WO2011113713A1 - Anordnung und verfahren zur optimierten durchführung von chemischen reaktionen sowie reaktor hierfür - Google Patents

Anordnung und verfahren zur optimierten durchführung von chemischen reaktionen sowie reaktor hierfür Download PDF

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WO2011113713A1 PCT/EP2011/053302 EP2011053302W WO2011113713A1 WO 2011113713 A1 WO2011113713 A1 WO 2011113713A1 EP 2011053302 W EP2011053302 W EP 2011053302W WO 2011113713 A1 WO2011113713 A1 WO 2011113713A1
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Annett Hartmann
Katrin Pawlik
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Annett Hartmann
Katrin Pawlik
Stefan Schwedat
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    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0881—Two or more materials
    • B01J2219/089—Liquid-solid

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for optimized
  • targeted functionalities can only be achieved by subsequent wet-chemical reactions, such as, for example, hydroxyl groups by reaction of the unspecific functionalizations from the low-pressure plasma treatment by reaction with diborane in
  • Tetrahydrofuran Since the wet-chemical processes provide real chemical bonds between the polymeric backbone and functionalization, the corresponding changes are permanent.
  • Additive and processing aids which are located on the surface of the object to be treated, is caused.
  • a device for the treatment of surfaces by means of an ionized gas stream is previously known, wherein the gas stream is passed through a corona discharge gap, which has a substantial extent in the flow direction.
  • the corona discharge path is realized in such a way that a gas flow guided through the route receives aggressive properties as a result of energy absorption. This is intended to influence a surface blown with the gas flow or a corresponding object.
  • the surfaces can be plastic materials that are modified in such a way that, for example, an adhesive layer adheres better.
  • Respiratory air according to DE 19651402 AI is an ionization apparatus comprising electrodes to which a high electrical alternating voltage is connected, whereby a desired treatment of the air in ventilation and air conditioning systems can take place.
  • the present invention accordingly relates to a teaching for carrying out chemical reactions in which at least one reactant is exposed to an electric or electromagnetic field and an electric current in a reaction zone provided with at least two electrodes, wherein a certain proportion of electrons has an electron energy of 2 to 25 eV and wherein an alternating field is applied to the electrodes and in the Reaction zone is a gas phase, which at least partially fills the reaction zone.
  • the present invention is characterized in that electrical or electromagnetic fields are used for carrying out defined and specifically controlled chemical reactions.
  • the electric or electromagnetic field By the electric or electromagnetic field, the required activation energy of the respective chemical reaction is selectively supplied, i. by controlling the electrical parameters becomes that required for the chemical reaction
  • Activation energy defined introduced into the reactor The activation energy is supplied by stimulating or ionizing reactants or an adjuvant (e.g., carrier gas) in the electric or electromagnetic field and placing them in a higher energy state.
  • the reactor current used for the excitation becomes sufficiently large by the generation
  • the local field strengths and the field strength gradient are dependent on the electrode geometry and the number of already existing charge carriers in the reaction zone. With increasing charge carrier density, the external field is influenced by the charge carriers themselves, so that it becomes necessary
  • Electrodes using strong magnetic fields (local and global
  • the electrons with the named energies are present in the reaction zone, but are available there only in narrowly limited discharge channels.
  • the above-mentioned electron energies can not be determined directly at pressures> 100 mbar.
  • Electrons scattered by collisions produce, inter alia, Photons with energies between 6.5 and 0.05 eV. These energies correspond
  • Electron scattering produces broad intensity distributions depending on the wavelength in the UV-VIS-NIR-MIR range (Bremsstrahlung). 2.
  • the emission spectra in the UV-VIS-NIR-MIR range also show sharp, element-specific emission lines, which are caused by recombination processes. Thus, it can be deduced from the emitted lines which energy the electrons must have given off by collisions to the atoms and molecules in order to excite them into the corresponding state from which the specific fluorescence signal is generated.
  • Fluorescence signals are generated by molecules in excited states, which require excitation energies down to the keV range and thus corresponding electrons with these energies. Thus, the electron energy can be determined indirectly.
  • Reaction temperatures can be achieved by heating the medium.
  • the supply of the necessary activation energy for the specific and selective conversion takes place in the present invention via the control of the electrical parameters.
  • the reactants may be gaseous, liquid, solid or in appropriate mixtures, such as gas / gas, gas / solid, gas / liquid, solid / liquid, liquid / liquid, solid / solid or gas / liquid / solid, etc. It can be done complete conversions as well as chemical surface reactions, for example on the material surface of a solid.
  • electrolysis In the case of redox reactions, the classical electrochemical processes usually require an electrolyte. In electrolysis, redox reactions are enforced by electric current, which are not voluntary from a thermodynamic point of view. The electrolyte is dissolved or
  • the electrodes are equipped with a DC voltage connected to the source. In the solution according to the invention no electrolyte is required when carrying out a redox reaction.
  • thermodynamically voluntarily proceeding chemical reactions ie reactions with negative free enthalpy (AG) are used, but is not limited thereto.
  • the present teaching is characterized in that at least one reactant moves through the electric and / or electromagnetic field or is in this electric and / or electromagnetic field and that the reactant (s) are effectively blocked by collisions with excited particles, e.g. electrically charged particles are placed in a chemically excited or higher energy state.
  • the reaction zone is designed so that a defined and clean atmosphere can be set.
  • Reactor types are used, crucial for the choice of the geometry of the reaction zone is the desired chemical reaction.
  • the geometry of the reaction zone is dictated by the shape of the electrodes and possibly by additional dielectric materials between the electrodes.
  • Typical electrode shapes are plates, tips, rods or tubes, where it may be useful to combine different electrode or dielectric material forms.
  • the electrodes consist of an electrical
  • conductive material preferably a metal or a metal alloy such as e.g. Copper, aluminum, silver, gold, tungsten, steel, brass, etc., or special resistive materials, e.g. Used graphite.
  • a metal or a metal alloy such as e.g. Copper, aluminum, silver, gold, tungsten, steel, brass, etc.
  • special resistive materials e.g. Used graphite.
  • the reaction zone there is a gas phase which at least partially fills out the reaction zone and contains the particles excited in carrying out the inventive solution.
  • the excited particles may be atoms, molecules and ions in various excited states, as well as associations and charged associations of the molecules contained in the gas phase (molecules are electrons to clusters of excited particles in all embodiments).
  • the reaction zone or the reactor space can be filled both partially and completely with a gas phase. Complete gas filling is considered in a pure gas phase reaction.
  • the gas phase may contain a carrier gas.
  • a reactant is gaseous or a high vapor pressure liquid
  • the gases and gas mixtures as well as the vapors can be defined and replenished with the aid of a carrier gas into the reactor space.
  • Carrier gases can be added to improve the material conversions.
  • a carrier gas does not directly participate in the primary chemical reaction.
  • the gas phase can consist exclusively of a carrier gas, for example if a finely divided liquid reactant is reacted in the carrier gas.
  • Suitable carrier gases are, for example, noble gases (eg helium, argon, neon, krypton) and quenching gases (eg nitrogen, carbon dioxide, etc.).
  • the gas phase may consist exclusively of one or more gaseous reactants.
  • an electric field is to be understood as a field which is in the field of voltage between oppositely poled
  • Electrodes are created.
  • An electromagnetic field is present when the gas in the reaction zone is excited by the current flow generated and a radiation emission occurs, e.g. in the visible spectrum or in the UV, NIR, IR spectrum.
  • the control of the method according to the invention can be carried out integrally with respect to the intensity of the luminous phenomenon or with respect to certain emitted wavelengths within the arrangement.
  • the field strength set between the electrodes of the reactor is in the range of 0.5-200 kV / mm, more preferably 0.5-50 kV / mm.
  • a real cylinder capacitor may consist of two tubes (the walls of which are not infinitely thin unlike the cylinder jacket), where Ri is the outer radius of the inner tube and R 2 is the inner radius of the outer tube.
  • Each peak can be thought of as a spherical surface with a small radius r. If the tip is part of a conductor that is under externally sustained voltage U, it becomes
  • Reaction zone is limited by plane-parallel plates.
  • the field strength can be calculated simply by the value of the voltage drop across the reaction zone and the distance between the beginning and the end of the reaction zone 3 and the barriers 1.
  • the difference is ideally zero.
  • maximum field strengths in the reaction zone of at most 100 kV / mm can be generated.
  • the field strength in the tip plate arrangement in the immediate vicinity of the peak can assume values of up to 10 MV / mm, insofar as one assumes a radius of curvature of 1 ⁇ for the tip and assumes that the counterelectrode is sufficiently far away from the tip.
  • An object of this invention is the setting of homogeneous reaction conditions, especially for homogeneous reactions
  • the frequency of the applied alternating field can in principle be chosen arbitrarily. Typical values chosen within the scope of the invention are in the range of 80-100 kHz.
  • the alternating field can be applied continuously or discontinuously (pulsed), wherein a pulsed alternating field can advantageously be used to control the energy input into the reaction zone.
  • a pulsed alternating field can advantageously be used to control the energy input into the reaction zone.
  • the duty cycle is 0.1% to 10%, preferably 0.1% to 5%.
