DE4336512C2

DE4336512C2 - Verfahren zur Reaktionskontrolle und ein Apparat, wobei Kohlenstoff-Rußmoleküle und organometallische Komplexe in angeregtem Zustand verwendet werden

Info

Publication number: DE4336512C2
Application number: DE4336512A
Authority: DE
Inventors: Satoru Isoda; Toshiyuki Kamiya; Yoshio Hanazato; Akira Ikeda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1993-10-26
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: DE4336512A1; US5976477A; US5445800A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zur Kontrolle von Reaktionen, die zwischen Kohlenstoff-Rußmolekülen, Metallporphyrin-Komplexen und verschiedenen Gasen oder Flüssigkeiten stattfinden.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und einen Apparat zur Zersetzung von schädlichen Substanzen in einem schädlichen Gas oder einer Lösung, indem das schädliche Gas oder die Lösung, die schädliche Substanzen enthalten, veranlasst werden, mit Kohlenstoff-Rußmolekülen oder Metallporphyrin-Komplexen in direktem Kontakt mit den vorstehenden Molekülen zu reagieren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und einen Apparat, mit denen verunreinigende Substanzen in der Luft oder im Wasser entfernt werden können. Deshalb betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik zur Entfernung von Umweltverschmutzung, die in den letzten Jahren ein Problem aufwarf.

Es gibt eine Vielzahl von herkömmlichen Techniken zur Zersetzung von schädlichen Substanzen, wobei aktiver Sauerstoff verwendet wird. So war eine Technik zur Zersetzung von organischen Verbindungen verfügbar, wobei Ozon, das mit einem Ozonisator erzeugt worden war, verwendet wurde.

Fig. 10 ist eine Skizze, die den Aufbau eines Ozonisators für stille Entladung illustriert, über den Masaaki Tanaka und Norikazu Tabata im Magazine of Society of Electrostatics, Bd. 3, Nr. 3 (1983) berichtet haben. In Fig. 10 sind AC- Hochspannungsquellen 4 mit Metallelektroden 3 verbunden. Eine Glasplatte 5 ist auf einer Seite der Metallelektrode 3 angebracht. Auf diese Weise wird ein ozonisiertes Gas aus einem Rohmaterialgas 1 erzeugt.

Der Mechanismus der Ozonerzeugung des Ozonisators wird nun erläutert. Wenn eine AC-Spannung von 6 bis 18 kV angelegt wird, während ein Gas, das Sauerstoff enthält, zwischen den Metallelektroden 3 mit einem Dielektrikum wie Glas oder Keramiken dazwischen durchgeleitet wird, findet stille Entladung statt. Elektronen aus den Elektroden kollidieren mit Sauerstoffmolekülen, so dass angeregte Sauerstoffmoleküle erzeugt werden. Die so erzeugten angeregten Sauerstoffmoleküle reagieren mit anderen Sauerstoffmolekülen, so dass Ozon erzeugt wird. Das so erzeugte Ozon lässt man mit organischen Substanzen reagieren, um die organische Substanzen zu zersetzen.

Ein Beispiel einer anderen Technik zur Zersetzung von schädlichen Substanzen unter Anwendung von direkten Reaktionen anstelle von aktivem Sauerstoff ist die Technik der Abwasser-/Abfallwasserbehandlung, wofür ein aktiviertes Schlammverfahren ein typisches Beispiel ist, wobei die metabolische Wirkung eines Organismus angewendet wird, und eine Technik zur Zersetzung von Abgasen von Verbrennungsvorrichtungen wie Automobilmotoren, indem ein Katalysator verwendet wird.

Untersuchungen zur Verwendung von Metall oder Metalloxid oder Metallionen-austauschendem Zeolit für die Technik zur Zersetzung von Abgasen unter Verwendung eines Katalysators wurden durchgeführt. Wie von Masakazu Iwamoto in J. Chem. Coc., Faraday Trans. I, Bd. 77 (1981) berichtet wurde, kann NO mit einer Zersetzungseffektivität von etwa 90% zersetzt werden, wenn ein Kupferionen-austauschender Zeolit als Katalysator verwendet wird, und 4% NO wird bei 500° zur Reaktion veranlasst.

Obwohl die Technik zur Zersetzung von schädlichen Substanzen, die erzeugtes Ozon verwendet, effektiv ist, sind die Arten der schädlichen Substanzen, die zersetzt werden können, aufgrund der Reaktivität von Ozon begrenzt. Z. B. war bekannt, dass Essigsäure nicht ohne weiteres durch Ozon zersetzt werden kann. Schlimmer ist, dass die Vorrichtung, Ozon mittels Hochspannungs-Entladungstechnik zu erzeugen, das Problem beinhaltet, dass keine Energie gespart werden kann und die Größe des Apparates nicht verringert werden kann. Zudem ist Ozon mehrere 10 Stunden nach der Erzeugung stabil und der menschliche Körper wird manchmal negativ beeinflusst.

Die Technik der biologischen Behandlung unter Verwendung von aktiviertem Schlamm beinhaltet verschiedene Probleme. So wird eine großdimensionierte Verarbeitungsanlage benötigt, die Zeit zur Beendigung der Behandlung ist zu lang und Organismen werden in Form von Schlamm belassen.

Die Zersetzung von Abgasen unter Verwendung eines Katalysators beinhaltet das Problem, dass die Zersetzungsreaktionen nicht ablaufen, wenn die Temperatur niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.

US-PS 43 15 998 offenbart die Bildung von aktivem Sauerstoff (Singulettsauerstoff) mittels Licht und geeigneten Sensibilisatoren, wie Chlorophyll, Hämatoporphyrin oder Hämin, die an ein festes Polymer gebunden sind.

DE-A 14 67 493, Bekanntmachung der deutschen Patentanmeldung K 21 085 Iva/22f, DE-AS 15 92 856 beziehen sich auf spezielle Verfahren zur Rußgewinnung.

EP 0484027 A1 offenbart die Verwendung von substituierten Phthalocyaninen zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff mittels elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich von 650 nm bis 800 nm.

J. Am. Chem. Soc., 1991, Vol. 113, Seiten 8886 bis 8889, offenbart die Herstellung von aktivem (Singulett-) Sauerstoff, und zwar mittels Photo-Aktivierung von Fulleren-Molekülen.

Chem. Abstr. Vol. 114 (1991) 114: 52710y; Chem. Abstr. Vol. 115 (1991) 115: 242816f und Chem. Abstr. Vol. 120 (1994) 120: 231625v befassen sich mit den photophysikalischen Eigenschaften von Fullerenen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden verschiedenen Probleme zu bewältigen. Daher ist die erfindungsgemäße Aufgabe die Bereitstellung eines Verfahrens und eines Apparates zur Zersetzung von schädlichen Substanzen durch direkte Reaktionen der angeregten Kohlenstoff- Rußmoleküle oder Metallporphyrin-Komplexe.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Reaktionskontrolle zur Verfügung gestellt, das den Schritt umfasst: das Reagierenlassen von einer oder mehreren Verbindungen ausgewählt unter Kohlenstoff-Rußmolekülen und Metallporphyrin-Komplexen, die in angeregtem Zustand sind, mit einer Substanz, die reagieren soll.

Gemäß einem anderen erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Reaktionsapparat zur Verfügung gestellt, der umfasst: einen Behälter mit einer Öffnung zur Einführung einer Substanz, die reagieren soll, und einer Öffnung zum Ausführen (Entladung) der Substanz, die reagieren soll; eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt unter Kohlenstoff-Rußmolekülen und Metallporphyrin-Komplexen; und eine Anregungsvorrichtung, um die Verbindungen in einen angeregten Zustand zu überführen.

