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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zersetzung
einer organischen Verbindung mit einer geringen Umweltbelastung,
einer hohen Zersetzungsrate und vorteilhafter Zersetzungsmenge.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Kürzlich wurde
auf verschiedene Substanzen hingewiesen, die eine hohe Fähigkeit
aufweisen, zu Umweltshormonen zu werden und ein neues Umweltproblem
verursachen, solche Substanzen wie Bisphenol A, das ein Rohmaterial
für Plastik
ist, Phthalatester, der im Plastik als Weichmacher enthalten ist,
Dioxin, das entsteht, wenn Müll
verbrannt wird sowie Nonylphenol, das ein oberflächenaktives Mittel ist, das
von Fabriken und Haushalten ausgestoßen wird.
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Eine
bedeutsame Menge der oben genannten organischen Verbindungen ist
bereits mit der umgebenden Atmosphäre, dem Wasser und dem Boden vermischt.
Diese chemischen Verbindungen können im ökologischen
System nicht einfach zersetzt werden. Folglich wird erwartet, dass
sich diese Verbindungen durch Wasserströmungen und durch die Nahrungskette
für eine
lange Zeit auf der ganzen Welt verbreiten. Es wird in Betracht gezogen,
dass dadurch die Verschmutzung der Atmosphäre, des Wassers und des Bodens
bewirkt wird, was den menschlichen Körper beeinträchtigt.
Um diese Situation zu meistern, ist eine Technik, die oben genanten organischen
Verbindungen zu reinigen, höchst
erforderlich.
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Um
die oben genannten organischen Verbindungen aufzubereiten, wurden
eine so genannte Bio-Sanierungsverfahren zur Zersetzung organischen
Materials durch Mikroben im Boden und eine Verfahren zur Zersetzung
der im Wasser enthaltenen organischen Verbindungen durch die Verwendung von
superkritischem Wasser, wie in der japanischen Patentveröffentlichung
10-84947 offengelegt, vorgeschlagen.
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Allerdings
hat die Bio-Sanierungsverfahren das Problem, dass die Zersetzungsgeschwindigkeit der
organischen Verbindungen niedrig ist und dass es erforderlich ist,
den Mikroben so lange kontinuierlich Nährstoffe zuführen zu
müssen,
bis der Abbau der organischen Verbindung abgeschlossen ist. Außerdem besteht
das Problem, dass die abgestorbenen Mikrobenkörper noch vorhanden sind, nachdem die
Zersetzung der organischen Verbindung abgeschlossen ist. Des Weiteren
erfordert das Verfahren der Zersetzung organischer Verbindungen
in Wasser unter Verwendung superkritischen Wassers Großanlagen
und hohen Energieeinsatz und kann wegen der geringen Zersetzungsfähigkeit
nicht in der Praxis umgesetzt werden.
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US-5,004,551
beschreibt einen Prozess der Behandlung von Wasser oder Feststoffen,
die mit mindestens einem chloriertem Phenol kontaminiert sind. Der
Prozess umfasst die Oxidation durch ein Oxidationsmittel, katalysiert
durch einen Corrin- oder Porphyrin-Metallkomplex.
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JP-11-290867
beschreibt ein keramisches Material, hergestellt unter Verwendung
von Vitamin C, das zur Dekontaminierung von Brom-, Chlor-, organischen
Chlorverbindungen und anderen Schadstoffen verwendet werden kann.
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JP-09-278613
lehrt den Gebrauch von Ascorbinsäure
oder dem Salz des Esters davon für
die Zersetzung von Sulfonyl-Harnstoff basierten Herbiziden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Zersetzung organischer Verbindungen zu schaffen, das eine vorzuziehende Effizienz
bei der Zersetzung und eine Zersetzungsmenge mit geringer Umweltbelastung
aufweist.