  • the temperature in the reaction zone can in principle be chosen freely, but should be adapted to the reaction to be carried out or the temperature sensitivity of the reactants and reaction products. It can be done by external temperature control or by adjusting others
  • both low and high Temperatures are set.
  • the reaction temperature is selected in the range of 0 ° C to 100 ° C.
  • the pressure in the reactor space is arbitrary and particularly low pressures or a vacuum is not required. In advantageous embodiments, the pressure in the reaction zone is more than 100 mbar.
  • the process is carried out at atmospheric pressure, i. the ambient air pressure, through.
  • the reaction zone is flown through to remove reaction products and / or for tracking reactants with at least one gas
  • the pressure refers to the
  • Total pressure which is always the sum of static and dynamic pressure.
  • Composition of the gas stream, as well as the process time are chosen depending on the desired reaction and the desired degree of conversion.
  • exemplary gaseous reactants are air, oxygen, nitrogen,
  • organometallic compounds u.a. the elements of silicon, aluminum and titanium, compounds of phosphorus, compounds of silicon,
  • the current flow or discharges in the reaction zone are limited with current densities from greater than zero to a maximum of 100 mA rms / cm 2
  • the current density itself can be determined indirectly, which in principle requires a regular current measurement. To determine the current density, one divides the measured current through the respective electrode surface (known by construction of the electrode geometry). In this way, however, no information about the homogeneity of the current density is obtained. In order to be able to assess the homogeneity of the current density, the electrode to which the current is to be measured is subdivided into several subregions isolated from one another and measures the currents on the subareas.
  • a solution is preferred for the realization of the most homogeneous possible reactions on solid surfaces, in which the partial current densities have the same amounts within the scope of the measurement uncertainties and are thus the same as the total current density of the considered electrode.
  • the homogeneous discharge in which no high-current discharge channels occur in the reaction zone, is achieved by limiting the current density.
  • the limiting of the current density can be achieved in various technical ways, with some variants being described below by way of example. In principle, different variants can be combined.
  • the reaction zone is then the space between the dielectric material and the other remaining electrically conductive electrode or between the other dielectric material.
  • Magnetic field acts perpendicular to the direction of movement of the charge carriers, whereby on the charge carriers a force is generated which acts perpendicular to the magnetic field and the direction of movement (Lorentz force).
  • This force causes a deflection of the trajectory, in particular of the electrons, which prolongs their trajectory, which causes these electrons to strike more often on the way from one electrode to another, thus forming wider scattering cones, which in turn corresponds to a larger and more uniform ionized reaction zone. because then overlap several scattering cones.
  • the dielectric materials of items 1 and 2 may be, for example, glass, ceramics, polymers or insulating composites.
  • the permittivity of a dielectric can be defined as follows:
  • Reaction zone and thus the homogeneous reaction conditions can also be achieved in a further variant of the invention by adding a so-called quench gas into the reactor.
  • a quench gas in the present invention dampens the generation of discharges with current densities greater than 100 mA rms / cm 2 .
  • quenching gas can be chosen freely as long as it is capable of trapping electrons.
  • Suitable quench gases are, for example
  • Carbon dioxide, methane or oxygen Carbon dioxide, methane or oxygen.
  • the type and amount of quenching gas is chosen so that the desired current density is set in the reactor space.
  • the aforementioned advantages of the homogeneous discharge in the reaction zone and thus homogeneous reaction conditions can be used if it is ensured that the ratio of mean free path of molecules in the gas phase of the reaction zone to the electrode gap in the range 10/1 ... 1/1000 .000 lies.
  • the mean free path is the distance a molecule can travel between two bursts on average.
  • the mean free path / can be determined as follows: j_ kT
  • a dielectric material counts on the electrode as part of the electrode.
  • the electrode spacings and the widths of the reaction zones, respectively, are the spacings between the dielectric materials.
  • one of the reactants is a solid of polymer or a solid having a surface of polymer.
  • Polymer material in particular the polymeric surface permanently, defined and chemically altered specifically.
  • targeted polymer-analogous reactions and chemical reactions on the polymer material can be carried out.
  • the further reactants but at least one reactant for reaction with the polymer may be in solid phase, liquid phase or gaseous.
  • Polymer is carried out using low-pressure plasma or only inorganic powder material, the solution presented is characterized by the fact that not only a cleaning or activation process takes place with limited duration, but the chemical change in the polymer structure is durable, can not be removed by washing processes and thus remains stable over a long period of time.
  • the prior art the
  • the present invention is also distinguished from the prior art in that specifically selective and specific chemical reactions are carried out on the polymer structure.
  • the type of functional groups is controlled. Not all possible groups are randomly generated on the polymer chain.
  • Tetrahydrofuran Because the wet-chemical processes provide real chemical bonds between the polymeric backbone and functionalization, the changes are permanent.
  • inventive method / arrangement described with which one obtains a particularly homogeneous discharge in the reaction zone and particularly homogeneous reaction conditions by limiting the current density to values of greater than zero to a maximum of 100 mA rms / cm 2 on at least one of the electrodes.
  • Applying these reaction conditions to a polymeric solid or a solid having a polymeric surface one obtains a very homogeneous, uniform and reproducible chemical reaction over the entire surface.
  • a solid is obtained which is very uniformly and homogeneously chemically changed over the entire surface, which also includes the pores in the case of porous solids.
  • the chemical change is the introduction of at least one functional group selected, for example, from alkyl, alkenyl, alkynyl,
  • Esterolites There may also be reaction products, for example the elements phosphorus, boron, silicon, aluminum, titanium and the halogens.
  • the polymeric solid or solid having a polymeric surface may be porous or non-porous.
  • reaction described is the polymeric solid or the solid polymer surface porous and characterized by pores with a pore diameter of 1 - 10,000 nm, preferably 10 - 3000 nm.
  • porous membranes or porous powders can be used as reactants.
  • a polymeric solid is used in the form of particles and can be chemically altered by the process.
  • the particle size of the particles can be 3 to 1000 ⁇ .
  • polymeric particles of polymer particles of this size are also referred to as polymer powder.
  • the polymer powders are polymer powders or powder particles having at least one polymeric particle surface and another core material.
  • the chemical reaction with the polymers is carried out at atmospheric pressure.
  • the reaction temperature is in principle freely selectable, but is adapted to the polymeric solid used in each case.
  • the reaction is carried out at a maximum of 60 ° C, more preferably at room temperature.
  • Particularly common conditions are one
  • Powdered polymeric solid may be packed compactly (without agitation during the reaction) into the reaction zone or agitated through the reaction zone, depending on grain size or grain size distribution. It is not a continuous conveyance of the solid by means of conveyors in the
  • a packing in the reactor is only suitable if the particle size is> 250 ⁇ . For small grain sizes, the movement through the reaction zone is more advantageous.
  • Reaction conditions are adjustable, as described above. If still desired, a reorientation of the powder particles in the direction of
  • Electrodes occur by treating primarily dielectric materials. These charge up in the electric field. If packing density, material density and grain sizes are low enough, alignment of the powder surface in the direction of the electrodes will be entirely without additional
  • the polymeric material may be thermoplastic but also thermosetting or elastic.
  • the polymer is otherwise not limited in its properties. It is possible to use polymers having an organic skeleton but also inorganic polymers such as, for example, silicones, polysilicic acids, amorphous glasses.
  • polystyrene polyethylene
  • polypropylene polyesters
  • polyesters such as polyethylene terephthalate
  • polyamides polyvinyls
  • polysulfides polysulfones
  • Polysaccharides such as cellulose, polysiloxanes, polysilanes, polyphosphazenes,
  • Polyphosphates, polysulfazenes and corresponding copolymers, terpolymers, etc. can be used.
  • the functional groups are not particularly limited. Exemplary are functional groups based on the elements hydrogen, boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, titanium, aluminum, phosphorus, sulfur, chlorine, bromine, and iodine.
  • the gaseous reactant is also not particularly limited. Examples include air, oxygen, nitrogen, hydrogen, ammonia,
  • Phosphorus silicon and boron, or a mixture of two or more of these gases.
  • liquids or solids can also be used as reactants for the reaction of the polymeric solids.
  • / functionalized powder is the use as a release agent for
  • the classical powder materials are prepared by emulsion polymerization of appropriate monomers such as styrene / divinylbenzene, acrylamide /
  • Methyl methacrylate, etc. produced.
  • Wet-chemical polymer-analogous reactions with concentrated sulfuric acid can be used to prepare sulfo-containing separating materials.
  • the introduction of amino groups is possible with a two-step polymer-analogous reaction via the chloromethylene functionalization and subsequent reaction with amines.
  • the presented process can also be used to synthesize ammonium nitrate from the reactants ammonia and oxygen.
  • ammonia is reacted with nitric acid.
  • the nitric acid in turn, must first be prepared by oxidation of ammonia (10% ammonia in air at 850 ° C and 5 bar pressure with platinum / rhodium catalyst).
  • the main advantage of the synthesis of ammonium nitrate in the electrical and / or electromagnetic field is that it is a one-step reaction.
  • the presented process can also be used to synthesize methane from the reactants carbon dioxide and hydrogen.
  • the presented process can also be used to synthesize methane from the reactants carbon dioxide and hydrogen.
  • Carbon dioxide reacted with hydrogen at elevated temperature and elevated pressure, for example in the presence of a nickel catalyst.
