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Dokumentenidentifikation DE102006025899A1 20.12.2007
Titel Halbautomatische Apparatur mit einem chemischen Verfahren zur signifikanten Abgasreinigung bei Fahrzeugen u. anderen CO2 Emittierern durch Eliminierung von Kohlenstoffdioxid bei gleichzeitiger Umwandlung dieses Gases in umweltfreundliche, recyclebare Materialien
Anmelder Heuger, Maximilian, 46535 Dinslaken, DE
Erfinder Heuger, Maximilian, 46535 Dinslaken, DE
Vertreter Heuger, A., 46535 Dinslaken
DE-Anmeldedatum 29.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006025899
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse F01N 3/08(2006.01)A, F, I, 20060529, B, H, DE
Zusammenfassung Bei der bisherigen Abgasreinigung kommt lediglich ein Katalysator zum Einsatz, der zwar direkt gefährliche Schadstoffe umwandelt, dabei jedoch für stark erhöhte CO2-Werte im Abgas sorgt. CO2-Gehalte von durchschnittlich 200 g/km bei aktuellen Neuwagen werden nicht weiter aus dem Abgas gereinigt und verursachen den Treibhauseffekt. Meine Erfindung bewirkt eine nahezu vollständige Eliminierung des CO2 aus dem Abgas.
Nach dem Katalysator werden die Gase durch Verdichtungsmaterial (V) verlangsamt. Im Hauptraum wird eine zuvor durch Sonde (S) zur CO2-Messung und Rechner (R) genau bestimmte Menge an gesättigter Calciumhydroxidlösung durch Zerstäuber ausgesprüht. CO2 (g) und Ca(OH)2-Lösung reagieren völlig zu CaCO3 (f) und Wasser (g).
CaCO3 wird in einer Auffangwanne gesammelt und kann per Knopfdruck über ein Ventil bei Füllung entleert werden. Sollte Wasser flüssig entstehen, wird dieses über eine semipermeable Membran (M) und ein Rohr abgeleitet, dabei erhitzt (H) und entlassen.
Anwendung bei allen CO2-emittierenden Stellen, u. a. Industrie, private Haushalte (Kohle-, Öl-, Gasheizung), insbesondere Verkehr (PKW, Busse, LKW, Schiffe...).

Beschreibung[de]

Meine Erfindung findet auf Grund der Tatsache, dass es sich um ein chemisch-technisches Verfahren zur Abgasreinigung mit vollständiger Eliminierung durch sofortige Umwandlung von Kohlenstoffdioxid handelt, überall dort Anwendung, wo Kohlenstoffdioxid entsteht und ausgestoßen wird; dies ist in erster Linie im industriellen Bereich der Fall, aber auch beispielsweise bei allen Kohle-, Öl- und Gasheizungen.

Hier kann die von mir entwickelte Konstruktion generell in allen Industrien eingesetzt werden, die in irgendeiner Form Kohlenstoffdioxid emittieren, u.a. auch in der Kohle- und Stahlindustrie. Im Besonderen ist meine Erfindung für die Verwendung in der Automobilindustrie gedacht, da der Verkehr neben den Industrieemissionen zu einem hohen Anteil am CO2-Ausstoß beteiligt ist. Es handelt sich bei meiner Erfindung also nicht nur um eine bloße Abtrennung von CO2 aus einem Gemisch von verschiedenen Gasen (z.B. der Luft), sondern vielmehr um eine sehr wirkungsvolle Maßnahme zur dauerhaften Eliminierung von CO2 durch Umwandlung in andere Stoffe. Bei bloßer Abtrennung von CO2 aus Gasen hat man dieses noch immer nicht beseitigt bzw. das Treibhausproblem nicht gelöst.

Seit Einführung des Autoabgaskatalysators hat sich im Laufe der Zeit von Mitte der 1980er-Jahre bis heute die Menge der ausgestoßenen Abgase, die für Mensch und Umwelt eine unmittelbare Gesundheitsgefährdung darstellen, gebessert.

