DE68902530T2

DE68902530T2 - Verfahren fuer die behandlung von organischem abfallmaterial und dazu passende zusammensetzung von oxydationskatalysator und co-katalysator.

Info

Publication number: DE68902530T2
Application number: DE8989402675T
Authority: DE
Inventors: Patrick M Dhooge
Original assignee: Delphi Research Inc
Current assignee: Delphi Research Inc
Priority date: 1988-10-04
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: JPH02139039A; DE68902530D1; CA1336901C; JP2901282B2; US5047224A; EP0363258B1; EP0363258A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Katalysator-Zusammensetzung, die einen Katalysator für die Oxidation organischer Verbindungen, einen Katalysator für die Oxidation von Eisen(II) durch Luft und einen homogenen Co-Katalysator für die Oxidation organischer Verbindungen umfaßt, zur Vergasung organischer Abfallmaterialien.

Hintergrund der Erfindung

Kohlenstoffhaltige Materialien werden oxidiert, wenn sie in einer Lösung suspendiert werden, die Eisen(III)/Eisen(II), Kupfer(II)/Kupfer(I), Chlorid-Ionen, Hydronium-Ionen und einen homogenen Co-Katalysator enthält. Der organische Kohlenstoff wird durch Oxidation mit molekularem Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltenden Gas, einer Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeit oder einem Sauerstoff enthaltenden Feststoff-Gemisch oxidiert.
Das US-Patent 4 105 755 betrifft die Reaktion eines Asche enthaltenden kohlenstoffhaltigen Materials, gegebenenfalls eines organischen Abfallmaterials, mit einem Halogen unter Bildung einer Halogen-Säure und anschließend die Zersetzung der Halogen-Säure zu Halogen (im Kreislauf zurückgeführt) und Wasserstoff. Die Halogen-Säure wird vorzugsweise elektrolytisch zersetzt, wenn dieser Reaktionsschritt als ein von der ursprünglichen Reaktion des Asche enthaltenden kohlenstoffhaltigen Materials mit dem Halogen getrennter Schritt stattfindet.
FR-A-1 336 723 beschreibt die Oxidation organischer Schadstoffe zu Kohlenstoffdioxid unter Verwendung von Sauerstoff in Gegenwart einer Mischung von Kupfer(II)/Kupfer(I)-Ionen und/oder Eisen(III)/Eisen(II)-Ionen und Chlorid-Ionen. Das Patent erwähnt auch die Verwendung von Kupfer-Ionen in Gegenwart von Palladium(II)-Ionen und Chlorid-Ionen, jedoch gibt es keinen Hinweis darauf, daß Palladium irgendeine Wirkung auf die Reaktion hat.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Oxidations-Reaktor-Systems, in dem organisches Abfallmaterial durch Sauerstoff unter Verwendung einer Kombination Oxidations-Katalysatoren/Co-Katalysator oxidiert wird. Die Gesamt-Reaktion ist
C + O&sub2; KATALYSATOR→ CO-KATALYSATOR CO&sub2;↑
Das Verfahren verwendet einen aus mehreren homogenen Co- Katalysatoren, um die Oxidations-Geschwindigkeit der organischen Stoffe zu verbessern und/oder die Aktivierungsenergie für die Oxidation des organischen Abfallmaterials zu erniedrigen.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens der Verwendung einer Zusammensetzung Oxidations- Katalysatoren/Co-Katalysator zur Behandlung von organischem Abfallmaterial. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Lösungs-Zusammensetzung, die organisches Abfallmaterial, einen Strom von dispergiertem Sauerstoff oder dispergierter Luft, Oxidations-Katalysatoren und einen Co-Katalysator umfaßt.
Es gibt mehrere unterschiedliche Aspekte der vorliegenden Erfindung:
a) eine Katalysatoren/Co-Katalysator-Zusammensetzung,
b) die Verwendung von (a) in einem Verfahren zum Oxidieren von organischem Abfallmaterial,
c) die Verwendung von (a) zur Verringerung der zum Vergasen von organischem Abfallmaterial erforderlichen Energie,
d) eine (a) umfassende Lösungs-Zusammensetzung und
e) eine Reaktionsmedium-Zusammensetzung, umfassend organisches Abfallmaterial in (d).
Die Komponente (a) ist eine unabdingbare Unterkombination jedes der anderen Aspekte der Erfindung. Die Dispergierung von (a) in der gesamten Lösungs-Zusammensetzung verleiht der Verteilung des Co-Katalysators und der Oxidations-Katalysatoren Homogenität.
