DE102022001608A1

DE102022001608A1 - Verfahren zur Beschleunigung des Treibhausgasabbaus Methan und Ozon in der Troposphäre

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Publication number: DE102022001608A1
Application number: DE102022001608.7A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-04-21
Filing date: 2022-05-08
Publication date: 2023-10-26

Abstract

Mit dem beanspruchten Verfahren gelingt es, den bekannten Abbau der Treibhausgase Methan und Ozon in der Troposphäre durch Ferrichlorid-Aerosol wesentlich zu steigern, indem das Ferrichlorid-Aerosol mit einer oder mehreren wasserlöslichen anorganischen Stickstoff-Sauerstoffverbindungen angereichert wird, deren atomares Verhältnis Sauerstoff zu Stickstoff gleich oder größer 1,5 beträgt. Je weiter das atomare Verhältnis Sauerstoff zu Stickstoff in der dem Ferrichlorid-Aerosol zugesetzten Stickstoff-Sauerstoffverbindung oberhalb 1,5 liegt, desto mehr wächst die Wirksamkeit des Ferrichlorid-Aerosols auf den Abbau troposphärischen Methans und Ozons. Unter den Stickstoff-Sauerstoffverbindungen wird Ferrinitrat als wirksamster Zusatz für die Beschleunigung dieser Abbaureaktionen beansprucht.Der weitere wirtschaftliche Vorteil des beanspruchten Verfahrens besteht darüber hinaus darin, dass neben Methan und Ozon auch sonstige organische Stoffe und elementaren Kohlenstoff enthaltende Treibhaus-wirksame Gase und Aerosole mit dem beanspruchten Verfahren wesentlich effizienter abgebaut werden können.

Description

Nach einem bekanntem Verfahren lässt sich Methan und troposphärisches Ozon durch die Emission von Aerosolen in die Troposphäre abbauen, die Ferrichlorid enthalten (PCT Patent WO 2010/075856 ). Dieses Verfahren hat den Nachteil der Eisensalzemission durch das freigesetzte Aerosol. Deshalb kann dieses Verfahren nur über den Ozeanen zur Anwendung kommen.
Mit dem beanspruchten Verfahren kann der Abbau von Methan und troposphärischem Ozon durch Ferrichlorid-Aerosole wesentlich gesteigert werden. Damit ergibt sich der Vorteil, dass weniger Eisen emittiert werden muss, um den gleichen Anteil Methan abzubauen.
Die Wirksamkeit des Ferrichlorid-Aerosols lässt sich erfindungsgemäß mit zwei Verfahrensvarianten steigern,

a) dass den Ferrichlorid-Aerosolpartikeln oder -Aerosoltröpfchen eine Gas-, Dampf- oder Aerosol-Phase vor, während oder nach ihrer Emission zugemischt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens eine Stickstoff-Sauerstoffverbindung enthält, deren Atomverhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff mindestens 1,5 beträgt. Dazu gehören beispielsweise die Stoffe Ferrinitrat, Natriumnitrit, Salpetersäure, Salpetrige Säure, Distickstoffpentoxid, Distickstofftetroxid, Stickstofftrioxid, Stickstoffdioxid, Distickstofftrioxid
b) dass der Lösung, aus der die Ferrichlorid-Aerosolteilchen oder Ferrichlorid-Aerosoltröpfchen in einem nicht-thermischen Vernebelungsverfahren erzeugt werden, mindestens eine der unter a) beispielhaft genannten Stickstoff-Sauerstoffverbindungen zugesetzt wird, deren Atomverhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff mindestens 1,5 beträgt, die hier im Folgenden als NO_1,5+X bezeichnet werden.