So sind heutzutage weltweit ungefähr 80% aller PKW mit Abgaskatalysatoren ausgerüstet. Dies bewirkt immerhin, dass etwa 90% aller gefährlichen Schadstoffe, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe im Motor entstehen, in minder gefährliche bis unschädliche Stoffe umgewandelt werden können. So leisten Abgaskatalysatoren wichtige Dienste z.B. bei der Eliminierung von Kohlenstoffmonooxid (CO) aus den Abgasen, welches in einer Oxidationsreaktion unter Zugabe von Sauerstoff (O2) zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird.

Dies betrifft ebenso die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, welche durch den katalytischen Prozess in Kohlenstoffdioxid und gasförmiges Wasser (Dampf) zerlegt werden. Im Zuge der Umwandlung der Schadstoffe, die durch den 3-Wege-Katalysator vorgenommen wird, kann an dieser Stelle der Vollständigkeit halber noch die dritte Reaktion erwähnt werden, welche in der Reduktion von Stickstoffmonooxid unter Zusatz von Kohlenstoffmonooxid zu Stickstoff und Kohlenstoffdioxid besteht.

Dieser enorme Beitrag zur Entfernung und Umwandlung von sonst direkt emittierten Gefahrstoffen wie CO, CxHy (z.B.: C8H18) sowie NO ist auf die Bauart des 3-Wege-Katalysators zurückzuführen, dessen Träger ein Keramikkörper ist, der im Inneren ein wabenförmiges Gangsystem hat, das die Abgase passieren müssen. Dabei haben die Kanäle einen porösen Aluminiumoxidschicht-Überzug, was eine starke Oberflächenvergrößerung um das 5000-fache verursacht.

Auf der Oxidschicht befindet sich eine dünne, insgesamt etwa nur 2 g schwere Legierung aus Platin und Rhodium, die als eigentlicher Katalysator fungiert; an dieser Metalloberfläche finden die o.g. Oxidations- und Reduktionsvorgänge statt, die zeitgleich ablaufen müssen.

Dazu wiederum ist es erforderlich, das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf einem konstanten Wert zu halten, wofür die sogenannte Lambdasonde eingesetzt wird. Sie steuert den Vergaser; für den Fall, dass sie z.B. eine zu große Menge an unverbranntem Sauerstoff misst, der den Katalysator unwirksam werden lässt, drosselt sie die Luftzufuhr im Vergaser. Für die optimale Funktion des Katalysators ist das Tanken von nicht bleihaltigem Kraftstoff Voraussetzung.

Im Wesentlichen werden durch diesen, bisherig angewendeten Abgasreinigungsvorgang folgende 3 Reaktionsschemata durchgeführt und erfüllt:

  • 1) 2CO (g) + O2 (g) -> 2CO2 (g) (Oxidation)
  • 2) 2C8H18 (g) + 25O2 (g) -> 16CO2 (g) + 18H2O (g) (Oxidation)
  • 3) 2NO (g) + 2CO -> N2 (g) + 2CO2 (g) (Reduktion)

Trotz diesen erheblichen Fortschritts der Technik, der sich unter umweltchemischen und -biologischen Aspekten betrachtet seit etwa 1990 durch leichte Rückläufigkeit der Stickstoffemissionen äußert, befinden wir uns in einer zunehmend kritischer werdenden Umweltsituation. In den letzten Jahren haben wir es mit einer deutlichen Zunahme des Treibhausgases CO2 in der Athmosphäre zu tun. Die Auswirkungen dessen sind bekannt:

Abschmelzen des Eises an den Polen durch globale Klimaerwärmung. Die Folgen sind häufiger werdende, schwerwiegende Überschwemmungen und ein erheblich gestörtes Gleichgewicht des Klimas, das sich in den nächsten Jahren laut Prognose verschiedener Wissenschaftler global um bis zu 4°C erwärmen wird. Kohlenstoffdioxid bildet in der Troposphäre eine Treibhausglocke mit dem Resultat, dass die Wärme der Sonne/Ifrarotstrahlen nicht entweichen können, sondern stattdessen reflektiert werden.

Insofern ist es dringend geboten ein Abgasreinigungsverfahren für CO2 durchzuführen, was jedoch bislang leider keinen Einsatz in der Industrie – und im Besonderen in der Autoindustrie – findet.