Vergleichs-Fig. 1 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt, die einen Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff zeigt;

Vergleichs-Fig. 2 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt, die einen anderen Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff zeigt;

Fig. 3 ist eine Ansicht im Querschnitt, die ein erfindungsgemäßes Elektrodenteil zeigt;

Vergleichs-Fig. 4 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt, die einen Apparat zur Zersetzung eines schädlichen Gases zeigt;

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt, die einen anderen erfindungsgemäßen Apparat zur Zersetzung eines schädlichen Gases zeigt;

Fig. 6 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Zersetzung von NO zeigt, die mit dem erfindungsgemäßen Apparat zur Zersetzung eines schädlichen Gases durchgeführt wurde;

Vergleichs-Fig. 7 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt, die einen Apparat zur Zersetzung einer Flüssigkeit zeigt, die schädliche Substanzen enthält;

Fig. 8 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt, die einen anderen erfindungsgemäßen Apparat zur Zersetzung einer Flüssigkeit zeigt, die schädliche Substanzen enthält;

Fig. 9 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt, die einen erfindungsgemäßen Apparat zur kontinuierlichen Zersetzung eines schädlichen Gases zeigt; und

Fig. 10 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines stillen Entladungsozonisators (Organizer) zeigt, der bei herkömmlichen Verfahren zur Zersetzung der schädlichen Substanzen verwendet wird.

Erfindungsgemäße Kohlenstoff-Rußmoleküle sind Moleküle, die einzig aus Kohlenstoff zusammengesetzt sind, nämlich Cn (n = 18 bis 300), die durch Verdampfen von Graphit mittels Vakuumentladung oder durch Bestrahlung von Graphit mit Hochenergielaserstrahlen erzeugt werden. Die Kohlenstoff- Rußmoleküle sind Fullerenmoleküle, die stabile Moleküle mit sphärischer Schale sind, die 60, 70, 76, 78, 82, 84 oder 90 Kohlenstoffatome haben, Moleküle mit sphärischer Schale bzw. röhrenförmige Moleküle mit 100 oder mehr Kohlenstoffatomen und Fragmente von Molekülen mit sphärischer Schale, die weniger als 60 Kohlenstoffatome haben. Der Ausdruck "Kohlenstoff-Rußmoleküle" ist in dieser Beschreibung so definiert, dass alle vorstehenden Verbindungen enthalten sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle von Reaktionen von Gasen und Flüssigkeiten macht Gebrauch von der Tatsache, dass Kohlenstoff-Rußmoleküle und Metallporphyrin-Komplexe mittels einem physikalisch-chemischen Verfahren wie Bestrahlung mit Licht, Einstrahlung von Elektronen mittels Elektroden, oder einer Reduktionsreaktion, mittels einem Elektronendonor, in einem angeregten Zustand übergeführt werden, so dass die Reaktivität mit verschiedenen Gasen und Flüssigkeiten beträchtlich erhöht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Reaktionen mit den Gasen und Flüssigkeiten beschleunigt werden, was bei herkömmlichen Verfahren Schwierigkeiten aufwarf.

Die Kohlenstoff-Rußmoleküle und Metallporphyrin-Komplexe in angeregtem Zustand zeigen eine ausgezeichnete Reaktivität mit schädlichen Gasen und schädlichen Substanzen in einer Flüssigkeit, die schädliche Substanzen enthält. Wenn die vorstehenden Moleküle in angeregtem Zustand und schädliche Substanzen miteinander in Kontakt gebracht werden, finden zwischen den schädlichen Substanzen und den vorstehenden Molekülen Elektronen-Übertragungsreaktionen statt. Als Ergebnis laufen Zersetzungsreaktionen der schädlichen Substanzen ab.

Da die Kohlenstoff-Rußmoleküle und Metallporphyrin-Komplexe in angeregtem Zustand ausgezeichnete Reaktivität mit den schädlichen Substanzen aufweisen, haben die vorstehenden Moleküle im Vergleich zu herkömmlichen Zersetzungskataly satoren ein überlegenes Vermögen zur Zersetzung der schädlichen Substanzen. Daher weisen die Kohlenstoff- Rußmoleküle und Metallporphyrin-Komplexe in angeregtem Zustand sogar bei niedriger Temperatur ausgezeichnete Zersetzungsaktivität auf.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zersetzung schädlicher Substanzen werden die schädlichen Substanzen durch direkte Kontaktreaktionen der Kohlenstoff-Rußmoleküle und Metallporphyrin-Komplexe in angeregtem Zustand zersetzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zersetzung von schädlichen Substanzen können mehr verschiedene Substanzen und mit höherer Effektivität als mit herkömmlichen Verfahren zersetzt werden.

Beispiele für schädliche Substanzen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zersetzt werden können, sind: schädliche Gase wie NO_X, SO_X und CO; Gas mit übelriechender Komponente enthaltend z. B. Ammonium, Aldehyd oder Mercaptan; und Flüssigkeiten, wie eine wässrige Lösung von Essigsäure, Trihalomethan, und Wasser, das modrige Odoranzen wie Geosmin oder 2-Methylisoborneol enthält.

Der angeregte Zustand der Kohlenstoff-Rußmoleküle und Metallporphyrin-Komplexe wird mittels eines physikalisch- chemischen Verfahrens wie Bestrahlung mit Licht, Einstrahlung von Elektronen mittels Elektroden, oder einer Reduktions reaktion mittels eines Elektronendonors erzielt. In diesem Fall kann die benötigte Energie verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren zur Ozonerzeugung beträchtlich reduziert werden. Zudem können die Reaktionen bei niedriger Temperatur ablaufen und daher kann ein energiesparender und kleinformatiger Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff und ein Apparat zur Zersetzung der schädlichen Substanzen vorgesehen werden.

Zudem ist ein Sensor, der die zu verarbeitende Substanz misst, an der Öffnung zur Einleitung des schädlichen Gases und der Öffnung zur Flüssigkeitseinleitung des Zersetzungs apparates angebracht. Wenn die Konzentration der zu verarbeitenden Substanz einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird das Lichtquellenteil betätigt oder Spannung wird an die Elektroden angelegt oder der Elektronendonor wird zugeführt, so dass die Kohlenstoff- Rußmoleküle und die Metallporphyrin-Komplexe in den angeregten Zustand übergeführt werden, um die schädlichen Substanzen zu zersetzen. Als Ergebnis kann ein Apparat bereitgestellt werden, der das schädliche Gas und die Flüssigkeit, die schädliche Substanzen enthält, kontinuierlich zersetzen kann.

Vergleichs-Beispiel 1

Im Folgenden wird ein Beispiel beschrieben. Zunächst wird ein Verfahren zur Bildung eines dünnen Filmes oder eines verfestigten Filmes aus Kohlenstoff-Rußmolekülen beschrieben.

