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Verfahren zum elektrochemischen Verbinden von zwei, drei oder mehr Gasen zu einem stabilen Verbundgas insbesondere zur einfachen Bindung unterschiedlicher Gase aneinander, wobei der technische Aufwand gering ist.
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Bislang ist die Bindung unterschiedlicher Gase nur mittels aufwändiger Verfahren möglich, wobei die Gase bei sehr hohen Drücken und hohen Temperaturen die Bindung eingehen. Der damit einhergehende Aufwand an die jeweiligen Anlagen, den notwendigen Energieeinsatz und Sicherheitsvorkehrungen ist erheblich.
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So sind bereits Verfahren zur Bindung von Gasen bekannt, bei welchen sehr hohe Drücke beispielsweise von bis zu 200 bar und hohen Temperaturen benötigt werden. Zudem kommen hochgiftige Elektrolytlösungen und auch Katalysatoren zum Einsatz.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum elektrochemischen Verbinden von zwei, drei oder mehr Gasen zu einem stabilen Verbundgas zu schaffen, wobei die jeweiligen Gase so beeinflusst werden, dass sie eine Bindung eingehen, welche stabil ist und eine Lagerung des Verbundgas ermöglichen. Zudem soll ein einfacher und zudem effizienter Betrieb dieses Verfahrens erreicht und damit die Nachteile des genannten Standes der Technik vermieden werden.
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Mit der Erfindung wird im angegebenen Anwendungsfall erreicht, dass ein Verfahren zum elektrochemischen Verbinden von zwei, drei oder mehr Gasen zu einem stabilen Verbundgas geschaffen wird, wobei in einem Reaktionsraum ein erstes Gas eine im Reaktionsraum befindliche Elektrolytlösung durchströmt und das zumindest ein weiteres Gas über die Elektrolytlösung geleitet wird, wobei die elektrochemische Verbindung der Gase nach dem Austreten des ersten Gases aus der Elektrolytlösung erfolgt und dass das verbundene Gas als Verbundgas anschließend abgeleitet wird. So ist in einem Reaktionsraum zumindest ein erster Gaseinlass oder zumindest eine an sich bekannte Gaserzeugungsvorrichtung für das erste Gas und zumindest ein zweiter Gaseinlass für zumindest ein weiteres Gas vorhanden. Weiterhin ist zumindest ein Gasauslass vorhanden. Hierbei ist der Reaktionsraum mit einer Elektrolytlösung befüllt, wobei sich der zumindest eine Gaseinlass für das erste Gas vollständig in der Elektrolytlösung befindet oder die zumindest eine Gaserzeugungsvorrichtung für das erste Gas von der Elektrolytlösung zumindest teilweise umschlossen ist. Bei der Durchführung des Verfahrens wird die bei der Gaserzeugung oder Gasherstellung gebildete Oberflächenladung und der damit einhergehenden oberflächlichen Veränderung der Polarisation des ersten Gases zu Nutze gemacht, welcher durch die Elektrolytlösung an deren Oberfläche gelangt und dort zu einer Polarisierung und Ionisation des Gasraumes oberhalb und an der Oberfläche der Elektrolytlösung führt, wodurch das weitere Gas ebenfalls polarisiert wird. In Folge dieser Polarisierung des weiteren Gases kommt es zwischen dem polarisierten weiteren Gas und dem ungleich polarisierten ersten Gas zu einer elektrochemischen Verbindung als Verbundgas zwischen dem ersten und dem weiteren Gas. Hierdurch wird eine neue Gasverbindung geschaffen. Der notwendige Aufbau des Reaktionsraumes wird mit einem geringen Aufwand erreicht, wodurch auch ein Kostenvorteil gegenüber dem Stand der Technik möglich ist. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass der konstruktive Aufbau erheblich vereinfacht und zudem für einen quasidrucklosen Betrieb auszulegen ist. Aufwändige Vorkehrungen und Anlagenteile, welche für hohe bis sehr hohe Drücke erforderlich wären, entfallen. Auch entfallen aufwändige thermische Isolationen und besondere Maßnahmen für eine Energieversorgung. Damit stellt das erfindungsgemäße Verfahren auch eine sehr kostengünstige Variante dar. Je nach eingesetzten Gasen kann die eingesetzte Elektrolytlösung eine Lauge in wässrige Lösung sein, welche zudem gegenüber der Umwelt und der Gesundheit vollkommen unbedenklich ist. Letztlich entscheidet die Wahl des Ausgangsgase die zu benutzende Elektrolytlösung. Vorteilhaft kann bei Verwendung des Verfahrens auf Katalysatoren verzichtet werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 dargestellt.