Unter einem nicht-thermischen Vernebelungsverfahren wird hier das Versprühen von Ferrichloridlösungen mittels Düsen, durch rotierende Bürsten oder durch Ultraschall-Vibratoren verstanden. Thermische Vernebelungsverfahren von Ferrichlorid nutzen die Kondensattröpfchenbildung zur Aerosolbildung, die durch die Abkühlung von Ferrichloriddämpfen entsteht.
Dabei ist die optimale Wirkung des Methanabbaus durch Ferrichlorid-Aerosol, dem die beanspruchten wirksamen Stickstoff-Sauerstoffverbindungen NO_1,5+X zugesetzt wurden, auf den Bereich zwischen pH 2 und pH 0,5 begrenzt. Überdies ist die optimale katalytische Wirksamkeit der Katalyse bei jenen Stickstoff-SauerstoffVerbindungen NO_1,5+X gegeben, deren Sauerstoff-zu-Stickstoff-Atomverhältnis 3 beträgt. Dazu gehört beispielsweise die Salpetersäure und ihre Salze. Besonders herausragend ist die katalytische Wirkung von Ferrinitrat und seinen Lösungen. Das gilt auch für Distickstoffpentoxid, das in der Gegenwart von Wasser, Wasserdampf und Ferrichlorid unter Hydrolyse zu Salpetersäure bzw, Ferrinitrat hydrolysiert.
Bei den beanspruchten Stickstoff-Sauerstoffverbindungen NO_1,5+X handelt es sich durchweg um Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase mit ausreichender Wasserlöslichkeit in den Aerosol-Tröpfchen und -Partikeln, die auch unter den vorzugsweise genutzten sauren pH-Bedingungen gegeben ist. Wegen der hohen Wirksamkeit des Zusatzes der NO_1,5+X zu den Ferrichlorid enthaltenden Aerosolen auf den Abbau der genannten Treibhausgase ist hier von einer katalytischen Beschleunigung durch NO_1,5+X auszugehen. Folglich sind die NO_1,5+X als Katalysatoren zu bezeichnen. Diese Bezeichnung ist auch deshalb berechtigt, weil der Anteil NO_1,5+X ebenso wie der Anteil Chlorid in gelöster Form in den FerrichloridAerosolen wirksam verbleiben ohne sich abzubauen, bis diese schwerkraftbedingt auf Meer oder Landflächen niedersinken.
Dort kommt es wegen der notwendigen geringeren Ferrichlorid-Immission zu noch geringeren Versauerungsreaktionen, als nach dem bekannten Ferrichlorid-Aerosol-Emissionsverfahrens. Sowohl die alkalischen pH-Werte der Meerwasseroberfläche, als auch die alkalischen Bestandteile der Landoberflächen, wie z. B. Silikate und Carbonate sorgen im Berührungsmoment zwischen Ferrichlorid-Aerosoltröpfchen und Oberfläche für momentane Neutralisation. Auch Blattoberflächen von Pflanzen oder das Lungengewebe von Lebewesen wird keinen Schaden erleiden, weil die täglich eingetragene Ferrichloridaerosolmasse weit unter einem Milligramm pro m² liegen wird. Überdies werden die Aerosole in der Regel durch den Niederschlag ausgewaschen und gelangen nur selten in direkten Kontakt mit Land-und Wasseroberflächen.
Von den genannten Möglichkeiten des Zusatzes der NO_1,5+X zu Ferrichloridaerosolen zwecks Katalyse der Ferrichloridphotolyse zu Chloratomen wird erfindungsgemäß nach der Verfahrensvariante a) dem Zusatz von Luft der Vorzug gegeben, aus deren Stickstoff- und Sauerstoffgehalt mittels Elektronen-Stoßreaktionen die genannten Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Aktivierungsmittel in Plasmen erzeugt worden sind. Dabei handelt es sich um bekannte Verfahren, die gegenwärtig zum Beispiel für die alternative Düngemittelproduktion, Hygieneoperationen und andere Problemlösungen vorgeschlagen werden (Eliasson & Kogelschatz, 1991; Kuwahata & Mikami, 2014; Bian et al., 2012; Kaneko et al., 2022; Kumagai et al., 2022; Sasaki et al., 2021; Kimura et al., 2019; Chen et al., 2021; Li et al., 2018). Die bevorzugten Aktivierungsmittel Salpetersäure, Dixtickstoffpentoxid und Stickstofftrioxid können durch solche plasmachemischen Umsetzungen aus Luft mit ggf. Wasserzusatz ohne umweltunfreundlichen Chemikalieneinsatz erzeugt werden.
Unter Plasma wird hier die in dem neutralen Medium Luft durch Energiezufuhr erzeugte Aufspaltung der neutralen Moleküle in negative und positive Ionen verstanden. Das kann durch Elektronenstoß-Reaktionen ausgelöst werden. Für das beanspruchte Verfahren einsetzbare Plasmaerzeugungsmethoden sind beispielsweise

• Glimmentladung
• Coronaentladung
• Stille elektrische Entladung mit und ohneWasserkontakt
• Kapazitive und induktive Hochfrequenzentladung
• Mikrowellenentladung
• Luft-Plasma-Jet mit Wasserkontakt
• Gleitende Lichtbogenentladung mit Wasserkontakt.