Bei der Bildung des dünnen Filmes aus Kohlenstoff- Rußmolekülen wird der dünne Kohlenstoff-Rußmolekülfilm, der eine Dicke von etwa 50 bis 200 nm hat, auf einer Folie oder einer Elektrode durch Aufdampfen im Vakuum, mit einem ICB- Aufdampfungsverfahren, einem Gießverfahren oder einem Schleuderbeschichtungsverfahren usw. ausgebildet. Das Folienmaterial ist nicht besonders beschränkt und daher kann eine gewöhnliche Folie z. B. aus Polyimid, Polyamidoimid, aromatischem Polyamid, Polycarbonat oder Polyester verwendet werden. Als Elektrode wird eine Metallelektrode aus Gold oder Aluminium verwendet. Indem der Film oder die Elektrode, auf der der dünne Film ausgebildet worden ist, einer Nachbehand lung wie einer Ioneninjektionsbehandlung oder einer Wärmebehandlung unterzogen wird, kann der Film zusätzlich verbessert werden. Bei der Bildung des verfestigten Films aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen wird Pulver aus Kohlenstoff- Rußmolekülen zu einer Paste verarbeitet und aufgetragen, so dass der verfestigte Film gebildet wird. In diesem Fall wird ein anorganisches Bindemittel, z. B. ein niedrig schmelzendes Glas, verwendet, das erhitzt wird, bis es schmilzt, so dass sich eine Paste bildet, die anschließend auf die Folie oder die Platte aufgetragen wird. Die untere Grenze der Dicke des verfestigten Films aus Kohlenstoff-Rußmolekülen beträgt aufgrund des Herstellungsverfahrens etwa 100 µm.

Anschließend wird ein Verfahren und ein erfindungsgemäßer Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff beschrieben.

Vergleichs-Fig. 1 ist ein Querschnitt, der ein Beispiel eines Apparates zur Erzeugung des aktiven Sauerstoffs zeigt. In den Zeichnungen bedeuten die Bezugszeichen die gleichen oder äquivalente Teile. Ein dünner Film oder ein verfestigter Film 7 aus Kohlenstoff-Rußmolekülen wird auf die Oberfläche einer Folie 6 aufgetragen. Die Folie 6 wird in einem Behälter 8 platziert, der eine Gaseinleitungsöffnung 11 und eine Gasentladungsöffnung 12 hat. Der dünne Film oder der verfestigte Film 7 aus Kohlenstoff-Rußmolekülen wird mittels Lichtstrahlen angeregt, die von einem Lichtquellenteil 9 emittiert werden. Das Lichtquellenteil 9 wird über eine Energiequelle 10 betrieben.

Nun wird ein Verfahren beschrieben, mit dem der dünne Film oder der verfestigte Film 7 aus Kohlenstoff-Rußmolekülen, die auf der Folie 6, wie vorstehend beschrieben, ausgebildet worden sind, im Inneren des Behälters 8 platziert werden. Obwohl das Material für den Behälter 8 nicht besonders beschränkt ist, wurde in den folgenden Beispielen rostfreier Stahl verwendet. Anschließend wird das Lichtquellenteil 9 zur Bestrahlung des dünnen Films oder des verfestigten Films 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen, die im Inneren des Behälters 8 angebracht worden sind, mit Licht angebracht. Vorzugsweise kann das Lichtquellenteil 9 den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen gleichförmig mit Licht bestrahlen. Das Lichtquellenteil 9 ist nicht besonders beschränkt, solange es den Film mit Lieht einer Wellenlänge von 200 bis 600 nm bestrahlen kann. Beispielsweise kann eine Xenonlampe, eine Wolframlampe, eine Quecksilberlampe oder eine Deuteridlampe verwendet werden. Alternativ kann eine Laserstrahlenquelle verwendet werden, die Licht im vorstehenden Wellenlängenbereich emittieren kann. Beispielsweise kann ein Eximerlaser, ein höher harmonischer YAG-Laser, ein höher harmonischer YAG- Farbstofflaser, ein Ar-Laser, ein höher harmonischer Ar- Farbstofflaser verwendet werden.

Vorzugsweise wird die innere Gestalt des Behälters 8 und die äußere Form des dünnen Films oder des verfestigten Films 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen so gestaltet, dass die Reaktionen zwischen dem Sauerstoff in dem Gas, das durch die Gaseinleitungsöffnung 11 eingeleitet, wird, und den Kohlenstoff-Rußmolekülen in durch Licht angeregtem Zustand wirksam ablaufen.

Der Betrieb des Apparates zur Erzeugung des aktiven Sauerstoffs, der in Vergleichs-Fig. 1 gezeigt ist, wird nun beschrieben. Als erstes wird ein Gasgemisch oder ein Sauerstoffgas, aus Gas, das Sauerstoff enthält, wie Luft, und Inertgas durch die Gaseinleitungsöffnung 11 so eingeleitet, dass das Gasgemisch mit der Oberfläche des dünnen Films oder des verfestigten Films 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen in Kontakt gebracht wird. Wenn das Lichtquellenteil 9 zu diesem Zeitpunkt betätigt wird, werden die Kohlenstoff-Rußmoleküle in dem dünnen Film oder dem verfestigten Film 7 durch Licht angeregt. Die so durch Licht angeregten Kohlenstoff- Rußmoleküle reagieren mit Sauerstoff, so dass Singulettsauerstoff, der eine der aktiven Sauerstoffgruppen ist, erzeugt wird. Der Singulettsauerstoff wird durch die Gasentladungsöffnung 12 entnommen, um für einen anderen Zweck verwendet zu werden wie der Zersetzungsreaktion mit schädlichen Substanzen.

Vergleichs-Beispiel 2

Der Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff, der in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Anordnung auf, bei der eine Polyimid-Folie als Folie 6 verwendet wird, ein aufgedampfter Film aus C₆₀ Fullerenmolekülen als dünner Film oder verfestigter Film 7 aus Kohlenstoff-Rußmolekülen verwendet wird und als Lichtquellenteil 9 eine Xenonlampe verwendet wird. Während die C₆₀ Fullerenmoleküle mit der Xenonlampe bestrahlt wurden, wurde Luft durch die Gaseinleitungsöffnung 11 eingeleitet, so dass die angeregten Fullerenmoleküle und der Sauerstoff in der Luft bei Raumtemperatur miteinander reagierten. Das vom Gas, das durch die Gasentladungsöffnung 12 entnommen worden war, emittierte Licht im Infrarotbereich wurde analysiert, wobei die Gegenwart von Singulettsauerstoff beobachtet wurde. So wurde die zufriedenstellende Erzeugung von Singulettsauerstoff mit den C₆₀ Fullerenmolekülen, die mit Licht angeregt worden waren, bestätigt.

Vergleichs-Beispiel 3

Nun wird ein anderes Beispiel für das Verfahren und den Apparat zur Erzeugung des aktiven Sauerstoffs beschrieben.

Vergleichs-Fig. 2 ist ein Querschnitt, der ein Beispiel des Apparates zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff veranschau licht. Ein Elektrodenteil 13 trägt den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen und injiziert Elektronen in diese. Das Elektrodenteil 13 ist in einem Behälter angeordnet, der eine Gaseinleitungsöffnung 11 und eine Gasentladungsöffnung 12 hat. Durch eine Energie quelle 14 kann Spannung an das Elektrodenteil 13 angelegt werden, so dass den Elektroden 13 Elektronen zugeführt werden.

Der Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff, der in Vergleichs-Fig. 2 gezeigt ist, hat eine Anordnung wie der Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff, der in Vergleichs-Fig. 1 gezeigt ist, wobei das Elektrodenteil 13 zum Einstrahlen von Elektronen in den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen und das Energiequellenteil 14 zum Anlegen von Spannung und Zuführen von Elektronen zu dem Elektrodenteil 13 anstelle des Lichtquellenteils 9 und des Energiequellenteils 10 verwendet wurden.

