WO1998050324A1 - Reducing pollutant gases in gas mixtures from pyrotechnic reactions - Google Patents

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WO1998050324A1
WO1998050324A1 PCT/EP1998/002562 EP9802562W WO9850324A1 WO 1998050324 A1 WO1998050324 A1 WO 1998050324A1 EP 9802562 W EP9802562 W EP 9802562W WO 9850324 A1 WO9850324 A1 WO 9850324A1
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urea
pyrotechnic
nitrogen
gas
concentration
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PCT/EP1998/002562
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Ulrich Bley
Klaus Redecker
Martin Reichelt
Waldemar Weuter
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Dynamit Nobel Gmbh Explosivstoff- Und Systemtechnik
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C06EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06DMEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • C06D5/06Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of two or more solids
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46Removing components of defined structure
    • B01D53/54Nitrogen compounds
    • B01D53/56Nitrogen oxides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C06EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06BEXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B23/00Compositions characterised by non-explosive or non-thermic constituents
    • C06B23/02Compositions characterised by non-explosive or non-thermic constituents for neutralising poisonous gases from explosives produced during blasting

Definitions

  • the present invention relates to the reduction of harmful gases in gas mixtures from pyrotechnic reactions
  • An airbag system consists of the basic components of the impact bag, gas generator and trigger device, which, if necessary, initiates an electrical ignition in the gas generator if a predetermined trigger threshold is exceeded.This produces a gas within a very short time (approx. 40 ms, depending on the airbag module) an airbag flows in, which spreads between the vehicle occupant and the point of impact
  • a gas mixture propellant, propellant
  • NaJS sodium azide
  • LD 50 value of 27 mg / kg potassium cyanide
  • cyanide potassium cyanide
  • Suitable alternative substances are organic, nitrogen-rich compounds that achieve similarly good performance values (gas yield, pressure curve, etc.) as sodium azide.
  • 5-aminotetrazole is suitable as an environmentally compatible alternative fuel. The result was a blowing agent made of 5- Aminotetrazole, oxidizing agents and additives called SINCO
  • alternative solid fuels such as 5-aminotetrazole are burned up, not only the non-toxic working gases nitrogen, carbon dioxide and water vapor, but also parts of the toxic gases carbon monoxide, nitrogen monoxide and nitrogen dioxide are produced
  • the object of the present invention was therefore to achieve a minimization of the harmful gas concentrations when using the alternative solid fuels
  • the NO formation (all types) is generally favored at higher temperatures and longer dwell times of the gases or exhaust gases in the high-temperature range.
  • the processes for nitrogen oxide reduction known to date in the prior art are mainly based on a lowering of the combustion temperature Cooling of the exhaust gases prevented
  • the low combustion temperatures have the disadvantage that they increase the CO formation. Uneven combustion processes can lead to the strong formation of both harmful gases. Local or short-term overheating causes NO formation and local or short-term supercooling causes CO formation
  • the object on which the invention is based was achieved by introducing substances into the flow path of the working gas, for example by coating components of the gas generator.
  • the introduced substance is evaporated by the heat of combustion, which causes the harmful gases to be converted into nontoxic compounds in a homogeneous gas phase reaction
  • the airbag module can be heated up to 105 ° C. It must be ensured that the additive does not liquefy in such a case and escapes from the airbag module. Therefore, only substances with a melting point> 105 ° C can be used.
  • a gas generator should be fully operational over the entire lifespan of a car (up to 15 years).
  • the introduced substance should reduce nitrogen oxides in a homogeneous gas phase reaction.
  • the tests were carried out in an apparatus which enables the measurement of the concentration curves of nitrogen monoxide and nitrogen dioxide over time in a reaction vessel with a volume of 60 l.
  • FIG. 1 The process flow diagram of the experimental apparatus is shown in FIG. 1. It can be divided into the following system parts:
  • the experimental apparatus essentially consists of the plastic set reactor and the nitrogen oxide analyzer. At the beginning of each experiment, nitrogen monoxide is metered into the reactor, which partially converts with the atmospheric oxygen into nitrogen dioxide after an equilibrium reaction. The temperature in the reactor is 45 ° C. in all experiments. After about 10 minutes, when the nitrogen dioxide concentration hardly changes, the respective substance is evaporated in the container. By regularly recording the values for nitrogen dioxide or Nitrogen monoxide concentration, the concentration curves can be determined, which allow statements about the effectiveness of the respective substance
  • Plastic was chosen as the material for the reactor in order to avoid reactions that can occur on a metallic wall.
  • the plastic container used is not very temperature-resistant.Therefore, the temperature in the container should not exceed 45 ° C, so that no deformation of the container wall occurs the reactor has an evaporator and a fan heater
  • the evaporator essentially consists of a heating plate that can be continuously heated to 350 ° C, on which the test substances can be heated to sublimation or boiling temperature in a glass dish.
  • the fan heater is used to set a desired temperature and to intensive mixing of the reaction mixture The mixing is necessary in order to ensure the same reactant concentrations and temperatures throughout the reactor.
  • the temperature in the reactor can be set and readjusted manually
  • the temperature in the container must be adjusted due to the heat loss via the wall, the heat supply via the heating plate and the endothermic or exothermic reactions taking place in the reactor.
  • the temperature is measured using a thermocouple connected to a voltmeter
  • a chemiluminescence device is used, to which the bypass pump, the silica gel drying cartridge and the ozone destroyer / pump unit are connected.
  • the reactor and the chemiluminescence device built a microfiber filter
  • the nitrogen monoxide is supplied with the help of a gas bag, which, once filled, is connected to the three-way valve.
  • the calibration gas nitrogen with 80 ppm nitrogen monoxide
  • the gas should therefore flow into the analyzer without pressure Flowing out approx. 50% or 0.6 1 / min of the required amount of gas via a T-piece with an excess line.
  • the excess is led into a fume cupboard.
  • the excess line has a length of more than 2 m in order to avoid mixing the calibration gas with the atmospheric air
  • a flow meter is attached to the line in order to be able to control the specified value for the volume flow. Only pipes with a smooth surface and made of inert material such as PTFE, glass or steel were used as gas lines
  • thermocouple is connected to the voltmeter and the cables from the fume cupboard and filter must be set with the three-way cocks on the container cover, which must be set so that the container is closed.
  • the calibration can be carried out As soon as the temperature in the reactor has reached 45 ° C, 1 nitrogen monoxide is metered into the container via a gas bag on the three-way valve Same Weight reaction partly in nitrogen dioxide implemented As soon as the nitrogen monoxide is in the reactor, the measurement of the time is started
  • the first measured value is recorded after about 30 seconds and the second after about 5 minutes.
  • the preheating time that was determined before the measurement determines a point in time at which the evaporator is switched on, so that the substance evaporates after about 10 minutes begins At this time, the plastic container is in a state in which the nitrogen dioxide concentration changes only slowly
  • a measured value is read from the chemiluminescence device and entered in the measurement protocol.
  • the time intervals between the measurement points after the boiling point has been reached depend on the course of the reaction that results with a specific substance.
  • the measurement values are recorded over a period of 25 - 30 minutes carried out During the entire measurement, the temperature in the reactor must be constantly checked and, if necessary, readjusted by hand using a dimmer
  • the plastic container After completing the measurement, the plastic container must be opened outdoors and ventilated for at least 15 minutes. Then the hoses, filter, container and three-way cock are thoroughly cleaned and dried
  • Table 2 shows an overview of the tests carried out with the additives.
  • Table 3 Overview of nitrogen dioxide reduction by ferrocene in the gas phase
  • the combustion gases of a gas generator contain not only nitrogen oxides, but also carbon monoxide. For this reason, 3 measurements with a substance amount of 0.03 g ferrocene and the same test conditions as in the previous tests were additionally carried out with carbon monoxide gas in order to identify possible effects of carbon monoxide on the results.
  • the ratio CO to NO 2 in the combustion gases of a gas generator is about 10 to 1. This concentration ratio was set in the reactor.
  • the CO gas content was measured using Dräger tubes (relative standard deviation: ⁇ 10 to 15%). The results show that the nitrogen monoxide and nitrogen dioxide concentration curve does not change with carbon monoxide gas.
  • Table 4 compares the values for nitrogen dioxide reduction with and without carbon monoxide.
  • a GC analysis was also carried out to identify the gaseous products.
  • 100 mg of ferrocene were stored in a headspace glass for two hours at 80 ° C. in order to convert part of the ferrocene into the gas phase
  • Glasses 3 ml of a NO / NO 2 mixture added 2 ml of gas from the headspace glass were analyzed in a gas chromatograph. It was found that cyclopentadiene is also in the gas phase in addition to the ferrocene and air components.
  • the course of the nitrogen oxide concentrations was investigated in an experiment with 0.1 g of 1,1'-diacetylferrocene.
  • the concentrations change as expected until the substance evaporates.
  • the nitrogen monoxide values decrease due to the oxidation and the nitrogen dioxide values increase shortly after the start of the The evaporation process increases the nitrogen monoxide concentration by 23 ppm in 233 s - initially stronger, then becoming weaker -
  • the nitrogen dioxide concentration also drops by 26 ppm. Then the normal NO / NO 2 equilibrium is restored
  • the nitrogen dioxide concentration drops almost linearly in 25 s from 253 ppm to 225 ppm due to titanocene pentasulfide in the gas phase.
  • the nitrogen monoxide concentration increases in the same way from 269 ppm to 298 ppm.
  • the normal concentration courses result, i.e. Decrease in nitrogen monoxide due to oxidation and consequently an increase in nitrogen dioxide.
  • Table 7 Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO
  • Table 8 Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2
  • the nitrogen dioxide When using 0.4 g of urea, the nitrogen dioxide is broken down significantly more than when 0.1 g of urea is added. In the first 300 s after the start of the evaporation process, the nitrogen dioxide concentration decreases relatively quickly. The values then decrease further with decreasing speed. At the end of the measurement, a drop in the nitrogen dioxide concentration can still be determined. Overall, the nitrogen dioxide is reduced by 111 ppm in 20 minutes. Table 10 shows all the results obtained with 0.4 g of urea.
  • ammonia (NH 3 ) is produced, which is known as a reducing agent for nitrogen oxide reduction. It can be assumed that the nitrogen dioxide decomposition takes place through a homogeneous gas phase reaction of ammonia with nitrogen dioxide. The reduction of NO 2 with NH 3 can be described by the following gross reaction equations:
  • the reaction products of this selective reduction are nitrogen (N 2 ) and water vapor in the main reactions.
  • the undesirable dinitrogen monoxide (N 2 O) from the side reaction does not seem to form to a substantial extent.
  • Nitrogen monoxide is inert compared to nitrogen dioxide. This could be the reason why the nitrogen monoxide is not reduced with ammonia at a temperature of 45 ° C. Influence of N-formylurea on nitrogen oxide concentrations:
  • the nitrogen dioxide concentration begins to drop relatively slowly from the time 750 s to the time 1230 s.
  • the concentration is reduced from 162 ppm by 12 ppm to 150 ppm. After that, the values remain almost constant. There are no noticeable changes in the nitrogen monoxide concentration curve.
  • Table 12 summarizes all the results which were achieved in the 3 experiments with 0.1 g of N-formylurea.
  • N-formylurea When N-formylurea is heated above the melting point, ammonia is presumably formed. The homogeneous gas phase reactions that result from this are the same as stated for urea. N-formylurea has a higher molar mass than urea because of the formyl group N-formylurea less ammonia than with urea This explains the poorer values for nitrogen dioxide reduction compared to the tests with urea
  • N, N'-dimethylurea When N, N'-dimethylurea is heated above the melting point, ammonia is likely to form, which reduces part of the nitrogen dioxide by means of homogeneous gas-phase reactions. If one compares the results with those obtained in the tests with urea, it is clear that the effect of Use of N, N'-dimethylurea is worse, except for the experiments with 0.1 g of substance.