Durch den Autoabgaskatalysator werden zwar giftige Schadstoffe weitgehend eliminiert, jedoch wird im Gegenzug umso mehr Kohlenstoffdioxid (CO2) dabei gebildet (s. Reaktionsprodukte laut Reaktionsschemata oben). Immerhin entstehen als Reaktionsprodukte durch den Katalysator, wie im obigen Beispiel aufgeführt, 20CO2-Moleküle bei einer Reaktion! Damit verbunden muss ich an dieser Stelle nochmals nachdrücklich darauf hinweisen, dass 1 Liter Benzin 10000 Liter Abgase erzeugt.

Meine ausdrückliche Beanstandung ist also vorwiegend darauf gerichtet, dass die Industrien, in diesem Beispiel die Automobilindustrie im Besonderen, neben der herkömmlichen Abgaskatalyse keine Maßnahmen unternimmt, um das hier in Rede stehende Treibhausgasproblem zu lösen, zumal es sich dabei nicht um ein kürzlich neu entdecktes Phänomen handelt.

Vielmehr ist die Zunahme von CO2 in der Atmosphäre ein zwar schleichender, aber kontinuierlicher Prozess, dessen Folgen sich bereits seit etlichen Jahrzehnten abzeichnen. Hier möchte auf die rechte Grafik 2 auf S, 391 des aktuellen Chemiebuches für den Oberstufenunterricht an Gymnasien "Chemie heute Sekundarbereich II", Schroedel Verlag, 2004, von Asselborn, Jäckel und Risch (Hrsg.) Bezug nehmen.

Diese Abbildung zeigt die Entwicklung von CO2 in der Atmosphäre, gemessen im Schwarzwald. Es ist seit dem Jahr 1975 ein signifikanter Anstieg des Volumenanteils CO2, gemessen in ppm, zu verzeichnen. Bei anzunehmender gleichbleibender Steigung des Graphen ist damit zu rechnen, dass spätestens 2025 die Marke von 400 ppm überschritten sein wird.

Dies bedeutet eine Zunahme gegenüber 1975 von 21%. in anderen Regionen, die z.B. generell eine schlechtere Luftqualität aufweisen, sind derartige Werte von 400 ppm mittlerweile schon überschritten.

Ebenso auf S, 391 desselben Fachbuches unter der Überschrift "Anthropogener Treibhauseffekt" findet sich folgende Ausführung:" Seit der Industrialisierung greift der Mensch in das natürliche Gleichgewicht der Atmosphäre ein. Mit der Zunahme von Weltbevölkerung und Verbrennungsmaschinen wächst der Energiebedarf der Menschheit und mit ihm nimmt die Produktion von Kohlenstoffdioxid zu. Der Gehalt dieses Treibhausgases hat von 0,028% (280 ppm) um 1800 auf heute 0,036% (360 ppm) zugenommen, Tendenz: weiter steigend."

Damit ist der CO2-Gehalt in der Atmosphäre im Laufe von 200 Jahren um 28,6% gestiegen. Es ist zu bedenken, dass ein derzeit neuer PKW von renommierten Automobilfirmen mit lediglich 4 Zylindern und etwa 150 PS auf 1 km über 180 g–200 g CO2 emittiert. Dazu im Vergleich nur etwa 0,068–0,1 g CO oder NOx.

Da es bislang keine Maßnahmen der Kohlenstoffdioxid-Reinigung z.B. in Autoabgasen gibt, habe ich mich intensiv mit diesem Problem auseinandergesetzt.

Dabei verstehe ich unter dem Begriff Abgasreinigung von Kohlenstoffdioxid nicht nur eine bloße Trennung von CO2 aus dem Abgasgemisch und ein Auffangen dessen, sondern eine vollständige Kohlenstoffdioxideliminierung durch sofortige Umwandlung (Konvertierung) in andere, umweltunschädliche bis umweltfreundliche Stoffe, die nach Möglichkeit gut entsorgt bzw. idealerweise sogar wiederverwertbar sind.

Diese wichtige Bedingung habe ich dabei von Anfang an an mich selbst gestellt, dass ich eine Apparatur mit einem chemischen Verfahren entwickeln musste, welche eine Konvertierung von Kohlenstoffdioxid in ungefährliche Stoffe erlaubt.