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Das
Verfahren zur Zersetzung organischer Verbindungen gemäß dieser
Erfindung zersetzt organische Verbindungen durch den Einsatz von
Ascorbinsäure
und/oder Ascorbinsäuresalz
zusammen mit Sauerstoff, wobei
eine wässrige Lösung, die sowohl die zu zersetzende,
organische Verbindung als auch Ascorbinsäure und/oder Ascorbinsäuresalz
enthält,
hergestellt wird und dann
b) Sauerstoff aus Sauerstoffgas und/oder
Luft eingeblasen wird in die wässrige
Lösung,
die in Schritt a) erhalten wurde.
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Ascorbinsäure und
Ascorbinsäuresalz
sind als Vitamin C, das in der Natur vorkommt, wohl bekannt, und
sie gelten als unschädlich.
Dementsprechend ist es durch deren Einsatz möglich, eine schädliche organische
Verbindung zu zersetzen, ohne dabei die Umwelt zu belasten.
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Darüber hinaus
wird die Zersetzung der organischen Verbindung signifikant durch
den Einsatz der oben genannten Substanzen zusammen mit Sauerstoff
unterstützt.
Das bedeutet, dass dieses Verfahren eine hohe Zersetzungseffizienz
bietet und dass es zur Zersetzung großer Mengen organischer Verbindungen
angewandt werden kann. Darüber
hinaus ist das Zersetzungsverfahren sehr einfach und bedarf weder
Großanlagen,
noch großer
Mengen an Energie oder einer komplizierten Handhabung.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt
die Komponenten, die in einer wässrigen
Lösung
von Bisphenol A enthalten sind, vor einer Behandlung unter Verwendung
von L-Natriumascorbat.
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2 zeigt
die Komponenten, die in einer wässrigen
Lösung
von Bisphenol A enthalten sind, nach einer Behandlung unter Verwendung
mit L-Natriumascorbat.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die
Beschreibung richtet sich nun auf Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung. Es ist anzumerken, dass, obwohl die Erklärung sich
auf die Zersetzung organischer Verbindungen bezieht, die vorliegende
Erfindung nicht auf die organischen Verbindungen, die als Beispiel
verwendet werden, beschränkt
ist.
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Das
Verfahren zur Zersetzung organischer Verbindungen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet Ascorbinsäure
und/oder Ascorbinsäuresalz
zusammen mit Sauerstoff, die auf eine zu behandelnde organische
Verbindung aufgebracht werden.
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In
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Sauerstoff und Luft
in eine Lösung
eingeblasen, die Ascorbinsäure
und/oder Ascorbinsäuresalz und
die organische Verbindung enthält.
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Darüber hinaus
ist es unter Betrachtung der Benutzerfreundlichkeit wünschenswert,
ein Ascorbinsäuresalz
wie Natriumsalz hinzuzufügen.
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Die
Ascorbinsäure
und das Ascorbinsäuresalz
können
aus natürlichem
Material extrahiert werden oder auf synthetische Weise gewonnen
werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass Ascorbinsäure, die aus
natürlichem
Material extrahiert wurde, andere Bestandteile enthalten kann, die
jedoch kein besonderes Problem hervorrufen.
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Die
zuzugebenden Mengen der Ascorbinsäure und des Ascorbinsäuresalzes
in Bezug auf eine organische Verbindung unterscheiden sich in Abhängigkeit
von der Menge der organischen Verbindung und der erforderlichen
Effizienz der Zersetzung. Es ist jedoch bevorzugt, dass sie etwa
1/1000 bis zum 1000-fachen der Menge der organischen Verbindung,
noch bevorzugter etwa 1/100 bis zum 100-fachen, betragen.
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Des
Weiteren kann der verwendete Sauerstoff ein Sauerstoffgas, der aus
einem Sauerstoffzylinder zugeführt
wird, sein oder kann der in der Luft enthaltene Sauerstoff sein.
Es ist darauf hinzuweisen, dass mit steigendem Sauerstoffgehalt
die Effizienz der Zersetzung sowie die Zersetzungsmenge zunehmen.
Zudem steigen der Wirkungsgrad der Zersetzung sowie die Zersetzungsmenge
der organischen Verbindung, wenn Sauerstoff in der Lösung gelöst ist,
zum Beispiel wenn die Sauerstoffkonzentration ansteigt bis zur Sättigung.
