DE202010003847U1

DE202010003847U1 - Anordnung zur optimierten Durchführung von chemischen Reaktionen sowie Reaktor hierfür

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Publication number: DE202010003847U1
Application number: DE201020003847
Authority: DE
Original assignee: Hartmann Annett Dr; Schwedat Stefan Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Hartmann Annett Dr; Schwedat Stefan Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: WO2011113713A1

Abstract

Anordnung zur optimierten Durchführung von chemischen Reaktionen, wobei mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld sowie einem elektrischen Strom ausgesetzt ist, an den Elektroden ein Wechselfeld anliegt und in der Reaktionszone eine Gasphase gegeben ist, welche die Reaktionszone zumindest teilweise ausfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optimierten Durchführung von chemischen Reaktionen sowie einen Reaktor hierfür, wobei mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld und einem elektrischen Strom ausgesetzt ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Oberflächenbehandlung von Polymeren unter Anwendung von Niederdruckplasma vorzunehmen bzw. eine Behandlung nur an anorganischen Pulvermaterialien auszuführen.
Gemäß dem bekannten Stand der Technik lassen sich gezielte Funktionalitäten nur durch nachfolgende nasschemische Reaktionen erzielen, wie beispielsweise Hydroxylgruppen durch Umsetzung der unspezifischen Funktionalisierungen aus der Niederdruckplasma-Behandlung durch Reaktion mit Diboran in Tetrahydrofuran. Da durch die nasschemischen Prozesse echte chemische Bindungen zwischen dem polymeren Rückgrat und Funktionalisierung erreicht werden, sind die entsprechenden Veränderungen dauerhaft.
Die US 2005/0095181 A1 offenbart die Initialisierung von chemischen Reaktionen mit Hilfe von Mikrowellen. Gasförmige Ausgangsstoffe können mit der dortigen Lehre nicht behandelt werden.
Aus der WO 2005/046861 A ist es bekannt, mittels Gleichspannung eine chemische Umsetzung von Bioöl zu Biodiesel einzuleiten. Allerdings erfolgt gemäß der dortigen Lehre keine gezielte Variation elektrischer Parameter, um die erhaltenen Endprodukte durch die elektrischen Feldeigenschaften zu steuern.
Bei der Lösung nach DE 103 13 870 A1 werden Proben in einem Mikrowellenfeld lediglich aufgeheizt. Es bleibt zusammenzufassen, dass im Stand der Technik lediglich die Verbesserung von Hafteigenschaften gezeigt wird, was durch viele unspezifische chemische und physikalische Reaktionen, z. B. nur an den Additiven und Verarbeitungshilfsmitteln, die sich auf der Oberfläche des zu behandelnden Gegenstands befinden, hervorgerufen ist.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung sowie einen Reaktor zur optimierten Durchführung von chemischen Reaktionen anzugeben, wobei mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird und es weiterhin gewährleistet ist, dass homogene Reaktionsbedingungen in reproduzierbarer und leichter Weise eingestellt und vorgegeben werden können.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Anspruch 1 bzw. einem Reaktor nach Anspruch 16, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Die vorgestellte Erfindung betrifft demnach eine Lehre zur Durchführung von chemischen Reaktionen, bei denen mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen oder elektromagnetischen Feld und einem elektrischen Strom ausgesetzt ist, wobei ein bestimmter Anteil von Elektronen eine Elektronenenergie von 2 bis 25 eV besitzt und wobei an die Elektroden ein Wechselfeld angelegt ist und in der Reaktionszone eine Gasphase vorliegt, welche die Reaktionszone zumindest teilweise ausfüllt.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass elektrische bzw. elektromagnetische Felder zur Durchführung von definierten und gezielt gesteuerten chemischen Reaktionen eingesetzt werden. Durch das elektrische bzw. elektromagnetische Feld wird die erforderliche Aktivierungsenergie der jeweiligen chemischen Reaktion gezielt zugeführt, d. h. durch die Steuerung der elektrischen Parameter wird die für die chemische Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie definiert in den Reaktor eingebracht. Die Aktivierungsenergie wird zugeführt, indem Recktanten oder ein Hilfsstoff (z. B. Trägergas) im elektrischen oder elektromagnetischen Feld angeregt bzw. ionisiert und in einen höher energetischen Zustand versetzt werden. Der zur Anregung verwendete Reaktorstrom wird durch das Erzeugen genügend großer Feldstärken zwischen den Elektroden eingestellt.
Die lokalen Feldstärken und der Feldstärkegradient sind dabei abhängig von der Elektrodengeometrie sowie der Anzahl schon vorhandener Ladungsträger in der Reaktionszone. Mit steigender Ladungsträgerdichte wird das äußere Feld durch die Ladungsträger selbst beeinflusst, so das es notwendig wird, die Ladungsträgerzahl in der gesamten Reaktionszone sowie lokal zu begrenzen, was einer maximal zulässigen Stromdichte entspricht.
Für die Begrenzung der Stromdichte stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, so kann die Stromdichte durch folgende Mechanismen begrenzt werden:

1. durch das Einbringen dielektrischer Materialien zwischen die Elektroden, (lokale Strombegrenzung in unmittelbarer Nähe des dielektrischen Materials),
2. durch die Zugabe von Quenchgasen in die Reaktionszone (Elektronenfänger, entsprechende Gasmoleküle fangen Elektronen mit geringen Energien ein, da diese bei der Entladung meist von vorangegangene Elektronenlawinen erzeugt werden (Stoßionisation), kann so die Entstehung einer unmittelbar folgenden Elektronenlawine effektiv gedämpft und die Entstehung stromstarker, räumlich eng begrenzter Entladungskanäle verhindert werden) (globale und lokale Strombegrenzung).
3. durch Beeinflussung der Flugbahnen der Elektronen zwischen den Elektroden mit Hilfe starker Magnetfelder (lokale und globale Strombegrenzung),
4. sowie durch Kombinationen der vorigen 3 Mechanismen
5. durch weitere Effekte mit gleicher Wirkung.