  • the worse values for nitrogen dioxide degradation depend, as with N-formylurea, with the higher molar mass and thus the smaller amount of ammonia that is produced when heated. together
  • the better values when comparing the tests with 0.1 g substance amount may result from a positive influence of the two methyl groups. This can also be the reason that the values for nitrogen dioxide degradation compared to the tests with N-formylurea are higher Influence of N y'-dimethylurea on the nitrogen oxide concentrations:
  • Table 26 Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2
  • Table 27 Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2
  • Table 28 Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2

Abstract

The invention relates to a method, agents and a device for reducing pollutant gases in gas mixtures resulting from pyrotechnic reactions. To this end, at least one additive from the group of metallocenes, metallocene derivatives, urea, urea devivatives, sulphur and/or sulphur compounds is vaporized during the pyrotechnic reaction, as a result of the temperature released during said reaction. The pollutant gases are converted into non-toxic compounds in a homogenous gas phase reaction.

Description

Reduzierung von Schadgasen in Gasgemischen aus pyrotechnischen Reaktionen Reduction of harmful gases in gas mixtures from pyrotechnic reactions
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Reduzierung von Schadgasen in Gasgemischen aus pyrotechnischen ReaktionenThe present invention relates to the reduction of harmful gases in gas mixtures from pyrotechnic reactions
Ein Airbag- System besteht aus den Grundkomponenten Prallsack, Gasgenerator und Auslosegerat, das im Bedarfsfall bei Überschreitung einer vorher festgelegten Ausloseschwelle eine elektrische Zündung im Gasgenerator einleitet Dadurch wird innerhalb kürzester Zeit (je nach Airbag-Modul ca 40 ms) ein Gas erzeugt, das in einen Luftsack einströmt, der sich zwischen Fahrzeuginsasse und Aufprallort ausbreitet Als gasproduzierender Stoff (Treibmittel, Treibsatz) wird ein Feststoffgemisch aus Brennstoff, Oxidationsmittel und Zusätzen in Form von Tabletten verwendet, das nach erfolgter Zündung in etwa 10 bis 40 ms innerhalb der Brennkammer abreagiertAn airbag system consists of the basic components of the impact bag, gas generator and trigger device, which, if necessary, initiates an electrical ignition in the gas generator if a predetermined trigger threshold is exceeded.This produces a gas within a very short time (approx. 40 ms, depending on the airbag module) an airbag flows in, which spreads between the vehicle occupant and the point of impact A gas mixture (propellant, propellant) is a solid mixture of fuel, oxidizing agent and additives in the form of tablets, which reacts within 10 to 40 ms within the combustion chamber after ignition
Bisher wurde zur Gaserzeugung als gasproduzierender Stoff (Treibmittel, Treibsatz) hauptsachlich Natriumazid (NaJS ) als Brennstoff verwendet Der große Vorteil der Azidgeneratoren besteht darin, daß das freigesetzte Gas fast zu 100 Prozent aus Stickstoff besteht und damit nicht gesundheitsgefahrdend ist Wegen der hohen Toxizitat von Natriumazid (LD50-Wert von 27 mg/kg), die vergleichbar ist mit Kaliumzyanid (Zyankali), wurden jedoch bei weiterer Verwendung die Probleme bei der Entsorgung und Rezyklierung von Airbag-Gasgeneratoren der anfallenden Altfahrzeuge sowie die Gefahren und Risiken des kriminellen Mißbrauchs immer großer werdenSo far, mainly sodium azide (NaJS) has been used as fuel for gas generation as a gas-producing substance (blowing agent, propellant). The great advantage of azide generators is that the released gas consists of almost 100 percent nitrogen and is therefore not hazardous to health because of the high toxicity of sodium azide (LD 50 value of 27 mg / kg), which is comparable to potassium cyanide (cyanide), however, the problems with the disposal and recycling of airbag gas generators of the end-of-life vehicles as well as the dangers and risks of criminal misuse increased with further use become
Als Alternativstoffe kommen organische, stickstofrreiche Verbindungen in Betracht, die ähnlich gute Leistungswerte (Gasausbeute, Druckverlauf, etc ) wie Natriumazid erreichen Umfangreiche Studien und Analysen der Anmelderin haben gezeigt, daß 5-Amιnotetrazol als umweltvertraglicher Alternativbrennstoff geeignet ist Das Ergebnis war ein Treibmittel aus 5-Aminotetrazol, Oxidationsmitteln und Additiven, das als SINCO bezeichnet wird Beim Abbrand der alternativen Feststoff-Brennstoffe wie 5-Aminotetrazol entstehen neben den nicht toxischen Arbeitsgasen Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf auch Anteile der toxischen Gase Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid und StickstoffdioxidSuitable alternative substances are organic, nitrogen-rich compounds that achieve similarly good performance values (gas yield, pressure curve, etc.) as sodium azide. Extensive studies and analyzes by the applicant have shown that 5-aminotetrazole is suitable as an environmentally compatible alternative fuel. The result was a blowing agent made of 5- Aminotetrazole, oxidizing agents and additives called SINCO When alternative solid fuels such as 5-aminotetrazole are burned up, not only the non-toxic working gases nitrogen, carbon dioxide and water vapor, but also parts of the toxic gases carbon monoxide, nitrogen monoxide and nitrogen dioxide are produced
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, bei Einsatz der alternativen Feststoff- Brennstoffen eine Minimierung der Schadgas-Konzentrationen zu erreichenThe object of the present invention was therefore to achieve a minimization of the harmful gas concentrations when using the alternative solid fuels
Die NO-Bildung (alle Arten) wird im allgemeinen bei höheren Temperaturen und längeren Verweilzeiten der Gase bzw Abgase im Hochtemperaturbereich begünstigt Die bisher im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Stickstoffoxidminderung basieren hauptsachlich auf einer Erniedrigung der Verbrennungstemperatur Zusatzliche thermische NO-Bildung wird durch eine schnelle Abkühlung der Abgase verhindert Allerdings haben die niedrigen Verbrennungstemperaturen den Nachteil, daß sie die CO-Bildung erhohen Ungleichmäßige Verbrennungsablaufe können zur starken Bildung von beiden Schadgasen fuhren So verursacht eine lokale oder kurzzeitige Uberhitzung die NO-Bildung und eine lokale oder kurzzeitige Unterkühlung die CO-BildungThe NO formation (all types) is generally favored at higher temperatures and longer dwell times of the gases or exhaust gases in the high-temperature range.The processes for nitrogen oxide reduction known to date in the prior art are mainly based on a lowering of the combustion temperature Cooling of the exhaust gases prevented However, the low combustion temperatures have the disadvantage that they increase the CO formation. Uneven combustion processes can lead to the strong formation of both harmful gases. Local or short-term overheating causes NO formation and local or short-term supercooling causes CO formation
Eine Alternative zur NO-Unterdruckung ist die Verbrennung in katalysatorbeschichteten Poren oder Kapillarraumen Katalytische Verbrennungsvorgange sind sehr schadstoffarm, aber auch empfindlich bezuglich der Betriebsbedingungen und benotigen teure KatalysatormaterialienAn alternative to NO negative pressure is combustion in catalyst-coated pores or capillary spaces. Catalytic combustion processes are very low in pollutants, but also sensitive to the operating conditions and require expensive catalyst materials
Gelost wurde die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch das Einbringen von Substanzen in den Stromungsweg des Arbeitsgases, beispielsweise durch Beschichtung von Komponenten des Gasgenerators Dabei wird der eingebrachte Stoff durch die Verbrennungswarme verdampft, der in einer homogenen Gasphasenreaktion eine Umsetzung der Schadgase zu nicht toxischen Verbindungen bewirktThe object on which the invention is based was achieved by introducing substances into the flow path of the working gas, for example by coating components of the gas generator. The introduced substance is evaporated by the heat of combustion, which causes the harmful gases to be converted into nontoxic compounds in a homogeneous gas phase reaction
Die erfindungsgemaß einzusetzenden Substanzen zur Stickoxidminderung für den Einsatz in Airbag-Gasgeneratoren müssen folgende Anforderungen erfüllen UngiftigThe substances to be used according to the invention for reducing nitrogen oxides for use in airbag gas generators must meet the following requirements Non-toxic
-» Probleme bei der Entsorgung bzw. Rezyklierung werden so vermieden.- »Problems with disposal and recycling are avoided.
Schmelzpunkt > 105 °CMelting point> 105 ° C
— Bei starker Sonneneinstrahlung kann das Airbag-Modul bis auf 105 °C aufgeheizt werden. Es muß gewährleistet sein, daß sich der Zusatzstoff in so einem Fall nicht verflüssigt und aus dem Airbag-Modul austritt. Deshalb kommen nur Stoffe mit einem Schmelzpunkt > 105 °C in Frage.- In strong sunlight, the airbag module can be heated up to 105 ° C. It must be ensured that the additive does not liquefy in such a case and escapes from the airbag module. Therefore, only substances with a melting point> 105 ° C can be used.
Verdampfung unterhalb 400 °CEvaporation below 400 ° C
— An den Stellen im Gasgenerator, an denen der Zusatzstoff verdampfen soll, treten durch die schnelle Abkühlung des Gases keine höheren Temperaturen als 400 °C auf.- At the points in the gas generator where the additive is to evaporate, the rapid cooling of the gas does not result in temperatures higher than 400 ° C.
Langzeitstabilität (15 Jahre)Long-term stability (15 years)
--» Ein Gasgenerator sollte über die gesamte Lebensdauer eines PKW (bis zu 15 Jahre) voll einsatzfähig sein.- »A gas generator should be fully operational over the entire lifespan of a car (up to 15 years).
• Keine Gesundheitsgefährdung durch entstehende Gase• No health hazard due to gases
-> Die bei der Verdampfung freigesetzten Gase dürfen nicht gesundheitsschädlich sein und auch keine Reaktionen eingehen, die zu toxischen Verbindungen fuhren.-> The gases released during evaporation must not be harmful to health and must not undergo any reactions that lead to toxic compounds.
• Bewirkung einer Stickoxidminderung• Effect of nitrogen oxide reduction
—» Der eingebrachte Stoff soll in einer homogenen Gasphasenreaktion eine Reduzierung der Stickoxide bewirken.- »The introduced substance should reduce nitrogen oxides in a homogeneous gas phase reaction.
Preiswert Diese Kriterien werden von den nachfolgenden Substanzen, die sich in drei Stoffgruppen einteilen lassen, erfüllt (Tabelle 1).Inexpensive The following substances, which can be divided into three groups of substances, meet these criteria (Table 1).
Metallocene und Harnstoff und Schwefel und ihre Derivate Harnstoffderivate SchwefelverbindungenMetallocenes and urea and sulfur and their derivatives urea derivatives sulfur compounds
Ferrocen Harnstoff SchwefelFerrocene urea sulfur
1 , 1 ' -Diacetylferrocen N-Formylharnstoff (Titanocenpentasulfid)1, 1 '-diacetylferrocene N-formylurea (Titanocenpentasulfid)
Titanocenpentasulfid N,N' -Dimethylharnstoff N.N-DimethylharnstoffTitanocene pentasulfide N, N '-dimethylurea N.N-dimethylurea
Tabelle 1: Übersicht über die eingesetzten SubstanzenTable 1: Overview of the substances used
Die Versuche wurden in einer Apparatur durchgeführt, die die Messung der zeitlichen Konzentrationsverläufe von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid in einem Reaktionsbehälter mit 60 1 Volumeninhalt ermöglicht.The tests were carried out in an apparatus which enables the measurement of the concentration curves of nitrogen monoxide and nitrogen dioxide over time in a reaction vessel with a volume of 60 l.
