DE112021004201T5

DE112021004201T5 - Distickstoffpentoxidgenerator und Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid

Info

Publication number: DE112021004201T5
Application number: DE112021004201.7T
Authority: DE
Inventors: Toshiro Kaneko; Keisuke TAKASHIMA; Shota SASAKI
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2023-06-15
Also published as: US20230312345A1; WO2022030326A1; JPWO2022030326A1

Abstract

[Aufgabe] Die zu lösende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Distickstoffpentoxidgenerators und eines Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid, mit denen sich relativ leicht und unter Verwendung eines hochsicheren Ausgangsstoffs Distickstoffpentoxid erzeugen lässt.[Mittel zum Lösen der Aufgabe] Das Mittel zum Lösen der Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines NOx-Generators 13, der in der Lage ist, Stickoxide zu erzeugen, indem ein Plasma unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases als Ausgangsgas erzeugt wird, wobei ein Ozongenerator 14 vorgesehen ist, der in der Lage ist, Ozon durch Erzeugung eines Plasmas unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases bzw. Gases nach der Plasmaerzeugung im NOx-Generator 13 als Ausgangsgas zu erzeugen, und wobei ferner eine Mischeinheit 15 vorgesehen ist, die in der Lage ist, Distickstoffpentoxid zu erzeugen, indem das im NOx-Generator 13 erzeugte Stickoxide und das im Ozongenerator 14 erzeugte Ozon für eine vorgegebene Zeit im selben Raum gehalten werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Distickstoffpentoxidgenerator und ein Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid.
Allgemeiner Stand der Technik
Distickstoffpentoxid (N₂O₅) in Gasphase ist eine Substanz, die aufgrund z. B. thermischer Zersetzung schwer zu konservieren ist. Wird es jedoch in einer Flüssigkeit gelöst, entsteht vorübergehend ein Zwischenprodukt (NO₂ ⁺) mit extrem hoher Reaktivität, das eine spezifische chemische Reaktion mit sterilisierender, desinfizierender und zellaktivierender Wirkung auslöst. Es ist deshalb zu erwarten, dass es nicht nur im chemischen Sektor, sondern auch in den Bereichen Umwelt, Landwirtschaft und Medizin Anwendung finden wird.
Zu den herkömmlichen Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid zählen das Erzeugen von Distickstoffpentoxid durch Mischen von konzentrierter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure (pH < 1) und Dehydratisieren mit Diphosphorpentoxid (P₄O₁₀) (siehe z. B. Nichtpatentdokument 1), das Erzeugen von Distickstoffpentoxid durch Lösen von Salz ([NO₂ ⁺, BF₄ ^-], (NO₂ ⁺, CF₃SO₃ ^-) bei Raumtemperatur (siehe z.B. Nichtpatentdokument 1) und das Erzeugen von Distickstoffpentoxid durch Mischen von Ozongas mit einer hohen Konzentration von Stickstoffdioxidgas (siehe z.B. Nichtpatentdokument 2).
Dokumente des Stands der Technik
Nichtpatentdokumente
Nichtpatentdokument 1: E. Wiberg, N. Wiberg und A. Holleman, „Inorganic Chemistry“, Berlin: Academic Press, 2001. Nichtpatentdokument 2: C.H. Wu, E.D. Morris und H. Niki, „The Reaction of Nitrogen Dioxide with Ozone“, J. Phys. Chem. 1973, 77, S. 2507.
Kurzdarstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
Dennoch hat das in Nichtpatentdokument 1 beschriebene Verfahren, bei dem konzentrierte Schwefelsäure und konzentrierte Salpetersäure als Ausgangsstoffe verwendet werden, den Nachteil, dass dieses Verfahren sehr gefährlich ist, weil die Ausgangsstoffe starke Säuren sind und es bei der Erzeugung von Distickstoffpentoxid zur heftigen exothermen Reaktion kommt. Ebenso hat das in Nichtpatentdokument 1 beschriebene Verfahren, bei dem Salz bei Raumtemperatur gelöst wird, den Nachteil, dass aufgrund der hohen Hygroskopizität des Ausgangsstoffes Salz ein hohes Vakuum erzeugt werden muss und sich der Ausgangsstoff Salz nur sehr schwierig erzeugen lässt. Genauso hat das in Nichtpatentdokument 2 beschriebene Verfahren den Nachteil, dass der Ausgangsstoff, ein hochkonzentriertes Distickstoffpentoxid, eine giftige Substanz darstellt und der Umgang damit deshalb sehr riskant ist. Auch hat dieses Verfahren den Nachteil, dass es sehr gefährlich ist, weil das Distickstoffpentoxid bei der Synthese in flüssigem Stickstoff eingefroren, verfestigt und abgetrennt wird und somit festes Ozon mitentsteht, das eine Explosion verursachen kann.