Wichtig bei der Strombegrenzung ist, das auf diese Weise eine homogene Verteilung der Elektronen in der Reaktionszone möglich wird, so dass in der gesamten Reaktionszone Elektronen mit maximalen Energien zwischen 2 und 25 eV zur Verfügung stehen.
Damit können chemische Bindungen mit molaren Eindungs-, Atomisierungs- und/oder Dissoziationsenergien bis 2400 KJ/mol aufgespalten werden. Wird die Stromstärke nicht ausreichend begrenzt, liegen die Elektronen mit den genannten Energien zwar in der Reaktionszone vor, stehen dort aber nur in eng begrenzten Entladungskanälen zur Verfügung.
Die gewünschten Reaktionen könne in diesem Fall natürlich auch durchgeführt werden, aber die Ausbeuten oder die Effektivität können hierbei eingeschränkt sein.
Die oben genannten Elektronenenergien können bei Drücken > 100 mbar nicht direkt bestimmt werden.
Dadurch, dass das Gas unter der Wirkung der starken elektrischen Felder elektrisch leitfähig wird, ist es jedoch sicher das Elektronen mit den genannten Energien vorliegen, da sie benötigt werden um die Gasmoleküle überhaupt ionisieren zu können.
Weiterhin ist es möglich, die Elektronenenergie im genannten Bereich indirekt durch Spektroskopieren der Leuchterscheinung zu bestimmen (optische Emmisionsspektroskopie), wobei hier unterschiedliche Prozesse wirken, mit denen man auf die Elektronenenergien schließen kann. Als Beispiele sollen hier die folgenden beiden Prozesse genannt sein:

1. Elektronen, die bei Stößen gestreut werden, erzeugen u. a. Photonen mit Energien zwischen 6,5 und 0,05 eV. Diese Energien entsprechen Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 190 nm und 25 μm. Diese Photonenenergien können spektroskopisch detektiert werden, was beweist, dass die Elektronen vor dem Stoß mindestens diese entsprechenden Energien hatten. Durch Elektronenstreuung erzeugte Photonen ergeben in Abhängigkeit von der Wellenlänge im UV-VIS-NIR-MIR-Bereich breite Intensitätsverteilungen (Bremsstrahlung).
2. Neben der Bremsstrahlung treten in den Emissionsspektren im UV-VIS-NIR-MIR-Bereich auch scharfe, elementspezifische Emissionslinien auf, welche durch Rekombinationsprozesse verursacht werden. So kann anhand der emittierten Linien darauf geschlossen werden, welche Energie die Elektronen durch Stöße an die Atome und Moleküle abgegeben haben müssen, um diese in den entsprechenden Zustand anzuregen, von dem aus das spezifische Fluoreszenzsignal erzeugt wird. Diese Fluoreszenzsignale werden von Molekeln in angeregten Zuständen erzeugt, die Anregungsenergien bis in den keV Bereich und somit entsprechende Elektronen mit diesen Energien benötigen. Somit kann die Elektronenenergie indirekt bestimmt werden.

Das entwickelte Verfahren und die zugehörige Anordnung grenzen sich von der bekannten Durchführung von chemischen Reaktionen im Mikrowellenfeld ab, weil mit dem Mikrowellenfeld lediglich schnell die klassischen Reaktionstemperaturen durch Erwärmung des Mediums erreicht werden. Die Zuführung der notwendigen Aktivierungsenergie für die spezifische und selektive Umsetzung erfolgt bei der vorliegenden Erfindung über die Steuerung der elektrischen Parameter.
Es können mit der erfindungsgemäßen Lösung alle bekannten chemischen Reaktionen unterstützt und durchgeführt werden. Beispielhaft genannt sind Redoxreaktionen, Säure-Base-Reaktionen, radikalische Reaktionen, nukleophiele Reaktionen, elektrophile Reaktionen, Substitutions-, Additions-, Eliminierungs-, Kondensationsreaktionen, Polymerisationen, Polykondensationen, Polyadditionen, Crackreaktionen, Dissoziationsreaktionen, Pyrolysereaktionen und polymeranaloge Umsetzungen. Dabei können die Recktanten gasförmig, flüssig, fest oder in entsprechenden Mischungen, wie zum Beispiel Gas/Gas, Gas/fest, Gas/flüssig, fest/flüssig, flüssig/flüssig, fest/fest oder Gas/flüssig/fest usw. vorliegen. Es können vollständige Stoffumsetzungen wie auch chemische Oberflächenreaktionen erfolgen, beispielsweise auf der Materialoberfläche eines Festkörpers.
Im Fall von Redoxreaktionen benötigen die klassischen elektrochemischen Prozesse in der Regel eine Elektrolyten. Bei der Elektrolyse werden durch elektrischen Strom Redoxreaktionen erzwungen, die aus thermodynamischer Sicht nicht freiwillig ablaufen. Der Elektrolyt liegt im gelösten oder geschmolzenen Zustand vor. Die Elektroden sind mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist bei der Durchführung einer Redoxreaktion kein Elektrolyt erforderlich.
Die erfindungsgemäße Lösung kann vorteilhaft zur Durchführung thermodynamisch freiwillig ablaufender chemischer Reaktionen, also Reaktionen mit negativer freier Enthalpie (ΔG), eingesetzt werden, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die vorliegende Lehre ist dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Reaktant durch das elektrische und/oder elektromagnetische Feld bewegt oder sich in diesem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld befindet und dass der oder die Recktanten effektiv durch Stöße mit angeregten Teilchen, z. B. elektrisch geladenen Teilchen, in einen chemisch angeregten bzw. höher energetischen Zustand versetzt werden. Die Reaktionszone ist so beschaffen, dass sich eine definierte und saubere Atmosphäre einstellen lässt.
Bezüglich der Geometrie der Reaktionszone können unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt werden, entscheidend für die Wahl der Geometrie der Reaktionszone ist die gewünschte chemische Reaktion. Die Geometrie der Reaktionszone wird durch die Form der Elektroden und eventuell durch zusätzliche dielektrische Materialien zwischen den Elektroden vorgegeben. Typische Elektrodenformen sind Platten, Spitzen, Stäbe oder Rohre, wobei es sinnvoll sein kann unterschiedliche Elektroden- bzw. dielektrische Materialformen zu kombinieren. Die Elektroden bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall oder einer Metalllegierung wie z. B. Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Wolfram, Stahl, Messing usw. oder es werden spezielle Widerstandsmaterialien wie z. B. Graphit verwendet.
In der Reaktionszone liegt eine Gasphase vor, die die Reaktionszone zumindest teilweise ausfüllt und die bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Lösung angeregte Teilchen enthält. Die angeregten Teilchen können Atome, Moleküle und Ionen in diversen Anregungszuständen sein, sowie Verbände und geladene Verbände der in der Gasphase enthaltenen Molekel (Molekel sind Elektronen bis Cluster angeregter Teilchen in allen Ausführungsformen).
Die Reaktionszone bzw. der Reaktorraum kann sowohl teilweise als auch vollständig mit einer Gasphase gefüllt sein. Eine vollständige Befüllung mit Gas kommt bei einer reinen Gasphasenreaktion in Betracht.
Die Gasphase kann ein Trägergas enthalten. Wenn ein Reaktant gasförmig oder eine Flüssigkeit mit hohen Dampfdruck ist, können die Gase und Gasgemische sowie die Dämpfe mit Hilfe eines Trägergases in den Reaktorraum definiert und reproduzierbar eingebracht werden. Trägergase können zur Verbesserung der stofflichen Umsetzungen zugesetzt werden. Ein Trägergas nimmt nicht direkt an der chemischen Primärreaktion teil. Die Gasphase kann ausschließlich aus einem Trägergas bestehen, beispielsweise wenn ein in dem Trägergas fein verteilter flüssiger Reaktant umgesetzt wird. Geeignete Trägergase sind beispielsweise Edelgase (z. B. Helium, Argon, Neon, Krypton) und Quenchergase (z. B. Stickstoff, Kohlendioxid usw.).
Die Gasphase kann alternativ auch ausschließlich aus einem oder mehreren gasförmigen Reaktanten bestehen.
Unter einem elektrischen Feld ist in der vorliegenden Erfindung ein Feld zu verstehen, das im Spannungsfeld zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden entsteht. Ein elektromagnetisches Feld liegt vor, wenn das Gas in der Reaktionszone durch den erzeugten Stromfluss angeregt wird und eine Strahlungsemission auftritt, z. B. im sichtbaren Spektrum oder im UV-, NIR-, IR-Spektrum. Die Steuerung/-Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann innerhalb der Anordnung bezüglich der Intensität der Leuchterscheinung integral oder bezüglich bestimmter emittierter Wellenlängen erfolgen.
Nachfolgend werden vorteilhafte Prozessparameter in speziellen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung unter Zuhilfenahme von Figuren beschrieben.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die zwischen den Elektroden des Reaktors eingestellte Feldstärke im Bereich von 0,5–200 kV/mm, mehr bevorzugt 0,5–50 kV/mm.
Die Feldstärken in der Reaktionszone können folgendermaßen bestimmt werden:
Homogenes elektrisches Feld (Plattenkondensator):