Das Verfahrensfließbild der Versuchsapparatur ist in Figur 1 dargestellt. Sie läßt sich in folgende Anlagenteile gliedern:The process flow diagram of the experimental apparatus is shown in FIG. 1. It can be divided into the following system parts:
• die Gaszuführung• the gas supply
• den Satzreaktor• the batch reactor
• den Stickoxid-Analysator mit seinen Hilfsaggregaten.• the nitrogen oxide analyzer with its auxiliary units.
Die Versuchsapparatur besteht im wesentlichen aus dem Satzreaktor aus Kunststoff und aus dem Stickoxid-Analysator. Dem Reaktor wird zu Beginn eines jeden Versuchs Stickstoffmonoxid zudosiert, das sich mit dem Luftsauerstoff nach einer Gleichgewichtsreaktion teilweise in Stickstoffdioxid umsetzt. Die Temperatur im Reaktor beträgt bei allen Versuchen 45 °C. Nach etwa 10 Minuten, wenn sich die Stickstoffdioxid- Konzentration kaum noch ändert, wird die jeweilige Substanz in dem Behälter verdampft. Durch die regelmäßige Aufnahme der Werte für die Stickstoffdioxid- bzw. Stickstoffmonoxid-Konzentration, können die Konzentrationsverlaufe ermittelt werden, die Aussagen über die Wirksamkeit der jeweiligen Substanz ermöglichenThe experimental apparatus essentially consists of the plastic set reactor and the nitrogen oxide analyzer. At the beginning of each experiment, nitrogen monoxide is metered into the reactor, which partially converts with the atmospheric oxygen into nitrogen dioxide after an equilibrium reaction. The temperature in the reactor is 45 ° C. in all experiments. After about 10 minutes, when the nitrogen dioxide concentration hardly changes, the respective substance is evaporated in the container. By regularly recording the values for nitrogen dioxide or Nitrogen monoxide concentration, the concentration curves can be determined, which allow statements about the effectiveness of the respective substance
Mit dieser Versuchsapparatur können Ergebnisse erzielt werden, die einen Vergleich von Substanzen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zur Stickstoffbxidreduzierung ermöglichenWith this experimental apparatus, results can be achieved that enable a comparison of substances with regard to their effectiveness for reducing nitrogen oxides
Die Versuche haben überraschenderweise ergebenThe experiments have surprisingly shown
- Mit allen getesteten Stoffen wurde eine Reduzierung der Stickstoffdioxid-Konzentration erreicht- A reduction of the nitrogen dioxide concentration was achieved with all tested substances
- Ferrocen zeigt die beste Wirkung Mit vergleichsweise geringen Mengen wird ein schneller Abbau von Stickstoffdioxid erzielt- Ferrocene shows the best effect. With comparatively small amounts, a quick breakdown of nitrogen dioxide is achieved
Die nachfolgenden Versuche sollen die Erfindung erläutern ohne sie einzuschränkenThe following experiments are intended to explain the invention without restricting it
Versuchsaufbau:Experiment setup:
Als Material für den Reaktor wurde Kunststoff gewählt, um Reaktionen, die an einer metallischen Wand auftreten können, zu vermeiden Der eingesetzte Kunststoffbehalter ist nicht sehr temperaturbeständig Deshalb sollte die Temperatur in dem Behalter 45 °C nicht übersteigen, so daß keine Verformungen der Behalterwand entstehen In dem Reaktor befindet sich ein Verdampfer und ein Heizlüfter Der Verdampfer besteht im wesentlichen aus einer bis 350 °C stufenlos temperierbaren Heizplatte, auf der die Testsubstanzen in einer Glasschale auf Sublimations- bzw Siedetemperatur erhitzt werden können Der Heizlüfter dient zur Einstellung einer gewünschten Temperatur, sowie zur intensiven Durchmischung der Reaktionsmischung Die Vermischung ist notwendig, um im gesamten Reaktor gleiche Reaktandenkonzentrationen und Temperaturen zu gewahrleisten Mit einem, der an die Heizung des Heizlüfters angeschlossen ist, kann die Temperatur im Reaktor manuell eingestellt und nachgeregelt werden Eine Regelung der Temperatur im Behalter ist wegen der Warmeverluste über die Wand, der Wärmezufuhr über die Heizplatte und den im Reaktor ablaufenden endo- bzw exothermen Reaktionen erforderlich Die Temperatur wird mit einem Thermoelement, das an ein Voltmeter angeschlossen ist, gemessen Für die Konzentrationsmessung der Stickoxide (NO, NO2) wird ein Chemilumineszenzgerat eingesetzt, an dem noch die Bypasspumpe, die Silicagel-Trockenpatrone und die Ozon- Zerstorer/Pumpen-Einheit angeschlossen sind Um das Chemilumineszenzgerat vor Verschmutzungen zu schützen, ist zwischen dem Reaktor und dem Chemilumineszenzgerat ein Mikrofaser-Filter eingebautPlastic was chosen as the material for the reactor in order to avoid reactions that can occur on a metallic wall. The plastic container used is not very temperature-resistant.Therefore, the temperature in the container should not exceed 45 ° C, so that no deformation of the container wall occurs the reactor has an evaporator and a fan heater The evaporator essentially consists of a heating plate that can be continuously heated to 350 ° C, on which the test substances can be heated to sublimation or boiling temperature in a glass dish. The fan heater is used to set a desired temperature and to intensive mixing of the reaction mixture The mixing is necessary in order to ensure the same reactant concentrations and temperatures throughout the reactor. With one connected to the heater of the fan heater, the temperature in the reactor can be set and readjusted manually The temperature in the container must be adjusted due to the heat loss via the wall, the heat supply via the heating plate and the endothermic or exothermic reactions taking place in the reactor. The temperature is measured using a thermocouple connected to a voltmeter For the concentration measurement of the nitrogen oxides (NO, NO 2 ), a chemiluminescence device is used, to which the bypass pump, the silica gel drying cartridge and the ozone destroyer / pump unit are connected. To protect the chemiluminescence device from contamination, the reactor and the chemiluminescence device built a microfiber filter
Die Zuführung des Stickstoffmonoxid erfolgt mit Hilfe eines Gassacks, der, zuvor gefüllt, an den Dreiwegehahn angeschlossen wird Das Kalibriergas (Stickstoff mit 80 ppm Stickstoffmonoxid) wird über einen Druckminderer direkt aus der Druckflasche zum Chemilumineszenzgerat geleitet Das Gas soll drucklos in den Analysator einströmen Deshalb müssen ca 50 % bzw 0,6 1/min der benotigten Gasmenge über ein T-Stuck mit einer Uberschußleitung ausströmen Der Überschuß wird in einen Abzug geleitet Die Uberschußleitung hat eine Lange von mehr als 2 m, um eine Vermischung des Kalibriergases mit der Atmospharenluft zu vermeiden Zudem ist an der Leitung noch ein Durchflußmesser angebracht, um den vorgegebenen Wert für den Volumenstrom kontrollieren zu können Als Gasleitungen wurden nur Rohre mit einer glatten Oberflache und aus inertem Material wie PTFE, Glas oder Stahl verwendetThe nitrogen monoxide is supplied with the help of a gas bag, which, once filled, is connected to the three-way valve. The calibration gas (nitrogen with 80 ppm nitrogen monoxide) is fed directly from the pressure bottle to the chemiluminescence device via a pressure reducer. The gas should therefore flow into the analyzer without pressure Flowing out approx. 50% or 0.6 1 / min of the required amount of gas via a T-piece with an excess line. The excess is led into a fume cupboard. The excess line has a length of more than 2 m in order to avoid mixing the calibration gas with the atmospheric air In addition, a flow meter is attached to the line in order to be able to control the specified value for the volume flow. Only pipes with a smooth surface and made of inert material such as PTFE, glass or steel were used as gas lines
Versuchsdurchführung:Carrying out the experiment:
Eine bestimmte Menge der zu testenden Substanz wird in eine Glasschale eingewogen und gleichmaßig auf dem Glasboden verteilt Anschließend wird das Glas in die Mitte der Heizplatte gestellt und die Temperatureinstellung des Verdampfers überprüft Danach setzt man den Deckel auf den Kunststoffbehalter auf und druckt den Hebel am Spannring zu Nun werden die Verschraubungen an den Behalteranschlussen fest nachgezogen, damit die Dichtigkeit des Behalters gewahrleistet ist Das Thermoelement wird an das Voltmeter angeschlossen und die Leitungen vom Abzug und Filter müssen mit den Dreiwegehahnen des Behalterdeckels, die so eingestellt sein müssen, daß der Behalter abgeschlossen ist, verbunden werden Wahrend die Behalterluft mit dem Heizlüfter auf 45 °C aufgeheizt wird, kann die Kalibrierung erfolgen Sobald die Temperatur im Reaktor 45 °C erreicht hat, wird über einen Gassack am Dreiwegehahn 1 Stickstoffmonoxid in den Behalter zudosiert, das sich mit dem Luftsauerstoff nach einer Gleichgewichtsreaktion teilweise in Stickstoffdioxid umsetzt Sobald sich das Stickstoffmonoxid im Reaktor befindet, wird mit der Messung der Zeit begonnenA certain amount of the substance to be tested is weighed into a glass bowl and evenly distributed on the glass bottom. Then the glass is placed in the middle of the heating plate and the temperature setting of the evaporator is checked. Then you put the lid on the plastic container and press the lever on the clamping ring Now the screw connections on the container connections are tightened to ensure that the container is watertight. The thermocouple is connected to the voltmeter and the cables from the fume cupboard and filter must be set with the three-way cocks on the container cover, which must be set so that the container is closed. When the container air is heated to 45 ° C with the fan heater, the calibration can be carried out As soon as the temperature in the reactor has reached 45 ° C, 1 nitrogen monoxide is metered into the container via a gas bag on the three-way valve Same Weight reaction partly in nitrogen dioxide implemented As soon as the nitrogen monoxide is in the reactor, the measurement of the time is started
Der erste Meßwert wird nach etwa 30 Sekunden und der zweite nach ungefähr 5 Minuten aufgenommen Mit der Vorheizzeit, die man vor der Messung bestimmt hat, wird ein Zeitpunkt festgelegt, zu dem der Verdampfer eingeschaltet wird, so daß die Substanz nach ca 10 Minuten zu verdampfen beginnt Zu dieser Zeit hat sich in dem Kunststoffbehalter ein Zustand eingestellt, in dem sich die Stickstoffdioxid-Konzentration nur noch langsam ändertThe first measured value is recorded after about 30 seconds and the second after about 5 minutes. The preheating time that was determined before the measurement determines a point in time at which the evaporator is switched on, so that the substance evaporates after about 10 minutes begins At this time, the plastic container is in a state in which the nitrogen dioxide concentration changes only slowly
Kurz vor dem Verdampfen des Stoffes wird noch ein Meßwert am Chemilumineszenzgerat abgelesen und in das Meßprotokoll eingetragen Die Zeitabstande der Meßpunkte nach dem Erreichen des Siedepunktes sind abhangig von dem jeweiligen Reaktionsverlauf, der sich mit einer bestimmten Substanz ergibt Die Aufnahme der Meßwerte wird über einen Zeitraum von 25 - 30 Minuten durchgeführt Wahrend der gesamten Messung muß die Temperatur im Reaktor standig kontrolliert werden und gegebenenfalls von Hand über einen Dimmer nachgeregelt werdenShortly before the substance evaporates, a measured value is read from the chemiluminescence device and entered in the measurement protocol. The time intervals between the measurement points after the boiling point has been reached depend on the course of the reaction that results with a specific substance. The measurement values are recorded over a period of 25 - 30 minutes carried out During the entire measurement, the temperature in the reactor must be constantly checked and, if necessary, readjusted by hand using a dimmer
Nach Beendigung der Messung muß der Kunststoffbehalter im Freien geöffnet werden und mindestens 15 Minuten auslüften Anschließend werden Schlauche, Filter, Behalter und Dreiwegehahne grundlich gereinigt und getrocknet After completing the measurement, the plastic container must be opened outdoors and ventilated for at least 15 minutes. Then the hoses, filter, container and three-way cock are thoroughly cleaned and dried
Versuchsprogramm:Trial program:
Zunächst wurden drei Versuche ohne Verdampfung eines Zusatzstoffs durchgeführt. Dadurch konnte der Konzentrationsverlauf von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid ohne Einfluß einer in die Gasphase überführten Substanz dargestellt werden. Zudem war ein Vergleich der experimentell ermittelten Werte mit den theoretisch berechneten möglich.First, three experiments were carried out without the evaporation of an additive. As a result, the course of the concentration of nitrogen monoxide and nitrogen dioxide could be shown without the influence of a substance converted into the gas phase. It was also possible to compare the experimentally determined values with the theoretically calculated values.