  • Electromagnetic field is that it can be performed in the range of room temperature and at atmospheric pressure.
  • the invention in a further aspect relates to a reactor which can be used for the method described above, but is not limited thereto.
  • the reactor according to the invention comprises a reaction chamber provided with at least two electrodes, which is characterized in that the ratio of the average free path of a gas introduced into the reaction chamber to the spacing of the electrodes is 10/1 to 1 / 1,000,000 and that a dielectric material having a permittivity number of less than 10 is located between the electrodes.
  • the characteristics of the reactor have already been explained in the description of the process.
  • the required power supply with a corresponding generator can be regulated in the range of 4 - 500 kHz.
  • the current is 10 - 200 mA rms per discharge pulse , whereby the current densities in the presented method are between 0.01 - 100 mArms / cm 2 .
  • the reactor type 1 was used.
  • the Type 1 reactor is a closed system, with one wall of the reactor space forming a glass-insulated ground electrode. This reactor type is used
  • Treatment area can be chosen arbitrarily large.
  • the high voltage electrode is adjustable in height. As high voltage electrodes depending on the desired reaction different versions in question. There is a comb electrode for the conversion of fluids. For cracking, polymer-analogous reactions or polymerization reactions, there is also a glass-insulated surface electrode, the entire reactor structure then corresponds to that of the cylinder reactor, the electrodes here being infinitely large
  • the Type 2 reactor was used.
  • the type 2 reactor is suitable for powdery starting materials with particle diameters of ⁇ 1000 microns.
  • an inner glass-insulated electrode (HV electrode) and an outer glass-insulated electrode were used.
  • Electrode distance in the reaction space can be 0.1 to max. 30 mm.
  • the cylinder radius can be chosen arbitrarily large in principle. In static and dynamic operation, packed bulk materials or throughflows can be used
  • Oxygen is passed through a gastight vessel with saturated ammonium hydroxide solution (concentration of ammonia 25% in water) at 100 sccm.
  • saturated ammonium hydroxide solution concentration of ammonia 25% in water
  • the resulting gas mixture of oxygen, ammonia and water vapor is passed through the electric field.
  • the electrical energy supplied to the process is approx. 0.02 kWh or 65 kJ / (g x h).
  • High voltage (HV) electrode comb electrode
  • the electrical energy supplied to the process is approximately 0.004 kWh or 14 kJ
  • HV electrode glass-insulated surface electrode
  • the electrical energy supplied to the process is approximately 0.007 kWh or 25 kJ

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Abstract

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

Description

Anordnung und Verfahren zur optimierten Durchführung von chemischen
Reaktionen sowie Reaktor hierfür
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur optimierten
Durchführung von chemischen Reaktionen sowie einen Reaktor hierfür, wobei mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld und einem elektrischen Strom ausgesetzt ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Oberflächenbehandlung von Polymeren unter Anwendung von Niederdruckplasma vorzunehmen bzw. eine Behandlung nur an anorganischen Pulvermaterialien auszuführen.
Gemäß dem bekannten Stand der Technik lassen sich gezielte Funktionalitäten nur durch nachfolgende nasschemische Reaktionen erzielen, wie beispielsweise Hydroxylgruppen durch Umsetzung der unspezifischen Funktionalisierungen aus der Niederdruckplasma-Behandlung durch Reaktion mit Diboran in
Tetrahydrofuran. Da durch die nasschemischen Prozesse echte chemische Bindungen zwischen dem polymeren Rückgrat und Funktionalisierung erreicht werden, sind die entsprechenden Veränderungen dauerhaft.
Die US 2005/0095181 AI offenbart die Initialisierung von chemischen
Reaktionen mit Hilfe von Mikrowellen. Gasförmige Ausgangsstoffe können mit der dortigen Lehre nicht behandelt werden.
Aus der WO 2005/046861 A ist es bekannt, mittels Gleichspannung eine chemische Umsetzung von Bioöl zu Biodiesel einzuleiten. Allerdings erfolgt gemäß der dortigen Lehre keine gezielte Variation elektrischer Parameter, um die erhaltenen Endprodukte durch die elektrischen Feldeigenschaften zu steuern.
Bei der Lösung nach DE 103 13870 AI werden Proben in einem Mikrowellenfeld lediglich aufgeheizt. Es bleibt zusammenzufassen, dass im Stand der Technik lediglich die Verbesserung von Hafteigenschaften gezeigt wird, was durch viele unspezifische chemische und physikalische Reaktionen, z.B. nur an den
Additiven und Verarbeitungshilfsmitteln, die sich auf der Oberfläche des zu behandelnden Gegenstands befinden, hervorgerufen ist. Aus der DE 3733492 AI ist eine Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen mittels eines ionisierten Gasstromes vorbekannt, wobei der Gasstrom durch eine Koronaentladungsstrecke geführt ist, welche in Strömungsrichtung eine wesentliche Ausdehnung aufweist. Die Koronaentladungsstrecke ist derart realisiert, dass ein durch die Strecke hindurch geführter Gasstrom infolge Energieaufnahme aggressive Eigenschaften erhält. Hierdurch soll eine mit dem Gasstrom angeblasene Oberfläche oder ein entsprechender Gegenstand beeinflusst werden. Bei den Oberflächen kann es sich um Kunststoffmaterialien handeln, die derart verändert werden, dass z.B. eine Klebstoffschicht besser anhaftet.
Bei dem Apparat zur physikalischen Aufbereitung von Luft, insbesondere
Atemluft nach DE 19651402 AI handelt es sich um einen Ionisationsapparat, der Elektroden umfasst, an die eine hohe elektrische Wechselspannung angeschlossen ist, wodurch eine gewünschte Aufbereitung der Luft in Lüftungsund Klimaanlagen erfolgen kann.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung sowie ein Verfahren und einen Reaktor zur optimierten Durchführung von chemischen Reaktionen anzugeben, wobei mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird und es weiterhin gewährleistet ist, dass homogene Reaktionsbedingungen in
reproduzierbarer und leichter Weise eingestellt und vorgegeben werden können.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Anspruch 1, einem Reaktor nach Anspruch 16 sowie einem Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Die vorgestellte Erfindung betrifft demnach eine Lehre zur Durchführung von chemischen Reaktionen, bei denen mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen oder elektromagnetischen Feld und einem elektrischen Strom ausgesetzt ist, wobei ein bestimmter Anteil von Elektronen eine Elektronenenergie von 2 bis 25 eV besitzt und wobei an die Elektroden ein Wechselfeld angelegt ist und in der Reaktionszone eine Gasphase vorliegt, welche die Reaktionszone zumindest teilweise ausfüllt.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass elektrische bzw. elektromagnetische Felder zur Durchführung von definierten und gezielt gesteuerten chemischen Reaktionen eingesetzt werden. Durch das elektrische bzw. elektromagnetische Feld wird die erforderliche Aktivierungsenergie der jeweiligen chemischen Reaktion gezielt zugeführt, d.h. durch die Steuerung der elektrischen Parameter wird die für die chemische Reaktion erforderliche
Aktivierungsenergie definiert in den Reaktor eingebracht. Die Aktivierungsenergie wird zugeführt, indem Reaktanten oder ein Hilfsstoff (z.B. Trägergas) im elektrischen oder elektromagnetischen Feld angeregt bzw. ionisiert und in einen höher energetischen Zustand versetzt werden. Der zur Anregung verwendete Reaktorstrom wird durch das Erzeugen genügend großer
Feldstärken zwischen den Elektroden eingestellt.
Die lokalen Feldstärken und der Feldstärkegradient sind dabei abhängig von der Elektrodengeometrie sowie der Anzahl schon vorhandener Ladungsträger in der Reaktionszone. Mit steigender Ladungsträgerdichte wird das äußere Feld durch die Ladungsträger selbst beeinflusst, so das es notwendig wird, die
Ladungsträgerzahl in der gesamten Reaktionszone sowie lokal zu begrenzen, was einer maximal zulässigen Stromdichte entspricht.
Für die Begrenzung der Stromdichte stehen mehrere Möglichkeiten zur
Verfügung, so kann die Stromdichte durch folgende Mechanismen begrenzt werden :
1. durch das Einbringen dielektrischer Materialien zwischen die Elektroden, (lokale Strombegrenzung in unmittelbarer Nähe des dielektrischen
Materials),
2. durch die Zugabe von Quenchgasen in die Reaktionszone (Elektronenfänger, entsprechende Gasmoleküle fangen Elektronen mit geringen Energien ein, da diese bei der Entladung meist von vorangegangene Elektronenlawinen erzeugt werden (Stoßionisation), kann so die
Entstehung einer unmittelbar folgenden Elektronenlawine effektiv gedämpft und die Entstehung stromstarker, räumlich eng begrenzter Entladungskanäle verhindert werden) (globale und lokale Strombegrenzung). 3. durch Beeinflussung der Flugbahnen der Elektronen zwischen den
Elektroden mit Hilfe starker Magnetfelder (lokale und globale
Strombegrenzung),
4. sowie durch Kombinationen der vorigen 3 Mechanismen
5. durch weitere Effekte mit gleicher Wirkung.
Wichtig bei der Strombegrenzung ist, das auf diese Weise eine homogene Verteilung der Elektronen in der Reaktionszone möglich wird, so dass in der gesamten Reaktionszone Elektronen mit maximalen Energien zwischen 2 und 25 eV zur Verfügung stehen.