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Ferner
beträgt
die Temperatur der Zersetzung bevorzugt circa –20°C bis 120°C, bevorzugter circa 0°C bis 60°C und meist
bevorzugt circa 20°C
bis 40°C.
Wenn die Temperatur 120°C überschreitet, wird
eine enorme Energie zur Zersetzung der organischen Verbindung erforderlich.
Darüber
hinaus verlangsamt sich die Zersetzungsgeschwindigkeit bei Temperaturen
unter –20°C drastisch.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass der pH-Wert für die Zersetzung
bevorzugt pH 4 bis pH 11 beträgt.
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Hierin
sind die zu zersetzenden organischen Verbindungen nicht beschränkt auf
bestimmte Verbindungen, aber insbesondere aromatische Verbindungen
wie Nonylphenol, Bisphenol A, Dioxin, polychlorierte Biphenyl, polybromiertes
Biphenyl, Alkylbenzen, Alkylbenzenderivate, Alkylphenol, Alkylphenolderivate,
Phthalatester, Benzophenon, Benzophenonderivate, Benzoesäure, halogenhaltige
Benzenderivate, Cresol, Cresolderivate, aromatische Aminosäure (wie
Phenylalanin), Agrarchemikalien, die einen aromatischen Ring enthalten,
Harz, das einen aromatischen Ring enthält (wie Polystyrol, ABS-Harz,
PET, PC, Phenolharz, Epoxyharz, Polyphenylenoxid, niedermolekulare
Erscheinungsform des Polyphenylenoxids, Polyphenylenoxid-Derivate, und Ähnliche),
Farbstoffe, die den aromatischen Ring enthalten, Aromastoffe und Ähnliche
können
einfach zersetzt werden.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass die oben genannten organischen
Verbindungen mit einer höheren
Zersetzungseffizienz und einer größeren Zersetzungsmenge zersetzt
werden können, wenn
sie der Ascorbinsäure
und/oder dem Ascorbinsäuresalz
und Sauerstoff, die in Wasser enthalten sind, d.h. mittels Wasser,
ausgesetzt werden, als wenn sie unmittelbar der Ascorbinsäure und/oder
Ascorbinsäuresalz
und dem Sauerstoff ausgesetzt werden.
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Falls
des Weiteren die zuvor genannten organischen Verbindungen in einem
Gas vorliegen, wird es bevorzugt, dass die organischen Verbindungen
im Gas in einer wässrigen
Lösung
gelöst
werden, wenn sie der Ascorbinsäure
und/oder dem Ascorbinsäuresalz,
vorzugsweise zusammen mit Sauerstoff, ausgesetzt werden.
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Wie
oben beschrieben wurde, werden die organischen Verbindungen durch
die Anwendung von Ascorbinsäure
und/oder dem Ascorbinsäuresalz,
zusammen mit Sauerstoff zersetzt. Dadurch ist es möglich, für die Umwelt
schädliche
organische Verbindungen unter Verwendung eines Verfahrens zu zersetzen,
das eine hohe Zersetzungseffizienz und eine großen Zersetzungsmenge sowie
eine geringe Umweltbelastung aufweist. Darüber hinaus können unter den
organischen Verbindungen insbesondere jene, die einen aromatischen
Ring besitzen, zersetzt werden.
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Ferner
ist es für
die Zersetzung der oben genannten organischen Verbindungen bevorzugt,
mindestens eine der folgenden Verbindungen hinzu zu fügen: Wasserstoffperoxydlösung, Ozon,
Ammonium, anorganisches Alkali, anorganisches Alkalisalz, anorganische
Säure,
anorganisches Säuresalz,
Porphyrin und Metalloporphyrin.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Menge der oben genannten hinzuzufügenden Substanzen mit
der Art und der Konzentration der zu zersetzenden organischen Verbindung
sowie von der Temperatur während
der Zersetzung variiert. Jedoch die hinzuzufügende Menge beträgt bevorzugt
circa 1/100 bis zum 100-fachen bezogen auf die Ascorbinsäure und/oder
das Ascorbinsäuresalz,
bevorzugter circa 1/10 bis zum 10-fachen.
