DE102023112454A1 - Filteranlage und Trennverfahren - Google Patents

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Filteranlage (1) :- einen Fluidkanal (3) zum Führen eines in zumindest zwei Bestandteile (71, 72) zu trennenden Fluids (7),- einen Ionisator (2) in oder an dem Fluidkanal (3), der dazu eingerichtet ist, das Fluid (4) mindestens zum Teil in Ionen (i) zu ionisieren, und- eine Trenneinheit (5) in oder an dem Fluidkanal (3), die dem Ionisator (2) nachgeordnet und dazu eingerichtet ist, die zumindest zwei Bestandteile (71, 72) voneinander zu trennen und getrennt voneinander zu führen.

Description

  • Es wird eine Filteranlage angegeben. Darüber hinaus wird ein Trennverfahren für eine solche Filteranlage angegeben.
  • Die Druckschriften WO 2020/022599 A1 und WO 2021/193237 A1 betreffen Elektronenemitter mit einem Substrat, einer Isolationsschicht und einer Gate-Elektrode.
  • Die Druckschrift US 2014/0216253 A1 betrifft ein CO2-Abtrennverfahren.
  • Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, eine Filteranlage anzugeben, mit der zuverlässig Bestandteile von Gasen abtrennbar sind.
  • Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Filteranlage und durch ein Trennverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Filteranlage eine Gasfilteranlage. Das heißt, ein zu filterndes Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filteranlage einen oder mehrere Fluidkanäle. Der mindestens eine Fluidkanal ist dazu eingerichtet, ein Fluid zu führen. Bei dem Fluid handelt es sich um ein Gas oder Gasgemisch oder auch um eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch. Bevorzugt ist das Fluid ein Gasgemisch, wobei das Gasgemisch auch feste Bestandteile, wie Rauchpartikel, mit sich führen kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Filteranlage dazu eingerichtet, das Fluid in zwei oder in mehr als zwei Bestandteile aufzutrennen. Das heißt, mittels der Filteranlage kann das Fluid, insbesondere das Gas, fraktioniert werden.
  • Es ist dabei möglich, dass es sich bei dem Auftrennen um ein im Wesentlichen vollständiges Auftrennen handelt, sodass zumindest einer der Bestandteile des Gases vollständig oder überwiegend herausgefiltert wird. Überwiegend bedeutet zum Beispiel ein Herausfiltern von mindestens 70 % oder mindestens 90 % oder mindestens 95 % oder mindestens 99,5 % des betreffenden Bestandteils. Dabei ist es möglich, dass der abgetrennte Bestandteil sortenrein vorliegt. Sortenrein bedeutet zum Beispiel, dass der abgetrennte Bestandteil einen Masseanteil an einem abgetrennten Fluidanteil von mindestens 70 % oder mindestens 90 % oder mindestens 95 % oder mindestens 99,5 % hat.
  • Alternativ wird der zu filternde Bestandteil lediglich aufkonzentriert. Dies bedeutet zum Beispiel, dass höchstens 80 % oder höchstens 50 % oder höchstens 30 % des zu filternden Bestandteils aus dem Fluid entfernt werden und/oder dass der aus dem Fluid abgetrennte Bestandteil einen Masseanteil an dem abgetrennten Fluidanteil von höchstens 80 % oder höchstens 50 % oder höchstens 30 % aufweist.
  • Mit anderen Worten ist ein vollständiges und/oder sortenreines Herausfiltern des abzutrennenden Bestandteils des Fluids ebenso möglich wie ein Aufkonzentrieren. Die Filterung des abzutrennenden Bestandteils kann einstufig oder auch mehrstufig erfolgen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filteranlage einen oder mehrere Ionisatoren. Der mindestens ein Ionisator befindet sich in oder an dem Fluidkanal. Der mindestens ein Ionisator ist dazu eingerichtet, das Fluid teilweise oder vollständig in Ionen zu ionisieren. Der Ionisator ist bevorzugt eine Elektronenquelle, sodass die Ionen mittels Zusammenstößen mit Elektronen erzeugt werden. Der Ionisator kann alternativ oder zusätzlich ebenso für eine Feldionisation, für eine Triboionisation, für eine Fotoionisation, für eine Plasmaionisation und/oder für eine Elektrosprayionisation eingerichtet sein. Es ist ferner möglich, dass mehrere verschiedene Arten von Ionisatoren miteinander kombiniert sind, zum Beispiel eine Elektronenquelle mit einem Fotoionisator.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filteranlage eine oder mehrere Trenneinheiten. Die mindestens eine Trenneinheit befindet sich in oder an dem Fluidkanal und ist dem Ionisator oder zumindest einem der Ionisatoren entlang eines Fluidstroms nachgeordnet. Das heißt, das Fluid strömt zuerst an mindestens einem der Ionisatoren vorbei und dann an der mindestens einen Trenneinheit.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die mindestens eine Trenneinheit dazu eingerichtet, die zumindest zwei Bestandteile voneinander zu trennen und, insbesondere in Verbindung mit dem Fluidkanal, getrennt voneinander abzuführen. Die Trennung in der Trenneinheit kann dabei elektro-mechanisch erfolgen, zum Beispiel durch ein angelegtes elektrisches oder magnetisches Feld in Kombination mit Öffnungen in einer Filterplatte. Ebenso ist eine fluiddynamische Abtrennung möglich, zum Beispiel durch eine Ausnutzung unterschiedlicher Flussgeschwindigkeiten und/oder spezifischer Ladungen der verschiedenen, zuvor erzeugten Ionen. Ferner ist ein chemisches Abtrennen möglich, zum Beispiel durch Absorption oder Adsorption.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Filteranlagen, insbesondere die Gasfilteranlage:
    • - einen Fluidkanal zum Führen eines in zumindest zwei Bestandteile zu trennenden Fluids,
    • - einem Ionisator in oder an dem Fluidkanal, der dazu eingerichtet ist, das Fluid mindestens zum Teil in Ionen zu ionisieren, und
    • - einer Trenneinheit in oder an dem Fluidkanal, die dem Ionisator nachgeordnet und dazu eingerichtet ist, die zumindest zwei Bestandteile voneinander zu trennen und getrennt voneinander zu führen.
  • Mit der hier beschriebenen Filteranlage ist ein effizientes, energiesparendes Abtrennen von Stoffen, zum Beispiel Treibhausgasen wie CO2 oder Methan, aus Luft möglich, ebenso wie die Entfernung von Schadstoffen aus einem Gas. Hierbei wird ausgenutzt, dass insbesondere mittels GIS-EE, siehe weiter unten, effizient niederenergetische Elektronen für eine insbesondere selektive Ionisation von Gasbestandteilen erzeugt werden können. Die erzeugten Ionen können dann effektiv von einem Rest des Gases abgetrennt werden, sodass eine Filterung oder Reinigung möglich ist. Anstatt einer GIS-EE können aber genauso andere Elektronenquellen, wie vakuumverkapselte Elektronenquellen mit Elektronentransmissionsfenster, verwendet werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Ionisator eine Gate-Isolator-Substrat-Elektronen-Emissionsstruktur, GIS-EE, oder ist eine GIS-EE. Die GIS-EE ist zur Emission niederenergetischer Elektronen eingerichtet. Mittels dieser Elektronen können die Ionen erzeugt werden.
  • Hierbei wird ein Tunnelstrom durch ein angelegtes Potential an der Gate-Elektrode erzeugt. Die Elektronen tunneln zunächst ins Leitungsband der Transferschicht, auch als Isolatorschicht bezeichnet. Bei geeigneter Materialwahl ist es möglich, dass die Streuung sowohl in der Isolatorschicht wie auch in der Gate-Elektrode minimiert wird und somit die Elektronen im elektrischen Feld Energie aufnehmen und die Vakuumaustrittsarbeit verrichten können. Dadurch lässt sich eine Elektronenquelle realisieren, welche in Umgebungsdruck sowie in Flüssigkeiten betrieben werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die GIS-EE dazu eingerichtet, die Elektronen mit einer kinetischen Energie von mindestens 0 eV oder mindestens 1,5 eV oder mindestens 6 eV zu emittieren, insbesondere in das Fluid zu emittieren. Alternativ oder zusätzlich beträgt diese Energie dabei höchstens 100 eV oder höchstens 50 eV oder höchstens 20 eV. Optional kann eine Energie der Elektronen, die von der GIS-EE erzeugt werden, durchgestimmt werden, zum Beispiel in dem eine Spannung zwischen dem Substrat und der Gate-Elektrode variiert wird oder es wird ein weiterer Schichtstapel aus Isolator und Gate-Elektrode auf der GIS-EE aufgebracht, um mit dem zusätzlichen Elektrodenpotential die Energie der emittierten Elektronen einstellen zu können.
  • Somit lässt sich durch einen geeigneten Stapel, zum Beispiel hBN und pyrolitisches Graphit für die Isolatorschicht und die Gate-Elektrode, ein sehr schmalbandiges Spektrum der emittierten Elektronen hinsichtlich deren Energie erzielen und somit über die Elektronenenergie die Ionisierungsenergie eines Zielmediums, also des Fluids, filtern.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die GIS-EE ein elektrisch leitfähiges Substrat. Bei dem Substrat kann es sich um die die GIS-EE mechanisch tragende und stützende Komponente handeln. Es ist möglich, dass das Substrat mechanisch starr ist, sodass sich die GIS-EE im vorgesehenen Einsatz bestimmungsgemäß nicht verformt. Alternativ kann das Substrat mechanisch flexibel sein und als Folie gestaltet sein.
  • Es ist möglich, dass anstelle des elektrisch leitfähigen Substrats eine elektrisch leitfähige Schicht zusammen mit einem Träger tritt. Eine solche elektrisch leitfähige Schicht kann dann auf dem Träger angebracht sein, wobei der Träger mechanisch die Rolle des Substrats übernimmt und nicht elektrisch leitfähig zu sein braucht.