Vor allem musste dabei ein chemischer Prozess angewandt werden, der schnell, flexibel und genau dosierbar und einstellbar ist.

Diesem Aspekt der flexiblen und schnellen Durchführbarkeit kommt eine große Bedeutung zu, da das Durchströmen der Abgase beim Fahrzeug ein nicht konstanter, schnell wechselnder und ständig fortlaufender Prozess ist. Jene stark einschränkende Bedingung erlaubt also keine Konstruktion, welche das Gas CO2 erst aufwendig aus dem schnell durchfließenden Abgasstrom trennt und dann erst in mehreren Reaktionsschritten nacheinander bearbeitet.

Vielmehr erforderte die schwierige Aufgabe, der ich mich gestellt habe, ein Verfahren anzuwenden, welches sofort ohne vorherige aufwendige Isolierung des CO2 aus dem Abgas durchführbar sein muss.

Zum einen darf eine solche technische Erfindung nicht zu aufwendig sein, sondern sie muss im Grundprinzip möglichst einfach aber wirkungsvoll konstruiert werden, zum anderen musste ich die Größe der Apparatur immer mit in Betracht ziehen, um ihren Einsatz auch bei Kleinwagen ermöglichen zu können.

Dabei habe ich mir im Wesentlichen 2 verschiedene Modelle der CO2-Reinigung überlegt, wovon ich jedoch das im Folgenden zuerst beschriebene und erläuterte Modell eindeutig für das am besten Geeignetste halte.

Dieses soll dann auch besonders patentrechtlich geschützt werden.

Dennoch möchte ich später die übrige von mir entwickelte Alternativ-Konstruktionen kurz mit erwähnen, auch um dadurch die Vorzüge des ersten Modells herauszustreichen.

Beim ersten und wichtigsten Modell wende ich die eine Reaktion gemäß dem Reaktionschema Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) -> H2O (aq bzw. g) + CaCO3 (f) an. Prinzipiell wird hierzu eine bei Normbedingungen (1013 hpa, 20°C) gesättigte Calciumhydroxidlösung in feiner Verteilung und Dosierung in den Abgasstrom eingesprüht. Es ist dabei Voraussetzung dass die Apparatur im Anschluss an den 3-Wege-Katalysator, also hinter diesem, angebracht wird.

Anstelle einer Calciumhydroxidlösung könnte auch eine Lösung aus anderen Metallhydroxiden verwandt werden, wie z.B. Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Bariumhydroxid... .

Jedoch gilt es zu bedenken, dass der entstehende Stoff Calciumhydroxid eindeutig am umweltfreundlichsten und unschädlichsten ist. Ferner kann er nach Entnahme aus einer gefüllten Auffangwanne (j) (siehe Zeichnung und Text unten) und nach anschließender chemischer Reinigung bestens wiederverwandt werden, beispielsweise in der Bauindustrie (Kalkkreislauf) oder zum Kalken und Neutralisieren von sauren Böden.

Die Erfindung ist folgendermaßen konstruiert (s. dazu vergleichend die Zeichnung zur Vereinfachung der Erklärung):

Nachdem die Abgase den Katalysator passiert haben und sich wieder im normalen Abgasrohr befinden, misst eine Sonde (a), die in den Abgasstrom hineinreicht, die genaue CO2-Menge und Konzentration im Abgas unmittelbar vor Eintritt der Gase in den Haupbehälter (e). Die Sonde misst permanent diese Werte und überträgt die erhaltenen Daten an eine zwischengeschaltete kleine Recheneinheit (b). Dieser Minirechner ist so programmiert, dass er sofort nach Erhalt des Wertes der CO2-Konzentration die erforderliche Menge an auszusprühenden Edukten berechnen kann, die benötigt werden, um die o.g. Reaktion vollständig ablaufen zu lassen. Das Edukt ist dabei die im Obergefäß (f) eingefüllte, hoch konzentrierte Calciumhydroxidlösung (gesättigte Lösung ist bevorzugt zu verwenden).