Tabelle 2 zeigt einen Überblick über die mit den Zusatzstoffen durchgeführten Versuche.Table 2 shows an overview of the tests carried out with the additives.
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Tabelle 2. Übersicht über die durchgeführten Versuche Aus Tabelle 2 wird ersichtlich, daß bei einigen Substanzen - aus jeder Stoffgruppe wurde eine Substanz ausgewählt - zusätzlich noch der Einfluß von Kohlenmonoxid-Gas auf die im Behälter ablaufenden Reaktionen untersucht wurde.Table 2. Overview of the tests carried out From Table 2 it can be seen that for some substances - a substance was selected from each group of substances - the influence of carbon monoxide gas on the reactions taking place in the container was also investigated.
Einfluß von Ferrocen auf die Stickoxid-Konzentrationen:Influence of ferrocene on nitrogen oxide concentrations:
In der Versuchsapparatur wurden die Auswirkungen die sich durch die Verdampfung von 0,015 g Ferrocen auf die Stickstoffmonoxid- und Stickstoffdioxid-Konzentrationen ergeben, ermittelt. In der Anfangsphase der Messung ist der zeitliche Verlauf der Konzentrationen wie erwartet. Die Stickstoffmonoxid-Konzentration fällt durch die Oxidation des Stickstoffmonoxid mit dem Luftsauerstoff, wodurch die Stickstoffdioxid-Konzentration ansteigt. Sobald sich das Ferrocen in der Gasphase befindet (nach 540 s) beginnt ein steiler, nahezu linearer Abfall der Stickstoffdioxid-Konzentration. Sie nimmt innerhalb von 35 Sekunden um 40 ppm ab. Die Stickstoffmonoxid-Konzentration bleibt in diesem Zeitraum konstant auf einem Wert von 178 ppm. Danach sinkt sie weiter ab und die Stickstoffdioxid- Konzentration nimmt wieder zu.The effects of the evaporation of 0.015 g ferrocene on the nitrogen monoxide and nitrogen dioxide concentrations were determined in the test apparatus. In the initial phase of the measurement, the concentration over time is as expected. The nitrogen monoxide concentration falls due to the oxidation of the nitrogen monoxide with the atmospheric oxygen, which increases the nitrogen dioxide concentration. As soon as the ferrocene is in the gas phase (after 540 s) a steep, almost linear decrease in the nitrogen dioxide concentration begins. It decreases by 40 ppm within 35 seconds. The nitrogen monoxide concentration remains constant at a value of 178 ppm during this period. Then it continues to drop and the nitrogen dioxide concentration increases again.
Zur Überprüfung der 1. Messung wurden noch zwei weitere Versuche mit 0,015 g Ferrocen und ähnlichen Stickoxid-Konzentrationen durchgeführt. In den beiden Wiederholungsmessungen zeigen sich die gleichen Konzentrationsverläufe wie bei der 1. Messung. Sobald sich das Ferrocen in der Gasphase befindet, erfolgt ein schneller Abfall der Stickstoffdioxid-Konzentrationen. Bei Versuch Nr.2 sind es 39 ppm in 43 s und bei Versuch Nr.3 45 ppm in 45 s. Die Stickstoffmonoxid-Konzentrationen bleiben in dieser Zeit auf einem konstanten Wert.To check the first measurement, two further tests were carried out with 0.015 g ferrocene and similar nitrogen oxide concentrations. In the two repeat measurements, the same concentration profiles are shown as in the first measurement. As soon as the ferrocene is in the gas phase, the nitrogen dioxide concentrations decrease rapidly. In experiment no.2 it is 39 ppm in 43 s and in experiment no.3 it is 45 ppm in 45 s. The nitrogen monoxide concentrations remain constant during this time.
Bei einer Erhöhung der Ferrocenmenge auf 0,0225 g Ferrocen vergrößert sich der Konzentrationsabfall des Stickstoffdioxids. Die Konzentration sinkt in 88 s um 90 ppm. Dies entspricht etwa einer doppelt so großen Absenkung wie bei den Versuchen mit einer Menge von 0,015 g Ferrocen. Eine weitere Erhöhung der Substanzmenge auf 0,03 g bringt dagegen keine Steigerung der Konzentrationsabsenkung mehr. Innerhalb von 75 s erfolgt eine Erniedrigung der Stickstoffdioxid-Konzentration um 88 ppm. Die Ergebnisse wurden jeweils in zwei weiteren Messungen bestätigt.When the amount of ferrocene is increased to 0.0225 g ferrocene, the drop in the concentration of nitrogen dioxide increases. The concentration drops by 90 ppm in 88 s. This corresponds to a reduction twice as large as in the tests with an amount of 0.015 g of ferrocene. On the other hand, a further increase in the amount of substance to 0.03 g does not result in an increase in the reduction in concentration. The nitrogen dioxide concentration is reduced by 88 ppm within 75 s. The results were confirmed in two further measurements.
In Tabelle 3 sind die Werte für die Stickstoffdioxidminderung aller Messungen übersichtlich dargestellt.Table 3 clearly shows the nitrogen dioxide reduction values for all measurements.
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Tabelle 3: Übersicht über die Stickstoffdioxidabsenkung durch Ferrocen in der Gasphase
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Table 3: Overview of nitrogen dioxide reduction by ferrocene in the gas phase
Die Verbrennungsgase eines Gasgenerators enthalten neben den Stickoxiden auch Anteile an Kohlenmonoxid. Deshalb wurden 3 Messungen, mit einer Substanzmenge von 0,03 g Ferrocen und gleichen Versuchsbedingungen wie bei den vorigen Versuchen, zusätzlich mit Kohlenmonoxid-Gas durchgeführt, um mögliche Einflüsse des Kohlenmonoxids auf die Ergebnisse zu erkennen. Das Verhältnis CO zu NO2 bei den Verbrennungsgasen eines Gasgenerators beträgt etwa 10 zu 1. Dieses Konzentrationsverhältnis wurde im Reaktor eingestellt. Die Messung des CO-Gasgehalts erfolgte mit Dräger-Röhrchen (Relative Standardabweichung: ± 10 bis 15%). Die Ergebnisse zeigen, daß sich der Stickstoffmonoxid- und Stickstoffdioxid-Konzentrationsverlauf mit Kohlenmonoxid-Gas nicht verändert. In Tabelle 4 sind die Werte für die Stickstoffdioxidreduzierung mit und ohne Kohlenmonoxid gegenübergestellt.The combustion gases of a gas generator contain not only nitrogen oxides, but also carbon monoxide. For this reason, 3 measurements with a substance amount of 0.03 g ferrocene and the same test conditions as in the previous tests were additionally carried out with carbon monoxide gas in order to identify possible effects of carbon monoxide on the results. The ratio CO to NO 2 in the combustion gases of a gas generator is about 10 to 1. This concentration ratio was set in the reactor. The CO gas content was measured using Dräger tubes (relative standard deviation: ± 10 to 15%). The results show that the nitrogen monoxide and nitrogen dioxide concentration curve does not change with carbon monoxide gas. Table 4 compares the values for nitrogen dioxide reduction with and without carbon monoxide.
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Tabelle 4: Übersicht über die Stickstoffdioxidabsenkung ohne und mit Kohlenmonoxid Deutung der Ergebnisse:
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Table 4: Overview of nitrogen dioxide reduction with and without carbon monoxide Interpretation of the results:
Um die Ergebnisse der Versuche mit Ferrocen erklaren zu können, wurde eine FT-IR- Analyse des Ruckstands, der sich in dem Reaktor bildet, durchgeführt Hierzu wurde der Reaktor nach einem Versuch mit Wasser ausgespult Das erhaltene Gemisch wurde anschließend im Rotationsverdampfer eingedampft Nachdem der verbleibende Ruckstand im Trockenschrank getrocknet war, wurde der KBr-Preßling für die FT-IR-Analyse angefertigt und danach in einem FT-IR-Gerat analysiertIn order to explain the results of the experiments with ferrocene, an FT-IR analysis of the residue that forms in the reactor was carried out. For this purpose, the reactor was rinsed out with water after an experiment. The resulting mixture was then evaporated in a rotary evaporator Residue dried in the drying cabinet, the KBr compact was made for FT-IR analysis and then analyzed in an FT-IR device
Außer der FT-ER-Analyse wurde noch eine GC-Analyse für die Identifizierung der gasformigen Produkte durchgeführt Dazu wurden 100 mg Ferrocen in einem Headspaceglaschen zwei Stunden lang bei 80 °C gelagert, um einen Teil des Ferrocens in die Gasphase zu überführen Danach wurden dem Glaschen 3 ml eines NO/N02-Gemisches zugegeben In einem Gaschromatographen wurden 2 ml Gas aus dem Headspaceglaschen analysiert Dabei wurde festgestellt, daß sich neben dem Ferrocen und Luftbestandteilen auch noch Cyclopentadien in der Gasphase befindet.In addition to the FT-ER analysis, a GC analysis was also carried out to identify the gaseous products. 100 mg of ferrocene were stored in a headspace glass for two hours at 80 ° C. in order to convert part of the ferrocene into the gas phase Glasses 3 ml of a NO / NO 2 mixture added 2 ml of gas from the headspace glass were analyzed in a gas chromatograph. It was found that cyclopentadiene is also in the gas phase in addition to the ferrocene and air components.