E = Ud

Dabei ist d der Abstand zwischen den Platten und U die Spannung zwischen den beiden Platten.
Elektrisches Feld im Zylinderkondensator:
E elektrische Feldstärke im Kondensator, U zwischen den Zylindermänteln anliegende elektrische Spannung, Q im Kondensator gespeicherte elektrische Ladung, R₁ Radius des inneren Zylindermantels, R₂ Radius des äußeren Zylindermantels, I Höhe der Zylindermäntel, ε₀ elektrische Feldkonstante und ε_r Permittivitätszahl des Dielektrikums. Ein realer Zylinderkondensator kann aus zwei Rohren bestehen (deren Wände im Gegensatz zum Zylindermantel nicht unendlich dünn sind), wobei dann R₁ Außenradius des inneren Rohrs und R₂ Innenradius des äußeren Rohres sind.
Jede Spitze kann man sich näherungsweise als Kugeloberfläche mit einem kleinen Radius r vorstellen. Ist die Spitze Teil eines Leiters, der unter von außen aufrechterhaltener Spannung U steht, wird daraus E = Ur
Um für diese Anordnung die Feldstärke an jedem Punkt zwischen den Elektroden bestimmen zu können, kann man näherungsweise auch die Gleichung zur Ermittlung der Feldstärke in einer Zylinderanordnung verwenden.
Die Feldstärke ist in der Reaktionszone nur dann homogen, wenn die Reaktionszone durch planparallele Platten begrenzt ist. Für diesen Fall kann die Feldstärke einfach durch den Wert des Spannungsfalles über der Reaktionszone und dem Abstand zwischen Anfang und Ende der Reaktionszone 3 und der Barrieren 1 berechnet werden.
Bei jeder Anordnung, wie beispielhaft in 1 skizziert, ist es wichtig, dass man den Feldstärkebereich durch die entsprechende geometrische Anordnung der Reaktionszone ermittelt.
In Abhängigkeit der Elektrodengeometrie 2 erhält man unterschiedliche Differenzen zwischen maximaler und minimaler Feldstärke. Im Fall von der Plattenanordnung der Elektroden ist die Differenz idealer Weise null.
Im Plattenkondensator lassen sich ausgehend von Spannungen bis 10 kV und Elektrodenabständen von 0,1 mm maximale Feldstärken in der Reaktionszone von höchstens 100 kV/mm erzeugen. Dagegen kann die Feldstärke in der Spitze Platte Anordnung in unmittelbarer Nähe der Spitze Werte bis zu 10 MV/mm annehmen, insofern man für die Spitze einen Krümmungsradius von 1 um ansetzt und davon ausgeht das die Gegenelektrode hinreichend weit von der Spitze entfernt ist.
Wichtig ist, dass die Feldstärke mit steigender Anzahl an Ladungsträgern in der Reaktionszone kleiner wird. Wenn die Stromdichte einen kritischen Wert in der Reaktionszone übersteigt, führt das dazu, dass sich die Entladung als Folge der sogenannten Raumladungseffekte auf wenige stromstarke Entladungskanäle beschränkt. Im Ergebnis können keine homogenen Reaktionsbedingungen gewährleistet werden.
Ein Gegenstand dieser Erfindung ist die Einstellung homogener Reaktionsbedingungen, insbesondere für homogene Reaktionen an Festkörperoberflächen.
Die Frequenz des angelegten Wechselfeldes (Frequenzanpassung) kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Übliche im Rahmen der Erfindung gewählte Werte liegen im Bereich von 80–100 kHz.
Das Wechselfeld kann kontinuierlich oder diskontinuierlich (gepulst) angelegt werden, wobei man ein gepulstes Wechselfeld vorteilhaft zur Steuerung des Energieeintrages in die Reaktionszone nutzen kann. Das sogenannte Tastverhältnis bei gepulsten Wechselfeldern ist folgendermaßen definiert: g [%] = ti/T × 100