  • Das Substrat kann auch als Substratelektrode bezeichnet werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die GIS-EE eine Transferschicht aus einem Material mit einer Bandlücke, welche größer ist als die Bandlücke des Substrats oder der elektrisch leitfähige Schicht. Zum Beispiel beträgt die Bandlücke des Materials der Transferschicht mindestens 2 eV oder mindestens 3 eV oder mindestens 4 eV oder mindestens 5 eV. Die Transferschicht kann eine Isolationsschicht aus einem dielektrischen Material sein. Die Transferschicht ist bevorzugt direkt auf dem elektrisch leitfähigen Substrat oder alternativ direkt auf der elektrisch leitfähigen Schicht angebracht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die GIS-EE eine Gate-Elektrode aus einem weiteren elektrisch leitfähigen Material. Das weitere elektrisch leitfähige Material kann sich von dem Material des elektrisch leitfähigen Substrats oder der elektrisch leitfähigen Schicht unterscheiden oder es kann sich auch um das gleiche Material handeln. Die Gate-Elektrode ist insbesondere unmittelbar an einer dem elektrisch leitfähigen Substrat oder der elektrisch leitfähigen Schicht abgewandten Seite der Transferschicht angebracht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die GIS-EE mindesten eine erste elektrische Anschlussstruktur. Die erste elektrische Anschlussstruktur dient zum elektrischen Anschließen des elektrisch leitfähigen Substrats oder der elektrisch leitfähigen Schicht. Bei der ersten elektrischen Anschlussstruktur kann es sich um eine zum Beispiel metallische elektrische Zuleitung handeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die GIS-EE mindesten eine zweite elektrische Anschlussstruktur. Die zweite elektrische Anschlussstruktur dient zum elektrischen Anschließen der Gate-Elektrode. Bei der zweiten elektrischen Anschlussstruktur kann es sich um eine zum Beispiel metallische elektrische Zuleitung handeln. Es ist möglich, dass die zweite elektrische Anschlussstruktur sich flächig über die Gate-Elektrode erstreckt, zum Beispiel in Form eines Gitters oder in Form von Streifen, oder dass die Gate-Elektrode von der zweiten elektrischen Anschlussstruktur lediglich punktförmig an einem oder an mehreren elektrischen Anschlusspunkten kontaktiert ist oder dass eine Kontaktierung entlang eines äußeren Rands der Gate-Elektrode erfolgt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Gate-Elektrode Kohlenstoff oder besteht aus Kohlenstoff. Beispielsweise ist die Gate-Elektrode dann eine Graphenschicht, ein Graphenschichtenstapel oder eine Graphitschicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Gate-Elektrode dünn. Zum Beispiel beträgt eine Dicke der Gate-Elektrode dann mindestens eine Atomlage oder mindestens 1 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 15 nm oder bei höchstens 10 nm oder bei höchstens 5 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Ionisator, insbesondere die GIS-EE, eine Vielzahl von Lamellen, die jeweils zur Emission der Elektronen eingerichtet sind, oder besteht hieraus. Alternativ ist eine Vielzahl Ionisatoren, insbesondere eine Vielzahl von GIS-EEs, vorhanden, die jeweils als Lamellen gestaltet sind. Lamelle bedeutet zum Beispiel, dass die entsprechende Struktur als zweidimensional anzusehen ist, sodass insbesondere eine Länge und/oder eine Breite der entsprechenden Struktur um mindestens einen Faktor 10 oder um mindestens einen Faktor 20 größer sind als eine Dicke der entsprechenden Struktur. Diese Lamellen können auch auf einem Substrat durch eine Oberflächenstruktur realisiert werden, beispielsweise als Ätzgräben in Silizium.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst jede der Lamellen ein Teilgebiet der Gate-Elektrode der GIS-EE. Es ist möglich, dass diese Teilgebiete parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder jeweils an den Fluidkanal grenzen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Ionisator, insbesondere die GIS-EE, von einer Vielzahl von Löchern durchlaufen. Das heißt, der Ionisator, insbesondere die GIS-EE, umfasst dann die Löcher und die Löcher reichen vollständig durch den Ionisator hindurch. Insbesondere verlaufen die Löcher geradlinig durch den Ionisator. Mit anderen Worten kann der Ionisator, insbesondere die GIS-EE, gitterförmig gestaltet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Fluidkanal die Löcher. Mit anderen Worten sind die Löcher ein Teil des Fluidkanals oder bilden den Fluidkanal.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Fluidkanal teilweise oder vollständig radial von dem mindestens einen Ionisator, insbesondere der mindestens einen GIS-EE, umgeben. Zum Beispiel ist der Ionisator dann als Zylindermantel oder Kegelmantel oder als Teil eines Zylindermantels oder Kegelmantels um den Fluidkanal herum geformt. Dabei können Gaseinlassöffnungen oder Gasauslassöffnungen durch den mindestens einen Ionisator verlaufen.
  • Alternativ befindet sich der mindestens eine Ionisator, insbesondere die mindestens eine GIS-EE, nur an einer Seite oder an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Fluidkanals. Dies gilt insbesondere, wenn der mindestens eine Ionisator, speziell die GIS-EE, plattenförmig geformt ist oder aus mehreren in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Lamellen zusammengesetzt ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Ionisator einen Feldionisator oder ist ein Feldionisator. Insbesondere beinhaltet der mindestens eine Feldionisator eine Vielzahl von Nadeln. Das Fluid kann einerseits entlang einer Oberfläche des Feldionisators und insbesondere an den Nadeln entlang geführt werden und/oder durch Mikrokanäle in den Nadeln, sodass im Betrieb an Spitzen der Nadeln eine Ionisation auftritt. Bei einer Flüssigkeit spricht man in diesem Zusammenhang auch von Electrosprayionisation und es können zu den Ionen auch geladene Tropfen entstehen, welche durch Zerstäubung und Verdampfung von Trägeranteilen, wie beispielsweise Lösungsmitteln, weiter ionisiert werden können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein erster der Bestandteile des Fluids, der abzutrennen ist, CO2. Das heißt, die Filteranlage ist dazu eingerichtet, einen CO2-Gehalt des Fluids zu reduzieren. In diesem Fall ist das Fluid insbesondere Luft oder ein Verbrennungsabgas.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein zweiter der Bestandteile des Fluids Benzol, sodass die Filteranlage dazu eingerichtet ist, einen Benzol-Gehalt des Fluids zu reduzieren. In diesem Fall weist das Fluid, insbesondere Gas oder Luft, insbesondere auch einen Toluol Anteil auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Trenneinheit mehrere Teilstufen. Die Teilstufen sind bevorzugt kaskadenförmig hintereinander entlang des Fluidkanals angeordnet. Es ist möglich, dass zwischen benachbarten Teilstufen mindestens ein weiterer Ionisator angeordnet ist. Ferner ist es möglich, dass für eine größere Skalierung der Filteranlage mehrere Teilstufen parallel zueinander angeordnet sind. Auch kann die Ionisation und Trennung kontinuierlich entlang des Fluidflusses stattfinden, um eine höhere Trennleistung zu erzielen.
  • Für eine kontinuierlich Ionisation zum Beispiel kann die GIS-EE auf einer oder mehreren Seiten eines zum Beispiel planparallelen Strömungskanals angebracht sein und an einer oder mehreren anderen Seiten kann sich mindestens ein Auslass befinden, der beispielsweise gitterförmig ausgeführt ist. Durch eine am mindestens einen Auslass angelegte Spannung können die erzeugten Ionen abgezogen werden. Dies kann nicht nur an einer diskreten, kleinen Stelle umgesetzt werden, sondern auch entlang längerer Strecken.
  • Beispielsweise können mehrere GIS-EE, etwa in Form von Halbleiterchips, nebeneinander benachbart angeordnet werden, um die benötigte Fläche zu realisieren. Die verschiedenen GIS-EE können optional unabhängig voneinander ansteuerbar sein. Durch unabhängig voneinander ansteuerbare GIS-EEs ist es zudem möglich, entlang des Fluidkanals Elektronen mit unterschiedlichen Energien zu emittieren, um stellenweise bestimmte Reaktionen zu fördern und/oder zu triggern.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine erste der Teilstufen dazu eingerichtet, Rauchpartikel zu zersetzen, zum Beispiel mittels Plasmaionisation. Das heißt, die erste der Teilstufen kann eine Rauchpartikelreinigung oder Rauchpartikelentfernung bewirken, insbesondere in dem die Rauchpartikel teilweise oder vollständig zerstört werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine zweite der Teilstufen dazu eingerichtet, ionisierten Stickstoff abzuführen, sodass im Betrieb eine Aufkonzentration von zumindest einem der zumindest zwei Bestandteile erfolgt. Das heißt, Stickstoff kann abgeführt werden, sodass im restlichen Fluid anteilig mehr des herauszufilternden Bestandteils verbleibt. Das Abtrennen des Stickstoffs ist beispielsweise durch eine geeignet gewählte Energie der für die Ionisation eingesetzten, von dem Ionisator erzeugten Elektronen möglich.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine dritte der Teilstufen dazu eingerichtet, ionisierten Sauerstoff abzuführen, sodass im Betrieb eine weitere Aufkonzentration von zumindest einem der zumindest zwei Bestandteile erfolgt. Das heißt, Sauerstoff kann abgeführt werden, sodass im restlichen Fluid anteilig mehr des herauszufilternden Bestandteils verbleibt. Das Abtrennen des Sauerstoffs ist beispielsweise durch eine geeignet gewählte Energie der für die Ionisation eingesetzten, von dem Ionisator erzeugten Elektronen möglich.