Die vorangegangenen Untersuchungen lassen darauf schließen, daß Ferrocen mit Stickstoffdioxid in einer Redoxreaktion zu Eisen(III)-oxid, Cyclopentadien und Stickstoff reagiertThe previous investigations suggest that ferrocene reacts with nitrogen dioxide in a redox reaction to give ferric oxide, cyclopentadiene and nitrogen
3 N02 2 2 FFeΘ∑2OÜa3 ++ 88 (6 (J)
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. ,-5 N
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Mit dieser Gleichung laßt sich die schnelle Abnahme der Stickstoffdioxid-Konzentrationen bei den Versuchen erklaren Die konstanten Stickstoffmonoxid-Werte konnten darauf zurückzuführen sein, daß das Stickstoffdioxid teilweise nur zum Stickstoffmonoxid reduziert wird und deshalb Bildung und Abbau im Gleichgewicht stehen Einfluß von U'-Diacetylferrocen auf die Stickoxid-Konzentrationen:This equation explains the rapid decrease in nitrogen dioxide concentrations in the experiments. The constant nitrogen monoxide values could be due to the fact that the nitrogen dioxide is only partially reduced to nitrogen monoxide and therefore formation and degradation are in equilibrium Influence of U'-diacetylferrocene on nitrogen oxide concentrations:
Untersucht wurden die Stickoxid -Konzentrationsverlaufe eines Versuchs mit 0,1 g 1,1'- Diacetylferrocen Bis zum Verdampfen der Substanz andern sich die Konzentrationen wie erwartet Die Stickstoffmonoxid- erte sinken durch die Oxidation und die Stickstoffdioxid- Werte steigen an Kurz nach dem Beginn des Verdampfüngsvorgangs nimmt die Stickstoffmonoxid-Konzentration in 233 s - zuerst starker, dann schwacher werdend - um 24 ppm zu Die Stickstoffdioxid-Konzentration fallt gleichermaßen um 26 ppm Anschließend stellt sich wieder der normale NO/NO2-Gleichgewichtsverlauf einThe course of the nitrogen oxide concentrations was investigated in an experiment with 0.1 g of 1,1'-diacetylferrocene. The concentrations change as expected until the substance evaporates. The nitrogen monoxide values decrease due to the oxidation and the nitrogen dioxide values increase shortly after the start of the The evaporation process increases the nitrogen monoxide concentration by 23 ppm in 233 s - initially stronger, then becoming weaker - The nitrogen dioxide concentration also drops by 26 ppm. Then the normal NO / NO 2 equilibrium is restored
Die Ergebnisse des 1 Versuchs wurden in zwei weiteren Messungen mit 0,1 g 1,1 '-Diacetylferrocen bestätigt Beim 2 Versuch ergab sich in 262 s eine Abnahme der NO2- Konzentration um 23 ppm und eine Zunahme der NO-Konzentration um 25 ppm Bei einem 3 Versuch wurde fetsgesteüt, daß in 250 s die NO -Werte um 24 ppm fallen und die NO- Werte um 23 ppm steigenThe results of the 1 experiment were confirmed in two further measurements with 0.1 g of 1,1'-diacetylferrocene. In the 2 experiment, the NO 2 concentration decreased by 23 ppm in 262 s and the NO concentration increased by 25 ppm In a 3 experiment it was determined that the NO values drop by 24 ppm in 250 s and the NO values increase by 23 ppm
Bei Einbringung von nur 0,05 g 1,1' -Diacetylferrocen in die Gasphase zeigte sich, daß gegenüber den Versuchen mit 0, 1 g die Werte für die Stickstoffdioxid- Abnahme bzw für die Stickstoffmonoxid-Zunahme etwa um die Hälfte niedriger sind (Tabelle 5) Qualitativ sind die Verlaufe der Konzentrationen in Abhängigkeit von der Zeit aber identischWhen only 0.05 g of 1,1'-diacetylferrocene was introduced into the gas phase, it was found that the values for the decrease in nitrogen dioxide and for the increase in nitrogen monoxide were about half lower than the tests with 0.1 g (Table 5) Qualitatively, the course of the concentrations as a function of time are identical
In Tabelle 5 sind alle Ergebnisse der Versuche mit 1,1 '-Diacetylferrocen übersichtlich aufgeführtTable 5 clearly shows all the results of the experiments with 1,1'-diacetylferrocene
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Tabelle 5: Übersicht über die Zu- bzw Abnahme der Konzentrationen von NO und N02 Deutung der Ergebnisse:Table 5: Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and N0 2 Interpretation of the results:
Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß eine Stickstoffdioxid-Abnahme eine entsprechende Stickstoffmonoxid-Zunahme zur Folge hat. Dieser Effekt ergibt sich wahrscheinlich durch eine Redoxreaktion des l,l'-Diacetylferrocens mit dem Stickstoffdioxid, das demnach zum Stickstoffmonoxid reduziert wird. Im Vergleich zum Ferrocen ist das Ferrocenderivat 1,1'- Diacetylferrocen ein viel schlechteres Reduktionsmittel mit dem zusätzlichen Nachteil der Stickstoffmonoxid-Bildung.From Table 5 it can be seen that a decrease in nitrogen dioxide results in a corresponding increase in nitrogen monoxide. This effect probably results from a redox reaction of l, l'-diacetylferrocene with nitrogen dioxide, which is accordingly reduced to nitrogen monoxide. Compared to ferrocene, the ferrocene derivative 1,1'-diacetylferrocene is a much poorer reducing agent with the additional disadvantage of nitrogen monoxide formation.
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Einfluß von Titanocenpentasulfid auf die Stickoxid-Konzentrationen:Influence of titanocene pentasulfide on nitrogen oxide concentrations:
Untersucht wurden die Auswirkungen auf Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, die sich durch das Verdampfen von 0,05 g Titanocenpentasulfid ergeben. Die Stickstoffdioxid- Konzentration sinkt durch Titanocenpentasulfid in der Gasphase nahezu linear in 85 s von 253 ppm auf 225 ppm ab. Die Stickstoffmonoxid-Konzentration nimmt dagegen in gleicher Weise von 269 ppm auf 298 ppm zu. Vor dem Verdampfen und nach der Reaktion des Titanocenpentasulfids mit den Stickoxiden ergeben sich die normalen Konzentrationsverläufe, d.h. Abnahme des Stickstoffmonoxids durch Oxidation und infolgedessen eine Zunahme des Stickstoffdioxids.The effects on nitrogen monoxide and nitrogen dioxide, which result from the evaporation of 0.05 g of titanocene pentasulfide, were investigated. The nitrogen dioxide concentration drops almost linearly in 25 s from 253 ppm to 225 ppm due to titanocene pentasulfide in the gas phase. The nitrogen monoxide concentration, however, increases in the same way from 269 ppm to 298 ppm. Before the evaporation and after the reaction of the titanocene pentasulfide with the nitrogen oxides, the normal concentration courses result, i.e. Decrease in nitrogen monoxide due to oxidation and consequently an increase in nitrogen dioxide.
Zwei weitere Versuche mit 0,05 g Titanocenpentasulfid führten zu ähnlichen Resultaten wie im 1.Versuch. Die genauen Werte für die Änderungen der Konzentrationen können der Tabelle 6 entnommen werden, in der alle Ergebnisse der drei Messungen zusammengefaßt sind.
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Two further experiments with 0.05 g of titanocene pentasulfide led to similar results as in the first experiment. The exact values for the changes in the concentrations can be found in Table 6, in which all the results of the three measurements are summarized.
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Tabelle 6: Übersicht über die Zu- bzw. Abnahme der Konzentrationen von NO und NO2 Table 6: Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2
Durch eine Erhöhung der Substanzmenge von 0,05 g auf 0,1 g haben sich die Werte für die Stickstoffmonoxid-Zunahme und die Stickstoffdioxid- Absenkung etwa verdoppelt. In 103 s ist die Stickstoffdioxid-Konzentration von 351 ppm um 50 ppm auf 301 ppm gesunken. Im gleichen Zeitraum stieg die Stickstoffmonoxid-Konzentration von 306 ppm um 48 ppm auf 354 ppm an. Zwei weitere Versuche mit 0,1 g Titanocen-pentasulfid ergeben übereinstimmende Ergebnisse, die in Tabelle 7 zusammengefaßt sind.By increasing the amount of substance from 0.05 g to 0.1 g, the values for the increase in nitrogen monoxide and the reduction in nitrogen dioxide have roughly doubled. In 103 s, the nitrogen dioxide concentration dropped from 351 ppm by 50 ppm to 301 ppm. During the same period, the nitrogen monoxide concentration increased from 306 ppm by 48 ppm to 354 ppm. Two further tests with 0.1 g of titanocene pentasulfide give consistent results, which are summarized in Table 7.
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Tabelle 7: Übersicht über die Zu- bzw. Abnahme der Konzentrationen von NO und NOTable 7: Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO
Eine Erhöhung der Substanzmenge auf 0,15 g bewirkte eine weitere Abnahme des Stickstoffdioxids und eine entsprechende Zunahme des Stickstoffmonoxids. Die Stickstoffmonoxid-Konzentration steigt in 130 s um 75 ppm, gleichzeitig fällt die Stickstoffdioxid-Konzentration um 77 ppm. Vergleichbare Ergebnisse werden in den beiden Wiederholungsversuchen erzielt (s. Tabelle 8), die in den Bildern A.19 und A.20 im Anhang dargestellt sind.
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An increase in the amount of substance to 0.15 g caused a further decrease in nitrogen dioxide and a corresponding increase in nitrogen monoxide. The nitrogen monoxide concentration increases by 75 ppm in 130 s, at the same time the nitrogen dioxide concentration drops by 77 ppm. Comparable results are achieved in the two replicate tests (see Table 8), which are shown in Figures A.19 and A.20 in the Appendix.
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Tabelle 8: Übersicht über die Zu- bzw Abnahme der Konzentrationen von NO und NO2 Table 8: Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2
Deutung der Ergebnisse:Interpretation of the results:
Eine FT-IR-Analyse des Ruckstands, der sich im Reaktor gebildet hat, sollte Aufschluß über den Reaktionsmechanismus geben Beim erhaltenen FT-ER-Spektrum deutet alles darauf hin, daß der Ruckstand aus Titanocenpentasulfid und Titan(IV)-oxid (TiO2) besteht Es handelt sich demnach mit hoher Wahrscheinlichkeit um eine Redoxreaktion des Titanocenpentasulfids mit Stickstoffdioxid, bei der die Reaktionsprodukte Cyclopentadien, Stickstoffmonoxid, Titan(IV)-oxid und Schwefel entstehen Dies erklart die gleichzeitige Bildung des Stickstoffmonoxids beim Abbau von StickstoffdioxidAn FT-IR analysis of the residue that has formed in the reactor should provide information about the reaction mechanism. In the FT-ER spectrum obtained, everything indicates that the residue consists of titanocene pentasulfide and titanium (IV) oxide (TiO 2 ) There is therefore a high probability that the titanocene pentasulfide will undergo a redox reaction with nitrogen dioxide, in which the reaction products cyclopentadiene, nitrogen monoxide, titanium (IV) oxide and sulfur are formed. This explains the simultaneous formation of nitrogen monoxide during the decomposition of nitrogen dioxide
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Einfluß von Harnstoff auf die Stickoxid-Konzentrationen:Influence of urea on nitrogen oxide concentrations:
Beim Stickstoffmonoxid ergeben sich keine auffalligen Veränderungen im Konzentrationsverlauf, wenn Harnstoff im Reaktor verdampft wird Dagegen kommt es beim Stickstoffdioxid zu einem Ruckgang der Konzentration von 82 ppm auf 54 ppm Diese Reduzierung um 28 ppm vollzieht sich in 410 s Danach nehmen die Stickstoffdioxid-Werte wieder langsam zu Die beiden Wiederholungsversuche bestätigen diese Resultate In Tabelle 9 sind alle Ergebnisse der Versuche mit 0,1 g Harnstoff angegeben
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With nitrogen monoxide there are no noticeable changes in the concentration curve when urea is evaporated in the reactor.On the other hand, there is a decrease in the concentration of nitrogen dioxide from 82 ppm to 54 ppm.This reduction of 28 ppm takes place in 410 s to The two replicate tests confirm these results. Table 9 shows all the results of the tests with 0.1 g of urea
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Tabelle 9: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 9: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Bei Einsatz von 0,4 g Harnstoff wird das Stickstoffdioxid im Vergleich zur Zugabe von 0,1 g Harnstoff deutlich stärker abgebaut. In den ersten 300 s nach Beginn des Verdampfüngsvorganges erfolgt eine relativ schnelle Abnahme der Stickstoffdioxid- Konzentration. Anschließend sinken die Werte mit abnehmender Geschwindigkeit weiter ab. Zum Ende der Messung ist immer noch ein Absinken der Stickstoffdioxid-Konzentration feststellbar. Insgesamt ergibt sich in 20 min eine Reduzierung des Stickstoffdioxids um 111 ppm. In Tabelle 10 sind alle Ergebnisse, die mit 0,4 g Harnstoff erzielt wurden, wiedergegeben.When using 0.4 g of urea, the nitrogen dioxide is broken down significantly more than when 0.1 g of urea is added. In the first 300 s after the start of the evaporation process, the nitrogen dioxide concentration decreases relatively quickly. The values then decrease further with decreasing speed. At the end of the measurement, a drop in the nitrogen dioxide concentration can still be determined. Overall, the nitrogen dioxide is reduced by 111 ppm in 20 minutes. Table 10 shows all the results obtained with 0.4 g of urea.