g: = Tastverhältnis,
t_i: = Impulsdauer,
T: = Periodendauer

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Tastverhältnis 0,1% bis 10%, vorzugsweise 0,1%–5%.
Die Temperatur in der Reaktionszone kann prinzipiell frei gewählt werden, sollte jedoch an die durchzuführende Reaktion bzw. die Temperaturempfindlichkeit der Recktanten und Reaktionsprodukte angepasst werden. Es können durch externe Temperaturregelung oder durch Anpassen anderer Prozessparameter, insbesondere des Tastverhältnisses, sowohl tiefe als hohe Temperaturen eingestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Reaktionstemperatur im Bereich von 0°C bis 100°C gewählt. In einer anderen vorteilhaften Variante des Verfahrens können Reaktionen bei Raumtemperatur durchgeführt werden.
Der Druck im Reaktorraum ist beliebig wählbar und besonders geringe Drücke oder ein Vakuum ist nicht erforderlich. In vorteilhaften Ausführungsformen beträgt der Druck in der Reaktionszone mehr als 100 mbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform führt man das Verfahren bei Atmosphärendruck, d. h. dem Umgebungsluftdruck, durch. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird die Reaktionszone zur Entfernung von Reaktionsprodukten und/oder zur Nachführung von Recktanten mit mindestens einem Gas durchströmt, dabei bezieht sich die Druckangabe auf den Gesamtdruck, welcher immer die Summe aus statischen und dynamischen Druck ist.
Die Art, Menge und Mengenverhältnisse der Ausgangsstoffe, z. B. die Zusammensetzung des Gasstroms, sowie die Prozesszeit werden je nach gewünschter Reaktion und gewünschtem Umsetzungsgrad gewählt.
Beispielhaft zu nennende, gasförmige Reaktanden sind Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Schwefelhexafluorid, Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, niedermolekulare organische Verbindungen, metallorganische Verbindungen u. a. der Elemente des Siliziums, Aluminiums und Titans, Verbindungen des Phosphors, Verbindungen des Siliziums, Verbindungen des Bors, sowie die Dämpfe von Flüssigkeiten oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Verbindungen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erzielt man minimale Gradienten der Ladungsträgerdichte in der Reaktionszone bzw. in der Gasphase, die in der Reaktionszone vorhanden ist. Die Stromdichte in der Reaktionszone wird begrenzt und die Entladungen, z. B. in Form von Leuchterscheinungen, im Reaktorraum werden homogenisiert. Die Entladung findet somit nicht durch einzelne Entladungskanäle statt sondern erfüllt den gesamten Reaktorraum. Dadurch werden besonders homogene Reaktionsbedingungen im gesamten Reaktorraum geschaffen. Im Fall einer Oberflächenreaktion an einem Feststoff erhält man eine sehr gleichmäßige, definierte und reproduzierbare chemische Reaktion über die gesamte Oberfläche.
Zur Verwirklichung des minimalen Gradienten der Ladungsträgerdichte in der Reaktionszone und somit zur Erzeugung homogener Reaktionsbedingungen begrenzt man in der Reaktionszone den Stromfluss bzw. die Entladungen mit Stromdichten von größer Null bis maximal 100 mA_rms/cm².
Die Stromdichte selbst ist indirekt bestimmbar, dazu ist prinzipiell eine reguläre Strommessung erforderlich. Um die Stromdichte zu bestimmen, teilt man die gemessene Stromstärke durch die jeweilige Elektrodenfläche (bekannt durch Konstruktion der Elektrodengeometrie). Auf diese Weise erhält man jedoch noch keine Information über die Homogenität der Stromdichte. Um die Homogenität der Stromdichte beurteilen zu können, unterteilt man die Elektrode, an welcher man den Strom messen möchte in mehrere von einander isolierte Teilbereiche und misst die Ströme auf den Teilflächen.
Erfindungsgemäß wird für die Realisierung möglichst homogener Reaktionen an Festkörperoberflächen eine Lösung bevorzugt, bei welcher im Rahmen der Messunsicherheiten die Teilstromdichten gleiche Beträge haben und damit genauso groß sind wie die Gesamtstromdichte der betrachteten Elektrode.
Die homogene Entladung, bei der in der Reaktionszone keine stromstarken Entladungskanäle auftreten, wird durch die Begrenzung der Stromdichte erreicht.
Das Begrenzen der Stromdichte kann auf verschiedenen, technischen Wegen erreicht werden, wobei nachfolgend einige Varianten beispielhaft beschrieben sind. Prinzipiell können auch unterschiedliche Varianten kombiniert werden.

1. An-/Aufbringen von mindestens einem dielektrischen Material auf mindestens einer der elektrisch leitfähigen Elektroden, dabei sollte die Permittivitätszahl des dielektrischen Materials im Bereich von 1 bis 10 liegen. Die Reaktionszone ist dann der Raum zwischen dem dielektrischen Material und der anderen, verbleibenden, elektrisch leitfähigen Elektrode bzw. zwischen dem anderen dielektrischen Material.
2. Einbringen von mindestens einem dielektrischen Material zwischen die elektrisch leitenden Elektroden, dabei sollte die Permittivitätszahl des dielektrischen Materials kleiner als 10 sein. Die Reaktionsszone ist dann der Raum zwischen dem dielektrischen Material und den elektrisch leitfähigen Elektroden bzw. der Raum zwischen den dielektrischen Materialien.
3. Erzeugen eines Magnetfeldes in der Reaktionszone, so dass dieses Magnetfeld senkrecht auf die Bewegungsrichtung der Ladungsträger wirkt, wodurch auf die Ladungsträger eine Kraft entsteht die senkrecht zum Magnetfeld und der Bewegungsrichtung wirkt (Lorentz-Kraft). Diese Kraft bewirkt eine Ablenkung der Flugbahn insbesondere der Elektronen, wodurch sich deren Flugbahn verlängert, was dazu führt, dass diese Elektronen auf dem Weg von einer Elektrode zur anderen öfter stoßen wodurch sich breitere Streukegel bilden, was wiederum einer größeren und gleichmäßiger ionisierten Reaktionszone entspricht, da sich dann mehrere Streukegel überlappen.
4. Aktive Steuerung der Spannungsamplitude, so dass beim Erreichen einer bestimmten Stromdichte/Stromstärke die Spannungsamplitude simultan gesenkt wird und erst wieder erhöht wird, wenn der Strom einen kritischen Wert unterschreitet, dabei werden Reaktionszeiten im ns-Bereich benötigt.