Die vorliegende Erfindung macht sich angesichts des Vorgenannten zur Aufgabe, einen Distickstoffpentoxidgenerator und ein Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid bereitzustellen, bei denen hochsichere Ausgangsstoffe verwendet werden können und das Distickstoffpentoxid relativ leicht erzeugt werden kann.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Zum Lösen der vorgenannten Aufgabe umfasst der erfindungsgemäße Distickstoffpentoxidgenerator: einen NOx-Generator, mit dem Stickoxide (NOx) erzeugt werden kann, indem unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases als Ausgangsgas Plasma generiert wird; einen Ozongenerator, mit dem Ozon erzeugt werden kann, indem unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases bzw. Gases nach der Plasmaerzeugung im NOx-Generator als Ausgangsgas ein Plasma generiert wird; und eine Mischeinheit, mit der Distickstoffpentoxid erzeugt werden kann, indem das im NOx-Generator erzeugte Stickoxide und das im Ozongenerator erzeugte Ozon für eine vorgegebene Zeit im selben Raum gehalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid umfasst: den Schritt des Stickoxideerzeugens durch Plasmagenerierung unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases als Ausgangsgas; den Schritt des Ozonerzeugens durch Plasmagenerierung unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases bzw. Gases nach der Plasmaerzeugung bei der NOx-Erzeugung als Ausgangsgas; und den Schritt des Mischens, wobei das Distickstoffpentoxid erzeugt wird, indem das bei der NOx-Erzeugung entstandene Stickoxide und das bei der Ozonerzeugung entstandene Ozon für eine vorgegebene Zeit im selben Raum gehalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid wird in geeigneter Weise durch den erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerator umgesetzt. Mithilfe des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid lassen sich stickstoff- und sauerstoffhaltige Gase, die hochsicher sind, als Ausgangsstoffe verwenden. Als stickstoff- und sauerstoffhaltige Gase kommen z. B. Luft sowie Plasma aus atmosphärischer Entladung in Betracht. Auch lässt sich Distickstoffpentoxid erzeugen, indem das durch das Plasma entstandene Stickoxide und Ozon im selben Raum gehalten und somit zur Reaktion gebracht wird. Auf diese Weise lässt sich mithilfe des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid unter Verwendung hochsicherer Ausgangsstoffe und Plasma relativ leicht Distickstoffpentoxid erzeugen.
Der erfindungsgemäße Distickstoffpentoxidgenerator und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid sind so konzipiert, dass das Stickoxide und das Ozon, die bei der Verwendung des stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases als Ausgangsgas für die Ozonerzeugung separat erzeugt werden, jeweils im selben Raum gesammelt und für eine vorgegebene Zeit gehalten werden. Auch sind diese so konzipiert, dass das Gas nach der Ozonerzeugung für eine vorgegebene Zeit in einem Raum aufbewahrt wird, da das Ausgangsgas für die Ozonerzeugung nach der Stickoxideentstehung durch Plasma sowohl Stickoxide als auch Ozon enthält.
Das bei dem erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerator und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid unter Verwendung des stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases als Ausgangsgas durch Plasma generierte Stickoxide ist z. B. NO, NO₂, N₂O.
Bei dem erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerator ist der NOx-Generator vorzugsweise so konzipiert, dass Plasma bei Temperaturen von 200°C oder höher erzeugt wird, der Ozongenerator vorzugsweise so konzipiert, dass Plasma bei Temperaturen von 50°C oder niedriger erzeugt wird, und die Mischeinheit vorzugsweise so konzipiert, dass das Stickoxide und das Ozon bei Temperaturen von 100°C oder niedriger gehalten werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Distickstoffpentoxid ist es vorteilhaft zu konzipieren, im Schritt zur NOx-Erzeugung das Plasma bei einer Temperatur von 200°C oder höher zu erzeugen, im Schritt zur Ozonerzeugung das Plasma bei einer Temperatur von 50°C oder niedriger zu erzeugen und im Mischschritt das Sticksoxide und das Ozon bei einer Temperatur von 100°C oder niedriger zu halten. In diesem Fall kann Plasma bei Temperaturen von 200°C oder höher erzeugt werden, um den Stickstoff im Ausgangsgas effizient zu dissoziieren und die Effizienz der Stickstofferzeugung durch Plasma zu erhöhen. Die Effizienz der Ozonerzeugung durch Plasma kann auch durch Generieren von Plasma bei Temperaturen von 50°C oder niedriger erhöht werden. Mit diesen Mitteln lässt sich auch die Effizienz der Distickstoffpentoxiderzeugung erhöhen. Die Effizienz der Distickstoffpentoxiderzeugung kann auch weiter erhöht werden, indem das Stickoxide und das Ozon bei Temperaturen 100°C oder niedriger gehalten werden.