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Tabelle 10: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 10: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Eine Erhöhung der Harnstoffmenge auf 0,7 g führt zu noch höheren Werten für die Stickstoffdioxid- Abnahme. Es zeigt sich eine Verringerung der Stickstoffdioxid- Konzentration um 179 ppm in 1200 s. Ansonsten ist der qualitative Verlauf der Meßwerte identisch mit dem Verlauf, der sich bei Einsatz von 0,4 g Harnstoff ergab. Die Ergebnisse der Wiederholungsversuche können Tabelle 11 entnommen werden.
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An increase in the amount of urea to 0.7 g leads to even higher values for the decrease in nitrogen dioxide. The nitrogen dioxide concentration is reduced by 179 ppm in 1200 s. Otherwise, the qualitative course of the measured values is identical to the course that resulted when using 0.4 g of urea. The results of the repeat tests can be found in Table 11.
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Tabelle 11: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 11: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Deutung der Ergebnisse:Interpretation of the results:
Beim Erhitzen des Harnstoffs über den Schmelzpunkt entsteht Ammoniak (NH3), der als Reduktionsmittel zur Stickoxid-Reduktion bekannt ist. Es ist anzunehmen, daß der Stickstoffdioxid-Abbau durch eine homogene Gasphasenreaktion von Ammoniak mit Stickstoffdioxid erfolgt. Die Reduktion des NO2 mit NH3 kann durch folgende Brutto- reaktionsgleichungen beschrieben werden:When the urea is heated above the melting point, ammonia (NH 3 ) is produced, which is known as a reducing agent for nitrogen oxide reduction. It can be assumed that the nitrogen dioxide decomposition takes place through a homogeneous gas phase reaction of ammonia with nitrogen dioxide. The reduction of NO 2 with NH 3 can be described by the following gross reaction equations:
Hauptreaktionen 6 NO2 + 8 NH3 7 N2 + 12 H2OMain reactions 6 NO 2 + 8 NH 3 7 N 2 + 12 H 2 O
2 NO2 + 4 NH3 + O2 3 N2 6 H2O2 NO 2 + 4 NH 3 + O 2 3 N 2 6 H 2 O
NebenreaktionSide reaction
12 NO2 + 16 NH3 + 7 O2 14 N2O + 24 H2O12 NO 2 + 16 NH 3 + 7 O 2 14 N 2 O + 24 H 2 O
• Als Reaktionsprodukte dieser selektiven Reduktion entstehen in den Hauptreaktionen Stickstoff (N2) und Wasserdampf. Das unerwünschte Distickstoffmonoxid (N2O) aus der Nebenreaktion scheint sich nicht im wesentlichen Umfang zu bilden.• The reaction products of this selective reduction are nitrogen (N 2 ) and water vapor in the main reactions. The undesirable dinitrogen monoxide (N 2 O) from the side reaction does not seem to form to a substantial extent.
Stickstoffmonoxid ist im Vergleich zum Stickstoffdioxid reaktionstrage. Dies könnte der Grund dafür sein, daß das Stickstoffmonoxid bei einer Temperatur von 45 °C nicht mit Ammoniak reduziert wird. Einfluß von N-Formylharnstoff auf die Stickoxid-Konzentrationen:Nitrogen monoxide is inert compared to nitrogen dioxide. This could be the reason why the nitrogen monoxide is not reduced with ammonia at a temperature of 45 ° C. Influence of N-formylurea on nitrogen oxide concentrations:
Beim Verdampfen von 0,1 g N-Formylharnstoff beginnt ab dem Zeitpunkt 750 s die Stickstoffdioxid-Konzentration verhältnismäßig langsam bis zur Zeit 1230 s zu fallen. Die Konzentration wird dabei von 162 ppm um 12 ppm auf 150 ppm reduziert. Danach bleiben die Werte annähernd konstant. Am Stickstoffmonoxid-Konzentrationsverlauf sind keine auffälligen Veränderungen feststellbar.When 0.1 g of N-formylurea is evaporated, the nitrogen dioxide concentration begins to drop relatively slowly from the time 750 s to the time 1230 s. The concentration is reduced from 162 ppm by 12 ppm to 150 ppm. After that, the values remain almost constant. There are no noticeable changes in the nitrogen monoxide concentration curve.
In Tabelle 12 sind alle Ergebnisse, die bei den 3 Versuchen mit 0,1 g N-Formylharnstoff erreicht wurden, zusammengefaßt.Table 12 summarizes all the results which were achieved in the 3 experiments with 0.1 g of N-formylurea.
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Tabelle 12: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 12: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Um die Auswirkungen auf die Stickoxide bei einer Erhöhung der Substanzmenge zu untersuchen, wurden jeweils 3 Versuche mit 0,4 g und 0,7 g N-Formylharnstoff durchgeführt.In order to investigate the effects on nitrogen oxides when increasing the amount of substance, 3 tests were carried out with 0.4 g and 0.7 g N-formylurea.
Durch das Verdampfen von 0,4 g N-Formylharnstoff wird die Stickstoffdioxid- Konzentration in 460 s um 63 ppm senkt. Ahnliche Ergebnisse werden beim 2. und 3. Versuch mit einer NO -Reduzierung von 54 ppm bzw. 66 ppm erreicht. Tabelle 13 gibt über alle Resultate einen Überblick. Beim qualitativen Verlauf der Konzentrationen ergeben sich gegenüber den Versuchen mit 0, 1 g keine Veränderungen.
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By evaporating 0.4 g of N-formylurea, the nitrogen dioxide concentration is reduced by 63 ppm in 460 s. Similar results are obtained in the 2nd and 3rd experiments with an NO reduction of 54 ppm and 66 ppm, respectively. Table 13 gives an overview of all results. There were no changes in the qualitative course of the concentrations compared to the tests with 0.1 g.
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Tabelle 13: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 13: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Im Unterschied zu den Versuchen mit 0,1 g bzw 0,4 g Substanzmenge sinkt die Stickstoffdioxid-Konzentration bei Einsatz von 0,7 g N-Formylharnstoff nach einer relativ schnellen Abnahme noch langsam weiter ab In einem gewählten Zeitraum von 1000 s ergibt sich somit eine Stickstoffdioxid-Reduzierung um 85 ppm Die beiden Wiederholungsversuche bestätigen dieses Ergebnis (s Tab 14)In contrast to the tests with 0.1 g or 0.4 g quantity of substance, the nitrogen dioxide concentration drops even more slowly after using a relatively quick decrease when using 0.7 g N-formylurea. This results in a selected period of 1000 s a nitrogen dioxide reduction of 85 ppm The two replicate tests confirm this result (see Tab. 14)
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Tabelle 14: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 14: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Deutung der Ergebnisse:Interpretation of the results:
Beim Erhitzen von N-Formylharnstoff über den Schmelzpunkt entsteht vermutlich Ammoniak Die homogenen Gasphasenreaktionen, die sich dadurch ergeben, sind die Gleichen wie für Harnstoff angegeben N-Formylharnstoff hat wegen der Formyl-Gruppe eine höhere Molmasse als Harnstoff Dadurch bildet sich beim Verdampfen gleicher Mengen beim N-Formylharnstoff weniger Ammoniak als beim Harnstoff Damit lassen sich die, im Vergleich zu den Versuchen mit Harnstoff, schlechteren Werte bei der Stickstoffdioxid- Reduzierung erklarenWhen N-formylurea is heated above the melting point, ammonia is presumably formed. The homogeneous gas phase reactions that result from this are the same as stated for urea. N-formylurea has a higher molar mass than urea because of the formyl group N-formylurea less ammonia than with urea This explains the poorer values for nitrogen dioxide reduction compared to the tests with urea
Einfluß von N,N'-Dimethylharnstofff auf die Stickoxid-Konzentrationen:Influence of N, N'-dimethylurea on nitrogen oxide concentrations:
Untersucht wurde der Einfluß von 0,1 g N,N'-Dimethylharnstoff Beim Stickstoffmonoxid zeigen sich keine Veränderungen gegenüber dem normalen Konzentrationsverlauf Dagegen wird der Gehalt an Stickstoffdioxid in 465 s um 48 ppm vermindert. Nach dieser Absenkung bleiben die Werte für die Stickstoffdioxid-Konzentration bis zum Ende der Messung nahezu konstant. In Tabelle 15 sind alle Ergebnisse der 3 Versuche mit 0,1 g N,N'- Dimethylharnstoff angefürt. Die Resultate der Wiederholungsversuche zeigen dabei keine wesentlichen Unterschiede zum 1.Versuch.The influence of 0.1 g of N, N'-dimethylurea was investigated. With nitrogen monoxide there were no changes compared to the normal course of the concentration the nitrogen dioxide content is reduced by 48 ppm in 465 s. After this reduction, the values for the nitrogen dioxide concentration remain almost constant until the end of the measurement. Table 15 shows all the results of the 3 experiments with 0.1 g of N, N'-dimethylurea. The results of the repeat attempts show no significant differences from the first attempt.
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Tabelle 15: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 15: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Das Verdampfen von 0,4 g N,N'-Dimethylharnstoff im Reaktor führt zu folgenden Veränderungen des NO2-Konzentrationsverlaufs. Die Stickstoffdioxid-Konzentration sinkt in 286 s von 210 ppm um 106 ppm auf 102 ppm ab. Danach steigen die Meßwerte wieder vergleichsweise langsam an. Im 2. und 3. Versuch mit 0,4 g N,N'-Dimethylharnstoff ergeben sich Werte von 101 ppm bzw. 102 ppm für den Stickstoffdioxid-Rückgang. Alle Ergebnisse sind in Tabelle 16 nochmals übersichtlich angegebenEvaporation of 0.4 g of N, N'-dimethylurea in the reactor leads to the following changes in the NO 2 concentration curve. The nitrogen dioxide concentration drops from 210 ppm by 106 ppm to 102 ppm in 286 s. Then the measured values rise again comparatively slowly. In the 2nd and 3rd experiment with 0.4 g of N, N'-dimethylurea, values of 101 ppm and 102 ppm for the nitrogen dioxide decrease are obtained. All results are clearly shown in Table 16
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Tabelle 16: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 16: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Eine Erhöhung der Substanzmenge auf 0,7 g brachte im Vergleich zu den Versuchen mit 0,4 g keine deutliche Steigerung der Werte für die Stickstoffdioxid-Abnahme. Es zeigte sich, daß die Stickstoffdioxid-Konzentration in einem Zeitraum von 675 s um 105 ppm abnimmt. In Tabelle 17 sind neben diesem Ergebnis auch die Resultate der beiden Wiederholungsversuche aufgeführt.