Der Aufbau des Elektrodenteils 13 ist in Fig. 3 gezeigt, die ein Querschnitt ist. In Fig. 3 ist der dünne Film oder der verfestigte Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen auf einer Elektrode 15 aus Gold, Platin, Silber, Aluminium, ITO (Indium-Zinnoxid) oder SnO₂ ausgebildet. Zudem ist auf der Elektrode 16 ein dünner Film aus einem festen Elektrolyten ausgebildet, der ausgezeichnete Ionenleitfähigkeit zeigt. Wenn mittels der Energiequelle 14 zwischen den Elektroden 15 und 16 eine Spannung angelegt wird, werden Elektronen und Ionen zwischen der Elektrode 15 und dem festen Elektrolyten übertragen, so dass Elektronen in den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen injiziert werden. Als Ergebnis erhalten die Kohlenstoff- Rußmoleküle Elektronen, so dass sie angeregt werden. Indem ein sehr dünner Film aus Kohlenstoff-Rußmolekülen auf der Elektrode 15 ausgebildet wird oder indem die Elektrode 15, auf der der dünne Film oder der verfestigte Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen ausgebildet ist, oder das gesamte Elektrodenteil porös gemacht werden, wird das Kontaktausmaß zwischen den Kohlenstoff-Rußmolekülen und dem Gas erhöht, so dass die Kohlenstoff-Rußmoleküle im angeregten Zustand für Reaktionen mit dem Gas verwendet werden können.

Nun wird der Betrieb des Apparates zur Erzeugung von aktivem Gas beschrieben, der in Vergleichs-Fig. 2 gezeigt ist. Zuerst wird ein Gasgemisch oder ein Sauerstoffgas aus Gas, das Sauerstoff enthält, wie Luft und Inertgas, über die Gasein leitungsöffnung 11 so eingeleitet, dass das Gasgemisch mit der Elektrode in Kontakt gebracht wird, die den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen trägt. Wenn Spannung an das Elekrodenteil 13 angelegt wird, werden die Kohlenstoff-Rußmoleküle in dem dünnen Film oder dem verfestigten Film 7 angeregt. Die so angeregten Kohlenstoff-Rußmoleküle reagieren mit Sauerstoff, so dass Singulettsauerstoff erzeugt wird, die eine der aktiven Sauerstoffgruppen sind. Der Singulettsauerstoff wird durch die Gasentladungsöffnung 11 entnommen, um für andere Zwecke verwendet zu werden, wie der Zersetzungsreaktion mit schädlichen Substanzen.

Vergleichs-Beispiel 4

Der Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff, der in Vergleichs-Fig. 2 gezeigt ist, hat eine Anordnung, bei der eine Goldelektrode als Elektrode verwendet wurde, die als poröses Elektrodenteil 13 ausgebildet wurde, der aufgedampfte C₆₀ Fulleren-Molekülfilm wurde als dünner Film oder verfestigter Film aus Kohlenstoff-Rußmolekülen verwendet, Luft wurde durch die Gaseinleitungsöffnung 11 zugeführt, während dem aufgedampften C₆₀ Fulleren-Molekülfilm Elektronen zugeführt wurden, und angeregte C₆₀ Fullerenmoleküle und Luftsauerstoff wurden bei Raumtemperatur umgesetzt. Ähnlich wie in Vergleichs-Beispiel 2 konnte das Vorhandensein von Singulettsauerstoff in dem Gas, das durch die Gasentladungs öffnung 12 entnommen wurde, nachgewiesen werden. Dadurch wurde bestätigt, dass Singulettsauerstoff mittels der C₆₀ Fullerenmoleküle erzeugt wurde, die durch die Einstrahlung von Elektronen angeregt worden waren, die mit dem Elektrodenteil 13 durchgeführt worden war.

Obwohl nur die Elektrode 15 des Elektrodenteils 13 porös ausgestaltet war, ist der Aufbau nicht darauf beschränkt. Das Elektrodenteil kann so ausgestaltet werden, dass die gesamte Elektrode porös ist, so dass das Elektrodenteil eine ausgezeichnete Gaspermeabilität aufweist. In diesem Fall kann ein ähnlicher Effekt erhalten werden.

Vergleichs-Beispiel 5

Nun wird ein Beispiel eines Verfahrens und eines Apparates zur Zersetzung von schädlichen Substanzen beschrieben, wobei aktiver Sauerstoff zum Zersetzen der schädlichen Substanzen verwendet wird.

Vergleichs-Fig. 4 ist ein Querschnitt, der ein Beispiel eines Apparates zum Zersetzen des schädlichen Gases veranschaulicht. Der Apparat zur Zersetzung des schädlichen Gases, der in Vergleichs-Fig. 4 gezeigt ist, unterscheidet sich von dem Apparat zur Erzeugung von aktivem Sauerstoff dadurch, dass eine Einleitungsöffnung 18 zum Einleiten des schädlichen Gases, das verarbeitet werden soll, in dem Behälter 8 zusammen mit der Gaseinleitungsöffnung 19 ausgebildet ist, und dass ein Gasmischteil 20 nach den vorstehenden zwei Einleitungsöffnungen ausgebildet ist. Es ist anzumerken, dass der Apparat, der in Vergleichs-Fig. 4 gezeigt ist, eine Anordnung hat, bei der die Folie 6, der dünne Film oder der verfestigte Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen, das Lichtquellenteil 9 und das Energiequellenteil 10 im wesentlichen wie bei dem Apparat, der in Vergleichs-Fig. 1 gezeigt ist, aufgebaut sind. Weiter wird das Gasgemisch, das in dem Gasmischteil 20 vermischt worden ist, der Oberfläche des dünnen Films oder des verfestigten Films 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen zugeführt, die auf der inneren Oberfläche des Behälters 8 platziert sind, der einen derart ausgestalteten Flüssigkeitsdurchgang hat, dass die Zersetzungsreaktionen effizient ablaufen.

Nun wird der Betrieb des Apparates zum Zersetzen des schädlichen Gases beschrieben, der in Vergleichs-Fig. 4 gezeigt ist. Zuerst wird das schädliche Gas durch die Einleitungsöffnung 18 für das schädliche Gas eingeleitet, so dass es mit dem Gasgemisch aus dem Sauerstoffgas oder dem Gas, das Sauerstoff enthält, wie Luft, und dem Inertgas, das über die Gaseinleitungsöffnung 19 eingeleitet worden ist, vermischt, um zu bewirken, dass die Zersetzungsreaktionen entsprechend der Zusammensetzung des schädlichen Gases effizient ablaufen. Das schädliche Gas wird mittels eines Gasgemischeinleitungsteils 21 in den Behälter 8, d. h. in die Zersetzungsreaktionsphase, eingeleitet, wobei man das schädliche Gas so strömen lässt, dass es mit der Oberfläche des dünnen Films oder des Films 7 aus den Kohlenstoff- Rußmolekülen in Kontakt gebracht wird. Wenn in diesem Moment das Lichtquellenteil betätigt wird, werden die Kohlenstoff- Rußmoleküle angeregt. Die angeregten Kohlenstoff-Rußmoleküle reagieren mit dem Sauerstoff, der zusammen mit dem schädlichen Gas vorhanden ist, so dass Singulettsauerstoff erzeugt wird, der eine der aktiven Sauerstoffgruppen ist. Da der Singulettsauerstoff ausgezeichnete Reaktivität aufweist, reagiert der Singulettsauerstoff mit der schädlichen Substanz in dem schädlichen Gas. Im Ergebnis kann das schädliche Gas zersetzt werden, wobei das zersetzte Gas anschließend durch die Gasentladungsöffnung 12 ausgeleitet wird.