Der erfindungsgemäße Distickstoffpentoxidgenerator umfasst vorzugsweise einen Ausgangsgasgenerator, der die Feuchtigkeit des stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases auf 1 × 10¹⁵ cm^-3 (etwa 40 ppm) oder weniger regelt und das Gas in den NOx-Generator und Ozongenerator oder in den NOx-Generator speisen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid umfasst vorzugsweise den Schritt des Ausgangsgaserzeugens, der die Feuchtigkeit des stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases auf 1 × 10¹⁵ cm^-3 (etwa 40 ppm) oder weniger regelt und das Gas in den NOx-Erzeugungsschritt und Ozonerzeugungsschritt oder in den NOx-Erzeugungsschritt speist. Auf diese Weise lässt sich Distickstoffpentoxid in hohen Konzentrationen herstellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerator kann die Mischeinheit ein Rohr umfassen und so beschaffen sein, dass Stickoxidehaltiges Gas, das mit dem NOx-Generator erzeugt wird, und ozonhaltiges Gas, das mit dem Ozongenerator erzeugt wird, durch eine Öffnung an einem Ende des Rohrs eingeleitet und nach Ablauf der vorgegebenen Zeit durch eine Öffnung am anderen Ende des Rohrs abgeleitet werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid kann im Schritt des Mischens das Stickoxidehaltige Gas, das im Schritt zur NOx-Erzeugung erzeugt wird, und das ozonhaltige Gas, das im Schritt zur Ozonerzeugung erzeugt wird, durch eine Öffnung an einem Ende des Rohrs eingeleitet werden und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit durch eine Öffnung am anderen Ende des Rohrs abgeleitet werden. In diesem Fall können das Stickoxide und das Ozon im Inneren des Rohres reagieren und das durch die Reaktion erzeugte Distickstoffpentoxid kann durch die Öffnung am anderen Ende des Rohres abgeleitet werden. Das Rohr sollte eine Länge und einen Durchmesser haben, die eine vorgegebene Zeit für die Reaktion erlauben, so dass das Stickoxide und das Ozon, die durch die Öffnung an einem Ende eingeführt werden, reagieren, während sie das Innere passieren.
Der erfindungsgemäße Distickstoffpentoxidgenerator ist vorzugsweise so vorgesehen, dass das in der Mischeinheit erzeugte Distickstoffpentoxid in die Flüssigkeit abgeleitet werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid wird vorzugsweise das im Schritt des Mischens erzeugte Distickstoffpentoxid in die Flüssigkeit abgeleitet. Dabei entsteht bei der Auflösung des Distickstoffpentoxids in der Flüssigkeit vorübergehend ein sehr reaktives Zwischenprodukt (NO₂ ⁺), das spezifische chemische Reaktionen auslösen und z. B. fungizide Wirkstoffe wie HOONO und HOONO₂ oder pflanzenwachstumsfördernde Wirkstoffe wie NO₃ ^- erzeugen kann. So kann die Flüssigkeit, aus der das Distickstoffpentoxid abgelassen wurde, zur Sterilisation, Desinfektion und Zellaktivierung verwendet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerator und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid liegt die vorgegebene Zeit vorzugsweise zwischen 0,5 und 600 Sekunden, insbesondere 20 Sekunden oder mehr. In diesem Fall kann das Distickstoffpentoxid besonders effizient und selektiv hergestellt werden.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Distickstoffpentoxidgenerator und ein Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid bereitzustellen, bei denen sich hochsichere Ausgangsstoffe verwenden lassen und Distickstoffpentoxid relativ einfach erzeugen lässt.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators.
2 ist eine Frontansicht des in 1 gezeigten Distickstoffpentoxidgenerators mit (a) dem NOx-Generator und (b) dem Ozongenerator.
3 ist ein Blockdiagramm einer Variante einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators.
4 ist ein Diagramm, das die Anzahldichte (Density) jeder freien Radikalen im Gas zeigt, das mit dem in 1 gezeigten Distickstoffpentoxidgenerator erzeugt wurde.
5 ist ein IR-Spektrum des Gases, das mit dem in 1 gezeigten Distickstoffpentoxidgenerator erzeugt wurde.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zeit t_r und der Anzahldichte (Density) jeder freien Radikalen in dem in 1 gezeigten Distickstoffpentoxidgenerator zeigt, wenn die Zeit t_r, in der das Stickoxide und das Ozon reagieren, durch Änderung der Länge und des Innendurchmessers des Rohrs verändert wird.

Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend steht eine Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen.
1 bis 6 zeigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators sowie erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid.
Wie in 1 und 2 gezeigt, verfügt der Distickstoffpentoxidgenerator 10 über einen Ausgangsgasgenerator 11, Durchflussregler 12a und 12b, einen NOx-Generator 13, einen Ozongenerator 14 und eine Mischeinheit 15.
