Stoffgemisch, insbesondere Luft, beaufschlagten, ionischen Flüssigkeit. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die ionische Flüssigkeit mit Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten versetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sauerstoffgewinnung nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und 12.
Stand der Technik
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.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgend darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt die
1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Sauerstoffgewinnung mittels einer mit einem Sauerstoff enthaltenden Sauerstoffgemisch, insbesondere Luft, beaufschlagten ionischen Flüssigkeit.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Austrag der Oxidationsrückstände aus der ionischen Flüssigkeit ist symbolisch durch den Pfeil 19 gezeigt.

Claims

Verfahren zur Sauerstoffgewinnung mittels einer mit einem Sauerstoff enthaltenden Stoffgemisch, insbesondere Luft, beaufschlagten, ionischen Flüssigkeit (2), dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit (2) mit Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten (3) versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, ungesättigte Fettsäuren, deren Ester, Fette, Öle, Übergangsmetalle und/oder dgl. sowie Mischungen daraus verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten Fettsäuresalze verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten lineare Kohlenwasserstoffe mit ungesättigten Gruppen wie z. B. Oligomere mit Butadien-, Isopren-, und/oder 1,3-Pentadieneinheiten verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit (2) in einem Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Sauerstoff angereicherte, ionische Flüssigkeit (2) mit einem Sauerstoff aufnehmenden Fluid (9), vorzugsweise einem Ballastgas (9) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ballastgas (9) Kohlenstoffdioxid und/oder Edelgas, vorzugsweise Argon verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ballastgas (9) Wasser beigemengt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Sauerstoff angereicherte, ionische Flüssigkeit (2) mit einer Druck- und/oder Temperaturänderung beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ballastgas (9) in einem Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Sauerstoff angereicherte Ballastgas (9) einem Oxidationsprozess zugeführt wird.
Vorrichtung zur Sauerstoffgewinnung mittels einer mit einem Sauerstoff enthaltenden Stoffgemisch, insbesondere Luft, beaufschlagten ionischen Flüssigkeit (2), dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit (2) mit Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten versetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Kreislauf geführte Fluidführung (4) für die ionische Flüssigkeit (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beaufschlagung der mit Sauerstoff angereicherten, ionischen Flüssigkeit (2) mit einem Sauerstoff aufnehmenden Fluid (9), vorzugsweise einem Ballastgas (9), vorgesehen ist.