Die Glimmentladung wird bevorzugt im Vakuum bei <10 mbar durchgeführt und eignet sich daher besonders für Eisen(III)chlorid-Aerosol-Herstellungsverfahren, bei denen die Aerosolherstellung unter Anwendung von Vakuum durchgeführt wird.
Die Koronaentladung und auch die stille Entladung kann bei Atmosphärendruck ausgeführt werden.
Kapazitive und induktive Hochfrequenzentladung sowie auch Mikrowellenentladung kann sowohl bei Unterdruck als auch Atmosphärendruck ausgeführt werden.
Durch die Aktivierung der Luft mit den genannten Verfahren werden Luftmoleküle gespalten und es bilden sich daraus hochwirksame Oxidationsmittel wie z. B. atomarer Sauerstoff, Hydroxylradikale, Ozon, Stickoxid, Stickstoffdioxid, Stickstofftrioxid, Distickstoffpentoxid in der Gegenwart von Feuchtigkeit. Feuchtigkeit ist insbesondere durch das hygroskopische Ferrichlorid in den Aerosolteilchen angereichert. Deshalb bilden sich dort die besonders bevorzugten Nitrate bzw. Salpetersäure. Die Neubildung von Ozon in den gebildeten Plasmen ist unbedenklich, weil dieses Treibhausgas im Kontakt mit Tageslicht durch Ferrichlorid unmittelbar zerstört wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Methanabbau durch die Ferrichlorid-Aerosole durch den Zusatz der durch Plasmabildung mit NO_1,5+X angereicherten Luft wesentlich gesteigert. Bereits Zusätze von 1 bis 5 Volumenanteilen Plasma-aktivierter Luft bezogen auf 100 Volumenanteile des mit Ferrichlorid-Aerosol versetzten und emittierten Luftvolumens können eine Steigerung der Chloratomausbeute um mehr als 100% bewirken.
Zusätze von 5 Mol% Ferrinitrat bezogen auf Ferrichlorid können die Methanausbeute um mehr als den Faktor 10 steigern.
Zusätze von 0,01 Molanteilen Distickstoffpentoxid zu 1 Molanteil Ferrichlorid können ebenfalls eine Steigerung des Methanabbaus um mehr als 100% bewirken.
Sogar die Anwendung von Eisen(II)nitrat wirkt förderlich auf den Abbau von Methan. Ursächlich dafür ist wahrscheinlich die rasche Oxidationswirkung der Atmosphäre auf das saure Aerosol das zur Umwandlung von Eisen(II) zu Eisen(III) hinwirkt.
Wenn die molekularen Anteile von Nitrat und Chlorid in der wässrigen Lösung im Verhältnis 1 zu 1 betragen, wird optimaler Methanabbau erhalten, der ein Vielfaches von Nitrat-freiem Aerosol beträgt.
Es ist vorteilhaft, auch erfindungsgemäß Katalysator-dotierte Ferrichlorid-Aerosole für den Methanabbau durch Vernebelung herzustellen, deren Aerosolteilchen einen Durchmesser von kleiner 1 µm haben, um ihre Wirksamkeit zu optimieren. Das gelingt nicht ohne weiteres im nicht-thermischen Vernebelungsprozess sondern danach durch die Wasserverdampfung aus den Aerosoltröpfchen in der Atmosphäre in dem Fall, dass ausreichend verdünnte Lösungen für die Vernebelung eingesetzt werden.
Ein Nachteil der aus der Plasmareaktion hervorgegangenen Gase kann ihr hoher Gehalt an Stickstoff-Sauerstoffverbindungen sein, deren molekulares Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff bei kleiner 1,5 zu 1 liegt, wie es beispielsweise für NO und N₂O zutrifft.
Stickstoffhaltige Gase, deren Sauerstoff zu Stickstoff-Verhältnis bei <1,5 liegt, sind nachteilig, weil sie retardierend auf die Photolyse von Ferrichlorid zu Chloratomen wirken, wenn sie im Überschuss vorliegen. Deshalb sind Gase, Dämpfe und Aerosole aus Plasmareaktionen, die hohe Anteile von Stickstoffmonoxid aufweisen, nicht bevorzugt.
Zitierte Patentliteratur
PCT Patent WO 2010/075856 ,
Veröffentlichungsdatum 08. Juli 2010,
Titel: Verfahren zur Abkühlung der Troposphäre
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bian W, Song X, Shi J, Yin X, (2012): Nitrogen fixed into HNO3by pulsed high Voltage discharge. Journal of Electrostatics, 70(3), 317-326, doi: 10.1016/j.elstat.2012.03.010
Chen H, Yuan D, Wu A, Lin X, Li X, (2021): Review of low temperature plasma nitrogen fixation technology. Waste Disposal & Sustainable Energy, 3, 201-217
Eliasson B & Kogelschatz U, (1992): Nonequilibrium volume plasma chemical processing. IEEE Transactions on Plasma Science, 19(6), 1063-1077, doi: 10.1109/27.125031
Kaneko T, et al., (2022): Functional nitrogen science based on plasma processing: quantum devices, photocatalysts and activation of plant defense and immune systems. Japanese Journal of Applied Physics 61, SA0805, doi: 10.35848/1347-4065/ac25dc
Kimura Y, Takahashi H, Sasaki S, Kaneko T, (2019): Investigation on dinitrogen pentoxide roles on air plasma effluent exposure to liquid water solution. Journal of Physics D: Applied Physics, 52(6), 064003, doi: 10.1088/1361-6463/aafl5a
Kumagai S et al., (2022): Towards prevention and prediction of infectious diseases with virus sterilization using ultraviolet light and low temperature plasma and biosensing devices for health and hygiene care. Japanese Journal for Applied Physics 61, SA0808, doi: 10.35848/1347-4065/ac1c3d
Kuwahata H & Mikami I, (2014): Generation of nitric acid and nitrous acid in distilled water irradiated with atmospheric pressure plasma jet. e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, 12, 410-413
Li S, Medrano JA, Hessel V, Gallucci F, (2018): Recent progress of plasmaassisted nitrogen fixation research: a review. Processes, 6, 248, doi: 10.3390/pr6120248
Sasaki S, Takashima K, Kaneko T, (2021): Portable plasma device for electric N2O5 Production from air. Industrial and Engineering Chemistry Research, 60(1), 798-801, doi: 10.1021/acs.iecr.0c04915