Vergleichs-Beispiel 6

Der Apparat zur Zersetzung des schädlichen Gases, der in Vergleichs-Fig. 4 gezeigt ist, hat eine Anordnung, bei der eine Polyimidfolie als Folie 6 verwendet wurde, als der dünne Film oder der verfestigte Film 7 aus den Kohlstoff- Rußmolekülen wurde ein aufgedampfter Film aus C₆₀-Fullerene molekülen verwendet, und als Lichtquellenteil 9 wurde eine Xenonlampe verwendet. Als der aufgedampfte Film aus Fullerenemolekülen mit Licht der Xenonlampe bestrahlt wurde, wurde Gas, das Acetaldehyd in einer Konzentration von etwa 1000 ppm oder weniger enthielt, über die Einleitungsöffnung 18 für schädliches Gas mit einer Geschwindigkeit von 100 ml/min bis 1000 ml/min eingeleitet. Luft wurde über die Lufteinleitungsöffnung 19 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1/5 bis 1/10 von der des Gases, das Acetaldehyd enthielt, eingeleitet. Die beiden eingeleiteten Gase wurden in dem Gasmischteil 20 vermischt, das Gasgemisch wurde anschließend über das Gasgemischeinleitungsteil 21 in dem Behälter 8 eingeleitet, und man ließ das Gasgemisch bei Raumtemperatur mit den durch Licht angeregten C₆₀-Fullerene molekülen reagieren. Das Gas, das über die Gasentladungs öffnung 12 abgeführt worden war, wurde mittels eines Massenspektrographen und einem Gaschromatographen analysiert. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass etwa 80% des eingeleiteten Acetaldehyds zu CO₂ und H₂O zersetzt worden war. Im Gegensatz zu dem Fall, bei dem keine Luft durch die Gaseinleitungs öffnung zugeführt wurde, was in einer Zersetzung von Acetaldehyd zu CO₂ und H₂O von etwa 10% resultierte, wurde bestätigt, dass durch Singulettsauerstoff, der durch die mit Licht angeregten C₆₀-Fullerenemoleküle erzeugt worden war, die Zersetzung von Acetaldehyd zu CO₂ und H₂O bewirkt wurde.

Beispiel 1

Nun werden ein erfindungsgemäßes Verfahren und ein erfindungsgemäßer Apparat zur Zersetzung der schädlichen Substanzen beschrieben, wobei die angeregten Moleküle direkt zur Zersetzung der schädlichen Substanzen verwendet wurden, die in schädlichen Gas enthalten waren.

Fig. 5 ist ein Querschnitt, der ein Beispiel des Apparates zur Zersetzung des schädlichen Gases veranschaulicht. Der Apparat zur Zersetzung des schädlichen Gases, der in Fig. 5 gezeigt ist, enthält zusätzlich zu der Elektrode 13 und deren Energiezufuhrteil 14 wie in Beispiel 3 ein Lichtquellenteil 9 zur Förderung der Anregung von Kohlenstoff-Rußmolekülen. Es ist anzumerken, dass das Elektrodenteil 13 eine transparente Elektrode enthält, so dass der Anregungseffekt auf die Kohlenstoff-Rußmoleküle nicht behindert wird, der durch Bestrahlung mit Licht erwartet wird. In dem in Fig. 5 gezeigten Apparat sind der dünne Film oder der verfestigte Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen, das Lichtquellenteil 9, das Energiequellenteil 10, die Einleitungsöffnung 18 für das schädliche Gas und die Gaseinleitungsöffnung 19 so aufgebaut, dass sie im wesentlichen denen des in Vergleichs- Fig. 4 gezeigten Apparates gleichen. Die Anordnung ist der art, dass das Gasgemisch, das in dem Gasmischteil 20 ver mischt worden ist, dem Elektrodenteil 13 zur Halterung des dünnen Films oder des verfestigten Films 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen zugeleitet wird, das auf der inneren Oberfläche des Behälters platziert ist, der den dargestellten Flüssigkeitsdurchgang hat, durch den die Zersetzungsreaktion effizient abläuft.

Der Betrieb des Apparates zur Zersetzung des schädlichen Gases, der in Fig. 5 gezeigt ist, wird nun beschrieben. Das schädliche Gas wird über die Einleitungsöffnung 18 für das schädliche Gas eingeleitet. Ein Inertgas wird über die Gaseinleitungsöffnung 19 eingeleitet, das als Verdünnungsgas zur Verdünnung der Konzentration des schädlichen Gases dient, um den effizienten Ablauf der Zersetzungsreaktion zu bewir ken. Das Inertgas enthält keinen Sauerstoff. Die vorstehenden zwei Gase werden in dem Gasmischteil 20 vermischt, bevor das Gasgemisch über das Gasgemischeinleitungsteil 21 in dem Behälter 8, das heißt, die Zersetzungsreaktionsphase, einge leitet wird. Das Gasgemisch strömt derart, dass es mit dem Elektrodenteil in Kontakt kommt, das den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlstoff-Rußmolekülen trägt. Wenn das Lichtquellenteil 9 betätigt wird und in diesem Moment Spannung an dem Elektrodenteil 13 angelegt wird, werden die Kohlenstoff-Rußmoleküle angeregt. Die angeregten Kohlenstoff-Rußmoleküle reagieren direkt mit den schädlichen Substanzen, die in den schädlichen Gas enthalten sind, so dass die schädlichen Substanzen zersetzt werden. Das zer setzte Gas wird über die Gasentladungsöffnung 12 abgeführt.

Beispiel 2

Der Apparat zur Zersetzung des schädlichen Gases, der in Fig. 5 gezeigt ist, hat eine Anordnung, bei der ITO (Indium- Zinnoxid) als Transparentelektrode verwendet wurde, anstelle der Elektrode 15 ein poröser Elektrodenteil 13 verwendet wurde, der aufgedampfte C₆₀-Fulleren-Molekülfilm als dünner Film oder als verfestigter Film 7 aus den Kohlenstoff- Rußmolekülen verwendet wurde und eine Xenonlampe als Lichtquellenteil 9 verwendet wurde. Gas, das NO in einer Konzentration von etwa 500 ppm oder weniger enthielt, wurde über die Einleitungsöffnung 18 für das schädliche Gas eingeleitet, und Argongas wurde als Verdünnungsgas über die Gaseinleitungsöffnung 19 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1/5 bis 1/10 von der des Gases, das NO enthält, eingeleitet. Die zwei Gase wurden in dem Gasmischteil 20 vermischt, das Gasgemisch wurde dann in den Behälter 8 über das Gasgemischeinleitungsteil 21 des Behälters 8 eingeleitet. Anschließend wurden die Einleitungsöffnung 18 für das schädliche Gas, die Gaseinleitungsöffnung 19 und die Gasentladungsöffnung unter Verwendung von Ventilen oder ähnlichem verschlossen, so dass Abdichtung erzielt wurde. Der aufgedampfte Fulleren-Molekülfilm wurde mit der Xenonlampe bestrahlt, um die C₆₀-Fulleren-Moleküle anzuregen. Man ließ die C₆₀-Fulleren-Moleküle mit dem Gasgemisch bei Raumtemperatur reagieren. Das Gas in dem Behälter 8 wurde über einen Zeitraum mittels Massenanalyse und Gaschromato graphie analysiert. Der Zersetzungszustand von NO ist in dem charakteristischen Diagramm wiedergegeben, das in Fig. 6 gezeigt ist. In Fig. 6 ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Konzentration des Gases aufgetragen. Die Kurven a, b bzw. c stehen für NO, N₂ und N₂O. Wie in Fig. 6 gezeigt, wurde bestätigt, dass NO zunächst in N₂O übergeführt wurde und anschließend wurde es innerhalb von 20 Minuten, nachdem die Reaktionen stattgefunden hatten, im wesentlichen vollständig zu N₂ zersetzt.