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Das Verfahren erfährt eine vorteilhafte Weiterbildung, indem das zumindest ein weiteres Gas auf die Oberfläche der Elektrolytlösung geleitet wird. Hierdurch treffen jeweils das oder die die Elektrolytlösung durchlaufenden Gase unmittelbar nach dem Austreten aus der Elektrolytlösung auf das oder die weiteren Gase, so dass diese sich ohne Ladungsverlust besser verbinden können. Zudem wird vermieden, dass sich das oder die weiteren Gase unkontrolliert im Gasraum verteilen.
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Vorteilhaft füllt die Elektrolytlösung den Reaktionsraum bis zu 90 %, wodurch ein ausreichend großer Gasraum zur Verfügung gestellt, in welchem die elektrochemische Verbindung der beteiligten Gase ermöglicht wird. Der Reaktionsraum kann auch nur bis zu 50% gefüllt sein, wobei hier jedoch das oder die ersten Gase nur kurz die Elektrolytlösung passieren. Ein bis zu 95 % gefüllter Reaktionsraum ist ebenfalls denkbar, würde aber gegebenenfalls zu großen Turbulenzen und damit zu einem schlechteren Ergebnis führen. Indem die Elektrolytlösung vorteilhaft im Reaktionsraum vereinzelt bereichsweise oder vollständig mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld beeinflusst wird, bilden sich in der Elektrolytlösung hexagonale Strukturen der Wassermoleküle aus, welche die vorhandene Polarisation des oder der ersten Gase verstärkt und damit deren Oberflächenladung weiter erhöht. Dieser Effekt wird ebenfalls erreicht wenn die Elektrolytlösung im Reaktionsraum vereinzelt bereichsweise oder vollständig erwärmt wird.
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Indem vorteilhaft die Elektrolytlösung im Reaktionsraum vereinzelt bereichsweise oder vollständig verwirbelt, umgewälzt, bewegt oder in Schwingung versetzt wird, kommt es zu Ladungstrennungen in der Elektrolytlösung, welche ebenfalls die vorhandene Polarisation des oder der ersten Gase verstärkt und damit deren Oberflächenladung weiter erhöht.
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Durch das vorteilhafte Beleuchten der Elektrolytlösung im Reaktionsraum vereinzelt, bereichsweise oder vollständig mit einer Lichtstrahlung im Spektrum des sichtbaren und/oder nichtsichtbaren Lichtes, welche in der Elektrolytlösung die Bildung einer hexagonalen Struktur der Wassermoleküle bewirken bzw. begünstigt, wodurch die vorhandene Polarisation des oder der ersten Gase verstärkt und damit deren Oberflächenladung weiter erhöht wird.
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Diese vorgenannten Maßnahme nehmen wirksam Einfluss auf die Elektrolytlösung und deren Struktur, um dadurch die Polarisation des oder der ersten Gase für den anschließenden Verbund mit dem oder den weiteren Gasen zu verstärken und zu verbessern.
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Vorteilhaft wird das Verfahren bei einem Druck zwischen Atmosphärendruck und einem Druck von 0,8 bar und bei einer Temperatur von 0 bis 50 Grad Celsius durchgeführt. Somit wird ein einfacher Aufbau erreicht. Aufwändige Maßnahmen zur Absicherung hoher Betriebsdrücke entfallen. Ebenso entfallen thermische Isolierungen, da zunächst keine zusätzliche intensive Wärmezufuhr benötigt wird und die beim Prozess entstehende Abwärme unmittelbar dem Prozess zu Gute kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit ein sehr energieeffizientes Verfahren.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit externer Gaseinspeisung und
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2 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Vorrichtungen zur Beeinflussung der Elektrolytlösung und mit externer Gaseinspeisung und interner Gaserzeugung jeweils für das oder die ersten Gase.
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Bei der konkreten Ausführung des Verfahrens zum elektrochemischen Verbinden von von zwei, drei oder mehr Gasen 3, 4 zu einem Verbundgas 5 sind in einem Reaktionsraum 1 zumindest ein erster Gaseinlass 8 für zumindest ein erstes Gas 3 und zumindest ein zweiter Gaseinlass 9 für zumindest ein weiteres Gas 4 vorhanden. Weiterhin ist ein Gasauslass 10 vorhanden, über welchen der Verbundgas 5 den Reaktionsraum 1 verlässt und in ein Leitungsnetz oder einen Speicher geführt wird. Der Reaktionsraum 1 ist mit einer Elektrolytlösung 2 befüllt. Der Gaseinlass 8 für das erste Gas 3 ist in einem konkreten Ausführungsbeispiel oberhalb des Bodens 17 des Reaktionsraumes 1 angeordnet und somit in der Elektrolytlösung 2 angeordnet und von ihr umgeben.