Die vom Einsatz der Oxidations-Katalysatoren/Co-Katalysator herrührenden Vorteile sind vielfältig. Das Verfahren zur Behandlung von organischem Abfallmaterial erniedrigt signifikant die Menge der festen Stoffe, indem sie gasförmige Produkte und einen gewissen Rückstand erzeugt; sie minimiert die Menge an Abfallmaterial, die deponiert oder anderweitig entsorgt werden muß. Die Oxidations-Zusammensetzung tötet Viren, Bakterien, Pilze, Sporen und dergleichen innerhalb einer Minute ab. In gleicher Weise ergibt die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeiten bei der Verwendung der Kombination Oxidations-Katalysatoren/Co-Katalysator (a) eine energiesparende Wirtschaftlichkeit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine vertikale Schnittansicht einer Apparatur, die zur praktischen Durchführung der Erfindung von Nutzen ist.
Fig. 2 zeigt eine vertikale Schnittansicht einer Apparatur, in der die Bereiche der organischen Reaktion und der Sauerstoff-Dispergierung getrennt sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In dem Verfahren der Erfindung wird organisches Abfallmaterial durch molekularen Sauerstoff oxidiert. Die Reaktion ist eine katalysierte Reaktion, in der ein als katalytisches System wirkendes reversibles Redox-Paar den Kohlenstoff des organischen Abfallmaterials oxidiert. Die Produkte der Oxidation des Kohlenstoffs sind Kohlenstoffoxide. Die reduzierte Form des Redox-Paares wird dann durch molekularen Sauerstoff katalytisch oxidiert. Das hierin beschriebene Verfahren verwendet Eisen(III)/Eisen(II) als reversibles Redox-Paar, Kupfer(II)/Kupfer(I) als Eisen(II)-Oxidations- Katalysator und einen aus mehreren homogenen Co-Katalysatoren, um die Geschwindigkeit der Oxidation des organischen Materials zu verbessern und/oder die für die Oxidation des organischen Materials erforderliche Aktivierungsenergie herabzusetzen. Die erhaltenen Daten zeigen, daß der Mechanismus der Oxidation des organischen Materials durch den homogenen Co-Katalysator verändert wird, der offensichtlich einen Elektronen-Transfer-Komplex unter Beteiligung von Eisen(III) bildet. Dies ergibt eine Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit und/oder eine Senkung von Aktivierungsenergien. Die Oxidation von Eisen(II) durch Sauerstoff wird durch Kupfer-Ionen katalysiert, was durch Aufrechterhaltung der Eisen-Ionen im oxidierten Zustand auch eine Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit für die Oxidation der organischen Stoffe ergibt.
Der Elektronen-Transfer-Komplex muß wenigstens momentan existieren, um die erhöhten Oxidations-Geschwindigkeiten und erniedrigten Aktivierungsenergien der statt findenden Reaktionen zu begründen. Es wird postuliert, daß der Oxidationsmechanismus über einen kurzlebigen Koordinations-Komplex zwischen der organischen Verbindung und dem homogenen Co- Katalysator verläuft. Ein Beispiel für einen derartigen Komplex ist derjenige von Platin-Ionen oder Palladium-Ionen mit den Doppelbindungen organischer Verbindungen, z. B. das Anion des Ziese'schen Salzes, des Trichloro(ethylen)platinat(II)-Ions. Komplexe wie das Anion des Ziese'schen Salzes sind in wäßriger Lösung stabil. Ähnliche platin-organische Doppelbindungs-Komplexe werden anscheinend in den Katalysator-Mischungen der vorliegenden Erfindung gebildet. Das Standard-Potential des Eisen(II)/Eisen(III)-Redox-Paares in 1,0 M Schwefelsäure beträgt +0,69 V. Das Standard-Potential des Platin(IV)/Platin(II)-Redox-Paares in 1,0 M Schwefelsäure beträgt ebenfalls annähernd +0,69 V. Somit befindet sich die Platin(II)-Species im Gleichgewicht mit der Platin(IV)-Species, Eisen(III) und Eisen(II) und kann wenigstens für kurze Zeit als an organische Doppelbindungen oder eine andere geeignete Funktionalität an den organischen Verbindungen komplex gebunden angesehen werden. Die durch Platin, Palladium, Rhodium und Ruthenium erzeugte Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit beruht auf der Tatsache, daß die Komplexe homogener-Co-Katalysator/organische-Stoffe eine längere Lebensdauer als die Komplexe Oxidations-Katalysatorfür-die-organischen-Stoffe/ organische-Stoffe haben und somit wirksamer in Bezug auf eine Übertragung von Elektronen sind. Verantwortlich für die erniedrigten Aktivierungsenergien ist die niedrigere Aktivierungsenergie, die für die Formulierung des Komplexes organische-Verbindung/homogener-Co-Katalysator notwendig ist. Die erforderliche Zufuhr oxidierender Elektronen kann durch direkte Reduktion des Co-Katalysators und anschließende Reoxidation durch Sauerstoff/Oxidations- Katalysator- für-die-organischen-Stoffe oder durch Bildung eines kurzlebigen Komplexes Oxidations-Katalysator-für die-organischen-Stoffe/Co-Katalysator/organische-Stoffe erfolgen, in denen die Co-Katalysator-Verbindung als Brücke für die Übertragung eines Elektrones von der