  • Neben Stickstoff und Sauerstoff können auf die gleiche Weise auch andere Fluidbestandteile abgetrennt werden. Das heißt, sequentiell kann eine Abtrennung von Gasen anhand ihrer Ionisierungsniveaus erfolgen, bis der herauszufilternde Bestandteil verbleibt oder bis der herauszufilternde Bestandteil das nächstfolgende Ionisierungsniveau aufweist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine vierte der Teilstufen dazu eingerichtet, eine Flugbahn der Ionen abhängig von deren Strömungswiderstand im Gas zu verändern, sodass die Ionen im Betrieb abhängig von ihrer Größe und Masse selektiert werden. Dazu kann die Trenneinheit eine oder mehrere Elektroden umfassen, die für ein Beschleunigen und/oder für die Erzeugung eines elektrischen oder magnetischen Feldes eingerichtet sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filteranlage ferner eine Energierückgewinnungseinheit. Die mindestens ein Energierückgewinnungseinheit ist dazu eingerichtet, mindestens einen Teil der Ionen und/oder der für die Ionisation eingesetzten Elektronen aufzusammeln. Beispielsweise kann die Ladung der Ionen und/oder Elektronen rückgewonnen werden, sodass über eine Ladungstrennung eine Spannung erzeugt werden kann, zum Beispiel um eine Elektronenquelle zu versorgen, oder damit auch ein Stromfluss erzeugt werden kann. Somit lässt sich zumindest ein Teil der Ionisierungsenergie und/oder der Energie der Elektronen zurückzugewinnen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filteranlage ferner eine Folgereaktionseinheit. Die Folgereaktionseinheit ist dazu eingerichtet, die Ionen für eine Folgereaktion zu nutzen. Beispielsweise können die niederenergetischen Elektronen eine Dissoziation in CO + O oder C + O hervorrufen. Weiterhin können zum Beispiel negativ geladene CO2-Ionen in Verbindung mit Wasserstoff verwendet werden, um Chemikalien wie Kohlenmonoxid (CO), Formaldehyd (HCHO), Forminsäure (HCOOH), Methanol (CH3OH), Ethanol (CH3CH2OH), Isopropanol (CH3CH(OH)CH3) und/oder Methan (CH4) herzustellen, siehe zum Beispiel die Druckschrift Vignesh Kumaravel et al., Photoelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide (CO2) into Fuels and Value-Added Products, in CS Energy Lett. 2020, 5, 2, 486-519, https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b02585.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine dem Fluid zugewandte, für die Emission der hervorgerufenen Elektronen eingerichtete Fläche des Ionisators groß. Zum Beispiel beträgt diese Fläche mindestens 1 cm2 oder mindestens 1 dm2 oder mindestens 0,1 m2. Mit solchen großen Flächen lässt sich eine große Menge an Fluid in kurzer Zeit effizient auftrennen. Dies ist insbesondere bei GIS-EE mit Löchern oder Lamellen möglich. Zudem können eine Vielzahl von GIS-EEs als Elektronenquelle miteinander kombiniert werden.
  • Eine effiziente Elektronenquelle vorausgesetzt, ist trotzdem eine hohe Energie für die Erzeugung der Ionen nötig. Ein übliches Verfahren zur CO2-Wäsche benötigt etwa 0,72 MWh pro Tonne CO2 für das reine Filterungsverfahren, siehe zum Beispiel die Druckschrift D. W. Keith, A Process for Capturing CO2 from the Atmosphere, in Joule 2, 1573-1594, August 15, 2018. Hierbei wird ein zweitstufiger Prozess eingesetzt, wobei ein Filtermedium in einem zweiten Schritt durch Aufheizen von CO2 befreit wird. Um die angegebene Energie zu erreichen, wird ein Teil der Heizenergie durch einen Wärmetauscher rückgewonnen, das heißt, das in die zweite Stufe strömende Gas wird durch das ausströmende erwärmt, welches dadurch gekühlt wird. Die Ionisationsenergie einer Tonne CO2 beträgt jedoch 13.8  eV ⋅ 10 6 g 44 g mol ⋅ 6.02 × 10 23 1 mol = 30.1  GJ = 8.36  MWh / t_CO 2 .
    Figure DE102023112454A1_0001
  • Dabei müsste noch eine zusätzlich auf unter 100 % begrenzte Effizienz der Emission berücksichtigt werden. Das heißt, ähnlich wie bei den oben genannten Verfahren müsste diese Energie zurückgewonnen werden, um ein effizientes Verfahren zu gewährleisten. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass durch die Neutralisation der erzeugten Ionen ein Netzteil gespeist wird.
  • Darüber hinaus wir die Effizienz erhöht, wenn die erzeugten CO2-Ionen und Radikale direkt für eine Weiterverarbeitung genutzt werden, da hierbei Energie für diesen Schritt gespart werden kann.
  • Außerdem wird ein Trennverfahren für eine Filteranlage, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben, angegeben. Merkmale der Filteranlage sind daher auch für das Trennverfahren offenbart und umgekehrt.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Trennverfahren die folgenden Schritte, zum Beispiel in der angegebenen Reihenfolge:
    • - Führen des zu trennenden Fluids durch den Fluidkanal vorbei an dem Ionisator,
    • - mindestens teilweises Ionisieren des Fluids mit dem Ionisator,
    • - mindestens teilweises Trennen der zumindest zwei Bestandteile des Fluids voneinander mit der Trenneinheit.
  • Nachfolgend werden eine hier beschriebene Filteranlage und ein hier beschriebenes Trennverfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Filteranlage,
    • 2 bis 6 schematische Schnittdarstellungen von hier beschriebenen Ionisatoren für Ausführungsbeispiele von Filteranlagen,
    • 7 bis 9 schematische Schnittdarstellungen von hier beschriebenen Trennverfahren für Ausführungsbeispiele von Filteranlagen, und
    • 10 bis 13 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Filteranlagen.
  • In 1 ist ein Beispiel einer Gasfilteranlage 1 gezeigt. Die Gasfilteranlage 1 umfasst einen Fluidkanal 3, an dem sich ein Ionisator 2 befindet. Der Ionisator 2 ist dazu eingerichtet, ein durch den Fluidkanal 3 strömendes Fluid 7, das mehrere Bestandteile 71, 72 aufweist, wenigstens teilweise zu ionisieren. Beispielsweise emittiert der Ionisator 2 dazu niederenergetische Elektronen e.
  • Entlang dem Fluidkanal 3 folgt dem Ionisator 2 eine Trenneinheit 5. Die Trenneinheit 5 ist dazu eingerichtet, die Bestandteile 71, 72, die mindestens zum Teil in Form von Ionen i vorliegen, voneinander zu separieren. Dabei kann eine vollständige Auftrennung der Bestandteile 71, 72 erfolgen oder es wird zumindest einer der Bestandteile 71, 72 aufkonzentriert. Die Bestandteile 71, 72 können über verschiedene Kanäle 31, 32 geführt werden.
  • Optional folgt der Trenneinheit 5 eine Lagereinheit 8 nach. In der Lagereinheit 8 kann der abgetrennte oder aufkonzentrierte Bestandteil 71 dauerhaft oder zeitweise gelagert werden. Das übrige Fluid 7, beispielsweise der Bestandteil 72, können dann abgeführt werden, zum Beispiel in die Umwelt, insbesondere in die Umgebungsluft. Die Lagereinheit 8 ist zum Beispiel ein CO2-Speicher.
  • Als weitere Option kann die Gasfilteranlage 1 eine Energierückgewinnungseinheit 10 und/oder eine Folgereaktionseinheit 11 aufweisen. Zum Beispiel wird in der Energierückgewinnungseinheit 10 eine Energie der noch vorhandenen Ionen i für den Aufbau einer Spannung und damit für eine Stromquelle verwendet. In der Folgereaktionseinheit 11 können zum Beispiel die Ionen i verwendet werden, um eine weitere chemische Reaktion stattfinden zu lassen.
  • Die Energierückgewinnungseinheit 10 und/oder die Folgereaktionseinheit 11 sind beispielsweise der Trenneinheit 5 nachgeordnet und können vor der Lagereinheit 8 angebracht sein, etwa vor einer Aufspaltung in die Kanäle 31, 32. Anders als in 1 gezeichnet können die Energierückgewinnungseinheit 10 und/oder die Folgereaktionseinheit 11 auch in einem der Kanäle 31, 32 angebracht sein, insbesondere im zweiten Kanal 32, der den zweiten Bestandteil 72 führt. Weiterhin ist es im Prinzip möglich, dass die Energierückgewinnungseinheit 10 und/oder die Folgereaktionseinheit 11 auch zwischen dem Ionisator 1 und der Trenneinheit 5 angebracht sind. Sind sowohl die Energierückgewinnungseinheit 10 als auch die Folgereaktionseinheit 11 vorhanden, können diese Komponenten 10, 11 an unterschiedlichen Stellen und/oder zwischen unterschiedlichen Komponenten 2, 5, 8 der Filteranlage 1 entlang des Fluidkanals 3 angebracht sein.
  • Moleküle können nach einer Ionisation durch verschiedene spezifische Eigenschaften separiert werden. Eine Idee, der die hier beschriebene Gasfilteranlage 1 zugrunde liegt, ist, je nach Spezies, also Molekülart, eine oder mehrere Teilstufen nach verschiedenen Prinzipien zu kombinieren, um eine hocheffiziente und sensitive Filterung zu erreichen. Dieses Verfahren kann beispielsweise dafür eingesetzt werden, CO2 aus der Atmosphäre zu Filtern und kann hierbei einerseits im Vergleich zu Methoden wie der Aminwäsche energieeffizienter sein, weil beim hier beschriebenen Trennverfahren insbesondere kein Heizschritt auf etwa 100 °C sowie keine Druckreduzierung auf etwa 50 mbar nötig sind. Darüber hinaus ist auch ein Einsatz des hier beschriebenen Trennverfahrens in verschmutzter Atmosphäre wie an Schornsteinen, Auspuffen oder in Städten möglich.
  • Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist die arbeitssicherheitstechnisch sehr relevante Detektion von Benzol, welches als krebserregend eingestuft wird und meist im Beisein von Toluol auftritt. Die aktuellen Arbeitsplatzgrenzwerte werden diskutiert und könnten in der Zukunft weiter reduziert werden. Dafür ist ein Messverfahren zur möglichst unmittelbaren Überwachung nötig. Ein Ionenmobilitätsspektrometer, kurz IMS, ermöglicht im Prinzip die nötige Nachweisgrenze, allerdings ist Benzol im Beisein von Toluol durch die größere Elektronenaffinität von Toluol kaum messbar.
  • Mit dem vorgestellten Trennverfahren kann auch ein Detektor realisiert werden, der zunächst beide Substanzen, zum Beispiel Toluol und Benzol, aus Stickstoff extrahiert und im Anschluss über die unterschiedliche Elektronenaffinität trennt. Ähnliche Kombinationen für einen Detektor sind auch für andere Moleküle möglich.
  • Die Ionisation durch den Ionisator 2 kann über verschiedene Methoden erreicht werden, wie zum Beispiel:
    • - Ionisation durch eine Elektronenquelle: Hier ist insbesondere eine Elektronenquelle, deren Emission auf heißen Elektronen basiert, wie eine GIS-EE, von Interesse, welche sich durch geringe Versorgungsspannungen im Bereich von 0,5 V bis 50 V sowie durch eine durchstimmbare Energie von emittierten Elektronen auszeichnet. Ebenso ist insbesondere eine vakuumverkapselte Elektronenquelle mit Elektronentransmissionsfenster möglich.