Wie in 1 gezeigt, ist der Ausgangsgasgenerator 11 so konzipiert, dass sich mit ihm stickstoff- und sauerstoffhaltiges Gas einleiten, das Gas entwässern und die Feuchtigkeit einstellen lässt. Der Ausgangsgasgenerator 11 ist so konzipiert, dass sich mit ihm das feuchtigkeitsangepasste Gas als Ausgangsgas über die jeweiligen Durchflussregler 12a und 12b dem NOx-Generator 13 und dem Ozongenerator 14 zuführen lässt. In einem in 1 gezeigten Beispiel ist der Ausgangsgasgenerator 11 so konzipiert, dass die Feuchtigkeit des eingeleiteten Gases auf 1 × 10¹⁵ cm^-3 (etwa 40 ppm) oder weniger geregelt wird. Der Ausgangsgasgenerator 11 ist an einen Zylinder 11a angeschlossen, der das stickstoff- und sauerstoffhaltige Gas enthält, wobei das Gas aus dem Zylinder 11a eingeleitet wird. Das im Zylinder 11a gespeicherte Gas besteht aus Luft, kann aber auch ein anderes Gas als Luft sein, solange es Stickstoff und Sauerstoff enthält. Bei Verwendung von Luft kann anstelle des Zylinders 11a auch Luft aus der Umgebung gesammelt werden.
Der Durchflussregler 12a ist mit dem Ausgangsgasgenerator 11 und dem NOx-Generator 13 verbunden, während der andere Durchflussregler 12b mit dem Ausgangsgasgenerator 11 und dem Ozongenerator 14 verbunden ist. Die Durchflussregler 12a und 12b sind jeweils so konzipiert, dass sich damit das Ausgangsgas, dessen Feuchtigkeit im Ausgangsgasgenerator 11 eingestellt wurde, einleiten lässt, die Durchflussrate bzw. -geschwindigkeit einstellen und das Gas dem NOx-Generator 13 bzw. dem Ozongenerator 14 zuführen lässt.
Wie in 2 (a) gezeigt, verfügt der NOx-Generator 13 über ein Reaktionsgefäß 21, einen Gaseinlass 22, einen Gasauslass 23, einen Satz von Elektroden 24a, 24b und eine Netzteileinheit (nicht gezeigt). Das Reaktionsgefäß 21 besteht aus einem länglichen Außenzylinder 21a, einem länglichen Innenzylinder 21b, der mit einem Abstand zum Außenzylinder 21a in den Außenzylinder 21a eingesetzt ist, und einem Verschluss 21c, der die Öffnung an einem Ende des Außenzylinders 21a verschließt. Der Außenzylinder 21a und der Innenzylinder 21b bestehen aus einem isolierenden Material. Der Innenzylinder 21b ist an einem Ende des Reaktionsgefäßes 21 vom Verschluss 21c beabstandet angeordnet. Dadurch ist das Reaktionsgefäß 21 an einem Ende mit dem Raum innerhalb des Innenzylinders 21b und dem Raum zwischen dem Außenzylinder 21a und dem Innenzylinder 21b verbunden.
Der Gaseinlass 22 ist mit dem Durchflussregler 12a verbunden und an einem anderen Ende des Reaktionsgefäßes 21 so vorgesehen, dass er die Öffnung des Außenzylinder 21a verschließt. Der Gaseinlass 22 ist so konzipiert, dass er das vom Durchflussregler 12a zugeführte Ausgangsgas in den Raum zwischen dem Außenzylinder 21a und dem Innenzylinder 21b einleitet. Der Gasauslass 23 ist mit der Mischeinheit 15 verbunden und befindet sich an einem anderen Ende des Reaktionsgefäßes 21 so, dass er die Öffnung des Innenzylinders 21b zu verschließt. Der Gasauslass 23 ist so konzipiert, dass er Gas aus dem Innenraum des Innenzylinders 21b auslässt und in die Mischeinheit 15 zuführt. Somit ist es im NOx-Generator 13 möglich, dass das Ausgangsgas, das durch den Gaseinlass 22 in den Raum zwischen dem Außenzylinder 21a und dem Innenzylinder 21b eingeleitet wird, innerhalb des Raums vom einen Ende bis zum anderen Ende des Reaktionsgefäßes 21 strömt, an dem einen Ende des Reaktionsgefäßes 21 in den Innenzylinder 21b eintritt und weiter innerhalb des Innenzylinders 21b von der Seite des einen Endes bis zur Seite des anderen Endes des Reaktionsgefäßes 21 strömt, bis es über den Gasauslass 23 abgeleitet wird.
Eine Elektrode 24a ist in den Innenzylinder 21b eingesetzt und so angeordnet, dass sie sich entlang der Längsrichtung des Innenzylinders 21b von einem Ende des Reaktionsgefäßes 21 zum anderen Ende erstreckt. Die andere Elektrode 24b besteht aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem und hat eine zylindrische Form. Die Elektrode 24b ist innerhalb des Außenzylinders 21a an einem Ende des Reaktionsgefäßes 21 über einen bestimmten Bereich in Längsrichtung des Reaktionsgefäßes 21 angebracht (im Folgenden als „plasmaerzeugender Abschnitt 25“ bezeichnet), so dass sie der einen Elektrode 24a gegenüberliegt. Die andere Elektrode 24b ist geerdet. Die Netzteileinheit ist mit der einen Elektrode 24a verbunden und kann eine Spannung zwischen den jeweiligen Elektroden 24a und 24b anlegen. In einem in 2 (a) gezeigten Beispiel ist die Netzteileinheit so konzipiert, dass sie zwischen den Elektroden 24a, 24b eine Spannung mit einer maximalen Leistung von 50 W anlegt. Obwohl vorliegend eine Wechselstromversorgung verwendet wird, kann die Netzteileinheit auch eine Gleichstrom- oder Pulsstromversorgung sein.