Die dielektrischen Materialien aus den Punkten 1. und 2. können beispielsweise Glas, Keramik, Polymere oder isolierende Verbundwerkstoffe sein.
Die Permittivitätszahl eines Dielektrikums kann folgendermaßen definiert werden:
Füllt man ein elektrisches Feld mit einem nichtleitenden Stoff also einem dielektrischen Material, so wird ein Teil der Flussdichte D durch Polarisation des dielektrischen Materials gebunden. Die Feldstärke sinkt so vom Anfangswert E₀ auf einen neuen Wert E, bei gleicher Flussdichte D. Das Verhältnis beider Feldstärken nennt man Permittivitätszahl ε_r.
Die zuvor genannten Vorteile der homogenen Stromentladung in der Reaktionszone und somit der homogenen Reaktionsbedingungen können in einer weiteren Variante der Erfindung auch dadurch erzielt werden, dass man ein sogenanntes Quenchgas in den Reaktor gibt. Ein Quenchgas dämpft in der vorliegenden Erfindung das Entstehen von Entladungen mit Stromdichten von größer als 100 mA_rms/cm².
Die Art des Quenchgases kann frei gewählt werden, solange es in der Lage ist, Elektronen einzufangen. Geeignete Quenchgase sind beispielsweise Kohlendioxid, Methan oder Sauerstoff. Die Art und Menge des Quenchgases wird so gewählt, dass die erwünschte Stromdichte im Reaktorraum eingestellt wird.
Die zuvor genannten Vorteile der homogenen Entladung in der Reaktionszone und damit homogener Reaktionsbedingungen können genutzt werden, wenn sicher gestellt ist, dass das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge der Molekel in der Gasphase der Reaktionszone zum Elektrodenabstand im Bereich 10/1 ... 1/1.000.000 liegt. Die mittlere freie Weglänge ist die Strecke, die ein Molekel zwischen zwei Stößen im Mittel zurücklegen kann. Die mittlere freie Weglänge l kann wie folgt ermittelt werden:

k: – Bolzmann-Konstante;
T: – absolute Temperatur (der Reaktionszone);
d: – Durchmesser eines Gastellchens;
p: – Druck in der Reaktionszone