Die vom Rechner bestimmten Daten der entsprechend nötigen Menge an auszusprühender Calciumhydroxidlösung werden so umgesetzt, dass über eine Verbindung zwischen Rechner und Obergefäß die Öffnungsweite der beiden Ventile (g) an den beiden Zerstäuberansaugrohren (h) sozusagen computergesteuert eingestellt wird. Die eigentlichen Zerstäuber (i), die die angesogene Calciumhydroxidlösung in feine Tröpfchen verteilen, sitzen je zuunterst an den Ansaugrohren (h).

Auf diese Weise kann immer exakt die genaue Menge an Calciumhydroxidlösung ausgesprüht werden.

Wenn nun die vom 3-Wege-Katalysator zu 90% vorgereinigten Abgase durch die Sonde (a) in den Hauptbehälter strömen, werden sie zunächst durch ein unterschiedlich fein abgestuftes Verdichtungsmaterial (c1 und c2; dabei ist c2 etwas dichter als c1) geleitet. Dieses besteht aus einem kalten Material und nimmt zum Inneren des Hauptbehälters (e) an Verdichtung zu. Es erfüllt im Wesentlichen die Aufgabe, die schnell anströmenden Abgase in ihrer Geschwindigkeit abbremsen, weil diese langsamer weiterströmen sollen. Zudem übernimmt Ventilfunktion.

Zwischen den einzelnen Schichten Verdichtungsmaterial sind je dünne Maschendrahtnetze eingezogen, damit auf Dauer die Verdichtungsmaterialien nicht in den Hauptraum des Hauptbehälters fallen; das Maschendrahtnetz braucht also auch nur so grob in seiner Struktur zu sein, dass es das Verdichtungsmaterial stabilisiert und an Ort und Stelle hält.

Nachdem der Abgasstrom durch das Verdichtungsmaterial abgebremst worden ist, gelangt er in den Hauptraum des Hauptbehälters. Dort wird in genau dosierter Menge von den Zerstäubern die konzentrierte Calciumhydroxidlösung ausgesprüht. Sie kommt sodann mit dem Kohlenstoffdioxid in Kontakt und es kommt zur Reaktion zu ungefährlichem Calciumcarbonat und Wasser. Ein erheblicher Vorteil ist, dass die Calciumhydroxidlösung nur auf das im Abgas enthaltene CO2 wirkt. Andere Gase werden durch sie nicht zur Reaktion gebracht! Es kann zwar dazu kommen, dass die Calciumhydroxidlösung zu einem ganz geringen Teil noch eine Reaktion mit CO eingeht, jedoch ist der CO-Anteil im Abgas so gering, dass er so gut wie vernachlässigt werden kann (auf 1 km werden durchschnittlich nur 0,06–0,1 g ausgestoßen).

Im Übrigen würden sich bei der Reaktion von Spuren CO mit der Calciumhydroxidlösung auch nur ungefährliche Carbonate bilden.

Die Reaktionsprodukte CaCO3 und H2O können sodann in der Auffangwanne (j) aufgefangen werden. Für den Fall jedoch, dass das bei der Reaktion entstehende Wasser eine Temperatur von über 100°C aufweist und gasförmig ist, kann es sofort mit den übrigen Gasen in die Atmosphäre abgeleitet werden. Ansonsten muss es in der Wanne mit aufgefangen werden.

Hier kann man es sich zunutze machen, dass sich CaCO3 nur äußerst schlecht in Wasser löst. Die besagte Auffangwanne muss so beschaffen sein, dass sie z.B. in der Mitte einen leichten Tiefpunkt hat, so dass letztendlich sich das Wasser mit dem Salz Calciumcarbonat dort sammelt. An dieser Stelle befindet sich eine Membran (k), die so feinporig ist, dass sie nur die H2O-Moleküle durchlässt, nicht aber die CaCO3-Moleküle oder etwa kleine Teile der Abgase, die in der Regel am Ende des Hauptbehälters sowieso wieder CO2 – gereinigt in Richtung ihrer geringeren Konzentration nach außen entweichen. Dies geschieht natürlich auch auf Grund der Tatsache, dass die von vorne nachströmenden Abgase mit einem gewissen Druck die bereits gereinigten aus dem Hauptbehälter herausdrücken.