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An increase in the amount of substance to 0.7 g did not lead to a significant increase in the values for the nitrogen dioxide decrease compared to the tests with 0.4 g. It was found that the nitrogen dioxide concentration decreased by 105 ppm in a period of 675 s. In addition to this result, Table 17 also shows the results of the two replicate tests.
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Tabelle 17: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 17: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Um auch mögliche Einflüsse von Kohlenmonoxid untersuchen zu können, wurden 3 Versuche mit 0,1 g N,N'-Dimethylharnstoff und einem Kohlenmonoxid/Stickoxid-Gemisch durchgeführt Gegenüber der Messung ohne Kohlenmonoxid ergeben sich wie bei den beiden Wiederholungsversuchen keine auffallenden Veränderungen Tabelle 18 gibt einen Überblick über die Ergebnisse mit und ohne KohlenmonoxidIn order to also be able to investigate possible influences of carbon monoxide, 3 tests were carried out with 0.1 g of N, N'-dimethylurea and a carbon monoxide / nitrogen oxide mixture. Compared to the measurement without carbon monoxide, there are no noticeable changes in Table 18 as in the two repeat tests an overview of the results with and without carbon monoxide
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Tabelle 18: Übersicht über die Stickstoffdioxidabsenkung ohne und mit KohlenmonoxidTable 18: Overview of nitrogen dioxide reduction with and without carbon monoxide
Deutung der Ergebnisse:Interpretation of the results:
Beim Erhitzen von N,N'-Dimethylharnstoff über den Schmelzpunkt bildet sich wahrscheinlich Ammoniak, der einen Teil des Stickstoffdioxids durch homogene Gasphasenreaktionen reduziert Vergleicht man die Ergebnisse mit denen, die bei den Versuchen mit Harnstoff erzielt wurden, so wird deutlich, daß die Wirkung bei Verwendung von N,N'-Dimethylharnstoff schlechter ist, bis auf die Versuche mit 0,1 g Substanzmenge Die schlechteren Werte für den Stickstoffdioxid- Abbau hangen wie beim N-Formylharnstoff mit der höheren Molmasse und der somit kleineren Ammoniakmenge, die beim erhitzen entsteht, zusammen Die besseren Werte beim Vergleich der Versuche mit 0,1 g Substanzmenge ergeben sich möglicherweise durch einen positiven Einfluß der beiden Methyl-Gruppen Dieser kann auch der Grund dafür sein, daß die Werte für den Stickstoffdioxid- Abbau gegenüber denen der Versuche mit N-Formylharnstoff hoher sind Einfluß von N y'-Dimethylharnstoff auf die Stickoxid-Konzentrationen:When N, N'-dimethylurea is heated above the melting point, ammonia is likely to form, which reduces part of the nitrogen dioxide by means of homogeneous gas-phase reactions. If one compares the results with those obtained in the tests with urea, it is clear that the effect of Use of N, N'-dimethylurea is worse, except for the experiments with 0.1 g of substance. The worse values for nitrogen dioxide degradation depend, as with N-formylurea, with the higher molar mass and thus the smaller amount of ammonia that is produced when heated. together The better values when comparing the tests with 0.1 g substance amount may result from a positive influence of the two methyl groups. This can also be the reason that the values for nitrogen dioxide degradation compared to the tests with N-formylurea are higher Influence of N y'-dimethylurea on the nitrogen oxide concentrations:
Der Einfluß auf die Stickoxid-Konzentrationen durch das Verdampfen von 0,1 g N,N'- Dimethylharnstoff wurde untersucht Beim Stickstoffmonoxid zeigen sich keine Veränderungen gegenüber dem normalen Konzentrationsverlauf Dagegen wird der Gehalt an Stickstoffdioxid in 465 s um 48 ppm vermindert Nach dieser Absenkung bleiben die Werte für die Stickstoffdioxid-Konzentration bis zum Ende der Messung nahezu konstant In Tabelle 19 sind alle Ergebnisse der 3 Versuche mit 0,1 g N,N'-Dimethylharnstoff angefürt Die Resultate der Wiederholungsversuche zeigen dabei keine wesentlichen Unterschiede zum 1 VersuchThe influence on the nitrogen oxide concentrations due to the evaporation of 0.1 g of N, N'-dimethylurea was investigated. With nitrogen monoxide there are no changes compared to the normal course of the concentration. In contrast, the nitrogen dioxide content is reduced by 48 ppm in 465 s the values for the nitrogen dioxide concentration almost constant until the end of the measurement. Table 19 lists all the results of the 3 tests with 0.1 g of N, N'-dimethylurea. The results of the repeat tests show no significant differences from the 1 test
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Tabelle 19: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 19: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Das Verdampfen von 0,4 g N,N'-Dimethylharnstoff im Reaktor führt zu Veränderungen des NO2-Konzentrationsverlaufs Die Stickstoffdioxid-Konzentration sinkt in 286 s von 210 ppm um 106 ppm auf 102 ppm ab Danach steigen die Meßwerte wieder vergleichsweise langsam an Im 2 und 3 Versuch mit 0,4 g N,N'-Dimethylharnstoff ergeben sich Werte von 101 ppm bzw 102 ppm für den Stickstoffdioxid-Ruckgang Alle Ergebnisse sind in Tabelle 20 nochmals übersichtlich angegebenThe evaporation of 0.4 g of N, N'-dimethylurea in the reactor leads to changes in the NO 2 concentration curve. The nitrogen dioxide concentration drops from 210 ppm in 286 s to 106 ppm after 102 ppm. The measured values then rise again comparatively slowly 2 and 3 tests with 0.4 g of N, N'-dimethylurea give values of 101 ppm and 102 ppm for the decrease in nitrogen dioxide. All results are clearly shown in Table 20
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Tabelle 20: Übersicht über die Abnahme der NO2-Konzentration Eine Erhöhung der Substanzmenge auf 0,7 g brachte im Vergleich zu den Versuchen mit 0,4 g keine deutliche Steigerung der Werte für die Stickstoffdioxid-Abnahme Die Stickstoffdioxid-Konzentration nimmt in einem Zeitraum von 675 s um 105 ppm ab In Tabelle 21 sind neben diesem Ergebnis auch die Resultate der beiden Wiederholungsversuche aufgeführtTable 20: Overview of the decrease in the NO 2 concentration An increase in the amount of substance to 0.7 g did not lead to a significant increase in the values for the nitrogen dioxide decrease compared to the tests with 0.4 g. The nitrogen dioxide concentration decreases by 105 ppm in a period of 675 s This result also shows the results of the two repeat attempts
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Tabelle 21: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 21: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Um auch mögliche Einflüsse von Kohlenmonoxid untersuchen zu können, wurden 3 Versuche mit 0,1 g N,N'-Dimethylharnstoff und einem Kohlenmonoxid/Stickoxid-Gemisch durchgeführt Gegenüber der Messung ohne Kohlenmonoxid ergeben sich wie bei den beiden Wiederholungsversuchen keine auffallenden Veränderungen Tabelle 22 gibt einen Überblick über die Ergebnisse mit und ohne KohlenmonoxidIn order to also be able to investigate possible influences of carbon monoxide, 3 tests were carried out with 0.1 g of N, N'-dimethylurea and a carbon monoxide / nitrogen oxide mixture. As with the two repeat attempts, there are no noticeable changes in Table 22 compared to the measurement without carbon monoxide an overview of the results with and without carbon monoxide
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Tabelle 22: Übersicht über die Stickstoffdioxidabsenkung ohne und mit KohlenmonoxidTable 22: Overview of nitrogen dioxide reduction with and without carbon monoxide
Deutung der Ergebnisse:Interpretation of the results:
Beim Erhitzen von N,N'-Dimethylharnstoff über den Schmelzpunkt bildet sich wahrscheinlich Ammoniak, der einen Teil des Stickstoffdioxids durch homogene Gasphasenreaktionen reduziert Vergleicht man die Ergebnisse mit denen, die bei den Versuchen mit Harnstoff erzielt wurden, so wird deutlich, daß die Wirkung bei Verwendung von N,N'-Dimethylharnstoff schlechter ist, bis auf die Versuche mit 0,1 g Substanzmenge Die schlechteren Werte für den Stickstoffdioxid-Abbau hangen wie beim N-Formylhamstoff mit der höheren Molmasse und der somit kleineren Ammoniakmenge, die beim erhitzen entsteht, zusammen Die besseren Werte beim Vergleich der Versuche mit 0,1 g Substanzmenge ergeben sich möglicherweise durch einen positiven Einfluß der beiden Methyl-Gruppen Dieser kann auch der Grund dafür sein, daß die Werte für den Stickstoffdioxid- Abbau gegenüber denen der Versuche mit N-Formylhamstoff hoher sindWhen N, N'-dimethylurea is heated above the melting point, ammonia is likely to form, which reduces part of the nitrogen dioxide by means of homogeneous gas-phase reactions. If one compares the results with those obtained in the tests with urea, it is clear that the effect of Use of N, N'-dimethylurea is worse, except for the experiments with 0.1 g of substance As with N-formylurea, the poorer values for nitrogen dioxide degradation are related to the higher molar mass and thus the smaller amount of ammonia that is produced when heated. The better values when comparing the tests with 0.1 g of substance may result from a positive influence of the two methyl groups This can also be the reason why the values for the nitrogen dioxide degradation are higher than those of the experiments with N-formylurea
Einfluß von N,N-Dimethylharnstofff auf die Stickoxid-KonzentrationenInfluence of N, N-dimethylurea on nitrogen oxide concentrations
Durch das Verdampfen von 0,1 g N,N-Dimethylharnstoff wurde eine Reduzierung der Stickstoffdioxid-Konzentration um 46 ppm erreicht Sie nimmt in 690 s von 102 ppm auf 66 ppm ab und steigt anschließend wieder geringfügig an Auf das Stickstoffmonoxid hat N,N- Dimethylharnstoff offensichtlich keinen Einfluß Die Versuche Nr 2 und 3 ergeben übereinstimmende Ergebnisse In Tabelle 23 sind alle Ergebnisse der 3 Versuche zusammengefaßtEvaporation of 0.1 g of N, N-dimethylurea resulted in a reduction of the nitrogen dioxide concentration by 46 ppm. It decreases from 102 ppm to 66 ppm in 690 s and then increases again slightly. Dimethyl urea obviously no influence. Experiments Nos. 2 and 3 give identical results. Table 23 summarizes all the results of the 3 experiments
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Tabelle 23: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 23: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
0,4 g N,N-Dimethylharnstoff bewirkten gegenüber den Versuchen mit 0,1 g in einem kürzeren Zeitraum eine Verdoppelung der Werte für die Stickstoffdioxid-Minderung Die Ergebnisse der 3 durchgeführten Versuche sind in Tabelle 24 zusammengestellt
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0.4 g of N, N-dimethylurea, compared to the tests with 0.1 g, caused the values for the nitrogen dioxide reduction to double in a shorter period of time. The results of the 3 tests carried out are summarized in Table 24
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Tabelle 24: Übersicht über die Abnahme der NO2-KonzentrationTable 24: Overview of the decrease in the NO 2 concentration
Mit 0,7 g N,N-Dimethylharnstoff konnte ein weiterer Rückgang der NO2-Konzentration erzielt werden. Der NO2-Gehalt geht in 330 s um 101 ppm zurück. Die entsprechenden Werte der beiden Wiederholungsversuche sind in Tabelle 25 angeführt.A further decrease in the NO 2 concentration was achieved with 0.7 g of N, N-dimethylurea. The NO 2 content drops by 101 ppm in 330 s. The corresponding values of the two replicate tests are shown in Table 25.