Zur Veranschaulichung des beschriebenen Bereiches für das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge zu Elektrodenabstand werden exemplarische zwei mögliche Ausführungsvariante näher betrachtet.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Temperaturen von 600 K, Durchmessern der an der Reaktion beteiligten Moleküle von 100 pm und Drücken von 10000 Pa gearbeitet. Nach der zuvor genannten Gleichung ergibt sich für das Molekül, mit dem die chemische Reaktion erfolgt, eine mittlere freie Weglänge von
Der Elektrodenabstand beträgt in dieser Verfahrensvariante 0,1 mm, wodurch sich ein Verhältnis von mittlerer freier Weglänge zu Elektrodenabstand von 18 μm/0,1 mm = 1/5 ergibt.
In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, Verfahren wird mit Temperaturen von 293 K, Durchmessern der an der Reaktion beteiligten Moleküle von 600 pm und Drücken von 200.000 Pa gearbeitet. Nach der zuvor genannten Gleichung ergibt sich für das Molekül mit dem die chemische Reaktion erfolgt, eine mittlere freie Weglänge von
Der Elektrodenabstand beträgt in dieser Verfahrensvariante 1 mm, wodurch sich ein Verhältnis von mittlerer freier Weglänge zu Elektrodenabstand von 12 nm/1 mm = 1/83000 ergibt.
Bei der Bestimmung des Elektrodenabstands zählt ein dielektrisches Material auf der Elektrode als Bestandteil der Elektrode. Bei Verwendung mehrerer dielektrischer Materialien zwischen den Elektroden sind die Elektrodenabstände bzw. die Breiten der Reaktionszonen die Abstände zwischen den dielektrischen Materialien.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Lösung anhand beispielhafter Reaktionen ergänzend erläutert.
A) heterogene Reaktionen, wie polymeranaloge Umsetzungen
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist einer der Recktanten ein Feststoff aus Polymer oder ein Feststoff mit einer Oberfläche aus Polymer. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Polymermaterial insbesondere die polymere Oberfläche dauerhaft, definiert und gezielt chemisch verändert werden. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren können gezielte polymeranaloge Umsetzungen und chemische Reaktionen am Polymermaterial vorgenommen werden.
Die weiteren Recktanten mindestens aber ein Reaktant zur Umsetzung mit dem Polymer können in Festphase, Flüssigphase vorliegen oder gasförmig sein. Bevorzugt ist die Umsetzung des Feststoffs auf Polymer oder des Feststoffes mit polymerer Oberfläche mit einem Recktanten, der mit dem Trägergas in die Reaktionszone eingebracht wird.
Wendet man das Verfahren auf Polymere an, so erfolgt eine Aktivierung der Polymerkette durch die Einwirkung angeregter Teilchen, z. B. elektrisch geladenen Teilchen, und die dadurch bewirkte Bildung chemisch reaktiver Zentren an der Polymerkette. Diese reagieren mit den reaktiven Spezies des anderen Recktanten. Die erzeugte polymeranaloge Umsetzung ist gekennzeichnet dadurch, dass sie dauerhaft ist und somit die eingeführten funktionellen Gruppen chemisch an die Polymerketten gebunden sind.
Bezogen auf den Stand der Technik, wo die Oberflächenbehandlung von Polymeren unter Anwendung von Niederdruckplasma oder nur an anorganischen Pulvermaterial erfolgt, zeichnet sich die vorgestellte Lösung dadurch aus, dass nicht nur ein Reinigungs- bzw. Aktivierungsprozess mit zeitlich begrenzter Beständigkeit erfolgt, sondern die chemische Veränderung der Polymerstruktur langlebig ist, durch Waschprozesse nicht entfernt werden kann und somit über einen langen Zeitraum stabil bleibt. Im Stand der Technik müssen die Materialien immer kurzfristig nach der Behandlung weiterverarbeitet werden, da der erzielte Behandlungseffekt nachlässt. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik auch dadurch aus, dass gezielt selektiv und spezifisch chemische Reaktionen an der Polymerstruktur durchgeführt werden. Die Art der funktionellen Gruppen wird gesteuert. Nicht alle möglichen Gruppen werden willkürlich an der Polymerkette erzeugt.
Laut Stand der Technik können gezielte Funktionalitäten nur durch nachfolgende nasschemische Reaktionen eingeführt werden wie beispielsweise Hydroxylgruppen durch Umsetzung der unspezifischen Funktionalisierungen aus der Niederdruckplasma-Behandlung durch Reduktion mit Diboran in Tetrahydrofuran. Da durch die nasschemischen Prozesse echte chemische Bindungen zwischen polymeren Rückgrat und Funktionalisierung erreicht werden, sind die Veränderungen dauerhaft.
Vorstehend wurde eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ????/Anordnung ??? beschrieben, mit der man eine besonders homogene Entladung in der Reaktionszone und besonders homogene Reaktionsbedingungen erhält, indem man auf mindestens einer der Elektroden, die Stromdichte auf Werte von größer Null bis maximal 100 mA_rms/cm² begrenzt. Wendet man diese Reaktionsbedingungen auf einen polymeren Feststoff oder einen Feststoff mit polymerer Oberfläche an, so erhält man eine sehr homogene, gleichmäßige und reproduzierbare chemische Umsetzung über die gesamte Oberfläche. Somit wird ein Feststoff erhalten, der über die gesamte Oberfläche, die bei porösen Feststoffen auch die Poren einschließt, sehr gleichmäßig und homogen chemisch verändert ist. Beispielsweise besteht die chemische Veränderung in der Einführung mindestens einer funktionellen Gruppe, die beispielsweise ausgewählt ist aus Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Hydroxyl-, Thiol-, Amino- Nitro-, Nitroso-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat-, Sulfoxid-, Sulfon-, Sulfonsäure-, Aldehyd-, Keton-, Carboxyl-, Amid-, Estergruppe. Es können auch Reaktionsprodukte entstehen, die beispielsweise die Elemente Phosphor, Bor, Silicium, Aluminiu, Titan und die Halogene enthalten.
Der polymere Feststoff bzw. der Feststoff mit polymerer Oberfläche kann porös oder unporös sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der zuvor beschriebenen Reaktion ist der polymere Feststoff bzw. der Feststoff mit polymerer Oberfläche porös und gekennzeichnet durch Poren mit Porendurchmesser von 1–10.000 nm, vorzugsweise 10–3000 nm.
Als Recktanten können beispielsweise poröse Membranen oder poröse Pulver eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein polymerer Feststoff in Form von Partikeln eingesetzt und kann durch das Verfahren chemisch verändert werden. Die Partikelgröße der Partikel kann 3 bis 1000 μm betragen. In der vorliegenden Erfindung werden polymere Feststoffe aus Polymerpartikeln dieser Größenordnung auch als Polymerpulver bezeichnet. Bei den Polymerpulvern handelt es sich um Polymerpulver oder Pulverpartikel mit mindestens einer polymeren Partikeloberfläche und einem anderen Kernmaterial.
In eine Ausführungsform wird die chemische Reaktion mit den Polymeren bei Atmosphärendruck durchgeführt.
Die Reaktionstemperatur ist prinzipiell frei wählbar, wird aber dem jeweils verwendeten polymeren Feststoff angepasst. In speziellen Ausführungsformen wird die Reaktion bei maximal 60°C durchgeführt, noch mehr bevorzugt bei Raumtemperatur. Besonders häufig verwendete Bedingungen sind eine Temperatur von bis zu 60°C oder Raumtemperatur und Atmosphärendruck.