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Das oder die ersten Gase 3 werden in einer vorgeschalteten Gaserzeugungsvorrichtung 11 oder aus einem oder mehreren Gasreservoirs 11 oder Gasdepots 11 oder einer anderen Gasquelle 11 eingespeist. So wird auch das oder die weiteren Gase 4 aus einer Gaserzeugungsvorrichtung 11 oder aus einem oder mehreren Gasreservoirs 11 oder Gasdepots 11 eingespeist.
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Vorgesehen ist es jedoch auch, dass die Gaserzeugungsvorrichtung 11, wie eine an sich bekannte Elektrolysezellenanordnung für die Herstellung des oder die ersten Gase 3, unmittelbar in der Elektrolytlösung 2 im Reaktionsraum 1 angeordnet und prozessbedingt, zumindest teilweise von ihr umschlossen ist. Eine Kopplung beider unterschiedlicher Gasquellen 11, einer oder mehreren externen mit einer oder mehreren internen Gasquellen 11 ist ebenfalls möglich, sofern der Bedarf dafür besteht. Der Füllgrad des Reaktionsraumes mit der Elektrolytlösung 2 ist bevorzugt auf 90% begrenzt, um einen ausreichend großen Gasraum 7 oberhalb der Elektrolytlösung 2 für eine zuverlässige Polarisation und Ionisation zur Bindung der Gase 3, 4 vorzuhalten. Der Füllgrad des Reaktionsraumes 1 mit der Elektrolytlösung 2 lässt sich jedoch auch auf bis zu 50% reduzieren.
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In dem Reaktionsraum 1 durchströmt nun das oder die ersten Gase 3 die im Reaktionsraum 1 befindliche Elektrolytlösung 2. Das oder die weiteren Gase 4 werden über die Elektrolytlösung 2 geleitet, wobei die elektrochemische Verbindung der Gase nach dem Austreten des oder der ersten Gase 3 aus der Elektrolytlösung 2 erfolgt und dass das verbundene Gas 5 als Verbundgas 5 anschließend über den Gasauslass 10 abgeleitet wird. In einem konkreten Ausführungsbeispiel wird das oder die weiteren Gase 4 direkt auf die Oberfläche 6 der Elektrolytlösung 2 geleitet um die maximale Wirkung der Polarisierung und der Verbindung zwischen dem oder den weiteren Gasen 4 und dem oder den ersten Gasen 3 zu erreichen.
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Der Reaktionsraum 1 ist bevorzugt nicht magnetisch bzw. aus einem nichtmagnetischen Material oder Materialgemisch gefertigt.
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Das Verfahren wird bevorzugt bei einem Druck von 0,2 bar und einer Temperatur von 20 Grad Celsius betrieben. Dieses Verfahren lässt sich jedoch auch bei Atmosphärendruck sowie bei einem Druck von 0,80 bar betreiben. Ebenso sind Temperaturen von etwa Null Grad Celsius bis etwa 50 Grad Celsius für die Durchführung des Verfahrens möglich.
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Die Polarisierung des oder der ersten Gase 3 wird besonders begünstigt, indem die Elektrolytlösung 2 insbesondere eine Beeinflussung durch ein elektrisches Feld, durch eine Erwärmung, durch eine Verwirbelung, durch den Einfluss von Schwingungen, durch Umwälzung oder Bewegung sowie durch eine Lichtstrahlung erfährt. Dabei ist es möglich, dass die Beeinflussungen jeweils zeitgleich oder nacheinander oder in beliebiger Kombination und Variation auf die Elektrolytlösung 2 wirken. Diese Beeinflussung erfolgt dabei vereinzelt bereichsweise bzw. vollständig, wobei die Wirkung der Beeinflussung auf die Ausrichtung der Wassermoleküle in der Elektrolytlösung 2 gerichtet ist. Durch diese Beeinflussung der Elektrolytlösung 2 richten sich die Wassermoleküle insbesondere an den Grenzflächen, auch jener Grenzschicht an der Oberfläche 6 der Elektrolytlösung und innerhalb der Elektrolytlösung 2 verstärkt in einer hexagonalen Struktur aus. Diese sich ergebende veränderte Struktur der Wassermoleküle bringt erhebliche Vorteile dahingehend mit sich, dass diese Grenzschicht Ladungen aufnehmen kann. Das oder die ersten Gase 3 gelangen als Gasblasen zur Oberfläche 6 der Elektrolytlösung 2 und werden in der Elektrolytlösung 2 und insbesondere an der Grenzschicht an der Oberfläche 6 der Elektrolytlösung zum Gasraum 7 verstärkt polarisiert und erlangen somit eine hohe Oberflächenladung, wodurch eine Bindung in Folge ungleicher Ladungen an das oder die weiteren Gase 4, welches oder welche ebenfalls jedoch auf der Oberfläche 6 der Elektrolytlösung 2 eine Polarisierung und eine Veränderung der Oberflächenladung erfährt oder erfahren.