    • - Feldionisation mit pSpitzenemitter oder pSprayemitterarray, also mittels Nadeln, die Spitzen aufweisen. Diese Nadeln können insbesondere auch Kapillaren mit Durchmessern von zum Beispiel weniger als 100 um oder weniger als 1 µm oder weniger als 0,1 um aufweisen: Moleküle können durch eine positive Spannung, direkt an Nadeln (Feldemittern), ionisiert werden. Möglich ist es auch, einen Fluidstrom durch nadelförmige Kapillaren (Mikro-Elektrosprayemitter) zu leiten und durch das Feld zu ionisieren und/oder ionisierte Tropfen zu erzeugen.
    • - Triboionisation: Durch eine Kapillare oder Lamellenstruktur und durch die Reibung an Wänden kann ebenfalls eine Ionisation erreicht werden. Dies kann auch durch eine zusätzliche elektrische Spannung unterstützt werden. Ebenso lässt sich dies durch nadelförmige Kapillaren realisieren.
    • - Fotoionisation: Durch eine Lichtquelle, zum Beispiel eine Röntgenquelle, durch eine UV-Quelle und/oder durch einen Laser, kann eine Ionisierung des Fluides erfolgen.
    • - Plasmaionisation: Die Ionisation lässt sich auch durch ein Plasma erzeugen. Hier ist zum Beispiel ein Oberflächenplasma, auch Dielectric Barrier Discharge oder kurz DBD, an Luft oder eine Coronaentladung an einer Nadel möglich.
  • Nachfolgend werden nur einige der Realisierungsmöglichkeiten des Ionisators 2 detaillierter beschrieben. Alle die vorstehend genannten Realisierungsmöglichkeiten können jedoch in allen Beispielen gleichermaßen verwendet werden, einzeln oder in Kombination.
  • Das ionisierte Fluid, das insbesondere ein Gas ist, kann zum Beispiel durch folgende Methoden getrennt werden, wobei die Methoden in jedem Beispiel eingesetzt werden können und auch beliebig miteinander kombiniert werden können:
    • - Ionisierungswahrscheinlichkeit: Durch Bedingungen, welche eine für die anvisierte Spezies gegenüber dem Restgas bevorzugte oder verringerte Ionisation erreichen. Möglich ist dies zum Beispiel durch chemische Gasphasenionisation oder chemische Ionisation bei Atmosphärendruck, auch als Atmospheric Pressure Chemical Ionization oder kurz APCI bezeichnet, und dabei auf verschiedene Ionennegativität und/oder Protonenaffinität abzuzielen, zum Beispiel wie N2 in Luft, welches durch die hohe Konzentration wahrscheinlich ionisiert wird, aber die Ladung dann an andere sehr viel geringer konzentrierte Moleküle abgibt, ähnlich dem Prinzip bei einem IMS.
    • - Ionisierungsenergie: Durch eine energetisch durchstimmbare Quelle, insbesondere für Elektronen, können gezielt manche Spezies direkt ionisiert oder nicht Ionisiert werden. Zum Beispiel beträgt die Ionisierungsenergie von O2 ungefähr 12,0 eV, was kleiner ist als die Ionisierungsenergie von CO2, die ungefähr bei 13,8 eV liegt, was wiederum kleiner ist als die Ionisierungsenergie von N2 von ungefähr 15,6 eV. Durch geeignetes Wählen der Energien lässt sich kaskadiert in mehreren Stufen die Trennung der Bestandteile effizient durchführen.
    • - Elektroneneinfang/Ionisation: Ähnlich wie im Elektroneneinfangdetektor, fangen verschiedene Spezies mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten niederenergetische Elektronen ein. Dieser Effekt kann zudem mit variierter Elektronenenergie beeinflusst werden.
    • - Ionenspezies: Es werden durch die Ionisation verschiedene Moleküle oder Ionen gebildet und eine unterschiedliche Anzahl positiver und negativer Ionen. Dies kann auch ausgenutzt werden, um Moleküle und/oder Ionen zu filtern.
    • - Ionenmobilität: Durch eine kinetische Filterung, ähnlich wie im IMS, kann eine Separation anhand des Strömungswiderstands erreicht werden, zum Beispiel durch ein senkrecht zur Flussrichtung des Fluids anliegendes elektrisches Feld und einem zum angezielten Molekül passenden Ort des Auslasses. Damit lässt sich zum Beispiel auch eine Quadrupol-Filterung zum Beispiel in Luft realisieren. Möglich ist es außerdem, durch ein senkrecht zum Fluidfluss ausgerichtetes dynamisches elektrisches oder magnetisches Feld eine Resonanz zu erzeugen und nur auf Ionen einer gewissen Mobilität Energie zu übertragen. Durch eine Variation der Felder hinsichtlich zeitlichem Verlauf und Stärke, wie einem gepulsten Betrieb, kann die Filterung zudem angepasst werden.
  • Dabei könnten verschiedene Methoden kombiniert werden, um eine hohe Eingangs-Filterleistung, insbesondere von nahe 100 %, sowie eine hohe Ausganskonzentration, bevorzugt ebenfalls nahe 100 %, der Zielspezies zu erreichen. Die einzelnen Methoden könnten entlang längerer Ionisationsstrecken und Trennstrecken durchgeführt werden und/oder mit diskreten Ionisationszonen und/oder diskreten Trennungszonen. Einige oder alle der Komponenten der Gasfilteranlage können als MEMS-Bauteile realisiert werden, wobei MEMS für mikro-elektromechanisches System steht. Ebenfalls ist eine makroskopische und/oder modulare Gestaltung der Komponenten möglich sowie aneinander angepasste Volumen der Stufen an die jeweiligen Mengenverhältnisse des Eingangsfluids.
  • Die Ionenmobilität wird im Moment zur Detektion kleinster Stoffmengen im Bereich von parts per billion, ppb, bis hinunter in den Bereich von parts per trillion, ppt, eingesetzt. Im Moment kommen hierbei hauptsächlich Ionisationsquellen zum Einsatz, welche auf Grund der limitierten Intensität keine Untersuchung von höheren Konzentrationen erlaubt. Im Gegensatz zu dieser herkömmlichen Anwendung kann die Ionenmobilität aber auch zur Filterung eingesetzt werden. Um hierbei auch höhere Konzentrationen zu erzielen, ist bevorzugt eine Ionisationsquelle mit potentiell höheren Intensitäten zu verwenden. Eine herkömmlich eingesetzte Ni-63 Elektronenquelle entspricht etwa 1 nA bis 10 nA Elektronenstrom bei 5 keV Energie. Da eine GIS-EE als Elektronenquellen jedoch Ströme bis in den mA-Bereich ermöglicht, sind somit auch höhere Konzentrationen und eine effiziente Filterung erzielbar.
  • Unterschiedliche Eingangskonzentrationen können bevorzugt bis zu einem gewissen Grad durch variable Betriebsspannungen sowie variiertem Fluidfluss, zum Beispiel mit Ventilen oder Flussmessern zwischen den Stufen und verschiedenen Pfaden, angepasst werden. Damit kann beispielsweise die Reaktionszeit einer APCI gesteuert werden. Außerdem können die Teilstufen auch durch Temperatur, Druck, Intensität der Ionisation und/oder Elektronenenergie, eine zeitlich gesteuerte Ionisation, aber auch über eine zugeführte Luftfeuchte oder weitere künstlich beigefügte Gasanteile, gesteuert werden.
  • In 2 ist ein Beispiel eines Ionisators 2 gezeigt, der als Gate-Isolator-Substrat-Elektronen-Emissionsstruktur, kurz GIS-EE, gestaltet ist. Die GIS-EE beinhaltet ein elektrisch leitfähiges Substrat 21, das durch eine Kombination aus einem Träger und einer elektrisch leitfähigen Schicht ersetzt sein kann, nicht gezeichnet. Ferner umfasst die GIS-EE eine Transferschicht, wie eine Isolatorschicht 22, an dem Substrat 21 sowie eine Gate-Elektrode 23 an der Isolatorschicht 22. Anstelle des dielektrischen Materials kann die Transferschicht auch aus einem Material mit einer großen Bandlücke sein, wie SiC, GaN, AlN, Ga2O3 oder Diamant, wie auch in allen anderen Beispielen möglich. Die Gate-Elektrode 23 bildet eine Emissionsseite 20 für die Elektronen. Zum elektrischen Kontaktieren sind optional eine erste und eine zweite elektrische Anschlussstruktur 25, 26 vorhanden.
  • Es ist möglich, dass die zweite elektrische Anschlussstruktur 26 an der Gate-Elektrode 23 als Gitter oder in Streifen strukturiert aufgebracht ist, um eine gleichmäßige Spannung über die Gate-Elektrode 23 hinweg zu gewährleisten.
  • Ferner ist es möglich, dass eine Schutzschicht 24 vorhanden ist, die die Gate-Elektrode 23 bedeckt. Optional befinden sich Teile der zweiten elektrischen Anschlussstruktur 26, die sich über die Gate-Elektrode 23 erstrecken, zwischen der Gate-Elektrode 23 und der Schutzschicht 24.
  • Durch Feldemission können somit Elektronen ins Leitungsband des Isolators 22 tunneln. Liegen ein ausreichender Spannungsabfall und geringe Streuwahrscheinlichkeit vor, können diese heißen Elektronen durch die Gate-Elektrode 23 in den Fluidkanal 3 emittiert werden. Die erreichbare Energie ist limitiert durch die Durchschlagsfestigkeit und/oder durch die Lebensdauer der Isolatorschicht 22. Mit der Spannung steigt bei gegebener Dicke der Isolatorschicht 22 der Tunnelstrom und damit die Belastung und somit sinkt die Lebensdauer. In einem gewissen Maß lässt sich die Dicke der Isolatorschicht 22 vergrößern, um den Tunnelstrom bei gegebener Spannung zu reduzieren, dabei nehmen allerdings Streueffekte zu, wodurch die Effizienz abnimmt. Ebenso kann die maximale durch den Tunnelvorgang transportierte Ladung vor einem Durchbruch mit steigender Dicke abnehmen.