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/075856 [0001, 0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bian W, Song X, Shi J, Yin X, (2012): Nitrogen fixed into HNO3by pulsed high Voltage discharge. Journal of Electrostatics, 70(3), 317-326 [0022]
Chen H, Yuan D, Wu A, Lin X, Li X, (2021): Review of low temperature plasma nitrogen fixation technology. Waste Disposal & Sustainable Energy, 3, 201-217 [0022]
Eliasson B & Kogelschatz U, (1992): Nonequilibrium volume plasma chemical processing. IEEE Transactions on Plasma Science, 19(6), 1063-1077 [0022]
Kaneko T, et al., (2022): Functional nitrogen science based on plasma processing: quantum devices, photocatalysts and activation of plant defense and immune systems. Japanese Journal of Applied Physics 61, SA0805 [0022]
Kimura Y, Takahashi H, Sasaki S, Kaneko T, (2019): Investigation on dinitrogen pentoxide roles on air plasma effluent exposure to liquid water solution. Journal of Physics D: Applied Physics, 52(6), 064003 [0022]
Kumagai S et al., (2022): Towards prevention and prediction of infectious diseases with virus sterilization using ultraviolet light and low temperature plasma and biosensing devices for health and hygiene care. Japanese Journal for Applied Physics 61, SA0808 [0022]
Kuwahata H & Mikami I, (2014): Generation of nitric acid and nitrous acid in distilled water irradiated with atmospheric pressure plasma jet. e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, 12, 410-413 [0022]
Li S, Medrano JA, Hessel V, Gallucci F, (2018): Recent progress of plasmaassisted nitrogen fixation research: a review. Processes, 6, 248 [0022]
Sasaki S, Takashima K, Kaneko T, (2021): Portable plasma device for electric N₂O₅ Production from air. Industrial and Engineering Chemistry Research, 60(1), 798-801 [0022]