Pulverförmiger polymerer Feststoff kann kompakt (ohne Bewegung während der Reaktion) in die Reaktionszone gepackt werden oder durch die Reaktionszone bewegt werden, je nach Korngröße bzw. Korngrößenverteilung. Es ist keine kontinuierliche Förderung des Feststoffs mittels Fördereinrichtungen im Reaktionsraum notwendig. Eine Packung im Reaktor bietet sich nur an, wenn die Partikelgröße > ca. 250 μm ist. Für kleine Korngrößen ist die Bewegung durch die Reaktionszone vorteilhafter.
Im Fall eines pulverförmigen polymeren Feststoffs ist keine Umwälzung des Schüttgutes erforderlich, da in der Reaktionszone besonders homogene Reaktionsbedingungen einstellbar sind, wie oben beschrieben. Sofern dennoch erwünscht kann eine Umorientierung der Pulverpartikel in Richtung der Elektroden dadurch erfolgen, dass vorrangig dielektrische Materialien behandelt werden. Diese laden sich im elektrischen Feld auf. Wenn Packungsdichte, Materialdichte und Korngrößen gering genug sind, erfolgt eine Ausrichtung der Pulveroberfläche in Richtung der Elektroden ganz ohne zusätzliche Rütteltechnik.
Das polymere Material kann thermoplastisch aber auch duroplastisch oder elastisch sein. Das Polymer ist auch ansonsten in seinen Eigenschaften nicht beschränkt. Es können Polymere mit einem organischen Grundgerüst aber auch anorganische Polymere wie beispielhaft Silikone, Polykieselsäuren, amorphe Gläser eingesetzt werden.
Gängige Polymere wie Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, wie Polyethylenterephthalat, Polyamide, Polyvinyle, Polysulfide, Polysulfone, Polysaccharide wie Cellulose, Polysiloxane, Polysilane, Polyphosphazene, Polyphosphate, Polysulfazene sowie entsprechende Copolymere, Terpolymere usw. können verwendet werden.
Die funktionellen Gruppen sind nicht besonders beschränkt. Beispielhaft zu nennen sind funktionelle Gruppen basierend auf den Elementen Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Silizium, Titan, Aluminium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Brom, und Jod.
Der gasförmige Reaktant ist ebenfalls nicht besonders beschränkt. Beispielhaft zu nennen sind Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Schwefelhexafluorid, Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, niedermolekulare organische Verbindungen, metallorganische Verbindungen u. a. der Elemente des Siliciums, Aluminiums und Titans, Verbindungen des Phosphors, des Siliziums sowie des Bors, oder einer Mischung aus zwei oder mehr dieser Gase.
Weiterhin können auch Flüssigkeiten oder Feststoffe als Recktanten für die Umsetzung der polymeren Feststoffe eingesetzt werden.
Ein mögliches Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäß hergestellten/funktionalisierten Pulver ist der Einsatz als Trennmaterialien für chromatographische Prozesse sowohl im analytischen Bereich als auch bei der Prozesschromatographie. Wesentliche Voraussetzung ist, dass die funktionellen Gruppen chemisch fest an die Polymerkette gebunden sind und somit nicht durch Waschprozesse aus dem Pulvermaterial herausgelöst oder abgewaschen werden können. Diese Anforderung wird durch die vorliegende Erfindung erfüllt.
Die klassischen Pulvermaterialien werden durch Emulsionspolymerisation entsprechender Monomere wie Styrol/Divinylbenzol, Acrylamid/Methylmethacrylat usw. hergestellt. Durch nasschemische polymeranaloge Umsetzungen mit konzentrierter Schwefelsäure können sulfogruppenhaltige Trennmaterialien hergestellt werden. Die Einführung von Aminogruppen ist mit einer zweitstufigen polymeranalogen Umsetzung über die Chlormethylen-Funktionalisierung und anschließender Reaktion mit Aminen möglich.
B) Synthese von Ammoniumnitrat
Das vorgestellte Verfahren kann auch eingesetzt werden, um Ammoniumnitrat aus den Recktanten Ammoniak und Sauerstoff zu synthetisieren. Bei der klassischen technischen Herstellung von Ammoniumnitrat wird Ammoniak mit Salpetersäure umgesetzt. Die Salpetersäure wiederum muss zunächst durch Oxidation von Ammoniak hergestellt werden (10% Ammoniak in Luft bei 850°C und 5 bar Druck mit Platin/Rhodium-Katalysator). Der wesentliche Vorteil der Synthese von Ammoniumnitrat im elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld ist, dass es sich um Einstufenreaktion handelt.
C) Synthese von Methan zum großtechnischen CO₂-Recycling/als chemischer Energiespeicher
Das vorgestellte Verfahren kann auch eingesetzt werden, um Methan aus den Recktanten Kohlendioxid und Wasserstoff zu synthetisieren. Bei der klassischen technischen Herstellung von Methan nach dem Sabatier-Prozess wird Kohlendioxid mit Wasserstoff bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck beispielsweise in Gegenwart eines Nickelkatalysators umgesetzt. Der wesentliche Vorteil der Synthese von Methan im elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld ist, dass sie im Bereich der Raumtemperatur und bei Atmosphärendruck durchgeführt werden kann.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt einen Reaktor, der für das vorangehend beschriebene Verfahren eingesetzt werden kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Der erfindungsgemäße Reaktor umfasst eine mit mindestens zwei Elektroden versehene Reaktionskammer, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge eines in die Reaktionskammer eingebrachten Gases zum Abstand der Elektroden 10/1 bis 1/1.000.000 beträgt und dass sich zwischen den Elektroden ein dielektrisches Material mit einer Permittivitätszahl kleiner 10 befindet. Die Merkmale des Reaktors wurden bereits zuvor bei der Beschreibung des Verfahrens erläutert.
Spezielle Ausführungsformen des Reaktors sind in den Beispielen beschrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert, wobei diese Beispiele in keiner Weise als Beschränkung der allgemeinen Idee der Erfindung auszulegen sind, wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen dargelegt ist.
Für die aufgeführten Beispiele erfolgte die erforderliche Stromversorgung mit einem entsprechenden Generator. Die Frequenz kann im Bereich von 4–500 kHz geregelt werden. Der Strom beträgt 10–200 mA_rms pro Entladungspuls, wodurch die Stromdichten in dem vorgestellten Verfahren zwischen 0,01–100 mA_rms/cm² liegen.
Für die Beispiele 1–2 wurde der Reaktor Typ 1 eingesetzt. Der Reaktor Typ 1 ist eine geschlossenes System, wobei eine Wand des Reaktorraumes eine glasisolierte Masseelektrode bildet. Verwendet wird dieser Reaktortyp überwiegend für chemische Reaktionen an flächigen Feststoffen und zur Synthese von Materialien aus fluiden Ausgangsmaterialien. Die gesamte Behandlungsfläche kann beliebig groß gewählt werden. Die Hochspannungselektrode ist in der Höhe verstellbar. Als Hochspannungselektroden kommen je nach gewünschter Reaktion unterschiedliche Ausführungen in Frage. Für die Umsetzung von Fluiden existiert eine Kammelektrode. Für das Cracken, polymeranaloge Umsetzungen bzw. Polymerisierungsreaktionen, existiert auch eine glasisolierte Flächenelektrode, der gesamte Reaktoraufbau entspricht dann dem des Zylinderreaktors, wobei die Elektroden hier unendlich große Krümmungsradien besitzen. Um Einfluss auf den Feldstärkegradienten zwischen den Elektroden ausüben zu können, existieren weitere Elektroden, bei denen auf einem Metallstab ein Glasrohr angebracht ist. Dieser Reaktortyp kann auch als offenes System mit leichtem Überdruck betrieben werden, um die beim Prozess entstehenden gasförmigen Produkte aus dem Reaktionsraum herauszutreiben.