  • Ein Energiebereich für die emittierten Elektronen von zum Beispiel bis 50 eV ist möglich. Bei dieser Art von Elektronenemitter ist die eigentliche Tunnelbarriere die Grenzfläche zwischen Isolator 22 und Substrat 21, welche damit nicht dem Einfluss der Umgebung ausgesetzt ist. Dieses Prinzip funktioniert also prinzipiell nicht nur im Vakuum, sondern auch bei atmosphärischem Druck sowie in Flüssigkeiten und macht ein evakuiertes Package überflüssig. Da sich die Elektronenenergie in einem gewissen Bereich über die Spannung und/oder über die Dicke des Isolators 22 einstellen lässt, ist so eine Elektronenquelle mit variabler Elektronenenergie realisierbar, erforderlichenfalls auch durch eine Mehrzahl von GIS-EEs mit verschiedenen Dicken der Isolatorschicht 22 zum Beispiel auf einem gemeinsamen Substrat 21. Alternativ kann auch ein weiterer Gate-Isolator-Stapel verwendet werden, um die Energie zu variieren. Der weitere Gate-Isolator-Stapel besteht zum Beispiel aus einer weiteren Isolationsschicht und einer weiteren Gate-Elektrode, die direkt auf die Gate-Elektrode der GIS-EE gestapelt sein können; für die weitere Isolationsschicht und die weitere Gate-Elektrode gilt das Gleiche wie für die Isolationsschicht bzw. für die Gate-Elektrode. Dementsprechend kann die Schutzschicht auf die weitere Gate-Elektrode aufgebracht werden, und eine weitere elektrische Kontaktstruktur kann einen elektrischen Kontakt mit der weiteren Gate-Elektrode herstellen.
  • Um eine möglichst geringe Streuung in der Gate-Elektrode 23 und an der Grenzfläche zum Isolator 22 zu erreichen, ist die Gate-Elektrode 23 einerseits möglichst dünn auszuführen. Zum Beispiel liegt eine Dicke der Gate-Elektrode 23 im Bereich der Wellenlänge der Elektronen, also bei höchstens 10 nm. Außerdem soll die Gate-Elektrode 23 einen geringen Energieunterschied der Leitungsbandkante zur Leitungsbandkante des Isolators 22 aufweisen, um eine quantenmechanische Reflexion zu minimieren.
  • Durch das Erfordernis der kleinen Schichtdicke ist die Leitfähigkeit eines Materials der Gate-Elektrode 23 außerdem möglichst hoch zu wählen, um einen geringen Spannungsabfall an der Gate-Elektrode 23 und damit die Möglichkeit möglichst großer aktiver Flächen zu realisieren.
  • Eine Möglichkeit sind kohlenstoffbasierte Gate-Elektroden 23. Hier kommt einerseits eine Diamant- oder diamantähnliche, also sp3-hybridisiert dominierte, sowie eine graphitähnliche, also sp2-hybridisiert dominierte, Ausführung der Gate-Elektrode 23 in Frage. Kohlenstoffmaterialien zeigen in beiden Formen sehr hohe, unter Umständen richtungsabhängige elektrische Leitfähigkeiten, sowie eine sehr hohe Elektronentransmission. Dies gilt insbesondere für Graphen.
  • Eine halbleiterbasierte Gate-Elektrode 23 kann ebenfalls einen geringen Energiesprung zum Isolatorleitungsband ermöglichen. Zum Beispiel kommt bei einem Siliziumoxid als Isolatorschicht 22 auch Silizium als Material für die Gate-Elektrode 23 in Frage.
  • Auch Metalle, in besonders dünnen Schichten, kommen für die Gate-Elektrode 23 in Frage. Insbesondere durch Atomlagenabscheidung, kurz ALD, erzeugte Metallschichten können homogen und sehr dünn sein.
  • Beispiele für sp2-hybridisiert dominierte, kohlenstoffbasierte Materialien für die Gate-Elektrode 23 sind: Graphen, Mehrschicht-Graphen, Zweilagen-Graphen, Dreilagen-Graphen, exfoliated Graphen. Materialien der Graphen-Familie lassen sich insbesondere katalytisch, zum Beispiel mittels Kupfer, aufgewachsen und dann transferieren. Das Aufwachsen kann etwa beispielsweise auf SiO2, SiC, Metallen wie beispielsweise Kupfer, hexagonalem Bornitrid oder Saphir erfolgen. Ebenfalls kann Graphen direkt auf die Isolatorschicht 22 ohne darauffolgenden Transfer aufgewachsen werden, zum Beispiel auf hexagonalem Bornitrid. Ferner kann eine Festphasen-Graphenisierung, wie HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) mit anschließendem Transfer herangezogen werden. Ferner ist die Verwendung von nanokristallinem Graphen, pyrolytischem Graphen, pyrolytischem Kohlenstoff, Graphitic Carbon oder Graphenic Carbon möglich. Mögliche Herstellungsverfahren sind chemische Gasphasenabscheidung, kurz CVD, wie APCVD (Atmospheric Pressure CVD), LPCVD (Low Pressure CVD), PECVD (Plasma-enhanced CVD) oder EECVD, außerdem physikalische Gasphasenabscheidung, kurz PVD, sowie Transfermethoden. Sogenanntes Glassy Carbon oder Pyrolized Polymer Films können durch Pyrolyse erzeugt werden.
  • Beispiele für sp3-hybridisiert dominierte, kohlenstoffbasierte Materialien für die Gate-Elektrode 23 sind: Diamant, diamond like carbon, kurz DLC, Ultra-Nanocrystalline Diamond, kurz UNCD, welche dotiert sein können und zum Beispiel mittels CVD, wie PECVD, herstellbar sind.
  • Es sind auch weitere 2D-Materialien möglich, wie zum Beispiel Borophen, Phosphoren oder auch Übergangsmetall-Dichalcogenide.
  • Beispiele für Halbleitermaterialien für die Gate-Elektrode 23 sind: kristallines Si, Poly-Si, Amorphes Si, Ge, welche zum Beispiel mittels CVD, wie LPCVD, erzeugbar sind.
  • Beispiele für Metalle für die Gate-Elektrode 23 sind: Al, Au, Ag, Pt, Ni, Co, welche zum Beispiel mittels ALD erzeugbar sind.
  • Beispielsweise weist die Gate-Elektrode 23 einen spezifischen Leitwert von 10-1 S/m bis 109 S/m auf. Eine Dicke der Gate-Elektrode 23 beträgt zum Beispiel mindestens eine Monolage und höchstens 20 nm.
  • Der Isolator 22 ist vor allem möglichst robust gegen die genutzten Tunnelströme zu wählen, um eine möglichst hohe Stromdichte und Lebensdauer der GIS-EE zu ermöglichen. Ein Herstellungsprozess, bei dem die Dicke des Isolators 22 genau kontrolliert werden kann, ist zu bevorzugen, um sehr dünne homogene Schichten 22 und eine große Homogenität der Emission zu erreichen.
  • Beispielsweise ist der Isolator 22 aus Siliziumdioxid, da die erzielbare hohe Oxidqualität sowie die relativ genau einstellbare Dicke eine hohe Stromdichte und somit Lebensdauer erlauben. Vor allem in Verbindung mit einem Siliziumsubstrat 21 sind auch etablierte Herstellungsverfahren verfügbar. Außerdem kann der Isolator 22 aus hexagonalem Bornitrid, kurz hBN, sein, was unter anderem ein direktes epitaktisches Wachstum von Graphen auf seiner Oberfläche erlaubt. Da durch verschiedene Herstellungsmethoden auch die Dicke sehr gut kontrolliert werden kann, ist hBN eine interessante Möglichkeit für den Isolator 22. Besonders in Kombination mit hBN als Isolatorschicht 22 und Graphen als Gate-Elektrode 23 können hier sehr streuungsarme Tunnelprozesse und damit eine scharfe Energieverteilung der emittierten Elektronen realisiert werden. Auch die in der CMOS-Technologie genutzten high-k-Dielektrika kommen für den Isolator 22 in Frage. Vor allem Herstellungsmethoden wie ALD sind in der Lage, sehr homogene Schichten mit einer relativ hohen Qualität zu erzielen.
  • Siliziumdioxid für den Isolator 22 lässt sich zum Beispiel thermisch, insbesondere nass, trocken, bei Raumtemperatur oder in einem Oxidationsofen, oder mittels CVD oder mittels Aufdampfen erzeugen. hBN oder BN lässt sich zum Beispiel mittels PECVD und Ausheizen, LPCVD, kathalytisches Aufwachsen und Transfer erzeugen. High-k-Dielektrika wie Al2O3 oder HfO lassen sich mittels Aufdampfen, Sputtern oder ALD erzeugen.
  • Zum Beispiel weist die Isolatorschicht 22 eine dielektrische Stärke von 0,1 V/nm bis 500 V/nm auf.
  • Mit Silizium als Material für das Substrat 21, auch als Substratelektrode bezeichnet, stehen gängige Methoden aus der CMOS-Industrie zur Verfügung und eine skalierbare, reproduzierbare Fertigung ist erzielbar. Durch eine Variation der Dotierung lassen sich die elektrischen Eigenschaften beeinflussen und sogar ein Spannungsabfall an der Gate-Elektrode lässt sich durch ein geeignetes Dotierprofil kompensieren. Silizium bietet außerdem die Möglichkeit, weitere Funktionalitäten auf einem Chip zu integrieren.
  • Ferner ist für das Substrat 21 Highly oriented pyrolitic graphite, kurz HOPG, als hochleitfähiges, biegsames Material möglich.
  • Außerdem sind Saphir, hBN, Siliziumkarbid oder auch ein Metall(film) als Substrat 21 möglich. Bei nicht-leitender Trägerschicht lässt sich die Leitfähigkeit durch eine zusätzliche Schicht realisieren. Beispielsweise Graphen kann direkt auf deren Oberfläche aufgewachsen werden.
  • Die Substratelektrode 21 kann somit aus Silizium sein, mit einer möglichen Dotierung entweder p oder n und einem Dotiergrad von -- bis ++, mit P, As, Sb, B, Al, Ga und/oder In als möglichen Dotierstoffen. Ferner sind HOPG und Graphitfolien sowie Saphirwafer, eventuell mit Kohlenstoffschicht, und SiC, eventuell mit Kohlenstoffschicht, möglich, ebenso wie Metallfilme.