Im NOx-Generator 13 lässt sich ein Plasma im plasmaerzeugenden Abschnitt 25 erzeugen, wobei die Netzteileinheit während des Zuführens des Ausgangsgases vom Durchflussregler 12a über den Gaseinlass 22 in das Reaktionsgefäß 21 eine Spannung zwischen den Elektroden 24a und 24b anlegt. Dabei lässt sich Plasma durch Anpassen der Eingangsleistung bei Temperaturen von 200°C oder höher erzeugen und somit Stickoxide wie NO, NO₂ und N₂O generieren. Ebenso findet bei dem NOx-Generators 13 im Abschnitt zwischen dem einen Ende des Reaktionsgefäßes 21 und dem plasmaerzeugenden Abschnitt (im Folgenden als „Wärmeaustauschabschnitt 26“ bezeichnet) ein Wärmeaustausch zwischen dem durch den Innenzylinder 21b vom plasmaerzeugender Abschnitt 25 zum Gasauslass 23 strömenden Gas nach der Plasmaerzeugung und dem im Raum zwischen dem Außenzylinder 21a und dem Innenzylinder 21b zum plasmaerzeugender Abschnitt 25 strömenden Ausgangsgas statt, sodass das Ausgangsgas erhitzt und das Gas nach der Plasmaerzeugung gekühlt werden kann. Auf diese Weise wird die Temperatur des plasmaerzeugenden Abschnitts 25 möglichst weit erhöht und die Temperatur des aus dem Gasauslass 23 austretenden Gases möglichst weit gesenkt.
Wie in 2 (b) gezeigt, verfügt der Ozongenerator 14 über ein Reaktionsgefäß 31, einen Gaseinlass 32, einen Gasauslass 33, einen Satz von Elektroden 34a und 34b sowie eine Netzteileinheit (nicht gezeigt). Das Reaktionsgefäß 31 besteht aus einem Isolator und hat eine langgestreckte zylindrische Form. Der Gaseinlass 32 ist mit dem anderen Durchflussregler 12b verbunden und dient zum Verschließen der Öffnung an dem einem Ende des Reaktionsgefäßes 31. Der Gaseinlass 32 ist so konzipiert, dass er das vom anderen Durchflussregler 12b zugeführte Ausgangsgas in das Innere des Reaktionsgefäßes 31 einleitet. Der Gasauslass 33 ist mit der Mischeinheit 15 verbunden und dient zum Verschließen der Öffnung am anderen Ende des Reaktionsgefäßes 31. Der Gasauslass 33 ist so konzipiert, dass er das Gas aus dem Innenraum des Reaktionsgefäßes 31 auslässt und es der Mischeinheit 15 zuführt.
Die eine Elektrode 34a ist in das Reaktionsgefäß 31 eingesetzt und erstreckt sich entlang der Längsrichtung des Reaktionsgefäßes 31 vom einen bis zum anderen Ende des Reaktionsgefäßes 31. Die andere Elektrode 34b besteht aus Kupferfolie oder ähnlichem und hat die Form eines dünnen Blechs. Die andere Elektrode 34b ist im Abschnitt zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende des Reaktionsgefäßes 31 (im Folgenden als „plasmaerzeugender Abschnitt 35“ bezeichnet) fest um die Außenfläche des Reaktionsgefäßes 31 gewickelt und liegt der anderen Elektrode 34a gegenüber. Die andere Elektrode 34b ist geerdet. Die Netzteileinheit ist mit der Elektrode 34a verbunden und in der Lage, Spannung zwischen den jeweiligen Elektroden 34a und 34b anzulegen. In dem in 2 (b) gezeigten konkreten Beispiel ist die Netzteileinheit so konzipiert, dass sie mit möglichst geringem Energieverbrauch, z. B. 3 W, eine Spannung zwischen den Elektroden 34a und 34b anlegen kann. Obwohl vorliegend eine Wechselstromversorgung verwendet wird, kann die Netzteileinheit auch eine Gleichstrom- oder Pulsstromversorgung sein.
Der Ozongenerator 14 ist so konzipiert, dass er im plasmaerzeugenden Abschnitt 35, während das Ausgangsgas vom anderen Durchflussregler 12b über den Gaseinlass 32 in das Reaktionsgefäß 31 geleitet wird, durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 34a und 34b über die Netzteileinheit ein Plasma erzeugt. Dabei lässt sich Plasma durch Anpassen der Eingangsleistung bei Temperaturen von 50°C oder niedriger erzeugen und Ozon generieren.