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Beim Austreten der Gasblasen aus der Oberfläche 6 der Elektrolytlösung 2 kommt es infolge des Blasenabrisses zu einer Kavitationsladung und dadurch zu einer Ionisierung des Gasraumes 6 oberhalb der Elektrolytlösung 2 im Reaktionsraum 1. Das oder die ersten Gase 3 sind stark polarisiert und dadurch in der Lage, mit dem oder die weiteren Gase 4 eine elektrochemische Verbindung einzugehen.
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Das Ausbilden der hexagonalen Struktur des Wassers in der Elektrolytlösung 2 wird besonders durch eine Beeinflussung durch Lichtstrahlung 16 im Wellenlängenbereich des Infrarotlichtes (IR-Licht) sowie im Wellenlängenbereich des Ultraviolettlichtes (UV-Licht) begünstigt. Hierfür sind im Reaktionsraum in einem konkreten Ausführungsbeispiel oberhalb der Elektrolytlösung UV-Licht-Lampen 16 angeordnet. Die Lampen 16 lassen sich zudem in der Wandung 18 des Reaktionsraumes 1 im Bereich der Elektrolytlösung und somit seitlich an den Seitenwänden sowie auch von oben an der Decke 19 des Reaktionsraumes 1 und von unten am Boden 17 des Reaktionsraumes 1 anordnen.
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Aufgrund einer gegebenenfalls notwendigen Lichtleistung bewirken diese auch eine Verlustleistung durch die zudem eine örtlich begrenzte bzw. vereinzelt bereichsweise Erwärmung der Elektrolytlösung 2 erfolgt, wodurch die Lampen 16 zugleich eine Vorrichtungen zur thermischen Beeinflussung 12 darstellen. Diese unterstützen die Bildung der hexagonalen Struktur. Zudem sind auch separate Vorrichtungen zur thermischen Beeinflussung 12, beispielsweise in Form von Heizwendeln vorgesehen.
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Weiterhin ist als Vorrichtung zur mechanischen Beeinflussung 13 ein Verwirbler in Form eines an sich bekannten Rührwerks innerhalb der Elektrolytlösung 2 vorgesehen, welcher von außerhalb und unterhalb des Reaktionsraumes 1 mittels Magnetkopplung angetrieben wird.
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Durch den damit im Reaktionsraum 1 erzeugten Wirbel erfolgt eine Ladungstrennung innerhalb der Elektrolytlösung 2, mittels derer das oder die ersten Gase 3 beim Passieren der Elektrolytlösung 2 verstärkt polarisiert werden. Bei diesem Verwirbeln bzw. Umwälzen wird die Bildung der hexagonalen Struktur des Wassers in der Elektrolytlösung 2 und an deren Grenzflächen begünstigt.
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Alternativ dazu, sowie zusätzlich, lassen sich im Reaktionsraum 1 und von der Elektrolytlösung 2 umgeben, als Vorrichtung zur magnetischen Beeinflussung 15, verteilt Induktivitäten in Form von Spulen anordnen, welche von einem Gleichstrom oder Wechselstrom durchflossen werden und mittels des erzeugten elektromagnetischen Feldes ebenfalls vorteilhaft innerhalb der Elektrolytlösung 2 und an deren Grenzflächen zu einer hexagonalen Struktur des Wassers der Elektrolytlösung 2 und damit zu einer Verstärkung der Polarisation des oder der ersten Gase 3 führt. Dafür lassen sich Induktivitäten an den Seitenwänden 18 und auch am Boden 17 des Reaktionsraumes 1 vorsehen. Mögliche Bauformen für solche Induktivitäten sind beispielsweise sehr flache Ringspulen in Form von planaren Spulen. Diese lassen sich zudem gleichmäßig flächig an der inneren Wandung 18 des Reaktionsraumes 1 anordnen.