Beispiel 3

Der Apparat zur Zersetzung des schädlichen Gases, der in Fig. 5 gezeigt ist, hatte eine Anordnung, bei der ITO als transpa rente Elektrode verwendet wurde, anstelle der Elektrode 15 ein poröses Elektrodenteil 13 verwendet wurde, als dünner Film oder verfestigter Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekü len der aufgedampfte C₆₀-Fulleren-Molekülfilm verwendet wurde, und als Lichtquellenteil 9 eine Xenonlampe verwendet wurde. Als Spannung an die Elektrode angelegt wurde, wurde ein Gas, das NO in einer Konzentration von etwa 500 ppm oder weniger enthielt, über die Einleitungsöffnung 18 für das schädliche Gas mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 100 ml/min bis 1000 ml/min eingeleitet. Aus Verdünnungsgas wurde Argongas über die Gaseinleitungsöffnung 19 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1/5 bis 1/10 von der des Gases, das NO enthielt, eingeleitet. Die zwei Gase wurden in dem Gasmischteil 20 vermischt, das Gasgemisch wurde anschließend in den Behälter 8 über das Gasgemischeinlei tungsteil 21 des Behälters 8 eingeleitet. Man ließ dann das Gasgemisch mit den C₆₀-Fulleren-Molekülen bei Raumtemperatur reagieren. Das Gas, das über die Gasentladungsöffnung 12 abgeführt wurde, wurde mittels eines Massenspektrographen und Gaschromatographie analysiert. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass das eingeleitete NO im wesentlichen ähnlich wie in Vergleichsbeispiel 6 vollständig zu N₂ zersetzt worden war. Die vorstehende Zersetzung wurde stabil mehrere zehn Stunden lang fortgesetzt. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass die C₆₀- Fullerenmoleküle, die mittels Lichtanwendung oder Elektronen, die durch die Elektrode injiziert worden waren, angeregt worden waren, und NO direkt miteinander unter Bildung von N₂O reagieren und anschließend N₂O zu N₂ zersetzt wurde. Zudem war die vorstehende Zersetzung stabil.

Vergleichs-Beispiel 7

Nun wird ein Beispiel für ein Verfahren und einen Apparat zur Zersetzung der schädlichen Substanzen beschrieben, wobei die Zersetzung von schädlichen Substanzen, die in einer Flüssigkeit enthalten sind, durchgeführt wird, indem aktiver Sauerstoff verwendet wird.

Vergleichs-Fig. 7 ist ein Querschnitt, der ein Beispiel eines Apparats zur Zersetzung der schädlichen Substanzen, die in einer Flüssigkeit enthalten sind, veranschaulicht. In Vergleichs-Fig. 7 ist eine Öffnung 27 zur Zuführung der zu verarbeitenden Flüssigkeit, die die schädlichen Substanzen enthält, ausgebildet. Eine Düse 28, die in dem Behälter 8 angebracht ist, hat einen verengten inneren Durchmesser, so dass sie eine Flüssigkeit in ein Verengungsteil 30 mit hoher Geschwindigkeit einspritzen kann. Die vorstehenden Bestand teile und die Verengung 31 (Reaktionsteil) bilden einen Ejektor. Die Düse 28 trägt an ihrer äußeren Oberfläche den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlenstoff- Rußmolekülen, der auf die Folie 6 aufgetragen ist. Mehrere Lichtquellenteile 9 sind zur einheitlichen Bestrahlung des dünnen Films oder des verfestigten Films 7 aus den Kohlstoff- Rußmolekülen mit Licht angebracht. Zudem können mehrere Gaseinleitungsöffnungen 29 für die Einleitung des Gas gemisches aus Sauerstoffgas oder Gas wie Luft, das Sauerstoff enthält, und in Erzgas ausgebildet sein. Dem Verengungsteil 30 wird aktiver Sauerstoff, der mittels der mit Licht angeregten Fulleren-Moleküle erzeugt worden ist, zusammen mit der Flüssigkeit, die über die Düse 28 der Öffnung 27 mit hoher Geschwindigkeit eingespritzt worden ist, zugeführt, wobei der aktive Sauerstoff dann sofort mit der Flüssigkeit in der Verengung 31 (dem Reaktionsteil) vermischt wird. Anschließend wird die Flüssigkeit, deren schädliche Substanzen zersetzt worden sind, über die Flüssigkeits entladungsöffnung 31 abgeführt. Durch diese Anordnung, bei der der aktive Sauerstoff durch die Verwendung des Ejektors sofort mit der Flüssigkeit vermischt wird, kann der aktive Sauerstoff, der den Nachteil einer kurzen Lebenszeit hat, effektiv verwendet werden.

Vergleichs-Beispiel 8

Der Apparat zur Zersetzung der Flüssigkeit, die schädliche Substanzen enthält, der in Vergleichs-Fig. 7 gezeigt ist, hatte eine Anordnung, bei der eine Polyimidfolie als Folie 6 verwendet wurde, C₆₀-Fullerenmoleküle und C₇₀-Fullerenmoleküle für den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen vermischt wurden, niedrig schmelzendes Glas als Bindemittel zugegeben wurde, und das vorstehende Material erhitzt wurde, so dass es eine Paste bildete. Die Paste wurde auf die Polyimidfolie in einer Dicke von etwa 100 µm aufgetragen, so dass ein verfestigter Film entstand, und eine Xenonlampe wurde als Lichtquellenteil verwendet. Eine Essigsäure/Wasserlösung mit einer Konzentra tion von etwa mehreren 10 ppm wurde als Flüssigkeit, die die schädlichen Substanzen enthielt, über die Öffnung 27 zur Zuführung von zu verarbeitender Flüssigkeit eingeleitet. Zudem wurden die Fullerenmoleküle zur Anregung mit Licht der Xenonlampe bestrahlt. An diesem Punkt wurde Luft über die Gaseinleitungsöffnung 29 eingeleitet, um Singulettsauerstoff zu erzeugen, der eine der aktiven Sauerstoffgruppen ist. Der Singulettsauerstoff wurde anschließend mit der Essigsäure/ Wasserlösung in Kontakt gebracht, die über die Düse eingespritzt wurde, um miteinander vermischt zu werden. Die Zusammensetzung der abreagierten Lösung wurde mittels Flüssigchromatographie analysiert, wohingegen die Zusammen setzung des erzeugten Gases mittels Gaschromatographie analysiert wurde. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass im wesentlichen 100% der eingeleiteten Essigsäure zu CO₂ und H₂O zersetzt worden war. Es wurde bestätigt, dass Essigsäure durch Singulettsauerstoff, der durch die durch Lichtanwendung angeregten C₆₀-Fullerenmoleküle erzeugt worden war, zu CO₂ und H₂O zersetzt wurde.

Beispiel 4

Nun wird ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren und einen erfindungsgemäßen Apparat zur Zersetzung von schädli chen Substanzen erläutert, wobei die angeregten Moleküle direkt eingesetzt werden, um die schädlichen Substanzen, die in einer Flüssigkeit enthalten sind, zu zersetzen.

Fig. 8 ist ein Querschnitt, der ein Beispiel des Apparates zur Zersetzung einer Flüssigkeit, die schädliche Substanzen enthält, veranschaulicht. In Fig. 8 ist die Elektrode 13 nach Vergleichs-Beispiel 3 an einem Isolierteil 22 befestigt und in dem Behälter 8 angebracht. Durch die Energiequelle 14 wird eine Spannung an das Elektrodenteil 13 angelegt, so dass dem Elektrodenteil 13 Elektronen zugeführt werden. Der Behälter 8 hat an den zwei Enden eine Flüssigkeitseinleitungsöffnung 40 und eine Flüssigkeitsentladungsöffnung 41. Hier war das Elektrodenteil 13 so gestaltet, dass das Festelektrolytteil 17, das in Fig. 3 gezeigt ist, zur direkten Aufnahme der Flüssigkeit, die die schädlichen Substanzen enthielt, hohl war. Ferner waren mehrere Elektro denteile 13 unter Verwendung des Isolierteils 22 angebracht, so dass die Flüssigkeit effizient in die jeweiligen Elektro den eingeleitet werden konnte, und die schädlichen Substan zen, die in der Flüssigkeit enthalten waren, und die angeregten Kohlenstoff-Rußmoleküle effizient miteinander reagieren konnten.