Wie in 1 gezeigt, hat die Mischeinheit 15 ein längliches Rohr 41 und eine Öffnung 42. Das Rohr 41 ist mit dem Gasauslass 23 des NOx-Generators 13 und dem Gasauslass 33 des Ozongenerators 14 durch eine Öffnung an einem Ende verbunden und so konzipiert, dass es Gas, das im NOx-Generator 13 erzeugtes Stickoxide enthält, und Gas, das im Ozongenerator 14 erzeugtes Ozon enthält, in den Innenraum einleiten und aus der Öffnung am anderen Ende ablassen kann. Die Länge und der Innendurchmesser des Rohrs 41 sind so bemessen, dass sie die für die Reaktion zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid zwischen dem Stickoxide und dem Ozon beim Durchströmen des Inneren benötigte Zeit gewährleisten. An der Öffnung am anderen Ende des Rohrs 41 ist eine Öffnung 42 angebracht. Für die Mischeinheit 15 wird die Öffnung 42 nicht benötigt.
Die Mischeinheit 15 kann das im Rohr 41 erzeugte Distickstoffpentoxid durch die Öffnung 42 ableiten. Die Mischeinheit 15 kann zudem das erzeugte Distickstoffpentoxid in die Flüssigkeit ableiten. In dem in 1 gezeigten Beispiel hat das Rohr 41 eine Länge von 5 m bis 50 m und einen Innendurchmesser von 4 mm bis 10 mm, um die zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid benötigte Zeit von 10 s bis 100 s zu gewährleisten. Das Rohr 41 ist so gestaltet, dass Stickoxide und Ozon mit einer Temperatur von 100°C oder niedriger durch das Innere strömen können. Die Mischeinheit 15 soll die zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid benötigte Zeit gewährleisten, was auch durch Druckbeaufschlagen bzw. Kühlen des sticksoxide- und ozonhaltigen Gases möglich ist.
Die vorliegende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid kann in geeigneter Weise durch den Distickstoffpentoxidgenerator 10 realisiert werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid lässt sich Distickstoffpentoxid erzeugen, indem unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases als Ausgangsgas im NOx-Generator 13 ein Plasma und damit Stickoxide erzeugt wird, im Ozongenerator 14 ein Ozon erzeugt wird, und das erzeugte Stickoxide und Ozon im Rohr 41 der Mischeinheit 15 für eine vorgegebene Zeit zur Reaktion gebracht werden.
Bei den vorliegenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators 10 sowie des Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid lassen sich unbedenkliche Gase wie stickstoff- und sauerstoffhaltige Luft als Ausgangsstoff verwenden. Da das durch das Plasma erzeugte Stickoxide und Ozon für eine vorgegebene Zeit im selben Raum im Inneren des Rohrs 41 gehalten werden, können das Stickoxide und das Ozon ausreichend reagieren, um Distickstoffpentoxid zu erzeugen. Es lässt sich somit gemäß der vorliegenden Ausführungsformen des Distickstoffpentoxidgenerators 10 und des Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid unter Verwendung eines hochsicheren Ausgangsstoffs und Plasmas relativ einfach Distickstoffpentoxid herstellen.
Bei den vorliegenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators 10 sowie des Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid lässt sich durch Erzeugen des Plasmas im NOx-Generator 13 bei einer Temperatur von 200°C oder höher der Stickstoff im Ausgangsgas effizient dissoziieren und somit die Effizienz der Stickoxideerzeugung mittels des Plasmas erhöhen. Durch das Erzeugen des Plasmas im Ozongenerator 14 bei einer Temperatur von 50°C oder niedriger lässt sich die Effizienz der Ozonerzeugung mittels des Plasmas erhöhen. Durch Verlängerung der anderen Elektrode 34b des Ozongenerators 14, um die Leistungsdichte zu verringern, kann der Temperaturanstieg im plasmaerzeugenden Abschnitt 35, bei gleichbleibender Leistungsaufnahme, verringert und die Effizienz der Ozonerzeugung weiter erhöht werden. Mit dem Wärmeaustauschabschnitt 26 des NOx-Generators 13 lässt sich die Temperatur des plasmaerzeugenden Abschnitts 25 des NOx-Generators 13 möglichst hoch anheben und die Temperatur des aus dem Gasauslass 23 ausgestoßenen Gases möglich tief senken und somit die Stickoxideerzeugung noch effizienter gestalten. Auf diese Weise lässt sich auch die Effizienz der Erzeugung von Distickstoffpentoxid erhöhen.
Bei den vorliegenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators 10 sowie des Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid lässt sich das Distickstoffpentoxid in hoher Konzentration erzeugen, indem die Feuchtigkeit des Ausgangsgases im Ausgangsgasgenerator 11 auf 1 × 10¹⁵ cm^-3 (etwa 40 ppm) oder weniger geregelt wird.