Damit können chemische Bindungen mit molaren Bindungs-, Atomisierungs und/oder Dissoziationsenergien bis 2400 KJ/mol aufgespalten werden.
Wird die Stromstärke nicht ausreichend begrenzt, liegen die Elektronen mit den genannten Energien zwar in der Reaktionszone vor, stehen dort aber nur in eng begrenzten Entladungskanälen zur Verfügung.
Die gewünschten Reaktionen könne in diesem Fall natürlich auch durchgeführt werden, aber die Ausbeuten oder die Effektivität können hierbei eingeschränkt sein.
Die oben genannten Elektronenenergien können bei Drücken >100 mbar nicht direkt bestimmt werden.
Dadurch, dass das Gas unter der Wirkung der starken elektrischen Felder elektrisch leitfähig wird, ist es jedoch sicher das Elektronen mit den genannten Energien vorliegen, da sie benötigt werden um die Gasmoleküle überhaupt ionisieren zu können.
Weiterhin ist es möglich, die Elektronenenergie im genannten Bereich indirekt durch Spektroskopieren der Leuchterscheinung zu bestimmen (optische
Emmisionsspektroskopie), wobei hier unterschiedliche Prozesse wirken, mit denen man auf die Elektronenenergien schließen kann. Als Beispiele sollen hier die folgenden beiden Prozesse genannt sein:
1. Elektronen, die bei Stößen gestreut werden, erzeugen u.a. Photonen mit Energien zwischen 6,5 und 0,05 eV. Diese Energien entsprechen
Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 190 nm und 25 μιτι. Diese Photonenenergien können spektroskopisch detektiert werden, was beweist, dass die Elektronen vor dem Stoß mindestens diese
entsprechenden Energien hatten. Durch Elektronenstreuung erzeugte Photonen ergeben in Abhängigkeit von der Wellenlänge im UV-VIS-NIR- MIR-Bereich breite Intensitätsverteilungen (Bremsstrahlung). 2. Neben der Bremsstrahlung treten in den Emissionsspektren im UV-VIS- NIR-MIR-Bereich auch scharfe, elementspezifische Emissionslinien auf, welche durch Rekombinationsprozesse verursacht werden. So kann anhand der emittierten Linien darauf geschlossen werden, welche Energie die Elektronen durch Stöße an die Atome und Moleküle abgegeben haben müssen, um diese in den entsprechenden Zustand anzuregen, von dem aus das spezifische Fluoreszenzsignal erzeugt wird. Diese
Fluoreszenzsignale werden von Molekeln in angeregten Zuständen erzeugt, die Anregungsenergien bis in den keV Bereich und somit entsprechende Elektronen mit diesen Energien benötigen. Somit kann die Elektronenenergie indirekt bestimmt werden.
Das entwickelte Verfahren und die zugehörige Anordnung grenzen sich von der bekannten Durchführung von chemischen Reaktionen im Mikrowellenfeld ab, weil mit dem Mikrowellenfeld lediglich schnell die klassischen
Reaktionstemperaturen durch Erwärmung des Mediums erreicht werden. Die Zuführung der notwendigen Aktivierungsenergie für die spezifische und selektive Umsetzung erfolgt bei der vorliegenden Erfindung über die Steuerung der elektrischen Parameter.
Es können mit der erfindungsgemäßen Lösung alle bekannten chemischen Reaktionen unterstützt und durchgeführt werden. Beispielhaft genannt sind Redoxreaktionen, Säure-Base-Reaktionen, radikalische Reaktionen, nukleophiele Reaktionen, elektrophile Reaktionen, Substitutions-, Additions-, Eliminierungs-, Kondensationsreaktionen, Polymerisationen, Polykondensationen,
Polyadditionen, Crackreaktionen, Dissoziationsreaktionen, Pyrolysereaktionen und polymeranaloge Umsetzungen. Dabei können die Reaktanten gasförmig, flüssig, fest oder in entsprechenden Mischungen, wie zum Beispiel Gas/Gas, Gas/fest, Gas/flüssig, fest/flüssig, flüssig/flüssig, fest/fest oder Gas/flüssig/fest usw. vorliegen. Es können vollständige Stoffumsetzungen wie auch chemische Oberflächenreaktionen erfolgen, beispielsweise auf der Materialoberfläche eines Festkörpers.
Im Fall von Redoxreaktionen benötigen die klassischen elektrochemischen Prozesse in der Regel eine Elektrolyten. Bei der Elektrolyse werden durch elektrischen Strom Redoxreaktionen erzwungen, die aus thermodynamischer Sicht nicht freiwillig ablaufen. Der Elektrolyt liegt im gelösten oder
geschmolzenen Zustand vor. Die Elektroden sind mit einer Gleichspannungs- quelle verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist bei der Durchführung einer Redoxreaktion kein Elektrolyt erforderlich.
Die erfindungsgemäße Lösung kann vorteilhaft zur Durchführung
thermodynamisch freiwillig ablaufender chemischer Reaktionen, also Reaktionen mit negativer freier Enthalpie (AG), eingesetzt werden, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die vorliegende Lehre ist dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Reaktant durch das elektrische und/oder elektromagnetische Feld bewegt oder sich in diesem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld befindet und dass der oder die Reaktanten effektiv durch Stöße mit angeregten Teilchen, z.B. elektrisch geladenen Teilchen, in einen chemisch angeregten bzw. höher energetischen Zustand versetzt werden. Die Reaktionszone ist so beschaffen, dass sich eine definierte und saubere Atmosphäre einstellen lässt.
Bezüglich der Geometrie der Reaktionszone können unterschiedliche
Reaktortypen eingesetzt werden, entscheidend für die Wahl der Geometrie der Reaktionszone ist die gewünschte chemische Reaktion. Die Geometrie der Reaktionszone wird durch die Form der Elektroden und eventuell durch zusätzliche dielektrische Materialien zwischen den Elektroden vorgegeben.
Typische Elektrodenformen sind Platten, Spitzen, Stäbe oder Rohre, wobei es sinnvoll sein kann unterschiedliche Elektroden- bzw. dielektrische Materialformen zu kombinieren. Die Elektroden bestehen aus einem elektrisch
leitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall oder einer Metalllegierung wie z.B. Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Wolfram, Stahl, Messing usw. oder es werden spezielle Widerstandsmaterialien wie z.B. Graphit verwendet.
In der Reaktionszone liegt eine Gasphase vor, die die Reaktionszone zumindest teilweise ausfüllt und die bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Lösung angeregte Teilchen enthält. Die angeregten Teilchen können Atome, Moleküle und Ionen in diversen Anregungszuständen sein, sowie Verbände und geladene Verbände der in der Gasphase enthaltenen Molekel (Molekel sind Elektronen bis Cluster angeregter Teilchen in allen Ausführungsformen).
Die Reaktionszone bzw. der Reaktorraum kann sowohl teilweise als auch vollständig mit einer Gasphase gefüllt sein. Eine vollständige Befüllung mit Gas kommt bei einer reinen Gasphasenreaktion in Betracht. Die Gasphase kann ein Trägergas enthalten. Wenn ein Reaktant gasförmig oder eine Flüssigkeit mit hohen Dampfdruck ist, können die Gase und Gasgemische sowie die Dämpfe mit Hilfe eines Trägergases in den Reaktorraum definiert und reproduzierbar eingebracht werden. Trägergase können zur Verbesserung der stofflichen Umsetzungen zugesetzt werden. Ein Trägergas nimmt nicht direkt an der chemischen Primärreaktion teil. Die Gasphase kann ausschließlich aus einem Trägergas bestehen, beispielsweise wenn ein in dem Trägergas fein verteilter flüssiger Reaktant umgesetzt wird. Geeignete Trägergase sind beispielsweise Edelgase (z.B. Helium, Argon, Neon, Krypton) und Quenchergase (z.B. Stickstoff, Kohlendioxid usw.).
Die Gasphase kann alternativ auch ausschließlich aus einem oder mehreren gasförmigen Reaktanten bestehen.
Unter einem elektrischen Feld ist in der vorliegenden Erfindung ein Feld zu verstehen, das im Spannungsfeld zwischen entgegengesetzt gepolten
Elektroden entsteht. Ein elektromagnetisches Feld liegt vor, wenn das Gas in der Reaktionszone durch den erzeugten Stromfluss angeregt wird und eine Strahlungsemission auftritt, z.B. im sichtbaren Spektrum oder im UV-, NIR-, IR- Spektrum. Die Steuerung/-Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann innerhalb der Anordnung bezüglich der Intensität der Leuchterscheinung integral oder bezüglich bestimmter emittierter Wellenlängen erfolgen.
Nachfolgend werden vorteilhafte Prozessparameter in speziellen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung unter Zuhilfenahme von Figuren beschrieben.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die zwischen den Elektroden des Reaktors eingestellte Feldstärke im Bereich von 0,5 - 200 kV/mm, mehr bevorzugt 0,5 - 50 kV/mm.
Die Feldstärken in der Reaktionszone können folgendermaßen bestimmt werden :
Homogenes elektrisches Feld (Plattenkondensator): Dabei ist d der Abstand zwischen den Platten und U die Spannung zwischen den beiden Platten.