Nun wird der Betrieb des Apparates zur Zersetzung einer Flüssigkeit, die schädliche Substanzen enthält, der in Fig. 8 gezeigt ist, beschrieben. Zuerst wird die Flüssigkeit, die die schädlichen Substanzen enthält, von der Flüssigkeits einleitungsöffnung 40 aufgenommen, und anschließend fließt die Flüssigkeit so in die Elektroden, dass die Flüssigkeit mit der Oberfläche des dünnen Films oder des verfestigten Films 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen, die auf die Elektrode aufgebracht sind, in Kontakt kommt. Wenn jetzt Spannung an die Elektroden angelegt wird, werden die Kohlenstoff-Rußmoleküle angeregt und die angeregten Kohlenstoff-Rußmoleküle reagieren mit den schädlichen Substanzen, die in der Flüssigkeit enthalten sind, und bewirken die Zersetzungsreaktionen. Anschließend wird die zersetzte Flüssigkeit über die Flüssigkeitsentladungsöffnung 41 abgeführt.

Beispiel 5

Der Apparat zur Zersetzung einer Flüssigkeit, die schädliche Substanzen enthält, der in Fig. 8 gezeigt ist, hatte eine Anordnung, bei der ein Elektrodenteil 13, das eine Gold elektrode enthielt, verwendet wurde, C₆₀-Fulleren-Moleküle und C₇₀-Fulleren-Moleküle für den dünnen Film oder den verfestigten dünnen Film aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen vermischt wurden, niedrigschmelzendes Glas als Bindemittel zugegeben wurde, und wobei das vorstehende Material erhitzt wurde, so dass sich eine Paste bildete. Die Paste wurde in einer Dicke von etwa 100 mm auf die Goldelektrode aufgetra gen, so dass ein verfestigter Film nach diesem Beispiel erhalten wurde. Als Flüssigkeit, die die schädlichen Sub stanzen enthält, wurde eine Essigsäurelösung mit einer Konzentration von etwa mehreren 10 ppm über die Flüssigkeits zuführöffnung 40 eingeleitet, und Spannung wurde an die Elektrode angelegt, um die Fullerenmoleküle anzuregen, so dass der Ablauf der Kontaktreaktionen bewirkt wurde. Die Zusammensetzung der abreagierten Lösung wurde mittels Flüssigchromatographie analysiert, wohingegen die Zusammen setzung des erzeugten Gases mittels Gaschromatographie analysiert wurde. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass im wesentlichen 100% der eingeleiteten Essigsäure zu CO₂ und H₂O zersetzt worden war. Es wurde bestätigt, dass durch C₆₀- Fullerenmoleküle, die mittels Elektronen, die über die Elektrode zugeführt worden waren, angeregt wurden, Essigsäure in CO₂ und H₂O zersetzt wurde.

Beispiel 6

Nun wird ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Apparates zur kontinuierlichen Zersetzung von schädlichen Substanzen beschrieben.

Vergleichs-Fig. 9 ist ein Querschnitt, der ein Beispiel eines Apparates zur kontinuierlichen Zersetzung von schäd lichem Gas veranschaulicht. Der kontinuierliche Zersetzungs apparat nach dieser Ausführungsform ist derart aufgebaut, dass er Verbrennungsabgase in Innenräumen zersetzen kann. Das Zersetzungsreaktionsphasenteil 32 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das in Vergleichs-Fig. 4 gezeigte, wobei der Aufbau umfasst: die Folie 6, den dünnen Film oder den verfestigten Film 7 aus den Kohlenstoff-Rußmolekülen, den Behälter 8, das Lichtquellenteil 9, das Energiezufuhrteil 10, eine Einleitungsöffnung 38 für ein Gas aus einem Innenraum, ein Sensorteil 37 und ein Kontrollteil 39. Das Gas, das über die Einleitungsöffnung 38 für ein Gas aus einem Innenraum eingeleitet wird, wird in dem Sensorteil 37 einer Unter suchung unterzogen, ob eine vorbestimmte Gasart vorhanden ist oder nicht, und ob ein Gas in einer Konzentration vorhanden ist, die höher als ein vorbestimmter Wert ist, oder nicht. Falls das Vorhandensein bestätigt worden ist, leitet das Kontrollteil 39, das ein Signal von dem Sensorteil 37 erhält, ein Signal zu dem Energiezufuhrteil 10 zur Betätigung des Lichtquellenteils 9. Als Folge werden die Kohlenstoff- Rußmoleküle durch Licht angeregt, und der Betrieb wird vergleichbar zu dem des in Vergleichs-Fig. 4 gezeigten Apparates durchgeführt. Im Ergebnis können die schädlichen Substanzen, die in dem Gas enthalten sind, erforderlichen falls kontinuierlich zersetzt werden.

Wenn der Apparat so aufgebaut ist, dass das Sensorteil 37 einen Detektor zum Nachweis von NO_X enthält, kann der Apparat feststellen, ob die Innenraumkonzentration an NO_X einen Wert erreicht hat, der für Menschen schädlich ist, und kann die Zersetzungsreaktionen durchführen.

Der Sensor für das Sensorteil 37 kann ein Kohlenmonoxid sensor, ein Kohlenwasserstoffsensor, ein SO_X-Sensor, ein Geruchssensor oder ein allgemeiner Sensor anstelle des NO_x- Sensors sein. Wenn der vorstehende Apparat in einer Fahrzeug kabine anstelle eines Innenraums angebracht ist, kann er als Apparat zu Zersetzung von Motorabgasen verwendet werden, die von außerhalb des Fahrzeugs eindringen, oder als allgemeiner Gaszersetzungsapparat zur Zersetzung von Zigarettenrauch.

Wenn das Sensorteil 37 an der Flüssigkeitseinleitungsöffnung 27 des in Vergleichs-Fig. 7 gezeigten Apparates angebracht ist, kann der Apparat erforderlichenfalls zur kontinuier lichen Zersetzung von schädlichen Substanzen in einer Flüssigkeit verwendet werden.

Auch wenn in den vorstehenden Beispiel C₆₀-Fullerenmoleküle und C₇₀-Fullerenmoleküle als Kohlenstoff-Rußmoleküle verwendet wurden, sind die Kohlenstoff-Rußmoleküle nicht darauf beschränkt. Es können andere Fulleren-Moleküle, Carbonanoröhren und C₁₈ bis C₅₈-Moleküle mit sphärischer Schale verwendet werden, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.

Vergleichs-Beispiel 10

Wenn Chlortetraphenylporphinatochrom (III) oder Ruthenium phthalocyanin, als Material zur Erzeugung von aktiven Sauerstoff und Zersetzung von schädlichen Substanzen verwendet wurde, und ein Apparat mit einem ähnlichen Aufbau wie der des Apparates, der von Kohlenstoff-Rußmolekülen Gebrauch macht, derart konstruiert wurde, dass Sauerstoff oder ein schädliches Gas, das schäd liche Substanzen enthält, und eine Flüssigkeit miteinander in Kontakt kommen, wurde ein ähnlicher Effekt erzielt wie wenn Kohlenstoff-Rußmoleküle verwendet wurden. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass angeregtes Chlortetraphenylporphinatochrom (III) oder Rutheniumphthalocyanin aktiven Sauerstoff erzeugen können und schädliche Substanzen zersetzen können.