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Somit
werden durch den Zusatz der oben genannten Substanzen die Zersetzungseffizienz
und die Zersetzungsmenge der organischen Verbindungen erhöht.
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Darüber hinaus
ist für
die Zersetzung einer organischen Verbindung bevorzugt Licht anzuwenden.
Unter Lichteinwirkung erhöhen
sich die Zersetzungseffizienz und die Zersetzungsmenge der organischen
Verbindung.
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Wie
oben beschrieben, ermöglicht
das Verfahren zur Zersetzung organischer Verbindungen gemäß der vorliegenden
Erfindung das Zersetzen schädlicher
organischer Verbindungen, die in Haushalts- und Industrieabwässern, in
den Abwässern
der Kläranlagen,
im Meer, in Flüssen,
im Boden, in Abgasen, Abfällen,
Kompost und dergleichen enthalten sind, mit einer hohen Zersetzungseffizienz
und einer hohen Zersetzungsmenge sowie einer geringen Energie- und
Umweltbelastung. Darüber
hinaus wird des möglich,
organische Verbindungen, die einen aromatischen Ring enthalten,
zu zersetzten.
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Damit
ermöglicht
die vorliegende Erfindung, die Abwasserentsorgung und die Umwandlung
von Abfall in Kompost zu unterstützen,
den Boden und die Atmosphäre
zu reinigen, und damit die Umwelt zu reinigen und zur Ökologie
der Erde beizutragen.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
eine große Menge
organischer Verbindungen zu zersetzen, da die vorliegende Erfindung
eine hohe Zersetzungseffizienz und eine große Zersetzungsmenge bereitstellt. Der
Zersetzungsvorgang ist ziemlich einfach und bedarf weder Großanlagen,
noch großer
Mengen an Energie oder komplizierter Handhabung.
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Als
nächstes
folgen Erklärungen
spezifischer Beispiele zur Zersetzungseffizienz und Zersetzungsmenge
von organischen Verbindungen, wenn das Verfahren zur Zersetzung
der zuvor genannten organischen Verbindungen zur Anwendung kommt.
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Beispiel 1
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Zuerst
wurde Bisphenol A einer wässrigen Lösung aus
10 mM Natriumhydroxid hinzugefügt,
um so eine Konzentration von 2 mM zu erreichen. Als nächstes wurde
L-Natriumascorbat dieser Lösung bis
zu einer Konzentration von 100 mM hinzugegeben. Anschließend wurde
diese Lösung
für vier
Stunden einer blasenbildenden Lufteinblasung unterzogen.
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Als
nächstes
wurden die Verbindungen, die in der oben genannten Lösung enthaltenen
sind und Verbindungen, die in der Bisphenol-A-Lösung enthalten sind, die nicht
der oben genannten Behandlung unterworfen wurde, mit Hilfe der Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie
(HPLC) untersucht. Dabei wurde jeder dieser Lösungen eine Benzoesäurelösung mit
einer vorbestimmten Konzentration zugegeben, in einer Mischung identischer
Anteile Wasser gelöst
und Ethanol als interne Standardflüssigkeit hinzugefügt.
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Eine
Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie-Analyse
der Bisphenol A-Lösung, die
nicht der oben genannten Behandlung unterzogen wurde, führte zu
einem Peak 1 der Benzoesäure und einem Peak 2 des
Bisphenols-A, wie in 1 gezeigt wird. Des Weiteren
führte
eine die HPLC-Analyse der Bisphenol-A-Lösung,
die der oben genannten Behandlung unterzogen wurde zu 2,
in der der Peak 2 des Bisphenols-A gesenkt wurde, was bedeutet, dass
75% des Bisphenols-A zersetzt wurden.