Elektrisches Feld im Zylinderkondensator:
Figure imgf000009_0001
E elektrische Feldstärke im Kondensator, U zwischen den Zylindermänteln anliegende elektrische Spannung, Q im Kondensator gespeicherte elektrische Ladung, Ri Radius des inneren Zylindermantels, R2 Radius des äußeren
Zylindermantels, I Höhe der Zylindermäntel, elektrische Feldkonstante und sr Permittivitätszahl des Dielektrikums. Ein realer Zylinderkondensator kann aus zwei Rohren bestehen (deren Wände im Gegensatz zum Zylindermantel nicht unendlich dünn sind), wobei dann Ri Außenradius des inneren Rohrs und R2 Innenradius des äußeren Rohres sind.
Jede Spitze kann man sich näherungsweise als Kugeloberfläche mit einem kleinen Radius r vorstellen. Ist die Spitze Teil eines Leiters, der unter von außen aufrechterhaltener Spannung U steht, wird daraus
Figure imgf000009_0002
r
Um für diese Anordnung die Feldstärke an jedem Punkt zwischen den
Elektroden bestimmen zu können, kann man näherungsweise auch die
Gleichung zur Ermittlung der Feldstärke in einer Zylinderanordnung verwenden.
Die Feldstärke ist in der Reaktionszone nur dann homogen, wenn die
Reaktionszone durch planparallele Platten begrenzt ist. Für diesen Fall kann die Feldstärke einfach durch den Wert des Spannungsfalles über der Reaktionszone und dem Abstand zwischen Anfang und Ende der Reaktionszone 3 und der Barrieren 1 berechnet werden.
Bei jeder Anordnung, wie beispielhaft in Figur 1 skizziert, ist es wichtig, dass man den Feldstärkebereich durch die entsprechende geometrische Anordnung der Reaktionszone ermittelt.
In Abhängigkeit der Elektrodengeometrie 2 erhält man unterschiedliche
Differenzen zwischen maximaler und minimaler Feldstärke. Im Fall von der Plattenanordnung der Elektroden ist die Differenz idealer Weise null. Im Plattenkondensator lassen sich ausgehend von Spannungen bis 10 kV und Elektrodenabständen von 0,1 mm maximale Feldstärken in der Reaktionszone von höchstens 100 kV/mm erzeugen. Dagegen kann die Feldstärke in der Spitze Platte Anordnung in unmittelbarer Nähe der Spitze Werte bis zu 10 MV/mm annehmen, insofern man für die Spitze einen Krümmungsradius von 1 μιτι ansetzt und davon ausgeht das die Gegenelektrode hinreichend weit von der Spitze entfernt ist.
Wichtig ist, dass die Feldstärke mit steigender Anzahl an Ladungsträgern in der Reaktionszone kleiner wird. Wenn die Stromdichte einen kritischen Wert in der Reaktionszone übersteigt, führt das dazu, dass sich die Entladung als Folge der sogenannten Raumladungseffekte auf wenige stromstarke Entladungskanäle beschränkt. Im Ergebnis können keine homogenen Reaktionsbedingungen gewährleistet werden.
Ein Gegenstand dieser Erfindung ist die Einstellung homogener Reaktionsbedingungen, insbesondere für homogene Reaktionen an
Festkörperoberflächen.
Die Frequenz des angelegten Wechselfeldes (Frequenzanpassung) kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Übliche im Rahmen der Erfindung gewählte Werte liegen im Bereich von 80 - 100 kHz.
Das Wechselfeld kann kontinuierlich oder diskontinuierlich (gepulst) angelegt werden, wobei man ein gepulstes Wechselfeld vorteilhaft zur Steuerung des Energieeintrages in die Reaktionszone nutzen kann. Das sogenannte
Tastverhältnis bei gepulsten Wechselfeldern ist folgendermaßen definiert:
Figure imgf000010_0001
g = Tastverhältnis, t, = Impulsdauer, T = Periodendauer
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Tastverhältnis 0,1% bis 10%, vorzugsweise 0,1% - 5%.
Die Temperatur in der Reaktionszone kann prinzipiell frei gewählt werden, sollte jedoch an die durchzuführende Reaktion bzw. die Temperaturempfindlichkeit der Reaktanten und Reaktionsprodukte angepasst werden. Es können durch externe Temperaturregelung oder durch Anpassen anderer
Prozessparameter, insbesondere des Tastverhältnisses, sowohl tiefe als hohe Temperaturen eingestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Reaktionstemperatur im Bereich von 0 °C bis 100 °C gewählt. In einer anderen vorteilhaften Variante des Verfahrens können
Reaktionen bei Raumtemperatur durchgeführt werden.
Der Druck im Reaktorraum ist beliebig wählbar und besonders geringe Drücke oder ein Vakuum ist nicht erforderlich. In vorteilhaften Ausführungsformen beträgt der Druck in der Reaktionszone mehr als 100 mbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform führt man das Verfahren bei Atmosphärendruck, d.h. dem Umgebungsluftdruck, durch. In weiteren
bevorzugten Ausführungsformen wird die Reaktionszone zur Entfernung von Reaktionsprodukten und / oder zur Nachführung von Reaktanten mit mindestens einem Gas durchströmt, dabei bezieht sich die Druckangabe auf den
Gesamtdruck, welcher immer die Summe aus statischen und dynamischen Druck ist.
Die Art, Menge und Mengenverhältnisse der Ausgangsstoffe, z. B. die
Zusammensetzung des Gasstroms, sowie die Prozesszeit werden je nach gewünschter Reaktion und gewünschtem Umsetzungsgrad gewählt. Beispielhaft zu nennende, gasförmige Reaktanden sind Luft, Sauerstoff, Stickstoff,
Wasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Schwefelhexafluorid, Kohlenwasserstoffe, halogenierte
Kohlenwasserstoffe, niedermolekulare organische Verbindungen,
metallorganische Verbindungen u.a. der Elemente des Siliziums, Aluminiums und Titans, Verbindungen des Phosphors, Verbindungen des Siliziums,
Verbindungen des Bors, sowie die Dämpfe von Flüssigkeiten oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Verbindungen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erzielt man minimale Gradienten der Ladungsträgerdichte in der Reaktionszone bzw. in der Gasphase, die in der Reaktionszone vorhanden ist. Die Stromdichte in der Reaktionszone wird begrenzt und die Entladungen, z.B. in Form von
Leuchterscheinungen, im Reaktorraum werden homogenisiert. Die Entladung findet somit nicht durch einzelne Entladungskanäle statt sondern erfüllt den gesamten Reaktorraum. Dadurch werden besonders homogene Reaktionsbedingungen im gesamten Reaktorraum geschaffen. Im Fall einer
Oberflächenreaktion an einem Feststoff erhält man eine sehr gleichmäßige, definierte und reproduzierbare chemische Reaktion über die gesamte
Oberfläche. Zur Verwirklichung des minimalen Gradienten der Ladungsträgerdichte in der Reaktionszone und somit zur Erzeugung homogener Reaktionsbedingungen begrenzt man in der Reaktionszone den Stromfluss bzw. die Entladungen mit Stromdichten von größer Null bis maximal 100 mArms/cm2■
Die Stromdichte selbst ist indirekt bestimmbar, dazu ist prinzipiell eine reguläre Strommessung erforderlich. Um die Stromdichte zu bestimmen, teilt man die gemessene Stromstärke durch die jeweilige Elektrodenfläche (bekannt durch Konstruktion der Elektrodengeometrie). Auf diese Weise erhält man jedoch noch keine Information über die Homogenität der Stromdichte. Um die Homogenität der Stromdichte beurteilen zu können, unterteilt man die Elektrode, an welcher man den Strom messen möchte in mehrere von einander isolierte Teilbereiche und misst die Ströme auf den Teilflächen.
Erfindungsgemäß wird für die Realisierung möglichst homogener Reaktionen an Festkörperoberflächen eine Lösung bevorzugt, bei welcher im Rahmen der Messunsicherheiten die Teilstromdichten gleiche Beträge haben und damit genauso groß sind wie die Gesamtstromdichte der betrachteten Elektrode.
Die homogene Entladung, bei der in der Reaktionszone keine stromstarken Entladungskanäle auftreten, wird durch die Begrenzung der Stromdichte erreicht.
Das Begrenzen der Stromdichte kann auf verschiedenen, technischen Wegen erreicht werden, wobei nachfolgend einige Varianten beispielhaft beschrieben sind. Prinzipiell können auch unterschiedliche Varianten kombiniert werden.
1. An- / Aufbringen von mindestens einem dielektrischen Material auf
mindestens einer der elektrisch leitfähigen Elektroden, dabei sollte die Permittivitätszahl des dielektrischen Materials im Bereich von 1 bis 10 liegen. Die Reaktionszone ist dann der Raum zwischen dem dielektrischen Material und der anderen, verbleibenden, elektrisch leitfähigen Elektrode bzw. zwischen dem anderen dielektrischen Material.