  • Zum Beispiel liegt eine Dicke des Substrats 21 bei mindestens einer Monolage und/oder bei höchstens 5 mm. Das Substrat 21 kann mechanisch starr oder auch flexibel sein. Eine spezifische elektrische Leitfähigkeit des Substrats 21 liegt zum Beispiel zwischen einschließlich 10-1 S/m und 109 S/m.
  • Da der Ionisator 2 in Luft mit Sauerstoff oder unter aggressiver Umgebung eingesetzt wird, ist unter Umständen auch die Schutzschicht 24 für die Gate-Elektrode 23 nötig. Wichtig ist hierbei vor allem die chemische Resistenz der Schutzschicht 23 sowie die kontrollierte, homogene Abscheidung auch sehr geringer Dicken. Hierbei sind wieder vor allem Gate-Dielektrika-Herstellungsprozesse sowie ALD interessant.
  • Die Schutzschicht 24 ist zum Beispiel aus Siliziumdioxid, wie beim Isolator 22 möglich. Außerdem kann die Schutzschicht 24 aus hBN oder BN sein, was sehr dünne Schichten ermöglicht und vor allem in Verbindung mit Graphit oder Graphenschichten für die Gate-Elektrode 23 aufgrund der Epitaxie ein geeignetes Material ist. Hier wäre vor allem auch die gleiche Gitterstruktur wie bei graphitischem Kohlenstoff von Vorteil. Ferner kann die Schutzschicht 24 aus Glassy Carbon sein, und vor allem durch ALD-Prozesse sind auch wieder high-k-Dielektrika möglich. Auch Silizium sowie Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid sind mögliche Materialien für die Schutzschicht 24, ebenso wie Al2O3, zum Beispiel hergestellt durch hochfrequenz-Sputterprozesse oder reaktive Sputterprozesse oder ALD.
  • Die Schutzschicht 24 ist bevorzugt chemisch unempfindlich zum Beispiel gegenüber Sauerstoffionen und Sauerstoffradikalen. Eine Dicke der Schutzschicht 24 liegt zum Beispiel bei mindestens einer Monolage und/oder bei höchstens 10 nm.
  • Eine Stromdichte der GIS-EE liegt zum Beispiel bei höchstens 100 A/cm2, eine Emissionselektrodenspannung kann zwischen einschließlich 0,5 V und 50 V liegen, eine Effizienz kann bis zu 95 % oder im Speziellen auch bis zu 90 % betragen.
  • Eine Funktionsfähigkeit der GIS-EE zur Ionisation kann unabhängig von Druck und Fluidart, in welcher die GIS-EE betrieben wird, sein.
  • Die hier beschriebene Gasfilteranlange 1 kann somit auf der GIS-EE als Elektronenquelle basieren, wobei eine Emission basierend auf heißen Elektronen erfolgt.
  • Der Fluidkanal 3 kann wie ein Plattenkondensator oder wie ein Zylinderkondensator aufgebaut sein, wobei auch Öffnungen oder Gitteranordnungen des Ionisators 2 möglich sind und eine Gasströmung von allen Seiten her denkbar ist.
  • In 3 ist dargestellt, dass der Ionisator 2, der wiederum als GIS-EE gestaltet sein kann, in eine Vielzahl von Lamellen 41 aufgeteilt ist. Die Lamellen 41 sind zum Beispiel in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wobei Hauptseiten der Lamellen 41 senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene ausgerichtet sein können.
  • Ist der Ionisator 2 als GIS-EE realisiert, so können die GIS-EEs 2 jeweils auf einer oder auch auf beiden Seiten der Lamellen 41 aufgebracht sein. Eine Seite der Lamellen 41 kann alternativ auch isolierend ausgeführt sein. Dann können sich zunächst Ionen dort ansammeln und ein elektrisches Gegenfeld aufbauen, damit die ionisierten Moleküle nicht an einer rückseitigen Lamellenwand entladen werden. Auch ist dann eine leitfähige Verbindung zu einem Massepotential sowie zu positiven oder negativen Spannungen möglich.
  • Ein Abstand zwischen benachbarten Lamellen 41 beträgt zum Beispiel mindestens 0,1 µm oder mindestens 1 um und/oder höchstens 1 cm oder höchstens 0,1 mm oder höchstens 10 um. Eine Länge der Lamellen 41 entlang des Fluidkanals 3 liegt zum Beispiel bei mindestens 0,1 mm oder bei mindestens 0,5 mm oder bei mindestens 2 mm oder bei mindestens 1 cm oder bei mindestens 5 cm. Es ist möglich, dass sich längs der Lamellen 41 Auslässe befinden, nicht gezeichnet, an denen eine Spannung angelegt ist, um die erzeugten Ionen auch im Bereich der Lamellen 41 abzuführen. Damit kann eine kontinuierliche Ionisierung und Ionentrennung erfolgen. Alternativ können mehrere der Lamellenanordnungen aus 3 nacheinander geschaltet sein, mit dazwischenliegenden Auslässen für die erzeugten Ionen, wodurch ebenso eine näherungsweise kontinuierliche Ionisierung und Ionentrennung möglich ist. Das heißt, der Ionisator 2 und die Trenneinheit 5 können jeweils mehrere Untereinheiten umfassen, die einander abwechselnd angeordnet sind.
  • Eine Steuerelektronik 9 ist nur schematisch stark vereinfacht gezeichnet.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 und 2 in gleicher Weise für 3, und umgekehrt.
  • In 4 ist dargestellt, dass der Ionisator 2, insbesondere die GIS-EE, gitterförmig gestaltet ist, sodass eine Vielzahl von Löchern 42 durch das Substrat 21, die Isolatorschicht 22 und die Gate-Elektrode 23 verläuft, wobei optional noch die Schutzschicht 24 vorhanden sein kann, nicht gezeichnet. Dabei können sich die Isolatorschicht 22 und die Gate-Elektrode 23 sowie die optionale Schutzschicht 24 entweder nur an Seitenflächen der Löcher 42 befinden oder nur an der Messeinheit 5 zugewandten Seiten des Substrats 2 oder an beiden, wie in 4 gezeichnet. Es ist möglich, dass eine optionale zugeordnete Beschleunigungselektrode 43, die ein Teil der Trenneinheit 5 sein kann, als Gitter gestaltet ist.
  • Die Löcher 42 können in einem regelmäßigen Rechteckgitter platziert sein, in Draufsicht gesehen, nicht dargestellt, und hierbei sowohl zur Gitterperiode der optionalen Beschleunigungselektrode 43 passend und justiert sowie beliebig dazu versetzt sein. Alternativ sind auch andere Gittertypen möglich, zum Beispiel hexagonale Gitteranordnungen der Löcher 42.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 3 in gleicher Weise für 4, und umgekehrt.
  • Mit Photonenquellen, wie XUV-Lasern, oder mit elektronenbasierte Röntgenquellen, lassen sich sehr hohe Intensitäten erzielen, ebenso mit Lichtbogenquellen. XUV-Quellen sind jedoch üblicherweise sehr groß und teuer und werden im Regelfall gepulst betrieben, wohingegen in Röntgenquellen bei der Konversion von Elektronen zu Röntgenstrahlung nur ungefähr 1 % der emittierten Elektronen tatsächlich zu Röntgenstrahlung umgesetzt werden. Aus Energieeffizienzgründen und aus Kostengründen ist das hier beschriebene Verfahren dagegen vor allem mit einer Elektronenquelle, wie einer GIS-EE, sinnvoll.
  • Insbesondere lässt sich bei einer GIS-EE mit der Stromdichte der emittierten Elektronen auch effizient die Lebensdauer der erzeugten Ionen steuern. Zum Beispiel wird die Stromdichte möglichst gering gehalten, was durch möglichst große Flächen der GIS-EE erreicht werden kann, um eine hohe Filterwirkung zu erzielen. Solche große Flächen lassen sich beispielsweise mit den Anordnungen der 3 und 4 realisieren.
  • Mit der Fläche skaliert somit die Filterleistung. Aufgrund des Dünnschichtaufbaus der GIS-EE mit ihren kleinen geometrischen Abmessungen, insbesondere der geringen Dicke, lassen sich die lamellenförmigen und gitterförmigen Aufbauten der 3 und 4 umsetzen. Damit kann in einem Fluidkanal 3 ein hoher Anteil einer Querschnittsfläche mit dem Ionisator mit emittierten Elektronen bestrichen werden. Damit können gleichzeitig große Querschnittsflächen des Fluidkanals und somit hoher Durchsatz wie auch eine hohe Filterwirkung erzielt werden.
  • Beim Beispiel der 5 ist der Ionisator 2 eine Elektronenquelle, bei der Elektronen e beispielsweise an einem Heizdraht oder auch durch ein Feldemitterarray freigesetzt und nachfolgend innerhalb des Ionisators 2 beschleunigt werden können. Die Emissionsseite 20 ist durch ein Austrittsfenster des Ionisators 2 gebildet. Dieses muss eine Transmission der Elektronen e erlauben und kann beispielsweise durch eine Kohlenstoffschicht oder durch eines der oben zur Gate-Elektrode genannten Materialen gebildet sein. Des Weiteren ist eine derartige Quelle im Inneren bevorzugt evakuiert, beispielsweise unterstützt durch einen Getter im Gehäuse, um eine ausreichende Lebensdauer des Heizdrahtes oder des Feldemitterarrays zu erreichen. An dem Austrittsfenster wird das Fluid 7 vorbeigeführt, sodass das Austrittsfenster direkt an den Fluidkanal 3 grenzt.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 4 in gleicher Weise für 5, und umgekehrt.
  • Im Beispiel der 6 ist der Ionisator 2 als Feldionisator oder als Elektrosprayionisator ausgeführt, wobei ebenso eine Ausführung als Triboionisator möglich ist. Damit weist der Ionisator 2 optional eine Vielzahl von Mikrokanälen 27 auf, die durch Nadeln 28 verlaufen. Den Nadeln 28 liegt zum Beispiel die Beschleunigungselektrode 43 gegenüber. Ein Durchmesser der Mikrokanäle 27 liegt zum Beispiel zwischen einschließlich 0,1 um und 10 um oder zwischen einschließlich 1 µm und 100 um. Der Ionisator 2 ist zum Beispiel ein MEMS-Bauteil. Das Fluid 7 wird zum Beispiel mittels MEMS-Pumpen, nicht gezeichnet, durch die Mikrokanäle 27 befördert.