Bei den vorliegenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators 10 sowie des Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid lässt sich die Temperatur des Gases nach der Plasmaerzeugung durch den Wärmeaustauschabschnitt 26 des NOx-Generators 13 verringern, so dass sich ein Temperaturanstieg des Gaseinlasses 22 und des Gasauslasses 23 des NOx-Generators 13 sowie des Gaseinlasses 32 des Ozongenerators 14 unterdrücken lässt. Der Temperaturanstieg des Gasauslasses 33 des Ozongenerators 14 kann ebenfalls unterdrückt werden, um die Temperatur der Plasmaerzeugung im Ozongenerator 14 bei 50°C oder niedriger zu halten. Dadurch kann die Lebensdauer des Gaseinlasses 22 und des Gasauslasses 23 des NOx-Generators 13 sowie des Gaseinlasses 32 und des Gasauslasses 33 des Ozongenerators 14 erhöht werden. Insbesondere kann die Lebensdauer drastisch erhöht werden, wenn die Temperatur dieser Abschnitte bei 150°C oder darunter gehalten wird. Die niedrige Temperatur des Gases im Gasauslasses 23 vom NOx-Generator 13 und im Gasauslass 33 vom Ozongenerator 14 ermöglicht eine niedrige Temperatur des Gases im Mischeinheit 15 und somit eine effiziente Erzeugung von Distickstoffpentoxid.
Bei den vorliegenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Distickstoffpentoxidgenerators 10 sowie des Verfahrens zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid lässt sich durch das Ableiten des in der Mischeinheit 15 erzeugten Distickstoffpentoxids in die Flüssigkeit und dem Auflösen des Distickstoffpentoxids in der Flüssigkeit vorübergehend ein hochreaktives Zwischenprodukt (NO₂ ⁺) erzeugen, das eine spezifische chemische Reaktion auslöst und beispielsweise fungizide freie Radikale wie HOONO und HOONO₂ oder pflanzenwachstumsfördernde freie Radikale wie NO₃ ^- erzeugt. So kann die Flüssigkeit, aus der das Distickstoffpentoxid abgelassen wurde, zur Sterilisation, Desinfektion und Zellaktivierung verwendet werden.
Wie in 3 gezeigt, kann im Distickstoffpentoxidgenerator 10 der Ozongenerator 14 zwischen dem NOx-Generator 13 und die Mischeinheit 15 angeordnet werden. Mit anderen Worten kann der Gaseinlass 32 des Ozongenerators 14 mit dem Gasauslass 23 des NOx-Generators 13 verbunden werden, und der Ozongenerator 14 kann so eingerichtet werden, dass er Ozon durch Erzeugung von Plasma unter Verwendung des Gases nach der Plasmaerzeugung im NOx-Generator 13 als Ausgangsgas erzeugt. Da in diesem Fall das Gas nach der Ozonerzeugung Ozon und die im NOx-Generator 13 erzeugten Stickoxide enthält, kann Distickstoffpentoxid erzeugt werden, indem das Gas nach der Ozonerzeugung in das Rohr 41 eingeleitet und für eine vorgegebene Zeit gehalten wird. Da nur ein Durchflussregler 12a erforderlich ist, lassen sich außerdem die Erzeugungs- und Betriebskosten des Geräts senken.
Ausführungsbeispiel 1
Zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid wurde mit dem in 1 gezeigten Distickstoffpentoxidgenerator 10 ein Versuch durchgeführt. In dem Versuch wurde als Ausgangsgas Luft verwendet, und das Ausgangsgas wurde dem NOx-Generator 13 mit einer Durchflussmenge von 1 slm durch den einen Durchflussregler 12a und dem Ozongenerator 14 mit einer Durchflussmenge von 1 slm durch den anderen Durchflussregler 12b zugeführt. Der Innendurchmesser und die Länge des Rohrs 41 in der Mischeinheit 15 betrugen 10 mm bzw. 10 m. Die Zeit, in der das Stickoxidehaltige Gas und das ozonhaltige Gas das Innere des Rohrs 41 durchströmten, d. h. die Zeit, in der die Stickoxide und das Ozon reagierten, betrug somit 24 Sekunden.
Die Infrarot-Absorptionsspektren (IR-Spektren) des aus der Öffnung 42 austretenden Gases wurden mit einem Gerät für Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) ermittelt, und die Anzahldichte (Density) jeder im Gas enthaltenen freien Radikale wurde ermittelt. Die ermittelte Anzahldichte und die IR-Spektren der einzelnen freien Radikale sind in 4 bzw. 5 veranschaulicht. Wie in 4 und 5 gezeigt, wurde festgestellt, dass das aus der Mischeinheit 15 abgeleitete Gas mehr Distickstoffpentoxid (N₂O₅) enthielt als die im NOx-Generator 13 erzeugten Stickoxide (NO, NO₂, N₂O, HNO₃) und das im Ozongenerator 14 erzeugte Ozon (O₃). Dies wird darauf zurückgeführt, dass Stickoxide und Ozon im Rohr 41 der Mischeinheit 15 ausreichend reagiert haben, um Distickstoffpentoxid zu erzeugen.