organischen Verbindung auf den Oxidations-Katalysator für die organischen Stoffe und von dort auf den Sauerstoff dient. Auf diese Weise bildet sich der an der Oxidation beteiligte Elektronen-Transfer-Komplex (ETC) spontan, wenn der homogene Co-Katalysator zu einer Lösung hinzugefügt wird, die gelöste oder suspendierte organische Verbindungen enthält, die zu einer Wechselwirkung mit dem Co-Katalysator befähigte funktionelle Gruppen oder Bindungen haben. Eisen(II), die reduzierte Form des Oxidations-Katalysators für die organischen Stoffe, wird durch molekularen Sauerstoffin Gegenwart löslicher Kupfer-Ionen, Hydronium-Ionen und Chlorid-Ionen zu Eisen(III) oxidiert. Der genaue Mechanismus der Oxidationsreaktion Eisen(II) → Eisen(III) ist nicht klar, jedoch wird angenommen, daß die Oxidation von Eisen(II) durch wenigstens teilweise mit Chlorid-Ionen komplexiertes Kupfer(II) beteiligt ist. Bei der Oxidation des Eisens wird Kupfer(II) zu Kupfer(I) reduziert. Kupfer(I) wird dann durch Sauerstoff in Gegenwart von Chlorid-Ionen und Hydronium- Ionen zu Kupfer(II) oxidiert. Die relativen Gewichts-Verhältnisse variieren mit dem Typ der organischen Verbindung, dem Typ des Co-Katalysators und den Oxidations-Katalysatoren. Bevorzugte Bereiche für die Anteile jeder Komponente sind relativ große Mengen des organischen Materials (eine Aktivität des organischen Materials von 1 oder mehr), eine große Konzentration der Oxidations-Katalysatoren (Aktivitäten von 0,1 bis 1 oder mehr) und eine niedrigere Konzentration der Co-Katalysator-Verbindung (Aktivitäten von 0,01 bis 0,001 oder weniger). Der ETC wird gebildet in einer Lösung, die die Katalysatoren solvatisiert, und bei einer Temperatur von 0ºC oder höher mit einem organischen Material mit Funktionalitäten, das mit dem Co-Katalysator in Wechselwirkung treten kann, und in Abwesenheit irgendwelcher störender Bedingungen, etwa von Species, die die Katalysatoren binden oder ausfällen. Die Species, die die Katalysatoren ausfällen, sind diejenigen, die mit den Katalysatoren unlösliche Salze bilden, wie (für die Metalle) Hydroxid, Silicat, Sulfid, hohe Konzentrationen an Sulfat oder hohe Konzentrationen an Phosphat. Zu Species, die die Katalysatoren binden, zählen hochgradig absorptionsfähige inerte Stoffe wie Ton oder Aktivkohle oder Verbindungen, mit denen die Katalysatoren irreversibel reagieren.
Die Oxidations-Katalysatoren werden als reiner Katalysator, aus verschiedenartigen Salzen oder Verbindungen der Oxidations-Katalysatoren oder aus Verunreinigungen in dem organischen Material erhalten.
Die in dem katalytischen System üblicherweise verwendeten Lösungen lösen viele Metalloxide, Sulfide, viele Metall- Salze etc . . Wenn irgendwelche solcher Verbindungen als Verunreinigungen in dem organischen Abfallmaterial vorkommen, das in dem Reaktor eingesetzt wird, werden sie durch die Lösung herausgelöst. Eisen ist eines der am meisten vorkommenden Metalle, das in Klärschlamm, Dung und vielen anderen biologischen Abfallstoffen gefunden wird, und vermag auf diese Weise einen Teil oder die Gesamtmenge des Oxidations- Katalysators für die organischen Stoffe zu liefern, sobald es aus dem organischen Material herausgelöst ist. Die Oxidations-Katalysatoren werden gewöhnlich der Lösung zugesetzt, da normalerweise in den Abfallmaterialien nicht genügend davon gefunden wird, um die gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit zu entwickeln; einige Abfallstoffe liefern jedoch ihren eigenen Oxidations-Katalysator für organische Stoffe, z. B. dann, wenn herauslösbares Eisen in dem Abfallmaterial in genügender Menge vorhanden ist. Es ist zweifelhaft, daß irgendein Abfallmaterial hinreichende Mengen an Kupfer, Nickel, Platin, Vanadium etc. enthält, um seinen eigenen Eisen(II)-Oxidations-Katalysator oder ebenso seinen homogenen Co-Katalysator zu liefern, jedoch ist solches nicht ausgeschlossen. Ob die Oxidations-Katalysatoren und der Co-Katalysator als Metalle, Metall-Salze etc. zugesetzt werden oder aus dem organischen Abfallmaterial herausgelöst werden, beeinflußt die Natur des hierin beschriebenen Verfahrens nicht. Die Katalysator-Stoffe werden identifiziert durch chemische Analyse des Abfallmaterials, um den Gehalt an Katalysator (falls vorhanden) zu bestimmen, und durch chemische Analyse der Lösung (nachdem diese mit dem Abfall gründliche vermischt und, z. B. 24 bis 72 Stunden, stehen gelassen worden war).