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Tabelle 25: Übersicht über die Stickstoffdioxid-MinderungTable 25: Overview of nitrogen dioxide reduction
Deutung der Ergebnisse:Interpretation of the results:
Die Ergebnisse der Versuche mit N,N'-Dimethylharnstoff und N,N-Dimethylharnstoff sind sehr ähnlich. Folglich hat die unterschiedliche Anordnung der Methyl-Gruppen am Harnstoff keine so große Bedeutung. Die Erklärung der Ergebnisse ist analog zu der für die Versuche mit N,N'-Dimethylharnstoff.The results of the experiments with N, N'-dimethylurea and N, N-dimethylurea are very similar. Consequently, the different arrangement of the methyl groups on the urea is not so important. The explanation of the results is analogous to that for the experiments with N, N'-dimethylurea.
Einfluß von Schwefel auf die Stickoxid-Konzentrationen:Influence of sulfur on nitrogen oxide concentrations:
Durch den Einsatz von 0,05 g Schwefel kommt es innerhalb von 355 s zu einem Rückgang der Stickstoffdioxid-Konzentration um 20 ppm und zu einer Zunahme der Stickstoffmonoxid-Konzentration um 9 ppm. Danach steigt das Stickstoffdioxid durch die Oxidation des Stickstoffmonoxids, das dadurch verringert wird, wieder langsam an. Die beiden Wiederholungsversuche führen zu übereinstimmenden Ergebnissen, wie Tabelle 26 zeigt.
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The use of 0.05 g of sulfur causes the nitrogen dioxide concentration to decrease by 20 ppm and the nitrogen monoxide concentration to increase by 9 ppm within 355 s. The nitrogen dioxide then slowly rises again due to the oxidation of the nitrogen monoxide, which is thereby reduced. The two repeat attempts lead to the same results, as shown in Table 26.
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Tabelle 26: Übersicht über die Zu- bzw. Abnahme der Konzentrationen von NO und NO2 Table 26: Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2
Bei einem Versuch mit 0,1 g Schwefel ergeben sich gegenüber dem Versuch mit 0,05 g Schwefel leicht veränderte Werte für die NO-Zunahme bzw. den NO2-Rückgang. In einer Zeit von 375 s nimmt die Stickstoffdioxid-Konzentration um 30 ppm ab und die Stickstoffmonoxid-Konzentration steigt um 10 ppm an. Diese Werte werden durch die Versuche Nr.2 und 3 bestätigt. Die Ergebnisse aller Messungen mit 0,1 g Schwefel sind in Tabelle 27 angegeben.In a test with 0.1 g of sulfur, compared to the test with 0.05 g of sulfur, there are slightly different values for the NO increase or the NO 2 decrease. In a period of 375 s, the nitrogen dioxide concentration decreases by 30 ppm and the nitrogen monoxide concentration increases by 10 ppm. These values are confirmed by tests No. 2 and 3. The results of all measurements with 0.1 g sulfur are given in Table 27.
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Tabelle 27: Übersicht über die Zu- bzw. Abnahme der Konzentrationen von NO und NO2 Table 27: Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2
Mit einer Schwefelmenge von 0,15 g konnte die Stickstoffdioxid-Konzentration noch weiter gesenkt werden, jedoch stieg auch die Stickstoffmonoxid-Konzentration etwas an. Der Stickstoffdioxid-Gehalt geht innerhalb von 370 s um 39 ppm zurück, während der Stickstoffmonoxid-Gehalt um 21 ppm zunimmt. Die beiden Wiederholungsversuche bringen entsprechende Ergebnisse, die in Tabelle 28 mit angeführt sind.
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With a sulfur amount of 0.15 g, the nitrogen dioxide concentration could be reduced even further, but the nitrogen monoxide concentration also increased somewhat. The nitrogen dioxide content decreases by 39 ppm within 370 s, while the nitrogen monoxide content increases by 21 ppm. The two replicate tests produce corresponding results, which are also shown in Table 28.
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Tabelle 28: Übersicht über die Zu- bzw. Abnahme der Konzentrationen von NO und NO2 Table 28: Overview of the increase and decrease in the concentrations of NO and NO 2
Es wurden zusätzlich noch drei Versuche mit 0,1 g Schwefel und einem Kohlenmon- oxid/Stickoxid-Gemisch durchgeführt. Wie aus Tabelle 29 ersichtlich ist, kann keine Auswirkung des Kohlenmonoxids auf die Ergebnisse festgestellt werden. Die Stickstoffdioxid-Konzentration geht in 390 s um 31 ppm zurück und die Stickstoffmonoxid- Konzentration steigt um 10 ppm an.In addition, three tests with 0.1 g sulfur and a carbon monoxide / nitrogen oxide mixture were carried out. As can be seen from Table 29, no effect of carbon monoxide on the results can be determined. The nitrogen dioxide concentration decreases by 31 ppm in 390 s and the nitrogen monoxide concentration increases by 10 ppm.
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Tabelle 29: Zu- bzw. Abnahme der Konzentrationen von NO und NO mit und ohne COTable 29: Increase or decrease in the concentrations of NO and NO with and without CO
Deutung der Ergebnisse: Schwefel entzündet sich bei ca. 260 °C und verbrennt mit schwach blauer Flamme zu Schwefeldioxid und bis zu 40% Schwefeltrioxid. Unterhalb 300 °C reagiert NO2 unmittelbar mit SO2:Interpretation of the results: Sulfur ignites at approx. 260 ° C and burns with a weak blue flame to sulfur dioxide and up to 40% sulfur trioxide. Below 300 ° C, NO 2 reacts immediately with SO 2 :
NO2 + SO2 NO + SO3 NO 2 + SO 2 NO + SO 3
Dabei entsteht neben Schwefeltrioxid noch Stickstoffmonoxid, das vermutlich ebenfalls mit Schwefeldioxid reagieren kann:In addition to sulfur trioxide, this also produces nitrogen monoxide, which presumably can also react with sulfur dioxide:
2 NO + SO2 N2O + SO3 2 NO + SO 2 N 2 O + SO 3
Diese Gleichung würde auch erklären, warum NO nicht in dem Maße zunimmt, wie NO2 abgebaut wird. This equation would also explain why NO does not increase as NO 2 is broken down.

Claims

Patentansprüche: Claims:
1. Verfahren zur Reduzierung von Schadgasen in Gasgemischen aus pyrotechnischen Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß bei der pyrotechnischen Reaktion minde- stens ein Zusatzstoff aus der Gruppe der Metallocene, Metallocenderivate, Harnstoff, Harnstoffderivate, Schwefel und/oder Schwefelverbindungen durch die bei der pyrotechnischen Reaktion frei werdende Temperatur verdampft wird und die Schadgase in einer homogenen Gasphasenreaktion zu nicht toxischen Verbindungen umgesetzt werden.1. A process for reducing harmful gases in gas mixtures from pyrotechnic reactions, characterized in that in the pyrotechnic reaction at least one additive from the group of metallocenes, metallocene derivatives, urea, urea derivatives, sulfur and / or sulfur compounds is released by the pyrotechnic reaction increasing temperature is evaporated and the harmful gases are converted into non-toxic compounds in a homogeneous gas phase reaction.
2. Verfahren zur Reduzierung von Schadgasen in Gasgemischen aus pyrotechnischen Reaktionen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Zusatzstoff einen Schmelzpunkt > 105°C aufweist und unterhalb 400°C verdampft.2. A method for reducing harmful gases in gas mixtures from pyrotechnic reactions according to claim 1, characterized in that the selected additive has a melting point> 105 ° C and evaporates below 400 ° C.
3. Verfahren zur Reduzierung von Schadgasen in Gasgemischen aus pyrotechnischen Reaktionen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff Ferrocen, 1,1 '-Diacetylferrocen, Titanocenpentasulfid, Harnstoff, N-Formylhamstoff, N,N'-Dimethylharnstoff, N,N-Dimethylharnstoff und/oder Schwefel, vorzugsweise Ferrocen eingesetzt wird.3. A method for reducing harmful gases in gas mixtures from pyrotechnic reactions according to claim 1 or 2, characterized in that as an additive ferrocene, 1,1 '-diacetylferrocene, titanocene pentasulfide, urea, N-formylurea, N, N'-dimethylurea, N, N-dimethylurea and / or sulfur, preferably ferrocene, is used.
4. Mittel zur pyrotechnischen Gaserzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß es neben dem gaserzeugenden Stoff einen Zusatzstoff aus der Gruppe der Metallocene, Metallocenderivate, Harnstoff, Harnstoffderivate, Schwefel und/oder Schwefelverbindungen enthält, der durch die bei der pyrotechnischen Reaktion frei werdende Temperatur verdampft.4. Means for pyrotechnic gas production, characterized in that it contains an additive from the group of metallocenes, metallocene derivatives, urea, urea derivatives, sulfur and / or sulfur compounds in addition to the gas-generating substance, which evaporates by the temperature released during the pyrotechnic reaction.
5. Mittel zur pyrotechnischen Gaserzeugung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Zusatzstoff einen Schmelzpunkt > 105°C aufweist und unterhalb 400°C verdampft.5. agent for pyrotechnic gas generation according to claim 4, characterized in that the selected additive has a melting point> 105 ° C and evaporates below 400 ° C.
Mittel zur pyrotechnischen Gaserzeugung gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff Ferrocen, 1,1 '-Diacetylferrocen, Titanocenpenta- sulfid, Harnstoff, N-Formylhamstoff, N,N'-Dimethylharnstoff, N,N-Dimethylharn- stoff und/oder Schwefel, vorzugsweise Ferrocen eingesetzt wird.Agent for pyrotechnic gas generation according to claim 4 or 5, characterized in that as additive ferrocene, 1,1 '-diacetylferrocene, titanocene penta- sulfide, urea, N-formyl urea, N, N'-dimethyl urea, N, N-dimethyl urea and / or sulfur, preferably ferrocene, is used.
7. Mittel zur pyrotechnischen Gaserzeugung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, da- durch gekennzeichnet, daß mindestens eine Komponente des gaserzeugenden Stoffes mit dem Zusatzstoff beschichtet ist.7. Agent for pyrotechnic gas generation according to one of claims 4 to 6, characterized in that at least one component of the gas-generating substance is coated with the additive.
8. Vorrichtung zur pyrotechnischen Gaserzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg des Arbeitsgases mindestens ein Zusatzstoff aus der Gruppe der Metallocene, Metallocenderivate, Harnstoff, Harnstoffderivate, Schwefel und/oder8. A device for pyrotechnic gas generation, characterized in that at least one additive from the group of metallocenes, metallocene derivatives, urea, urea derivatives, sulfur and / or in the flow path of the working gas
Schwefelverbindungen eingebracht ist.Sulfur compounds is introduced.
9. Vorrichtung zur pyrotechnischen Gaserzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Zusatzstoff einen Schmelzpunkt > 105°C aufweist und unterhalb 400°C verdampft.9. A device for pyrotechnic gas generation, characterized in that the selected additive has a melting point> 105 ° C and evaporates below 400 ° C.
10. Vorrichtung zur pyrotechnischen Gaserzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff Ferrocen, 1,1 '-Diacetylferrocen, Titanocenpentasulfid, Harnstoff, N- Formylharnstoff, N,N'-Dimethylharnstoff, N,N-Dimethylharnstoff und/oder Schwe- fei, vorzugsweise Ferrocen eingesetzt wird. 10. A device for pyrotechnic gas production, characterized in that as an additive ferrocene, 1,1 '-diacetylferrocene, titanocene pentasulfide, urea, N-formylurea, N, N'-dimethylurea, N, N-dimethylurea and / or Schwei, preferably Ferrocene is used.
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