Anschließend wurde durch Ändern der Länge und des Innendurchmessers des Rohrs 41 der Mischeinheit 15 und durch Ändern der Zeit, in der das Gas das Rohr 41 durchläuft, d. h. der Zeit t_r, in der Stickoxide und Ozon reagieren, die Anzahldichte (Density) jeder freie Radikale in dem aus der Öffnung 42 austretenden Gas mit Hilfe eines Fourier-Transformations-Infrarotspektrometers ermittelt. Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. Wie aus 6 hervorgeht, nahm Distickstoffpentoxid (N₂O₅) mit der Reaktionszeit t_r weiter zu und erreichte bei 20 Sekunden oder mehr die Sättigung. Es wurde auch beobachtet, dass Ozon (O₃) und NO₂ schnell abnahmen, bis die Reaktionszeit t_r etwa 30 Sekunden betrug. Es hat sich auch gezeigt, dass N₂O nach Ablauf der Reaktionszeit t_r weder zu- noch abnahm und sich kaum veränderte. Auch hat sich gezeigt, dass HNO₃ leicht anstieg, bis die Reaktionszeit t_r etwa 30 Sekunden betrug.
Aus den in 6 gezeigten Ergebnissen geht hervor, dass Distickstoffpentoxid effizient hergestellt werden kann, wenn die Mischeinheit 15 so konzipiert ist, dass die Reaktionszeit t_r 20 Sekunden oder länger beträgt. Es wird auch angenommen, dass das Distickstoffpentoxid durch die Reaktion von hauptsächlich NO2 mit Ozon entsteht.
Bezugszeichenliste

10: Distickstoffpentoxidgenerator
11: Ausgangsgasgenerator
11a: Zylinder
12a, 12b: Durchflussregler
13: NOx-Generator
21: Reaktionsgefäß
21a: Außenzylinder
21b: Innenzylinder
21c: Verschluss
22: Gaseinlass
23: Gasauslass
24a, 24b: Elektrode
25: Plasmaerzeugender Abschnitt
26: Wärmeaustauschabschnitt
14: Ozongenerator
31: Reaktionsgefäß
32: Gaseinlass
33: Gasauslass
34a, 34b: Elektrode
35: Plasmaerzeugender Abschnitt
15: Mischeinheit
41: Rohr
42: Öffnung

Claims

Distickstoffpentoxidgenerator, umfassend: einen NOx-Generator, mit dem Stickoxide (NOx) erzeugt werden kann, indem unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases als Ausgangsgas Plasma erzeugt wird, einen Ozongenerator, mit dem Ozon erzeugt werden kann, indem unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases bzw. Gases nach der Plasmaerzeugung im NOx-Generator als Ausgangsgas ein Plasma generiert wird, und eine Mischeinheit, mit der Distickstoffpentoxid erzeugt werden kann, indem das im NOx-Generator erzeugte Stickoxide und das im Ozongenerator erzeugte Ozon für eine vorgegebene Zeit im selben Raum gehalten werden.
Distickstoffpentoxidgenerator nach Anspruch 1, wobei: der NOx-Generator das Plasma mit einer Temperatur von 200°C oder mehr erzeugt, der Ozongenerator das Plasma mit einer Temperatur von 50°C oder weniger erzeugt und die Mischeinheit das Stickoxide und das Ozon bei einer Temperatur von 100°C oder weniger hält.
Distickstoffpentoxidgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ausgangsgasgenerator so konzipiert ist, dass er die Feuchtigkeit des stickstoff- und sauerstoffenthaltenden Gases auf 1 × 10¹⁵ cm^-3 oder weniger regelt und das Gas in den NOx-Generator und Ozongenerator oder in den NOx-Generator speist.
Distickstoffpentoxidgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mischeinheit ein Rohr hat und so beschaffen ist, dass das Stickoxidehaltige Gas, das im NOx-Generator erzeugt wird, und das ozonhaltige Gas, das im Ozongenerator erzeugt wird, durch eine Öffnung an einem Ende des Rohrs eingeleitet und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit durch eine Öffnung am anderen Ende des Rohrs abgeleitet werden können.
Distickstoffpentoxidgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das im Mischeinheit erzeugte Distickstoffpentoxid in die Flüssigkeit abgeleitet werden kann.
Distickstoffpentoxidgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die vorgegebene Zeit 20 Sekunden oder mehr beträgt.
Verfahren zur Erzeugung von Distickstoffpentoxid, umfassend die Schritte von: NOx-Erzeugung durch Plasmagenerierung unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases als Ausgangsgas, Ozonerzeugen durch Plasmagenerierung unter Verwendung eines stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gases bzw. Gases nach der Plasmaerzeugung bei der NOx-Erzeugung als Ausgangsgas und Mischen, wobei Distickstoffpentoxid erzeugt wird, indem das bei der NOx-Erzeugung entstandene Stickoxide und das bei der Ozonerzeugung entstandene Ozon für eine vorgegebene Zeit im selben Raum gehalten werden.