Der homogene Co-Katalysator wird wahlweise aus reinem Co- Katalysator-Metall, aus verschiedenen Salzen oder Verbindungen des Co-Katalysators oder aus Verunreinigungen in dem organischen Material gewonnen. Der homogene Co-Katalysator wird in der Katalysator-Lösung aufgelöst oder in derselben homogen verteilt. Dies ist dahingehend vorteilhaft, daß es einen heterogenen Schritt in dem Vorgang der Übertragung von Elektronen von dem Oxidations-Katalysator für organische Stoffe vermeidet und daß der Co-Katalysator der gesamten Oberfläche irgendwelcher organischen Feststoff-Teilchen zur Verfügung steht, die in der Katalysator-Lösung untergetaucht sind. Der Co-Katalysator ist mit der Lösung des Oxidations- Katalysators homogen, d. h. es handelt sich um einen einzigen Ionen-Komplex (kein Gemisch), und die Homogenität des Co- Katalysators ist sehr kritisch in bezug auf die beobachteten erhöhten Reaktionsgeschwindigkeiten.
Die Katalysator-Lösung ist eine beliebige Lösung, in der die Oxidations-Katalysatoren und der Co-Katalysator löslich sind, typischerweise jedoch eine Lösung einer starken Mineralsäure wie Salzsäure oder Schwefelsäure. Die Säure- Lösung stellt ein löslich machendes Medium für die Katalysator-Zusammensetzung dar. Das System arbeitet zufriedenstellend bei verschiedenen Temperaturen, je nach der Katalysator-Kombination und dem organischen Quellenmaterial; Temperaturen von 70ºC bis 200ºC sind typisch. Temperaturen von 0ºC bis 500ºC oder mehr können jedoch angewandt werden.
Der prinzipielle Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß es die Oxidation (ohne Verbrennung oder biologische Verdauung) der meisten organischen Stoffe direkt zu einfachen Verbindungen bewirkt. Die chemische Analyse der gasförmigen Produkte und der Anolyt-Lösungen nach der Oxidation zeigt an, daß das Verfahren sauber und wirkungsvoll ist und nur wenig Rückstand hinterläßt.
Beispiele für organisches Abfallmaterial oder Biomasse, die für die praktische Durchführung der Erfindung geeignet sind, sind medizinische Abfallstoffe mit Auflagen, holzartige Abfälle, Stalldünger, Klärschlamm, verschiedene chemische Industrieabfälle, Nebenprodukte oder Abfallstoffe bei der Lebensmittel- und Faser-Verarbeitung oder jedes beliebige organische Material, das Entsorgungskosten verursacht.
Beispiele für Oxidations-Katalysatoren/Co-Katalysator-Zusammensetzungen, die für die praktische Durchführung der Erfindung brauchbar sind, sind verschiedene Kombinationen aus Metall-Ionen-Komplexen. Die Komplexe variieren und hängen von der Zusammensetzung der Lösung und der Natur des organischen Abfallmaterials ab. Eisen(III)/Eisen(II)-Ionen und Kupfer(II)/Kupfer(I)-Ionen-Komplexe sind die Oxidations- Katalysatoren. Nicht beschränkende Beispiele für homogene Co-Katalysatoren sind ein Platin(IV)-Ionen-Komplex, Ruthenium(III)-Ionen-Komplex, Rhodium(III)-Ionen-Komplex, Nickel(II)-Ionen-Komplex, Cobalt(II)-Ionen-Komplex, Palladium(II)-Ionen-Komplex, Kupfer(II)-Ionen-Komplex und Vanadium(V)-oxid-Komplex. Die Katalysator-Lösungen werden durch Auflösen des Metalls und/oder eines löslichen Metall-Salzes in einer wäßrigen Lösung hergestellt: Zu nützlichen Kombinationen aus Oxidations-Katalysatoren und homogenem Co-Katalysator zählen:
Eisen(III)/Eisen(II), (Harnstoff, Holz, Cellulose, Dünger und /oder Fett)
Kupfer(II/Kupfer(I) mit Platin (IV)
Eisen(III)/Eisen(II), (Klärschlamm)
Kupfer(II/Kupfer(I) mit Vanadium (V)
Eisen(III)/Eisen(II), (Holz-Cellulose und/oder Dünger)
Kupfer(II/Kupfer(I) mit Cobalt(II)
Eisen(III)/Eisen(II), (Fett)
Kupfer(II/Kupfer(I) mit Palladium(II)
Eisen(III)/Eisen(II), (Dünger)
Kupfer(II/Kupfer(I) mit Nickel (II)
Eisen(III)/Eisen(II), (Holz-Cellulose, Kohle, Pansen, Blut, Eiweiß andere)
Kupfer(II/Kupfer(I) mit Ruthenium (III)
Bei der praktischen Durchführung der Erfindung werden ein wäßriges Lösungsmittel, ein Katalysator für die Oxidation organischer Stoffe, ein Oxidations-Katalysator Eisen(II) → Eisen(III), Chlorid-Ionen, Hydronium-Ionen und ein homogener Oxidations-Co-Katalysator zum Oxidieren von organischem Abfall-Material kombiniert.
Der eine geeignete Reaktionsgeschwindigkeit bewirkende Bereich der Konzentrationen des Oxidations-Katalysators beträgt von 0,01 M bis zur Sättigung; der bevorzugte Bereich beträgt 0,1 M bis 1,0 M. Der eine geeignete Reaktionsgeschwindigkeit bewirkende Bereich des Co-Katalysators beträgt von 0,0001 M bis 0,1 M; der bevorzugte Bereich beträgt 0,001 M bis 0,01 M. Die bevorzugten Bereiche ergeben eine Wirtschaftlichkeit des Betriebs.