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Weiterhin lassen sich im Reaktionsraum 1 zusätzliche Elektroden in Form von Kondensatorplatten anordnen, welche als Vorrichtung zur elektrischen Beeinflussung 14 ein separates elektrisches Feld erzeugen und somit ladungssteigernd auf die Grenzschicht und der hexagonalen Struktur der Wassermoleküle in der Elektrolytlösung 2 wirken.
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Vorgesehen ist es alternativ sowie zusätzlich ebenfalls, dass die Elektrolytlösung 2 als Vorrichtung zur mechanischen Beeinflussung 13 mittels Schwingungen bzw. Vibrationen beeinflusst wird. So lassen sich Vibrationselemente an der Wandung des Reaktionsraumes 1 anordnen, welche die Elektrolytlösung 2 in Schwingung versetzen und damit zu einer Verstärkung der Polarisation des oder der ersten Gase 3 führt. Diese Schwingungen lassen sich auch mittels eines auf die Elektrolytlösung 2 gerichteten Lautsprechers erzeugen. Denkbar ist es ebenfalls, dass die Schwingungen in unterschiedlichen Frequenzen mittels Ultraschall oder Radiowellen erzeugt werden. Entsprechende an sich bekannte Generatoren lassen sich in der Wandung 18 des Reaktionsraumes 1 im Bereich der Elektrolytlösung 2 vorsehen.
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Das oder die gewonnenen und polarisierten ersten Gase 3 ist oder sind nun aufgrund dieser genannten Eigenschaften gleichermaßen in der Lage, eine stabile Verbindung mit einem oder mehreren beliebigen weiteren Gasen 4 einzugehen, wobei diese Verbindung ausnahmslos auf die Polarisation der Moleküle zurückzuführen und als statische Kopplung zu verstehen ist und eine molekulare Verbindung im engeren Sinne als elektrochemische Verbindung ist.
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So ist es beispielsweise vorgesehen, dass als erste Gase 3 Wasserstoff und Sauerstoff an einem weiteren Gas 4, wie Kohlenmonoxid angekoppelt werden, in dem einerseits das Kohlenmonoxid direkt in den Reaktionsraum 1 in den als Gasraum 7 bezeichneten Bereich oberhalb der Elektrolytlösung 2 auf deren Oberfläche 6 geleitet wird und der Wasserstoff und der Sauerstoff ebenfalls in den Reaktionsraum 1, jedoch in die Elektrolytlösung 2 geleitet werden und nach deren durchlaufen oder passieren sich unmittelbar am Kohlenmonoxid ankoppelt bzw. anderseits der Wasserstoff und Sauerstoff direkt im Reaktionsraum 1 unter Verwendung einer an sich bekannten Elektrolyse erzeugt wird, ebenfalls die Elektrolytlösung 2 durchläuft oder passiert und sich an der Oberfläche 6 mit dem eingeleiteten Kohlenmonoxid verbindet. Jeweils anschließend wird das um den angekoppelten Wasserstoff und Sauerstoff ergänzte Kohlenmonoxid über den Gaslauslass 10 abgeleitet oder abgepumpt und beispielsweise einem Speicher oder Leitungsnetz zugeführt.
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Indem die Elektrolytlösung 2 beispielsweise eine Lauge in wässriger Lösung ist, werden Umweltrisiken und Gesundheitsrisiken vermieden. Jedoch sind auch weitere wasserhaltige Elektrolytlösungen 2 denkbar, sofern diese wegen möglicher ungünstiger Wechselwirkungen der eingesetzten Gase notwendig sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reaktionsraum
- 2
- Elektrolytlösung
- 3
- erstes Gas
- 4
- weiteres Gas
- 5
- verbundenes Gas, Verbundgas
- 6
- Oberfläche
- 7
- Gasraum
- 8
- erster Gaseinlass
- 9
- zweiter Gaseinlass
- 10
- Gasauslass
- 11
- Gaserzeugungsvorrichtung, Gasreservoir, Gasdepot, Gasquelle
- 12
- Vorrichtung zur thermischen Beeinflussung
- 13
- Vorrichtung zur mechanischen Beeinflussung
- 14
- Vorrichtung zur elektrischen Beeinflussung
- 15
- Vorrichtung zur magnetischen Beeinflussung
- 16
- Lichtstrahlung, Lampe
- 17
- Boden
- 18
- Wandung, Seitenwand
- 19
- Decke