2. Einbringen von mindestens einem dielektrischen Material zwischen die elektrisch leitenden Elektroden, dabei sollte die Permittivitätszahl des dielektrischen Materials kleiner als 10 sein. Die Reaktionsszone ist dann der Raum zwischen dem dielektrischen Material und den elektrisch leitfähigen Elektroden bzw. der Raum zwischen den dielektrischen
Materialien. 3. Erzeugen eines Magnetfeldes in der Reaktionszone, so dass dieses
Magnetfeld senkrecht auf die Bewegungsrichtung der Ladungsträger wirkt, wodurch auf die Ladungsträger eine Kraft entsteht die senkrecht zum Magnetfeld und der Bewegungsrichtung wirkt (Lorentz-Kraft). Diese Kraft bewirkt eine Ablenkung der Flugbahn insbesondere der Elektronen, wodurch sich deren Flugbahn verlängert, was dazu führt, dass diese Elektronen auf dem Weg von einer Elektrode zur anderen öfter stoßen wodurch sich breitere Streukegel bilden, was wiederum einer größeren und gleichmäßiger ionisierten Reaktionszone entspricht, da sich dann mehrere Streukegel überlappen.
4. Aktive Steuerung der Spannungsamplitude, so dass beim Erreichen einer bestimmten Stromdichte / Stromstärke die Spannungsamplitude simultan gesenkt wird und erst wieder erhöht wird, wenn der Strom einen kritischen Wert unterschreitet, dabei werden Reaktionszeiten im ns- Bereich benötigt.
Die dielektrischen Materialien aus den Punkten 1. und 2. können beispielsweise Glas, Keramik, Polymere oder isolierende Verbundwerkstoffe sein.
Die Permittivitätszahl eines Dielektrikums kann folgendermaßen definiert werden :
Füllt man ein elektrisches Feld mit einem nichtleitenden Stoff also einem dielektrischen Material, so wird ein Teil der Flussdichte D durch Polarisation des dielektrischen Materials gebunden. Die Feldstärke sinkt so vom Anfangswert E0 auf einen neuen Wert E, bei gleicher Flussdichte D. Das Verhältnis beider Feldstärken nennt man Permittivitätszahl er.
Die zuvor genannten Vorteile der homogenen Stromentladung in der
Reaktionszone und somit der homogenen Reaktionsbedingungen können in einer weiteren Variante der Erfindung auch dadurch erzielt werden, dass man ein sogenanntes Quenchgas in den Reaktor gibt. Ein Quenchgas dämpft in der vorliegenden Erfindung das Entstehen von Entladungen mit Stromdichten von größer als 100 mArms/cm2.
Die Art des Quenchgases kann frei gewählt werden, solange es in der Lage ist, Elektronen einzufangen. Geeignete Quenchgase sind beispielsweise
Kohlendioxid, Methan oder Sauerstoff. Die Art und Menge des Quenchgases wird so gewählt, dass die erwünschte Stromdichte im Reaktorraum eingestellt wird.
Die zuvor genannten Vorteile der homogenen Entladung in der Reaktionszone und damit homogener Reaktionsbedingungen können genutzt werden, wenn sicher gestellt ist, dass das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge der Molekel in der Gasphase der Reaktionszone zum Elektrodenabstand im Bereich 10/1 ... 1/ 1.000.000 liegt. Die mittlere freie Weglänge ist die Strecke, die ein Molekel zwischen zwei Stößen im Mittel zurücklegen kann. Die mittlere freie Weglänge / kann wie folgt ermittelt werden: j_ kT
k - Bolzmann-Konstante; T - absolute Temperatur (der Reaktionszone); d- Durchmesser eines Gasteilchens; p- Druck in der Reaktionszone
Zur Veranschaulichung des beschriebenen Bereiches für das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge zu Elektrodenabstand werden exemplarische zwei mögliche Ausführungsvariante näher betrachtet.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Temperaturen von 600 K, Durchmessern der an der Reaktion beteiligten Moleküle von 100 pm und Drücken von 10000 Pa gearbeitet. Nach der zuvor genannten Gleichung ergibt sich für das Molekül, mit dem die chemische Reaktion erfolgt, eine mittlere freie Weglänge von
Figure imgf000014_0001
Der Elektrodenabstand beträgt in dieser Verfahrensvariante 0,1 mm, wodurch sich ein Verhältnis von mittlerer freier Weglänge zu Elektrodenabstand von 18 pm / 0,1mm = 1/5 ergibt.
In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, Verfahren wird mit Temperaturen von 293 K, Durchmessern der an der Reaktion beteiligten Moleküle von 600 pm und Drücken von 200.000 Pa gearbeitet. Nach der zuvor genannten Gleichung ergibt sich für das Molekül mit dem die chemische
Reaktion erfolgt, eine mittlere freie Weglänge von j 1,380· 10 -J/K-293-K
/ = — = 12nm
π · 2 · (600· 10"12)2 -200000 · Pa
Der Elektrodenabstand beträgt in dieser Verfahrensvariante 1 mm, wodurch sich ein Verhältnis von mittlerer freier Weglänge zu Elektrodenabstand von 12 nm / 1 mm = 1/83000 ergibt.
Bei der Bestimmung des Elektrodenabstands zählt ein dielektrisches Material auf der Elektrode als Bestandteil der Elektrode. Bei Verwendung mehrerer dielektrischer Materialien zwischen den Elektroden sind die Elektrodenabstände bzw. die Breiten der Reaktionszonen die Abstände zwischen den dielektrischen Materialien.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Lösung anhand beispielhafter
Reaktionen ergänzend erläutert.
A) heterogene Reaktionen, wie polymeranaloge Umsetzungen
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist einer der Reaktanten ein Feststoff aus Polymer oder ein Feststoff mit einer Oberfläche aus Polymer. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das
Polymermaterial insbesondere die polymere Oberfläche dauerhaft, definiert und gezielt chemisch verändert werden. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren können gezielte polymeranaloge Umsetzungen und chemische Reaktionen am Polymermaterial vorgenommen werden.
Die weiteren Reaktanten mindestens aber ein Reaktant zur Umsetzung mit dem Polymer können in Festphase, Flüssigphase vorliegen oder gasförmig sein.
Bevorzugt ist die Umsetzung des Feststoffs auf Polymer oder des Feststoffes mit polymerer Oberfläche mit einem Reaktanten, der mit dem Trägergas in die Reaktionszone eingebracht wird.
Wendet man das Verfahren auf Polymere an, so erfolgt eine Aktivierung der Polymerkette durch die Einwirkung angeregter Teilchen, z.B. elektrisch geladenen Teilchen, und die dadurch bewirkte Bildung chemisch reaktiver Zentren an der Polymerkette. Diese reagieren mit den reaktiven Spezies des anderen Reaktanten. Die erzeugte polymeranaloge Umsetzung ist
gekennzeichnet dadurch, dass sie dauerhaft ist und somit die eingeführten funktionellen Gruppen chemisch an die Polymerketten gebunden sind. Bezogen auf den Stand der Technik, wo die Oberflächenbehandlung von
Polymeren unter Anwendung von Niederdruckplasma oder nur an anorganischen Pulvermaterial erfolgt, zeichnet sich die vorgestellte Lösung dadurch aus, dass nicht nur ein Reinigungs- bzw. Aktivierungsprozess mit zeitlich begrenzter Beständigkeit erfolgt, sondern die chemische Veränderung der Polymerstruktur langlebig ist, durch Waschprozesse nicht entfernt werden kann und somit über einen langen Zeitraum stabil bleibt. Im Stand der Technik müssen die
Materialien immer kurzfristig nach der Behandlung weiterverarbeitet werden, da der erzielte Behandlungseffekt nachlässt. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik auch dadurch aus, dass gezielt selektiv und spezifisch chemische Reaktionen an der Polymerstruktur durchgeführt werden. Die Art der funktionellen Gruppen wird gesteuert. Nicht alle möglichen Gruppen werden willkürlich an der Polymerkette erzeugt.
Laut Stand der Technik können gezielte Funktionalitäten nur durch
nachfolgende nasschemische Reaktionen eingeführt werden wie beispielsweise Hydroxylgruppen durch Umsetzung der unspezifischen Funktionalisierungen aus der Niederdruckplasma-Behandlung durch Reduktion mit Diboran in
Tetrahydrofuran. Da durch die nasschemischen Prozesse echte chemische Bindungen zwischen polymeren Rückgrat und Funktionalisierung erreicht werden, sind die Veränderungen dauerhaft.
Vorstehend wurde eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens/Anordnung beschrieben, mit der man eine besonders homogene Entladung in der Reaktionszone und besonders homogene Reaktionsbedingungen erhält, indem man auf mindestens einer der Elektroden, die Stromdichte auf Werte von größer Null bis maximal 100 mArms/cm2 begrenzt. Wendet man diese Reaktionsbedingungen auf einen polymeren Feststoff oder einen Feststoff mit polymerer Oberfläche an, so erhält man eine sehr homogene, gleichmäßige und reproduzierbare chemische Umsetzung über die gesamte Oberfläche. Somit wird ein Feststoff erhalten, der über die gesamte Oberfläche, die bei porösen Feststoffen auch die Poren einschließt, sehr gleichmäßig und homogen chemisch verändert ist. Beispielsweise besteht die chemische Veränderung in der Einführung mindestens einer funktionellen Gruppe, die beispielsweise ausgewählt ist aus Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-,
Hydroxyl-, Thiol-, Amino- Nitro-, Nitroso-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat- , Sulfoxid-, Sulfon-, Sulfonsäure-, Aldehyd-, Keton-, Carboxyl-, Amid-,
Estergruppe. Es können auch Reaktionsprodukte entstehen, die beispielsweise die Elemente Phosphor, Bor, Silicium, Aluminiu, Titan und die Halogene enthalten.