Die Oxidations-Lösung hat wahlweise viele unterschiedliche Zusammensetzungen. Verschiedene andere Säuren, die geeignet sind, sind Perchlorsäure, Bromwasserstoffsäure, Salpetersäure, Borsäure, Flußsäure oder jede andere starke Säure, die in dem System nicht irreversibel abgebaut wird. Die wichtigsten Attribute des Lösungsmittels sind, daß es befähigt ist, die Oxidations-Katalysatoren und den homogenen Co-Katalysator zu solvatisieren, und daß es in dem Oxidations-System nicht abgebaut wird.
Sauerstoff kann am einfachsten in Form von Luft zugeführt werden. Die Membran-Technik kann zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehaltes in der Luft angewandt werden, und sogar reiner Sauerstoff kann eingesetzt werden. Zur Unterstützung der Reaktion kann ein Material mit hoher spezifischer Oberfläche zu der Katalysator-Lösung hinzugefügt werden. Dieses Material sorgt für eine stärkere Wechselwirkung zwischen den Katalysatoren und Sauerstoff. Zu Materialien mit hoher spezifischer Oberfläche, die für diesen Zweck geeignet sind, zählen pulverisiertes Aluminiumoxid und Molekularsiebe.
Nunmehr sei auf die Figuren Bezug genommen. Fig. 1 zeigt eine Apparatur, die für die praktische Durchführung der Erfindung geeignet ist. Der Behälter 2 enthält die Lösung 3, in die eine Dispergier-Vorrichtung 4 eintaucht. Die Lösung 3 ist eine Lösung, die Oxidations-Katalysatoren und den homogenen Co-Katalysator zusammen mit dem organischen Abfallmaterial enthält. Das Rohr 5 fördert ein Sauerstoff enthaltendes Gas (am wahrscheinlichsten Luft) zu der Dispergier- Vorrichtung 4. Die Abzugsöffnung 6 ermöglicht die Freisetzung von Gasen aus dem Reaktor. Fig. 2 zeigt einen Behälter 7, der ein Gemisch 8 aus Lösungsmittel, Oxidations- Katalysatoren, homogenem Co-Katalysator und organischem Abfallmaterial enthält, das gegebenenfalls auf einem Filtersieb 9 ruht. Das organische Abfallmaterial wird mit der Katalysator-Kombination in dem Behälter 7 zur Reaktion gebracht, und die Katalysator-Lösung 10 fließt durch den Auslaß 11 in die Säule 12, die ein Träger-Material 13 enthält, über das Luft oder Sauerstoff 14 strömen gelassen wird. Die Lösung aus der Säule wird mittels der Pumpe 15 und der Rohrleitung 16 zu dem Behälter 7 zur Wiederverwendung zurückgeleitet. Die in dem Behälter 7 erzeugten Gase werden aus diesem durch die Abzugsöffnung 17 abgezogen. Das Abfallmaterial in dem Behälter 7 wird mit der Katalysator-Lösung durch Perkolation, Sprühen, Rühren, einen Dichtegradienten oder eine andere Verfahrensweise vermischt. Der Oxidations- Katalysator, der in dem Behälter 7 reduziert wird, wird in der Säule 12 wieder oxidiert, ehe er in den Behälter 7 zurückgeleitet wird.
Einschränkungen des Betriebs werden prinzipiell bedingt durch die beim Bau des Reaktor-Systems verwendeten Werkstoffe. Das System kann aus sehr inerten, festen, teuren, Werkstoffen wie mit Quarz ausgelegtem Stahl hergestellt und bei relativ hohen Temperaturen (100ºC bis 500ºC) oder mehr betrieben werden, oder es kann aus billigen Werkstoffen wie Polypropylen oder Polyethylen und gewöhnlichem Glas hergestellt und bei Temperaturen von 20ºC bis 120ºC betrieben werden.
Höhere Temperaturen werden dann angewandt, wenn eine temperaturbeständige organische Verbindung wie Lignin, Chitin oder ein gesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoff oxidiert wird oder wenn überschüssige Wärmeenergie zu niedrigen Kosten verfügbar ist. Der Druck in dem System variiert in Abhängigkeit von der Natur des Lösungsmittels und der organischen Stoffe. In sauren wäßrigen Lösungen spiegelt der Systemdruck im allgemeinen den Dampfdruck des Hydrogenchlorids über der Lösung wider. Da die typische Konzentration des Chlorids 1,0 M beträgt, ist der Druck typischwerweise derjenige einer 1,0 M HCl-Lösung bei der Arbeitstemperatur.
Eine Erhöhung der Temperatur erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit und reduziert die notwendige Größe des Reaktors für die Oxidation einer vorgegebenen Menge an organischem Abfallmaterial bei Anwendungen, wo Raum sehr gefragt ist oder eine rasche Oxidation erwünscht ist. Die Acidität der Elektrolyt-Lösung beeinflußt die Reaktionsgeschwindigkeit dadurch, daß sie aufgrund der Wasserabspaltung und anderer säurekatalysierter Reaktionen bei der Zersetzung der organischen Abfall-Verbindungen hilft.