Für die Beispiele 3–4 wurde der Reaktor Typ 2 eingesetzt. Der Reaktor Typ 2 eignet sich für pulverförmige Ausgangsstoffe mit Partikeldurchmessern von < 1000 Mikrometern. Im Radialbetrieb wurden eine innere glasisolierte Elektrode (HV-Elektrode) und eine äußere glasisolierte Elektrode eingesetzt. Der Elektrodenabstand im Reaktionsraum kann 0,1 bis max. 30 mm betragen. Der Zylinderradius kann prinzipiell beliebig groß gewählt werden. Im statischen und dynamischen Betrieb können gepackte Schüttgüter oder durchströmende Materialien zur Reaktion gebracht werden. Beispiel 1 – Synthese von Ammoniumnitrat im Reaktor Typ 1

Feldstärke in der Reaktionszone:	1–30 kV/mm
Stromdichte in der Reaktionszone:	2–200 mA_rms/cm²
	rms = root mean square (Effektivwert)
Frequenzanpassung:	80–100 kHz
Verhältnis der mittleren freien Weglänge zu Elektrodenabstand	1/500–1/20000
Permittivitätszahl	6

Ausgangsstoffe: Durch ein gasdichtes Gefäß mit gesättigter Ammoniumhydroxidlösung (Konzentration Ammoniak 25% in Wasser) wird Sauerstoff mit 100 sccm geleitet. Das erhaltene Gasgemisch aus Sauerstoff, Ammoniak und Wasserdampf wird durch das elektrische Feld geleitet.
Prozesszeit: beliebig
Die dem Prozess zugeführte elektrische Energie beträgt ca. 0,02 kWh bzw. 65 kJ/(g × h).
Hochvolt(HV)-Elektrode: Kammelektrode

Im Ergebnis wurde Ammoniumnitrat gewonnen. Die stoffliche Analyse des Reaktionsproduktes erfolgte an Hand des IR-Spektrums (2) sowie der Durchführung der spezifischen Nachweisreaktionen auf Ammoniumionen (Fällung von Ammoniumiodat) und auf Nitrationen (Ringprobe). Beispiel 2 – Polymerisation von Acrylsäure im Reaktor Typ 1

Feldstärke in der Reaktionszone:	1–15 kV/mm
Stromdichte in der Reaktionszone:	1–10 mA_rms/cm²
Frequenzanpassung:	80–100 kHz
Verhältnis der mittleren freien Weglänge zu Elektrodenabstand	1/10000–1/60000
Permittivitätszahl	6

Ausgangsstoffe: beliebiges Trägergas, das Trägergas wird mit Acrylsäure angereichert.
Prozesszeit: beliebig
Die dem Prozess zugeführte elektrische Energie beträgt ca. 0,004 kWh bzw. 14 kJ
HV-Elektrode: glasisolierte Flächenelektrode

Die durch die Polymerisation entstandene Polyacrylsäure wurde auf Trägermaterial aufgefangen. Im Gegensatz zur klassischen Polymerisation von Acrylsäure werden keine zusätzlichen Initiatoren benötigt. Beispiel 3 – Synthese von Carbonsäuren durch oxidatives Cracken von langkettigen Alkanen im Reaktortyp 2

Feldstärke in der Reaktionszone:	1–5 kV/mm
Stromdichte in der Reaktionszone:	0,3–0,5 mA_rms/cm²
Frequenzanpassung:	80–100 kHz
Verhältnis der mittleren freien Weglänge zu Elektrodenabstand	1/500–1/8000
Permittivitätszahl	6

Ausgangsstoffe: beliebiges Trägergas angereichert mit Sauerstoff, im Reaktor befinden sich in lose gepackter Form ein langkettiges Alkan z. B. ca. 1,8 g Polyethylenpulver
Prozesszeit: beliebig
Die dem Prozess zugeführte elektrische Energie beträgt ca. 0,007 kWh bzw. 25 kJ
Mittels Headspace-GCMS-Analyse konnte als Hauptreaktionsprodukt Ameisensäure nachgewiesen werden (3).

Feldstärke in der Reaktionszone:	0,5–3 kV/mm
Stromdichte in der Reaktionszone:	0,2–0,4 mA_rms/cm²
Frequenzanpassung:	80–100 kHz
Verhältnis der mittleren freien Weglänge zu Elektrodenabstand	1/500–1/10000
Permittivitätszahl	6

Ausgangsstoffe: 2000 sccm Stickstoff werden durch mit feinen Polyethylenkörnchen kompakt gepackte Reaktionszone geführt.
Prozesszeit: beliebig

Mittels chemischer Nachweisreaktionen, IR-Spektroskopie und XPS-Analyse konnte eindeutig die Einführung von Aminogruppen an die Ethyleneinheiten nachgewiesen werden. Gegenüber den klassischen Synthesemethoden werden keine Lösungsmittel benötigt und es ist eine Einstufenreaktion. Auf 100 C-Atome kommen 8 Stickstoffatome. Dies entspricht einem Copolymeranteil an Polyaminoethylen von 16%.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0095181 A1 [0004]
- WO 2005/046861 A [0005]
- DE 10313870 A1 [0006]

Claims

Anordnung zur optimierten Durchführung von chemischen Reaktionen, wobei mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld sowie einem elektrischen Strom ausgesetzt ist, an den Elektroden ein Wechselfeld anliegt und in der Reaktionszone eine Gasphase gegeben ist, welche die Reaktionszone zumindest teilweise ausfüllt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um in der Reaktionszone einen Strom mit einer Stromdichte von größer Null und von kleiner als 100 mA_rms/cm² bereitzustellen, wobei der Gradient der Ladungsträgerdichte innerhalb der Reaktionszone keinen sprunghaften Änderungen unterliegt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im elektrischen Feld der Reaktionszone Elektronen mit Elektronenenergien von 2 bis 25 eV vorhanden sind.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Elektroden mindestens ein dielektrisches Material mit einer Permittivitätszahl kleiner 10 in Richtung der Reaktionszone befindet.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte auf mindestens einer der Elektroden größer Null und kleiner als 100 mA_rms/cm² ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke zwischen den Elektroden im Bereich von 0,5 bis 200 kV/mm, insbesondere bevorzugt 0,5–50 kV/mm liegt.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass darin die Dissoziation bzw. Bindungsspaltung von Teilchenverbänden bzw. Molekülen mit molaren Dissoziations- bzw. Bindungsenthalpien bis 2500 KJ/mol möglich ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionszone ein Quenchgas befindlich ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge der Gasteilchen in der Reaktionszone zum Elektrodenabstand 10:1 bis 1:1.000.000 beträgt.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Reaktionszone vorliegende oder erzeugte Feld ein gepulstes Feld ist.
Anordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass diese für heterogene sowie homogene Reaktionen geeignet ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Recktanten ein Feststoff aus Polymer oder ein Feststoff mit einer Oberfläche aus Polymer ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff porös ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff in Form von Partikeln vorliegt.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße des Feststoffs 3 bis 1000 Mikrometer beträgt.
Reaktor für eine Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Reaktionskammer mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, wobei das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge eines in die Reaktionskammer eingebrachten Gases zum Abstand der Elektroden 10:1 bis 1:1.000.000 beträgt und dass zwischen den Elektroden mindestens ein dielektrisches Material mit einer Permittivitätszahl kleiner 10 zur Begrenzung der Stromdichte auf Werte größer Null und kleiner 100 mA_rms/cm² befindlich ist.