Der polymere Feststoff bzw. der Feststoff mit polymerer Oberfläche kann porös oder unporös sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der zuvor
beschriebenen Reaktion ist der polymere Feststoff bzw. der Feststoff mit polymerer Oberfläche porös und gekennzeichnet durch Poren mit Porendurchmesser von 1 - 10.000 nm, vorzugsweise 10 - 3000 nm.
Als Reaktanten können beispielsweise poröse Membranen oder poröse Pulver eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein polymerer Feststoff in Form von Partikeln eingesetzt und kann durch das Verfahren chemisch verändert werden. Die Partikelgröße der Partikel kann 3 bis 1000 μιτι betragen. In der
vorliegenden Erfindung werden polymere Feststoffe aus Polymerpartikeln dieser Größenordnung auch als Polymerpulver bezeichnet. Bei den Polymerpulvern handelt es sich um Polymerpulver oder Pulverpartikel mit mindestens einer polymeren Partikeloberfläche und einem anderen Kernmaterial.
In eine Ausführungsform wird die chemische Reaktion mit den Polymeren bei Atmosphärendruck durchgeführt.
Die Reaktionstemperatur ist prinzipiell frei wählbar, wird aber dem jeweils verwendeten polymeren Feststoff angepasst. In speziellen Ausführungsformen wird die Reaktion bei maximal 60°C durchgeführt, noch mehr bevorzugt bei Raumtemperatur. Besonders häufig verwendete Bedingungen sind eine
Temperatur von bis zu 60 °C oder Raumtemperatur und Atmosphärendruck.
Pulverförmiger polymerer Feststoff kann kompakt (ohne Bewegung während der Reaktion) in die Reaktionszone gepackt werden oder durch die Reaktionszone bewegt werden, je nach Korngröße bzw. Korngrößenverteilung. Es ist keine kontinuierliche Förderung des Feststoffs mittels Fördereinrichtungen im
Reaktionsraum notwendig. Eine Packung im Reaktor bietet sich nur an, wenn die Partikelgröße > ca. 250 μιτι ist. Für kleine Korngrößen ist die Bewegung durch die Reaktionszone vorteilhafter.
Im Fall eines pulverförmigen polymeren Feststoffs ist keine Umwälzung des Schüttgutes erforderlich, da in der Reaktionszone besonders homogene
Reaktionsbedingungen einstellbar sind, wie oben beschrieben. Sofern dennoch erwünscht kann eine Umorientierung der Pulverpartikel in Richtung der
Elektroden dadurch erfolgen, dass vorrangig dielektrische Materialien behandelt werden. Diese laden sich im elektrischen Feld auf. Wenn Packungsdichte, Materialdichte und Korngrößen gering genug sind, erfolgt eine Ausrichtung der Pulveroberfläche in Richtung der Elektroden ganz ohne zusätzliche
Rütteltechnik.
Das polymere Material kann thermoplastisch aber auch duroplastisch oder elastisch sein. Das Polymer ist auch ansonsten in seinen Eigenschaften nicht beschränkt. Es können Polymere mit einem organischen Grundgerüst aber auch anorganische Polymere wie beispielhaft Silikone, Polykieselsäuren, amorphe Gläser eingesetzt werden.
Gängige Polymere wie Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, wie Polyethylenterephthalat, Polyamide, Polyvinyle, Polysulfide, Polysulfone,
Polysaccharide wie Cellulose, Polysiloxane, Polysilane, Polyphosphazene,
Polyphosphate, Polysulfazene sowie entsprechende Copolymere, Terpolymere usw. können verwendet werden.
Die funktionellen Gruppen sind nicht besonders beschränkt. Beispielhaft zu nennen sind funktionelle Gruppen basierend auf den Elementen Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Silizium, Titan, Aluminium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Brom, und Jod.
Der gasförmige Reaktant ist ebenfalls nicht besonders beschränkt. Beispielhaft zu nennen sind Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Ammoniak,
Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid,
Schwefelhexafluorid, Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, niedermolekulare organische Verbindungen, metallorganische Verbindungen u.a. der Elemente des Siliciums, Aluminiums und Titans, Verbindungen des
Phosphors, des Siliziums sowie des Bors, oder einer Mischung aus zwei oder mehr dieser Gase.
Weiterhin können auch Flüssigkeiten oder Feststoffe als Reaktanten für die Umsetzung der polymeren Feststoffe eingesetzt werden.
Ein mögliches Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäß hergestellten
/funktionalisierten Pulver ist der Einsatz als Trennmaterialien für
chromatographische Prozesse sowohl im analytischen Bereich als auch bei der Prozesschromatographie. Wesentliche Voraussetzung ist, dass die funktionellen Gruppen chemisch fest an die Polymerkette gebunden sind und somit nicht durch Waschprozesse aus dem Pulvermaterial herausgelöst oder abgewaschen werden können. Diese Anforderung wird durch die vorliegende Erfindung erfüllt.
Die klassischen Pulvermaterialien werden durch Emulsionspolymerisation entsprechender Monomere wie Styrol / Divinylbenzol, Acrylamid /
Methylmethacrylat usw. hergestellt. Durch nasschemische polymeranaloge Umsetzungen mit konzentrierter Schwefelsäure können sulfogruppenhaltige Trennmaterialien hergestellt werden. Die Einführung von Aminogruppen ist mit einer zweitstufigen polymeranalogen Umsetzung über die Chlormethylen- Funktionalisierung und anschließender Reaktion mit Aminen möglich.
B) Synthese von Ammoniumnitrat
Das vorgestellte Verfahren kann auch eingesetzt werden, um Ammoniumnitrat aus den Reaktanten Ammoniak und Sauerstoff zu synthetisieren. Bei der klassischen technischen Herstellung von Ammoniumnitrat wird Ammoniak mit Salpetersäure umgesetzt. Die Salpetersäure wiederum muss zunächst durch Oxidation von Ammoniak hergestellt werden (10 % Ammoniak in Luft bei 850 °C und 5 bar Druck mit Platin/Rhodium-Katalysator). Der wesentliche Vorteil der Synthese von Ammoniumnitrat im elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld ist, dass es sich um Einstufenreaktion handelt.
C) Synthese von Methan zum großtechnischen C02-Recycling / als chemischer Energiespeicher
Das vorgestellte Verfahren kann auch eingesetzt werden, um Methan aus den Reaktanten Kohlendioxid und Wasserstoff zu synthetisieren. Bei der klassischen technischen Herstellung von Methan nach dem Sabatier-Prozess wird
Kohlendioxid mit Wasserstoff bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck beispielsweise in Gegenwart eines Nickelkatalysators umgesetzt. Der
wesentliche Vorteil der Synthese von Methan im elektrischen und/oder
elektromagnetischen Feld ist, dass sie im Bereich der Raumtemperatur und bei Atmosphärendruck durchgeführt werden kann.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt einen Reaktor, der für das vorangehend beschriebene Verfahren eingesetzt werden kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Der erfindungsgemäße Reaktor umfasst eine mit mindestens zwei Elektroden versehene Reaktionskammer, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge eines in die Reaktionskammer eingebrachten Gases zum Abstand der Elektroden 10/1 bis 1/1.000.000 beträgt und dass sich zwischen den Elektroden ein dielektrisches Material mit einer Permittivitätszahl kleiner 10 befindet. Die Merkmale des Reaktors wurden bereits zuvor bei der Beschreibung des Verfahrens erläutert.
Spezielle Ausführungsformen des Reaktors sind in den Beispielen beschrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert, wobei diese Beispiele in keiner Weise als Beschränkung der allgemeinen Idee der Erfindung auszulegen sind, wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen dargelegt ist.
Für die aufgeführten Beispiele erfolgte die erforderliche Stromversorgung mit einem entsprechenden Generator. Die Frequenz kann im Bereich von 4 - 500 kHz geregelt werden. Der Strom beträgt 10 - 200 mArms pro Entladungspuls, wodurch die Stromdichten in dem vorgestellten Verfahren zwischen 0,01 - 100 mArms/cm2 liegen.