Für einen oxidativen Abbau von organischem Abfallmaterial werden die Katalysator- und Reaktor-Bedingungen so gewählt, daß eine maximale Umwandlung des organischen Abfallmaterials in eine leicht zu entsorgende Form sichergestellt ist. Starke Säure-Lösungen (1 M oder mehr) und aktive Katalysatoren werden ausgewählt. Zu nützlichen Kombinationen für den oxidativen Abbau zählen:
1,0 M Eisen(III)/1,0 M Kupfer(II)/0,001 M Platin(IV)/Fette, Holz-Cellulose oder Klärschlamm/3 ,0 M Salzsäure;
1,0 M Eisen(III)/1,0 M Kupfer(II)/0,01 M Vanadium(V)/Klärschlamm/3 M Salzsäure; und
1,0 M Eisen(III)/1,0 M Kupfer(II)/0,001 M Ruthenium(III)/- Cellulose, Kohle, Pansen, Blut, Eiweiß/3,0 M Salzsäure.
Die Temperaturen des Reaktors sollte für die meisten Anwendungen vorzugsweise bei 95ºC oder mehr aufrechterhalten werden, jedoch ist für einige Materialien wie Blut eine niedrigere Reaktionstemperatur geeignet.
In der nachstehenden Tabelle 1 sind nicht einschränkende Beispiele für das organische Material, den Oxidations-Katalysator für die organischen Stoffe, den homogenen Co-Katalysator, das Lösungsmittel, die Reaktionsgeschwindigkeit und die Aktivierungsenergie tabellarisch dargestellt, wobei die vorteilhafte Wirkung des Einsatzes eines homogenen Co-Katalysators in Kombination mit einem Oxidations-Katalysator für die organischen Stoffe im Gegensatz zum Einsatz eines Oxidations-Katalysator für die organischen Stoffe allein besonders herausgestellt wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird bei Einsatz der Kombination der Erfindung aus dem Oxidations-Katalysator für die organischen Stoffe und dem homogenen Co-Katalysator signifikant erhöht.
In der nachstehenden Tabelle 2 sind nicht einschränkende Beispiele für den Eisen(II)-Oxidations-Katalysator, den Oxidations-Katalysator für die organischen Stoffe, den homogenen Co-Katalysator, das Lösungsmittel und die Geschwindigkeit der Oxidation des Eisen(II) tabellarisch dargestellt, wobei der Vorteil des Einsatzes von Kupfer-Ionen in Gegenwart von Chlorid-Ionen und Hydronium-Ionen, im Gegensatz von Eisen(II) allein in Gegenwart von Chlorid-Ionen und Hydronium-Ionen aufgezeigt wird. Die Geschwindigkeit der Oxidation des Eisen(II) wird in Gegenwart von Kupfer-Ionen signifikant erhöht, wenn Chlorid-Ionen und Hydronium-Ionen anwesend sind. Tabelle I Organisches Material Katalysator für die Oxidation der organischen Stoffe Homogener Co-Katalysator Medium Reaktionsgeschwindigkeit EA Kohle Eisen(III) Ruthenium(III) keiner Blut Pansen Holz-Cellulose Cobalt Platin Rinderfett Palladium Harnstoff Stalldung Nickel Klärschlamm Vanadium Tabelle II Katalysator für die Oxidation der organischen Stoffe und Konzentration Homogener Co-Katalysator und Konzentration Katalysator für die Oxidation von Eisen Medium Eisen(II)-Oxidationsgeschwindigkeit Eisen Ruthenium Kupfer
Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung wird der Mechanismus der Oxidation der organischen Stoffe durch die Addition des homogenen Co-Katalysators zu dem Katalysator für die Oxidation der organischen Stoffe und durch die Bildung eines Elektronen-Transfer-Komplexes unter Beteiligung des Katalysators für die Oxidation der organischen Stoffe, des homogenen Co-Katalysators und des organischen Abfallmaterials verändert. Der Elektronen-Transfer- Komplex ist nicht charakterisiert worden, jedoch wird seine Anwesenheit durch die erniedrigten Aktivierungsenergien und/oder die erhöhten Reaktionsgeschwindigkeiten in Anwesenheit des homogenen Co-Katalysators, im Gegensatz zu der alleinigen Verwendung des Katalysator für die Oxidation der organischen Stoffe, demonstriert, wie sie in der Tabelle I dargestellt sind. Die Eisen(II) Oxidationsgeschwindigkeit wird durch Kupfer(II)-Ionen katalysiert, wie in der Tabelle II dargestellt ist. Die Verwendung einer Kombination der Katalysatoren für die Oxidation und des homogenen Co-Katalysators der Erfindung ergibt die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit und/oder eine Abnahme der Aktivierungsenergien.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert, in denen sämtliche Teile und Prozentzahlen auf das Gewicht bezogen sind, sofern nichts anderes angegeben ist. Diese nicht-einschränkenden Beispiele sind erläuternd für bestimmte Ausführungsformen, die so gestaltet sind, daß sie den Fachmann lehren, wie die Erfindung praktisch durchzuführen ist, und die die Art und Weise der Durchführung der Erfindung repräsentieren, die als die beste angesehen wird.