  • Insbesondere an Spitzen 29 der Nadeln 28 erfolgt aufgrund einer lokalen Felderhöhung die Ioinisation des Fluids 7. Je nach gewählter Spannung können die Bestandteile 71, 72 gezielt selektiv ionisiert werden.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 5 in gleicher Weise für 6, und umgekehrt.
  • Die Ionisatoren 2 der 3 bis 6 können auch in allen anderen Beispielen der Gasfilteranlage 1 verwendet werden, auch in jeglicher Kombination miteinander, zum Beispiel, um verschiedene Elektronenenergien zu erzeugen.
  • In 7 zeigt eine mögliche Trennung durch die Ionisierungswahrscheinlichkeit für das insbesondere gasförmige Fluid 7. Zwischen den Feldelektroden 44, 45 wird ein zum Beispiel homogenes elektrisches Feld erzeugt. Durch dieses elektrische Feld können die erzeugten Ionen extrahiert werden und so wird über eine vorgeschaltete Ionisation spezieller Gasmoleküle eine Trennung erreicht.
  • In 8 ist veranschaulicht, wie aus der Trennstufe aus 7 eine Filterzelle aufgebaut werden kann. Das Fluid 7 strömt durch eine Vielzahl der Lamellen 41 und wird dabei mit einer gewissen Energie ionisiert. Durch die spezielle Wahl der Energie wird bevorzugt nur ein bestimmter Teil der Bestandteile des Fluids 7 ionisiert und so durch die Extraktion der Ionen eine Filterung erreicht.
  • 9 zeigt eine mögliche Trennung auf Basis der Mobilität der Ionen. Durch die Feldelektroden 44, 45 wird ein elektrisches Feld erzeugt, welches die Ionen senkrecht zur Flussrichtung in Richtung der Auslassseite beschleunigt. Durch einen speziellen Ort des Auslasses 46 erreichen nur bestimmte Flugbahnen der Ionen den Auslass 46, bestimmt durch das elektrische Feld sowie die Mobilität der Ionen. Alternativ ist auch eine Ablenkung der Ionen durch ein magnetisches Feld senkrecht zur Zeichenebene möglich.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 6 in gleicher Weise für die 7 bis 9, und umgekehrt.
  • Insbesondere in den 10 bis 13 sind der mindestens eine Ionisator 2 und die jeweils mindestens eine Trenneinheit 5 schematisch als separate Blöcke gezeichnet. In der konkreten technischen Umsetzung können der mindestens eine Ionisator 2 und die mindestens eine Trenneinheit 5 räumlich überlappen oder sogar räumlich deckungsgleich sein, wie teils durch die Bezugszeichen angedeutet. Insofern ist die in den Figuren gezeigte räumliche Anordnung stark vereinfacht.
  • In 10 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem die Gasfilteranlage 1 insbesondere zum Herausfiltern von CO2 aus der Atmosphäre dient. Bei der Atmosphäre handelt es sich zum Beispiel um normale Umgebungsluft speziell bei Atmosphärendruck, also bei ungefähr 1013 hPa. Die Trenneinheit 5 ist optional aus mehreren Teilstufen 54, 52, 53 zusammengesetzt.
  • Dem Ionisator 2, zum Beispiel eine GIS-EE, folgt als Teilstufe 54 zum Beispiel eine APCI nach, um in einer geringen Konzentration vorhandenes CO2 zu ionisieren und um eine elektrostatische Separation des ionisierten Gases, also insbesondere der CO2-Moleküle, vom nicht-ionisierten Anteil durchzuführen. Durch Weiterverwendung des ionisierten Anteils kann der Großteil des atmosphärischen Stickstoffs entfernt werden.
  • In einer nachfolgenden zweiten Teilstufe 52 erfolgt eine direkte Ionisation des vorgefilterten Volumens mit Elektronen mit einer Energie von höchstens 15 eV und eine elektrostatische Separation, um restlichen Stickstoff zu entfernen.
  • Anschließend erfolgt in einer weiteren, dritten Teilstufe 53 eine direkte Ionisation mit Elektronen mit einer Energie von höchsten 14 eV und eine elektrostatische Entfernung des ionisierten Anteils, um Sauerstoff zu entfernen.
  • Damit ist insgesamt eine hohe Filterleistung sowie eine hohe Ausganskonzentration an CO2 möglich.
  • An die dritte Teilstufe 53 kann die Lagereinheit 8 für CO2 angebunden sein.
  • Optional ist es möglich, dass eine Detektionsstufe 6 in die Gasfilteranlage 1 eingebunden ist, zum Beispiel zwischen der zweiten und der dritten Teilstufe 52, 53.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 9 in gleicher Weise für 10, und umgekehrt.
  • Auch die Gasfilteranlage 1 der 11 dient insbesondere zur CO2-Filterung. In einer ersten Teilstufe 51 erfolgt eine Zersetzung von Rauchpartikeln zum Beispiel durch Plasmaionisation, wobei größere Partikel fragmentiert werden und eine hohe Ionendichte erreicht werden kann. Die erste Teilstufe 51 kann den Ionisator 2 umfassen oder optional ist ein Ionisator 2 dieser ersten Teilstufe 51 nachgeschaltet.
  • Danach erfolgt eine Filterung durch Ionenmobilität in einer zweiten Teilstufe 54, wodurch weiter größere Moleküle abgetrennt werden könnten.
  • Ferner werden eine direkte Ionisation des vorgefilterten Volumens in einer dritten Teilstufe 52 mit Elektronenenergien von höchstens 15 eV und eine elektrostatische Separation des ionisierten Gases vom nicht-ionisierten Anteil durchgeführt.
  • Anschließend erfolgt in einer vierten Teilstufe 53 eine direkte Ionisation mit Elektronenenergien von höchstens 14 eV und eine elektrostatische Entfernung des ionisierten Anteils, um den Sauerstoff zu entfernen.
  • Damit ist eine Filterung auch in Rauch ermöglicht. Durch einen kompakten Aufbau der Gasfilteranlage 1 ist zudem eine Integration in Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeugen, denkbar.
  • Ferner ist ein Einsatz direkt in einem Abgasstrom eines Verbrennungskraftwerks realisierbar.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 10 in gleicher Weise für 11, und umgekehrt.
  • Beim Beispiel der 12 erfolgt eine Benzoldetektion im Beisein von Toluol und eine entsprechende Auftrennung der Bestandteile 71, 72. Zunächst können durch eine APCI einer ersten Teilstufe 54 über eine lange Strecke Benzol und Toluol von Stickstoff getrennt werden.
  • In der zweiten Teilstufe 55 kann eine Reaktionszeit nach Ionisation derart eingestellt werden, sodass die ionisierten Benzolmoleküle ihre Ladung an das Benzol abgeben und damit das Benzol gefiltert wird.
  • Durch eine erneute Ionisation und zum Beispiel ein IMS in der Detektionsstufe 6 kann nun eine Toluol-Konzentration, mit geeigneter Kalibration, bestimmt werden.
  • Erforderlichenfalls ist eine Entsorgung von Toluol möglich und/oder es kann für eine weitere Gasaufreinigung eine weitere Teilstufe vorhanden sein.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 11 in gleicher Weise für 12, und umgekehrt.
  • Mit der Filteranlage 1 ist auch eine Detektion kleiner Stoffmengen in dem Fluid 7 möglich, siehe das Beispiel gemäß 13.
  • Um Flüssigkeiten untersuchen zu können, kann als erste Ionisation eine Elektrosprayionisation, zum Beispiel mit einem pSprayemitter, realisiert werden. Ein APCI und/oder IMS als erste Teilstufe 54 ist bevorzugt nachgeschaltet. Hierdurch kann die Detektionseinheit 6 realisiert sein. Dabei bezeichnet APCI insbesondere die Ionisierungsart und IMS die Detektionsart.
  • Um auch hier Querempfindlichkeiten bei der Messung zu reduzieren, können weitere verschiedene Teilstufen nachgeschaltet sein, die nach verschiedenen Eigenschaften trennen können.
  • Somit ist eine direkte Detektion kleinster Stoffmengen mit einer ausreichenden Querempfindlichkeit durch den Einsatz der Filteranlage 1 mit stufenförmiger, kaskadierter Trenneinheit 5 erzielbar.
  • Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 12 in gleicher Weise für 13, und umgekehrt.
  • Zusammenfasst ist mit der hier beschriebenen Filteranlage 1 und mit dem hier beschriebenen Trennverfahren eine molekulare Filterung durch Ionisation und nachfolgender Trennung möglich, welche auch zur Detektion eingesetzt werden kann. Ionisationsmöglichkeiten in allen Beispielen für den Ionisator 2 sind insbesondere, einzeln und in Kombination: Elektronenbeschuss, insbesondere mittels eines heißen Elektronenemitters wie der GIS-EE oder einer vakuumverkapselten Elektronenquelle, Feldionisation an einem Feldemitterarray oder an einem pSprayemitter, Triboionisation durch Verwendung einer Kapillare, insbesondere pSprayemitter, Fotoionisation, Plasmaionisation durch DBD und/oder eine Coronaquelle, Elektrosprayionisation.
  • Die Auftrennung der Bestandteile kann auf einem oder mehreren der folgenden Prinzipien beruhen:
    • Ionisierungswahrscheinlichkeit, Ionisierungsenergie, Elektroneneinfang relativ zu Ionisation, Ionenspezies, Ionenmobilität. Mit einer Kombination verschiedener Methoden können eine hohe Eingangsfilterleistung sowie eine hohe Konzentration der Zielspezies am Ausgang der Filteranlage erreicht werden.
  • Ein Aufbau der Trenneinheit und der Teilstufen erfolgt insbesondere entweder durch diskrete Ionisationszonen und Trennungszonen oder kontinuierlich entlang aktiver Zonen. Eine Anpassung an variierende Bedingungen des Fluids 7 beim Eintritt in die Filteranlage 1 kann durch eine Variation der Elektronenenergie, einer angelegten Spannung, des Gasflusses und der Aufteilung zwischen den einzelnen Stufen erfolgen.