Auch wenn in Vergleichs-Beispiel 10 Chlortetraphenylpor phinatochrom (III) als Metallporphyrin-Komplex verwendet wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können die folgenden Metall porphyrin-Komplexe verwendet werden, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen: Metallporphyrin-Komplexe mit der chemischen Formel (1), deren Porphyrinring eine gesättigte und eine ungesättigte Kohlen wasserstoffkette enthält; Metallporphyrin-Komplexe mit der chemischen Formel (2), deren Porphyrinring eine Phenylgruppe enthält.

mit M: Zentralmetall
R₁, R₂: Axialer Ligand wie Cl, Br, OH, Phosphorsäure, Imidazol, Pyridin oder Pyridinderivat
R₃, R₄: Alkylkette mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen
R₅, R₆: Alkylkette mit 1 bis 30 Wasserstoffatomen oder Kohlenstoffatomen, wobei R₁, R₂ drei Arten zugeordnet sind mit den Koordinationszahlen 2, 1 bzw. 0 in Abhängigkeit von der Wertigkeit des Zentralmetalls.

mit M: Zentralmetall
R₁, R₂: Axialer Ligand wie Cl, Br, OH, Phosphorsäure, Imidazol, Pyridin oder Pyridinderivat,
wobei R₁, R₂ drei Arten zugeordnet sind mit den Koordi nationszahlen 2, 1 bzw. 0 in Abhängigkeit von der Wertigkeit des Zentralmetalls.

Auch wenn die Kohlenstoff-Rußmoleküle und die Metall porphyrin-Komplexe in den vorstehenden Beispielen mittels Lichtanwendung oder Einstrahlung von Elektronen angeregt werden, ist das Anregungsverfahren nicht darauf beschränkt. Eine Reduktionsreaktion unter Anwendung von reduzierendem Gas wie Wasserstoff oder eine Kombination aus der Reduktions reaktion und der Lichtbestrahlung und Elektroneneinstrahlung, wobei eine Elektrode verwendet wird, ermöglichen einen ähnlichen oder besseren Effekt.

Auch wenn die Kohlenstoffruß-Moleküle und die Metallporphy rin-Komplexe in den vorstehenden Beispielen zu einem dünnen Film oder einem verfestigten Film geformt werden, ist die Form nicht darauf beschränkt. Andere Ausbildungen können angewendet werden, bei denen Pulver aus den vorstehenden Molekülen auf einen Träger wie Aktivkohle aufgebracht ist und in einer Säule enthalten ist. In diesem Fall kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden.

Auch wenn die Kohlenstoff-Rußmoleküle und die Metall porphyrin-Komplexe in den vorstehenden Beispielen einzeln verwendet werden, ist das Anwendungsverfahren nicht darauf beschränkt. Wenn zwei oder mehrere Materialarten vermischt verwendet werden, kann ein ähnlicher oder besserer Effekt erzielt werden.

Auch wenn in der vorstehenden Ausführungsform die schädlichen Substanzen bei Raumtemperatur zersetzt werden, werden ähn liche Reaktionen vorzugsweise durch Erhöhung der Temperatur unter Verwendung einer Heizvorrichtung und einer Temperatur kontrolleinheit in dem Reaktionsapparat bewirkt, da dadurch die Zersetzungsreaktion der schädlichen Substanzen gefördert wird.

In den vorstehenden Beispielen werden Acetaldehyde, NO und Essigsäure als zu zersetzende schädliche Substanzen zersetzt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die vor stehenden Substanzen beschränkt. Beispielsweise können SO_x, CO, Ammoniak und Mercaptan in einem Gas und Trihalomethan, Geosmin, 2-Methylisobornal in einer Flüssigkeit zersetzt werden, obwohl der erreichbare Effekt in Abhängigkeit von der Art und der Konzentration der zu zersetzenden Substanz differiert.

Die Verwendung von einem oder mehreren Materialien ausgewählt unter den angeregten Kohlenstoff-Rußmolekülen und den Metallporphyrin-Komplexen, die ausgezeichnete Reaktivtät aufweisen, ermöglicht die Bereitstellung eines Apparates zur Zersetzung von schädlichen Substanzen in schädlichen Gasen oder einer Flüssigkeit, der Vorteile bezüglich Energie ersparnis und einer verringerten Größe aufweist.

Claims

1. Verfahren zur Zersetzung schädlicher Substanzen, umfassend:

a) Versetzen einer oder mehrerer Verbindungen, ausgewählt unter Kohlenstoff-Rußmolekülen und Metallporphyrin-Komplexen in einen angeregten Zustand und
b) direktes Reagierenlassen der einen oder der mehreren Verbindungen im angeregten Zustand mit schädlichen Substanzen, so daß die schädlichen Substanzen zersetzt werden.

2. Verfahren zur Zersetzung nach Anspruch 1, wobei die schädliche Substanz, die zersetzt werden soll, in Form eines Gases vorliegt.

3. Verfahren zur Zersetzung nach Anspruch 1, wobei die schädliche Substanz, die zersetzt werden soll in Form einer Flüssigkeit vorliegt.

4. Verfahren zur Zersetzung nach Anspruch 1, wobei der angeregte Zustand erreicht wird, indem Licht der Wellenlänge von 200 nm bis 600 nm angewendet wird.

5. Verfahren zur Zersetzung nach Anspruch 1, wobei der angeregte Zustand erreicht wird, indem Elektronen mittels einer Elektrode eingestrahlt werden.

6. Verfahren zur Zersetzung nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Rußmoleküle Fulleren-Moleküle in Form einer sphärischen Schale oder Kohlenstoff-Moleküle Cn (n = 18 bis 300) in Form eines Fragments einer sphärischen Schale oder eine Mischung davon sind.

7. Verfahren zu Zersetzung nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Rußmoleküle in Form eines Pulvers, eines Pulvers, das auf einen Träger aufgebracht ist, eines dünnen Films oder eines verfestigten Films, der aus Pulver gebildet worden ist, eingesetzt wird.

8. Verfahren zur Zersetzung nach Anspruch 1, wobei die Reaktionen mit kontinuierlicher oder mit inter-mittierender Erwärmung durchgeführt werden.

9. Reaktionsapparat zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend:
einen Behälter mit einer Öffnung zum Einführen von Substanzen und einer Öffnung zum Herausnehmen (Entladen) von Substanzen;
eine oder mehrere Verbindungen, ausgewählt unter Kohlenstoff- Rußmolekülen und Metallporphyrin-Komplexen; und
eine Anregungsvorrichtung, um die Verbindungen in einen abgeregten Zustand zu bringen.

10. Reaktionsapparat nach Anspruch 9, wobei die Anregungsvorrichtung ein Lichtquellenteil ist.

11. Reaktionsapparat nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Anregungsvorrichtung ferner ein Elektrodenteil umfaßt.

12. Reaktionsapparat nach Anspruch 9, der zudem einen Sensor zum Feststellen der Konzentration der Substanz enthält, die zersetzt werden soll.

13. Reaktionsapparat nach Anspruch 9, wobei die Öffnung zum Einführen der Substanz, die zersetzt werden soll, ein Zuführungsteil in Form einer Düse hat.

14. Reaktionsapparat nach Anspruch 9, wobei die Verbindungen an dem Zuführungsteil zur Zuführung der Substanz, die zersetzt werden soll, angebracht sind.

15. Reaktionsapparat nach Anspruch 11, wobei das Elektrodenteil an einem isolierenden Teil befestigt ist und an den Behälter angepaßt ist.