Für die Beispiele 1 - 2 wurde der Reaktor Typ 1 eingesetzt. Der Reaktor Typ 1 ist eine geschlossenes System, wobei eine Wand des Reaktorraumes eine glasisolierte Masseelektrode bildet. Verwendet wird dieser Reaktortyp
überwiegend für chemische Reaktionen an flächigen Feststoffen und zur
Synthese von Materialien aus fluiden Ausgangsmaterialien. Die gesamte
Behandlungsfläche kann beliebig groß gewählt werden. Die Hochspannungselektrode ist in der Höhe verstellbar. Als Hochspannungselektroden kommen je nach gewünschter Reaktion unterschiedliche Ausführungen in Frage. Für die Umsetzung von Fluiden existiert eine Kammelektrode. Für das Cracken, polymeranaloge Umsetzungen bzw. Polymerisierungsreaktionen, existiert auch eine glasisolierte Flächenelektrode, der gesamte Reaktoraufbau entspricht dann dem des Zylinderreaktors, wobei die Elektroden hier unendlich große
Krümmungsradien besitzen. Um Einfluss auf den Feldstärkegradienten zwischen den Elektroden ausüben zu können, existieren weitere Elektroden, bei denen auf einem Metallstab ein Glasrohr angebracht ist. Dieser Reaktortyp kann auch als offenes System mit leichtem Überdruck betrieben werden, um die beim Prozess entstehenden gasförmigen Produkte aus dem Reaktionsraum
herauszutreiben. Für die Beispiele 3 - 4 wurde der Reaktor Typ 2 eingesetzt. Der Reaktor Typ 2 eignet sich für pulverförmige Ausgangsstoffe mit Partikeldurchmessern von < 1000 Mikrometern. Im Radialbetrieb wurden eine innere glasisolierte Elektrode (HV-Elektrode) und eine äußere glasisolierte Elektrode eingesetzt. Der
Elektrodenabstand im Reaktionsraum kann 0,1 bis max. 30 mm betragen. Der Zylinderradius kann prinzipiell beliebig groß gewählt werden. Im statischen und dynamischen Betrieb können gepackte Schüttgüter oder durchströmende
Materialien zur Reaktion gebracht werden.
Beispiel 1 - Synthese von Ammoniumnitrat im Reaktor Typ 1
Feldstärke in der Reaktionszone: 1 - 30 kV/mm
Stromdichte in der Reaktionszone: 2 - 200 mArms/cm2
rms = root mean Square (Effektivwert)
Frequenzanpassung: 80 - 100 kHz
Verhältnis der mittleren freien Weglänge
zu Elektrodenabstand 1/500 - 1/20000
Permittivitätszahl 6
Ausgangsstoffe: Durch ein gasdichtes Gefäß mit gesättigter Ammoniumhydroxidlösung (Konzentration Ammoniak 25% in Wasser) wird Sauerstoff mit 100 sccm geleitet. Das erhaltene Gasgemisch aus Sauerstoff, Ammoniak und Wasserdampf wird durch das elektrische Feld geleitet.
Prozesszeit: beliebig
Die dem Prozess zugeführte elektrische Energie beträgt ca. 0,02 kWh bzw. 65 kJ/(g x h).
Hochvolt (HV) -Elektrode: Kammelektrode
Im Ergebnis wurde Ammoniumnitrat gewonnen. Die stoffliche Analyse des Reaktionsproduktes erfolgte an Hand des IR-Spektrums (Figur 2) sowie der Durchführung der spezifischen Nachweisreaktionen auf Ammoniumionen
(Fällung von Ammoniumiodat) und auf Nitrationen (Ringprobe).
Beispiel 2 - Polymerisation von Acrylsäure im Reaktor Typ 1
Feldstärke in der Reaktionszone: 1 - 15 kV/mm
Stromdichte in der Reaktionszone: 1 - 10 mArms/cm2
Frequenzanpassung: 80 - 100 kHz
Verhältnis der mittleren freien Weglänge
zu Elektrodenabstand 1/10000 - 1/60000
Permittivitätszahl 6 Ausgangsstoffe: beliebiges Trägergas, das Trägergas wird mit Acrylsäure angereichert.
Prozesszeit: beliebig
Die dem Prozess zugeführte elektrische Energie beträgt ca. 0,004 kWh bzw. 14 kJ
HV-Elektrode: glasisolierte Flächenelektrode
Die durch die Polymerisation entstandene Polyacrylsäure wurde auf
Trägermaterial aufgefangen. Im Gegensatz zur klassischen Polymerisation von Acrylsäure werden keine zusätzlichen Initiatoren benötigt.
Beispiel 3 - Synthese von Carbonsäuren durch oxidatives Cracken von lanqkettiqen Alkanen im Reaktortyp 2
Feldstärke in der Reaktionszone: 1 - 5 kV/mm
Stromdichte in der Reaktionszone: 0,3 - 0,5 mArms/cm2
Frequenzanpassung: 80 - 100 kHz
Verhältnis der mittleren freien Weglänge
zu Elektrodenabstand 1/500 - 1/8000
Permittivitätszahl 6
Ausgangsstoffe: beliebiges Trägergas angereichert mit Sauerstoff, im Reaktor befinden sich in lose gepackter Form ein langkettiges Alkan z. B. ca. 1,8 g Polyethylenpulver
Prozesszeit: beliebig
Die dem Prozess zugeführte elektrische Energie beträgt ca. 0,007 kWh bzw. 25 kJ
Mittels Headspace-GCMS-Analyse konnte als Hauptreaktionsprodukt Ameisensäure nachgewiesen werden (Figur 3).
Beispiel 4 - PolyCethylen co-Caminoethylen') durch polymeranaloge Umsetzung im Reaktor Typ 2
Feldstärke in der Reaktionszone: 0,5 - 3 kV/mm
Stromdichte in der Reaktionszone: 0,2 - 0,4 mArms/cm2
Frequenzanpassung: 80 - 100 kHz
Verhältnis der mittleren freien Weglänge
zu Elektrodenabstand 1/500 - 1/10000
Permittivitätszahl 6
Ausgangsstoffe: 2000 sccm Stickstoff werden durch mit feinen Polyethylen- körnchen kompakt gepackte Reaktionszone geführt. Prozesszeit: beliebig
Mittels chemischer Nachweisreaktionen, IR-Spektroskopie und XPS-Analyse konnte eindeutig die Einführung von Aminogruppen an die Ethyleneinheiten nachgewiesen werden. Gegenüber den klassischen Synthesemethoden werden keine Lösungsmittel benötigt und es ist eine Einstufenreaktion. Auf 100 C- Atome kommen 8 Stickstoffatome. Dies entspricht einem Copolymeranteil an Polyaminoethylen von 16 %.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur optimierten Durchführung von chemischen Reaktionen, wobei mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld sowie einem elektrischen Strom ausgesetzt ist, an den Elektroden ein Wechselfeld anliegt und in der Reaktionszone eine Gasphase gegeben ist, welche die Reaktionszone zumindest teilweise ausfüllt.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel vorgesehen sind, um in der Reaktionszone einen Strom mit einer Stromdichte von größer Null und von kleiner als 100 mArms/cm2 bereitzustellen, wobei der Gradient der Ladungsträgerdichte innerhalb der
Reaktionszone keinen sprunghaften Änderungen unterliegt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
im elektrischen Feld der Reaktionszone Elektronen mit Elektronenenergien von 2 bis 25 eV vorhanden sind.
4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich zwischen den Elektroden mindestens ein dielektrisches Material mit einer Permittivitätszahl kleiner 10 in Richtung der Reaktionszone befindet.
5. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stromdichte auf mindestens einer der Elektroden größer Null und kleiner als 100 mArms/cm2 ist.
6. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Feldstärke zwischen den Elektroden im Bereich von 0,5 bis 200 kV/mm, insbesondere bevorzugt 0,5 - 50 kV/mm liegt.
7. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass darin die Dissoziation bzw. Bindungsspaltung von Teilchenverbänden bzw. Molekülen mit molaren Dissoziations- bzw. Bindungsenthalpien bis
2500 KJ/mol möglich ist.
8. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Reaktionszone ein Quenchgas befindlich ist.
9. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge der Gasteilchen in der
Reaktionszone zum Elektrodenabstand 10:1 bis 1:1.000.000 beträgt.
10. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in der Reaktionszone vorliegende oder erzeugte Feld ein gepulstes Feld ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass diese für heterogene sowie homogene Reaktionen geeignet ist.
12. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
einer der Reaktanten ein Feststoff aus Polymer oder ein Feststoff mit einer Oberfläche aus Polymer ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Feststoff porös ist.
14. Anordnung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Feststoff in Form von Partikeln vorliegt.
15. Anordnung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mittlere Partikelgröße des Feststoffs 3 bis 1000 Mikrometer beträgt.
16. Reaktor für eine Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in einer Reaktionskammer mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, wobei das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge eines in die Reaktionskammer eingebrachten Gases zum Abstand der Elektroden 10:1 bis
1:1.000.000 beträgt und dass zwischen den Elektroden mindestens ein dielektrisches Material mit einer Permittivitätszahl kleiner 10 zur Begrenzung der Stromdichte auf Werte größer Null und kleiner 100 mArms/cm2 befindlich ist.
17. Verfahren zur optimierten Durchführung von chemischen Reaktionen, wobei mindestens ein Reaktant in einer mit mindestens zwei Elektroden versehenen Reaktionszone einem elektrischen und/oder elektromagnetischen Feld und einem elektrischen Strom ausgesetzt ist, wobei an den Elektroden ein Wechselfeld anliegt und in der Reaktionszone eine Gasphase gegeben ist, welche die Reaktionszone zumindest teilweise ausfüllt,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Reaktionszone ein Strom mit einer Stromdichte von größer 0 und von kleiner 100 mArms/cm2 bereitgestellt wird, wobei der Gradient der
Ladungsträgerdichte innerhalb der Reaktionszone sich nicht sprunghaft ändert.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
im elektrischen Feld die Reaktionszone Elektronen mit Elektronenenergien von 2 bis 25 eV bereitgestellt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen den Elektroden mindestens ein bielektrisches Material mit einer Permittivitätszahl kleiner 10 in Richtung Reaktionszone eingebracht wird.
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