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Darüber hinaus
wurden weitere Peaks zusätzlich
zu Peak 1 der Benzoesäure
und Peak 2 des Bisphenols-A beobachtet. Diese Peaks werden
als Produkte angesehen, die aus der Zersetzung des Bisphenols-A
erhalten werden.
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Beispiel 2
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Zunächst wurde
Nonylphenolethylenoxid hinzugefügt,
um bis zu einer Konzentration von 5 mM gelöst zu werden. Es gilt zu beachten,
dass Nonylphenolethylenoxid zu den oberflächenaktiven Mitteln gehört. Als
nächstes
wurde dieser Lösung
L-Natriumascorbat mit einer Konzentration von 20 mM hinzugefügt. Anschließend wurde
diese Lösung
für 6 Stunden
einer blasenbildenden Lufteinblasung unterworfen. Hierbei wurde
die Wassertemperatur auf 40°C gehalten.
Im Ergebnis wurde festgestellt, dass 52% des Nonylphenolethylenoxids
zersetzt wurde.
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Beispiel 3
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Zunächst wurde
Dodecabromdiphenylether in einem hydrophilen, organischen Lösungsmittel
gelöst,
dazu wurde ein kleiner Anteil Wasser hinzugefügt, um eine Konzentration von
0,01 mM zu ergeben. Als nächstes
wurde dieser Lösung
L-Natriumascorbat
und eine Wasserstoffperoxidlösung
hinzugefügt,
um eine Konzentration von 0,01 mM zu erhalten. Anschließend wurde
diese Lösung
für 12
Stunden einer blasenbildenden Lufteinblasung unterworfen. Hierbei
wurde die Wassertemperatur auf Raumtemperatur gehalten. Im Ergebnis
wurde festgestellt, dass 63% des Dodecabromodiphenylethers zersetzt wurden.
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Beispiel 4
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Zunächst wurde
eine wässrige
Lösung
von Diethylphthalat in einem hydrophilen, organischen Lösungsmittel
gelöst,
dazu wurde ein geringer Anteil Wasser hinzugefügt, um eine Konzentration von
0,05 mM zu erhalten. Als nächstes
wurde dieser Lösung L-Natriumascorbat
hinzugefügt,
um eine Konzentration von 0,01 mM zu erhalten. Anschließend wurde diese
Lösung
für 6 Stunden
einer blasenbildenden Lufteinblasung unterworfen, während die
Lösung
einer Lichtbestrahlung durch eine Hochdruckquecksilberlampe ausgesetzt
war. Hierbei wurde die Wassertemperatur auf Raumtemperatur gehalten.
Im Ergebnis wurde festgestellt, dass 84% der wässrigen Lösung des Diethylphthalat zersetzt
wurden.
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Beispiel 5
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Zunächst wurden
zwei Analyte aus streifenförmiger
Polymilchsäure
in einem Boden vergraben. Einer der beiden blieb unbehandelt. Der
andere wurde mit einer wässrigen
Lösung
von L-Natriumascorbat besprüht
und anschließend
wurde der Boden, der diese Probe enthielt, für drei Tage einer blasenbildenden
Lufteinblasung ausgesetzt. Als Ergebnis wurde die streifenförmige Polymilchsäure, die
der Behandlung von L-Natriumascorbat ausgesetzt war, durch Zersetzung
signifikant deformiert.
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Beispiel 6
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Nachdem
L-Natriumascorbat zugefügt
wurde, um eine Konzentration von 50 ppm zu erhalten, wurde ein kationisches
Flockungsmittel einem kontaminierten Boden, der der Luft-Reifung
ausgesetzt war und einem kontaminerte Boden, der nicht der Luft-Reifung
ausgesetzt war, zugegeben. Anschließend wurden beide Bodenproben
dehydriert. Es ist festzustellen, dass die kontaminierte Erde aus
Hausmüll
stammt. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die Dehydrierungsgeschwindigkeit
der kontaminierten Erde, die mit L-Natriumascorbat behandelt wurde, um
das 1,5-fache höher
war als die desjenigen Bodens, der nicht der Behandlung unterzogen
wurde. Darüber
hinaus war die Kuchenmenge nach der Dehydrierung um 2,5% geringer.