Beispiele

Beispiel 1:

Eine Katalysator-Lösung aus 1,0 M Salzsäure, die 1,0 M Eisen(III), 1,0 M Kupfer(II) und 0,01 M Cobalt(II) enthält, wird durch Verdünnen von 0,083 1 konzentrierter Salzsäure, 270 g Eisen(III)-chlorid-hexahydrat, 135 g Kupfer(II)chlorid-hydrat (Formelgewicht = 135 g) und 2,38 g Cobaltchlorid-hexahydrat mit Wasser auf 1 Liter hergestellt. Die resultierende Lösung wird gründlich gerührt, um die Salze aufzulösen. Die Lösung wird dann in den Behälter der Fig. 1 überführt. Eine gefrittete Glasscheibe wird dazu verwendet, Luft in dem Behälter zu dispergieren. Etwa 6 g Sägemehl oder einer anderen Cellulose-Quelle wird in den Behälter gefüllt, und danach wird der Behälter auf 95ºC erwärmt. Die Reaktion hat eine Geschwindigkeitskonstante von etwa 3,5·10&supmin;&sup6; s&supmin;¹ (Aktivierungsenergie = 11 kcal/mol). Die Analyse der gasförmigen Produkte aus der Oxidation zeigt nur Kohlenstoffdioxid. Der Reaktor-Behälter kann praktisch ein solcher beliebiger Größe sein, wenngleich bis zu einem gewissen Punkt die Wirtschaftlichkeit des Maßstabs zugunsten eines großen Reaktor-Volumens spricht.

Beispiel 2:

Der Reaktor-Behälter der Fig. 2 wird mit einem unterstützten Bett aus 500 g Holzspänen über 1,0 mm-Filtern und einem 0,25 mm-Teflon®-Netz beschickt. Eine Lösung aus 1,0 M Salzsäure, die 1,0 M Eisen(III), 1,0 M Kupfer(II) und 0,01 M Cobalt(II) enthält, wird durch Verdünnen von 0,83 1 konzentrierter Salzsäure, 2700 g Eisen(III)-chlorid-hexahydrat, 1350 g Kupfer(II)-chlorid-hydrat (Formelgewicht = 135 g) und 23,8 g Cobaltchlorid-hexahydrat mit Wasser auf 10 Liter hergestellt. Die Lösung wird gerührt, um die Salze aufzulösen, und dann in den Reaktor-Behälter überführt. Der Reaktor- Behälter wird verschlossen, und die Katalysator-Lösung wird aus dem Behälter durch eine Säule hindurch und zurück in den Behälter gepumpt. Der Reaktor-Behälter wird auf etwa 95ºC erhitzt. Luft wird im Gegenstrom durch die Säule hindurchgeleitet. Der Reaktor-Behälter hat etwa das doppelte Volumen des Volumens der Lösung in Litern, und die Reaktionsgeschwindigkeit beträgt etwa 1·10&supmin;&sup5; s&supmin;¹. Die Gesamt-Dauer der Reaktion hängt von der Durchfluß-Geschwindigkeit ab. Bei einer Durchfluß-Geschwindigkeit von 4 l/s, einem Volumen des Reaktor-Behälters von 20 l und einer Behälter-Ladung von 500 g Holzspänen wird die gesamte Reaktion in etwa 46 h bewerkstelligt.

Beispiel 3:

Der Reaktor-Behälter der Fig. 2 wird mit zerfaserten medizinischen Abfallstoffen, die an Auflagen gebunden sind (Gewicht variabel), in einem Korb aus einem 1,0 mm-Teflon®- Sieb beschickt. Eine Lösung aus 1,0 M Salzsäure, die 0,5 M Eisen(II), 0,1 M Kupfer(II) und 0,001 M Ruthenium(III) enthält, wird durch Verdünnen von 0,83 l konzentrierter Salzsäure, 1350 g Eisen(III)-chlorid-hexahydrat, 135 g Kupfer(II)-chlorid-hydrat (Formelgewicht = 135 g) und 2,07 g Rutheniumtrichlorid mit Wasser auf 10 Liter hergestellt. Die Lösung wird gerührt, um die Salze aufzulösen, und dann in den Reaktor-Behälter überführt. Der Reaktor-Behälter wird verschlossen, und die Katalysator-Lösung wird aus dem Behälter durch eine Säule hindurch und zurück in den Behälter gepumpt. Der Reaktor-Behälter wird etwa 20 min auf etwa 95ºC erhitzt. Luft wird im Gegenstrom durch die Säule hindurchgeleitet. Der Reaktor-Behälter hat etwa das doppelte Volumen des Volumens der Lösung in Litern, und die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von den Bestandteilen des Abfallmaterials ab. Die meisten Kunststoffe, Glas und Gummi werden während dieses Zeitraums nicht oxidiert. Spitze Metall-Teile wie Spritzen-Nadeln und Skalpell-Klingen werden durch die Katalysator-Lösung aufgelöst. Alle Viren, Fungi, Bakterien und Sporen werden abgetötet. Eine gewisse Menge des biologischen organischen Materials in dem Abfallmaterial wird oxidiert. Nach dem Einwirkungs-Zeitraum werden der Luftstrom und die Pumpe angehalten, der Behälter wird geöffnet, und der Korb wird herausgehoben und gespült. Die Abfälle können als festes Abfallmaterial ohne Auflagen entsorgt werden.
Variationen und Modifikationen können im Rahmen der Erfindung, wie sie im vorstehenden beschrieben ist und in den angefügten Ansprüchen definiert ist, vorgenommen werden. In der gesamten Offenbarung und in den Ansprüchen bedeuten alle Verweise auf den "homogenen Co-Katalysator", daß der Co- Katalysator im wesentlichen gleichmäßig in der gesamten Lösung dispergiert ist.

Claims

1. Katalysator-Zusammensetzung, in Kombination umfassend:

a) Oxidationskatalysator Eisen(III)/Eisen(II) für organische Stoffe,

b) Eisen(II)-Oxidationskatalysator Kupfer (II) /Kupfer(I), und

c) einen Einzelionen-Komplex-Cokatalysator, homogen mit der Lösung der Oxidationskatalysatoren.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der homogene Co- Katalysator ein Vertreter ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin (IV)-Ionen-Komplex, Ruthenium(III)- Ionen-Komplex, Rhodium(III)-Ionen-Komplex, Nickel(II)- Ionen-Komplex, Cobalt(II)-Ionen-Komplex, Palladium(II)- Ionen-Komplex und Vanadium(V)-Ionen-Komplex.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 in Kombination mit Lösungsmittel, worin diese gelöst wird, wobei die gebildete Kombination in Form einer Lösung vorliegt.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 2, worin Komponente (b) in Gegenwart von Chlorid- und Hydronium-Ionen vorliegt.

5. Reaktionsmedium, worin organische Abfallstoffe in Rombination mit einer Zusammensetzung nach Anspruch 4 vorliegen.

6. Verfahren zur Vergasung organischen Abfalls, umfassend:

Vereinigen organischer Abfallstoffe mit einer Zusammensetzung nach Anspruch 4,

Durchführen einer Oxidationsreaktion zwischen organischen Material und Sauerstoff in der Katalysator-Lösung, und

Aufrechterhalten eines Sauerstoff- oder Luftstroms durch die Katalysator-Lösung.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der homogene Cokatalysator ein Vertreter ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin(IV)-Ionen-Komplex, Ruthenium(III)- Ionen-Komplex, Rodium(III)-Ionen-Komplex, Nickel(II)- Ionen-Komplex, Cobalt(II)-Ionen-Komplex, Palladium(II)- Ionen-Komplex und Vanadium(V)-Ionen-Komplex.

8. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend das Mischen der organischen Abfallstoffe mit Katalysator in einem Reaktionsbehälter.

9. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend das Behandeln der organischen Abfallstoffe in einem Behälter, die Umwälzung der die Katalysator-Zusammensetzung enthaltenden Lösung in eine Säule zur Oxidation mit Sauerstoff, und die Rückführung der Oxidationskatalysatoren und homogenen Cokatalysator enthaltenden Lösung in den Behälter zur dortigen Behandlung organischer Abfallstoffe.

10. Verfahren nach Anspruch 9, urfassend das Durchleiten eines Sauerstoff-haltigen Gases durch die Säule.

11. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend das Durchleiten Sauerstoff-haltiger Flüssigkeit oder Feststoffe durch die Säule.

12. Verfahren nach Anspruch 6, das bei einer Temperatur von 0ºC bis 500ºC durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit Ultraschallenergie eingesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend das Dispergieren eines Sauerstoff-haltigen Gases im Reaktionsbehälter.

15. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend das Dispergieren Sauerstoff-haltiger Flüssigkeit oder Feststoffe im Reaktionsbehälter.

16. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend das Lösen der Katalysator-Kombination in reduzierter Form im Lösungsmittel.

17. Verfahren nach Anspruch 8, des weiteren umfassend die Zugabe eines Materials mit hoher Oberfläche in den Behälter.