  • Die Anpassung der Trennung erfolgt zum Beispiel durch, einzeln oder in Kombination: Temperatur, Druck, Intensität der Ionisation, Elektronenenergie, zeitlich gesteuerte Ionisation, zugeführte Luftfeuchte oder weitere künstlich beigefügte Gasanteile.
  • Mögliche Anwendungen der hier beschriebenen Filteranlage 1 liegen zum Beispiel im CO2-Scraping oder auch allgemein in der Filterung von Molekülen aus einem Gas, wobei folgende Aspekte einzeln oder in Kombination gegeben sein können:
    • - Ein Dauerstrichbetrieb, auch als CW bezeichnet, ist möglich, anders als bei der Aminwäsche.
    • - Das hier beschriebene Verfahren ist energieeffizienter, da kein Aufheizen nötig ist und bei Verwendung einer GIS-EE nur relative geringe Spannungen am Ionisator 2 anzulegen sind.
    • - Die Filteranlage 1 kann kompakt aufgebaut sein und kann damit auch direkt an CO2-Quellen, wie Schornsteinen oder Auspuffen, in der Industrie zur Abgasreinigung eingesetzt werden und kann unempfindlich gegenüber Rauch sein.
    • - Eine Kombination mit gängigen Verfahren insbesondere zu CO2-Absonderung ist denkbar. Hierdurch kann zum Beispiel die CO2-Konzentration mit der hier beschriebenen Filteranlage 1 zunächst deutlich erhöht werden, bevor andere Verfahren zum Einsatz kommen.
    • - Generell ist auch eine Filterung von anderen Gasen möglich, insbesondere von Gefahrenstoffen wie Toluol. Auch eine Filterung anderer klimaschädlicher Gase wie Methan oder von Gefahrstoffen am Arbeitsplatz kann realisiert werden.
    • - Eine mögliche Anwendung ist die Benzolüberwachung oder allgemein die Überwachung eines Gases auf Substanzen mit ungünstiger Querempfindlichkeit in gängigen Verfahren, wobei eine unmittelbare Überwachung möglich ist, auch im Beisein elektronenaffinerer Analyten. Je nach zu detektierender und zu trennender Spezies oder Molekülart ist eine geeignete Kombination von Teilstufen der Trenneinheit denkbar.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Filteranlage
    2
    Ionisator
    20
    Emissionsseite
    21
    elektrisch leitfähiges Substrat/Substratelektrode
    22
    Isolatorschicht
    23
    Gate-Elektrode
    24
    Schutzschicht
    25
    erste elektrische Anschlussstruktur
    26
    zweite elektrische Anschlussstruktur
    27
    Mikrokanal
    28
    Nadel
    29
    Spitze
    3
    Fluidkanal
    31
    erster Kanal
    32
    zweiter Kanal
    41
    Lamelle
    42
    Loch
    43
    Beschleunigungselektrode
    44
    erste Feldelektrode
    45
    zweite Feldelektrode
    46
    Austrittsöffnung
    5
    Trenneinheit
    51
    Teilstufe zur Rauchpartikelfragmentierung
    52
    Teilstufe zur Stickstoffionisation
    53
    Teilstufe zur Sauerstoffionisation
    54
    Teilstufe zur APCI, IMS
    55
    Teilstufe zur Reaktionszeitseparation
    6
    Detektionsstufe
    7
    Fluid (aufzutrennendes Gas)
    71
    erster Bestandteil des Fluids
    72
    zweiter Bestandteil des Fluids
    8
    Lagereinheit
    9
    Steuerelektronik
    10
    Energierückgewinnungseinheit
    11
    Folgereaktionseinheit
    e
    Elektron
    i
    Ion
  • 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 2020022599 A1 [0002]
    • WO 2021193237 A1 [0002]
    • US 20140216253 A1 [0003]

Claims (19)

  1. Filteranlage (1) mit - einem Fluidkanal (3) zum Führen eines in zumindest zwei Bestandteile (71, 72) zu trennenden Fluids (7), - einem Ionisator (2) in oder an dem Fluidkanal (3), der dazu eingerichtet ist, das Fluid (7) mindestens zum Teil in Ionen (i) zu ionisieren, und - einer Trenneinheit (5) in oder an dem Fluidkanal (3), die dem Ionisator (2) nachgeordnet und dazu eingerichtet ist, die zumindest zwei Bestandteile (71, 72) voneinander zu trennen und getrennt voneinander zu führen.
  2. Filteranlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Ionisator (2) mindestens eine Gate-Isolator-Substrat-Elektronen-Emissionsstruktur, GIS-EE, umfasst, wobei die mindestens eine GIS-EE zur Emission niederenergetischer, die Ionen (i) hervorrufender Elektronen (e) eingerichtet ist und umfasst: - ein elektrisch leitfähiges Substrat (21), - eine Isolatorschicht (22) aus einem dielektrischen Material an dem Substrat (21), - eine Gate-Elektrode (23) aus einem weiteren elektrisch leitfähigen Material direkt an der Isolatorschicht (22), - einer ersten elektrischen Anschlussstruktur (26) an dem Substrat (21), und - einer zweiten elektrischen Anschlussstruktur (27) an der Gate-Elektrode (23).
  3. Filteranlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Gate-Elektrode (23) Kohlenstoff umfasst oder aus Kohlenstoff besteht und eine Dicke von höchstens 10 nm aufweist.
  4. Filteranlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die mindestens eine GIS-EE in eine Vielzahl von Lamellen (41) unterteilt ist oder die mindestens eine GIS-EE gitterförmig gestaltet ist und von einer Vielzahl von Löchern (42) durchdrungen ist oder durch eine Vielzahl von GIS-EEs die Lamellen (41) oder ein Gitter mit den Löchern (42) realisiert ist, wobei Zwischenräume zwischen den Lamellen (41) oder die Löcher (42) von dem Fluidkanal (3) umfasst sind.
  5. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ionisator (2) ein Feldionisator ist.
  6. Filteranlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Feldionisator eine Vielzahl von Nadeln (28) umfasst, durch die Mikrokanäle (27) verlaufen, sodass im Betrieb an Spitzen (29) der Nadeln (28) das Ionisieren des Fluids (3) erfolgt.
  7. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster der Bestandteile (71) CO2 ist, sodass die Gasfilteranlage (1) dazu eingerichtet ist, einen CO2-Gehalt des Fluids (7) zu reduzieren, wobei das Fluid (7) Luft oder ein Verbrennungsabgas ist.
  8. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter der Bestandteile (71) Toluol ist, sodass die Gasfilteranlage (1) dazu eingerichtet ist, einen Toluol-Gehalt des Fluids (7) zu reduzieren, wobei das Fluid (7) ein Benzol-haltiges Gas oder Benzolhaltige Luft ist.
  9. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, eines oder mehrere der folgenden Ionisationsprinzipien zu nutzen: Elektronenstoßionisation, Feldionisation, Triboionisation, Photoionisation, Plasmaionisation oder Elektrosprayionisation, und wobei die Trenneinheit dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere der folgenden Prinzipien zu nutzen: Ionisierungswahrscheinlichkeit, Ionisierungsenergie, Elektroneneinfang, Ionenspezies sowie Ionenmobilität.
  10. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trenneinheit (5) mehrere Teilstufen (51, 52, 53, 54) umfasst, die kaskadenförmig hintereinander oder kontinuierlich entlang des Fluidkanals (3) angeordnet sind.
  11. Filteranlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine erste der Teilstufen (51) dazu eingerichtet ist, Rauchpartikel mittels Plasmaionisation zu zersetzen.
  12. Filteranlage (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite der Teilstufen (52) dazu eingerichtet ist, ionisierten Stickstoff abzuführen, sodass im Betrieb eine Aufkonzentration von zumindest einem der zumindest zwei Bestandteile (71, 72) erfolgt.
  13. Filteranlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine dritte der Teilstufen (53) dazu eingerichtet ist, ionisierten Sauerstoff abzuführen, sodass im Betrieb eine weitere Aufkonzentration von zumindest einem der zumindest zwei Bestandteile (71, 72) erfolgt.
  14. Filteranlage (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei eine vierte der Teilstufen (54) dazu eingerichtet ist, eine Flugbahn der Ionen (i) abhängig von deren Mobilität zu verändern, sodass die Ionen (i) im Betrieb mobilitätsabhängig selektiert werden.
  15. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Energierückgewinnungseinheit (10), die dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil der Ionen (i) aufzusammeln und deren Ionisierungsenergie zumindest zum Teil zurückzugewinnen.
  16. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Folgereaktionseinheit (11), die dazu eingerichtet ist, die Ionen (i) für eine Folgereaktion zu nutzen.
  17. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine elektronenemittierende Fläche des Ionisators (2) längs des Fluidkanals (3) eine Länge von mindestens 1 cm aufweist.
  18. Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ionisator (2) und die Trenneinheit (5) jeweils mehrere Untereinheiten umfassen, die einander abwechselnd angeordnet sind.
  19. Trennverfahren, mit dem eine Filteranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben wird, mit den Schritten: - Führen des zu trennenden Fluids (7) durch den Fluidkanal (3) vorbei an dem Ionisator (2), - mindestens teilweises Ionisieren des Fluids (4) mit dem Ionisator (2), - mindestens teilweises Trennen der zumindest zwei Bestandteile (71, 72) des Fluids (7) voneinander mit der Trenneinheit (5).
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140216253A1 (en) 2013-01-08 2014-08-07 Climate Strategy Inc. CO2 Scrubber
WO2020022599A1 (ko) 2018-07-27 2020-01-30 박기업 블록체인 네트워크 상에서 그룹키 기반의 이중 서명 트랜잭션 구조를 구성하는 노드 그룹 관리 장치 및 컴퓨팅 장치
WO2021193237A1 (ja) 2020-03-23 2021-09-30 国立研究開発法人産業技術総合研究所 電子放出素子およびその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140216253A1 (en) 2013-01-08 2014-08-07 Climate Strategy Inc. CO2 Scrubber
WO2020022599A1 (ko) 2018-07-27 2020-01-30 박기업 블록체인 네트워크 상에서 그룹키 기반의 이중 서명 트랜잭션 구조를 구성하는 노드 그룹 관리 장치 및 컴퓨팅 장치
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