Claims

Verfahren zum Abbau von Methan sowie weiteren gasförmigen, dampfförmigen und aerosolförmigen organischen Treibhaus-wirksamen organischen Stoffen und oder troposphärischem Ozon in der freien Troposphäre und/oder in durch eine weitgehende Einhausung von der freien Troposphäre abgetrennten Volumenanteilen durch Tageslicht und/oder künstliche Bestrahlung ausgelöste Photolyse von Ferrichlorid enthaltendem Aerosol, dadurch gekennzeichnet, dass a) den Ferrichlorid enthaltenden Aerosolpartikeln oder Aerosoltröpfchen ein weiteres gasförmiges Medium zugemischt wird, das eine oder mehrere der gasförmigen, dampfförmigen und aerosolförmigen Phasen enthält, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie mindestens eine Sauerstoff-Stickstoff-Verbindung enthalten, in der das Atomverhältnis Sauerstoff zu Stickstoff größer oder gleich 1,5 zu 1 ist, oder b) dass der Lösung, mittels der die Ferrichlorid-Aerosolteilchen oder die Ferrichlorid-Aerosoltröpfchen in einem nicht-thermischen Vernebelungsverfahren erzeugt werden, mindestens eine Komponente zugemischt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens eine der Sauerstoff-Stickstoff-Verbindungen enthält, in denen das Atomverhältnis Sauerstoff zu Stickstoff größer oder gleich 1,5 zu 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sauerstoff-Stickstoff-Verbindung mit dem Atomverhältnis Sauerstoff zu Stickstoff größer oder gleich 1,5 zu 1 handelt um Ferrinitrat, Ferrinitrit, Salpetersäure, Distickstoffpentoxid, Stickstofftrioxid, Distickstofftetroxid, Stickstoffdioxid, Distickstofftrioxid.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Sauerstoff-Stickstoff-Verbindungen in denen das Atomverhältnis Sauerstoff zu Stickstoff größer oder gleich 1,5 zu 1 beträgt und die in einer Gas- und/oder Aerosol- und/oder Flüssigphase enthalten sind, ein plasmachemischer Prozess angewendet wird, bei dem die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle der Luft in die Sauerstoff-Stickstoffverbindungen mit dem Atomverhältnis Sauerstoff zu Stickstoff größer oder gleich 1,5 zu 1 umgewandelt werden und dass diese Gas-, Aerosol oder Flüssigphasen, die mit den Umwandlingsprodukten angereichert sind, mit der zu vernebelnden Ferrichloridlösung und/oder mit Ferrichlorid-haltigen Aerosol vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem plasmachemischen Prozess um einen chemischen Prozess handelt, der in einem nicht-thermischen Plasma abläuft das unter Vakuum oder unter atmosphärischem Druck ausgeführt wird, wie zum Beispiel Plasma-Glimmentladung, Korona-Entladung, Stille elektrische Entladung mit und ohne Wasserkontakt, Kapazitive und induktive Hochfrequenzentladung, Mikrowellenentladung, dielektrisch behinderte Entladung, Luft-Plasma-Jet mit Wasserkontakt, Gleitende Lichtbogenentladung mit Wasserkontakt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem plasmachemischen Prozess um einen chemischen Prozess in einem Hochtemperatur-Plasma handelt.
Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der zugemischten plasmachemisch zu Stickstoff-Sauerstoffverbindungen mit dem Atomverhältnis Sauerstoff zu Stickstoff größer oder gleich 1,5 zu 1 umgewandelten Atmosphärenluft mindestens 1 Volumen-% des mit Ferrichlorid-Aerosol versetzten und emittierten Luftvolumens beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission der Ferrichlorid und Sauerstoff-Stickstoffverbindungen mit dem Atomverhältnis Sauerstoff zu Stickstoff größer oder gleich 1,5 zu 1 enthaltenden Aerosolwolke vor ihrer Emission in die freie Atmosphäre unter künstlicher Bestrahlung mit sichtbarem Licht und/oder Ultraviolettstrahlung innerhalb einer Einhausung zum Abbau des Methangehaltes aus einer Methanemissionsquelle benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Emission der Aerosolwolke enthaltend Ferrichlorid und Sauerstoff-Stickstoffverbindungen mit dem Atomverhältnis Sauerstoff zu Stickstoff größer oder gleich 1,5 zu 1 in die Troposphäre unter Anwendung von Einhausungen aus der Gruppe Warmluftkamine und Aufwindkraftwerke geschieht.