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Beispiel 7
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Zunächst wurden
L-Natriumascorbat und Magnesiumporphyrin einem farbigen Farbstoffabwasser
hinzugefügt.
Hierbei wurde L-Natriumascorbat hinzugefügt, um eine Konzentration von
20 ppm zu erhalten und Magnesiumporphyrin hinzugefügt, um eine
Konzentration von 1 ppm zu erhalten. Anschließend wurde für 2 Stunden
eine blasenbildenden Lufteinblasung durchgeführt. Im Ergebnis wurde die
Entfärbung
des Farbstoffabwassers gefördert.
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Beispiel 8
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Zum
Abwasser einer Halbleiterfabrik, das 80 ppm organischen Kohlenstoff
und 30 ppm einer Wasserstoffperoxidlösung enthielt, wurde zunächst L-Natriumascorbat hinzugefügt, um so
eine Konzentration von 5 ppm zu erreichen. Anschließend wurde
für 1 Stunde
eine blasenbildende Lufteinblasung durchgeführt. Im Ergebnis sanken die
Konzentrationen des organischen Kohlenstoffs und der Wasserstoffperoxidlösung auf
gleich oder unter 10 ppm.
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Beispiel 9
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Zunächst wurde
eine wässrige
Lösung
von L-Natriumascorbat in einer Aufbereitungsmaschine auf Hausmüll gesprüht. Anschließend wurde
der Müll gründlich gerührt, um
ihn mit Sauerstoff zu vermischen. Im Ergebnis wurde die Kompostierungsgeschwindigkeit
im Vergleich zum Stand der Technik verdoppelt.
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Beispiel 10
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Eine
organische Verbindung wurde unter Einsatz von superkritischem Wasser
zersetzt. Dabei wurde L-Natriumascorbat in einer Konzentration von 1/10
bezogen auf die Konzentration der organischen Verbindung zugefügt. Es ist
anzumerken, dass gelöster
Sauerstoff im superkritischen Wasser vorlag. Im Ergebnis wurde die
Zersetzungsgeschwindigkeit der organischen Verbindung um das Doppelte
erhöht.
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Beispiel 11
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Eine
organische Verbindung wurde unter Einsatz von superkritischem Wasser
zersetzt. Dabei wurde L-Natriumascorbat in einer Konzentration von 1/10
bezogen auf die Konzentration der organischen Verbindung zugefügt. Es sollte
angemerkt werden, dass gelöster
Sauerstoff in superkritischem Wasser vorlag. Im Ergebnis wurde die
Zersetzungsgeschwindigkeit der organischen Verbindung um das Doppelte erhöht.
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Wie
aus den oben gegebenen Erklärungen deutlich
hervorgeht, ermöglicht
das Verfahren zur Zersetzung organischer Verbindungen gemäß der vorliegenden
Erfindung die Zersetzung organischer Verbindungen im Hausmüll, im gewerblichem
Abwasser, in den verbleibenden Resten nach der Aufbereitung dieser
Abwässer,
im Meer, Flüssen,
Boden, Abgas, Abfall, Kompost und Ähnlichem mit einer hohen Zersetzungseffizienz
und einer großen
Zersetzungsmenge sowie bei gleichzeitig geringer Umweltbelastung.
Dadurch wird es möglich,
die Abwasserbehandlung und die Abfallkompostierung zu unterstützen, Böden und
Abgase zu reinigen und damit zur Säuberung der Umwelt und der
Erhaltung der Erdökologie
beizutragen.
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Darüber hinaus
kann die vorliegende Erfindung auch für die Zersetzung großer Mengen
organischer Verbindungen angewandt werden, da ihre Zersetzungseffizienz
und ihre Zersetzungsmenge vorzuziehen sind. Außerdem ist das Zersetzungsverfahren sehr
einfach und erfordert keine Großanlagen,
keinen großen
Energieaufwand und keine komplizierte Handhabung.