Durch die Membran, die nur für H2O-Moleküle passierbar ist und somit Filterwirkung hat, wird das entstandene Wasser – wenn es wie gesagt in flüssiger Form entstehen sollte – abgeleitet und fließt in ein Ableitungsrohr (1). Jenes Rohr muss rechnerisch so breit bestimmt werden, dass es genügend entstandenes Wasser ableiten kann.

In einer gewissen Entfernung (etwa 3/4 nach Rohrbeginn von der Membran an gerechnet) muss sich ein weiteres kleines (!) Gerät (m) um das Rohr herum befinden, welches Hitze erzeugt. Hier wird das Wasser kurz vor Austritt in die Außenluft verdampft, um als Wasserdampf in die Atmosphäre entlassen werden zu können.

Anmerkung:

Auf dieses eben beschriebene Ableitungsrohr mit Heizgerät und Membran kann verzichtet werden, wenn sichergestellt ist, dass das bei der Reaktion von CO2 mit der Calciumhydroxidlösung entstehende Wasser sich nicht in flüssiger Form am "Boden" ablagert, sondern gasförmig bleibt!

Ferner muss ich an dieser Stelle hinzufügen, dass über den Zerstäubern für die Calciumhydroxidlösung jeweils eine bogenförmige, kleine "Schale" (n) mit seitlicher Abwärtsneigung befestigt sein sollte, um ein zielgerichtetes Versprühen der Calciumhydroxidlösung nach unten und leicht in seitliche Richtung, jedoch nicht nach oben zu bewirken.

Auf Grund der Tatsache, dass das Gas CO2 in Bezug auf seine Dichte ungefähr anderthalb mal dichter ist als Luft und sich somit zumeist in tieferen Regionen aufhält, braucht man die Zerstäuber nicht unbedingt ganz oben unter die Hauptbehälteroberwand zu setzen.

Wichtiger aber ist, dass die beiden Zerstäuber in genügendem Abstand von den Seitenwänden des Hauptbehälters mit den Verdichtungsmaterialien entfernt positioniert werden, damit die zersprühte Calciumhydroxidlösung nicht durch das Verdichtungsmaterial aus dem Hauptbehälter hinten herausläuft. Es ist darauf zu achten, dass der Sprühradius der zersprühten Lösung nicht das Verdichtungsmaterial tangiert bzw. die fein versprühte Lösung nicht am Verdichtungsmaterial entlangläuft. Insofern ist die etwas weiter mittige Positionierung der Zerstäuber wichtig. Ein eventuelles Kollidieren der Calciumhydroxidlösung mit dem Verdichtungsmaterial kann auch dadurch verhindert werden, dass man jeweils im unteren Bereich des Verdichtungsmaterials aus widerstandsfähigem Material kleine Vorrichtungen anbringt (o), welche die versprühte Lösung in diesen Randbereichen ableiten.

[Zu ergänzen ist noch, dass die Auffangwanne in einer derartigen Größe gewählt werden muss, dass sie nur bei den regelmäßigen Wartungsintervallen – in der Regel alle 20000 km – entleert werden muss und nicht bereits vorher überfüllt ist. Hier kann man zur Berechnung der Wannengröße den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch auf 100 km großzügig bemessen und errechnen, wie viel CaCO3 auf 20000 km bei diesem – sogar etwas überhöht angesetzten – Verbrauch entsteht und welches Volumen es einnimmt. Ich kann hier leider nicht mit konkreten Zahlen operieren, da dies, wie gesagt, vom individuellen Verbrauch und der Kraftstoffart (Diesel/Benzin) abhängig ist.]

Alternativ dazu empfehle ich jedoch, in die Auffangwanne mit nur 1 Normgröße einen Fühler (p) anzubringen, der die Füllhöhe der Wanne mit CaCO3 misst. Zeigt er die fast maximale Füllhöhe an, so erfolgt ein Hinweis an den Bordcomputer, der dies dem Fahrer mitteilt. Zugleich muss ein Ablassventil (q), welches vom Fahrzeuginnenraum per Knopfdruck geöffnet und geschlossen werden kann, an der Unterseite der Auffangwanne eingelassen sein. Auf diese Weise könnte der Fahrer selbst bei nur kleiner Auffangwanne diese per Knopfdruck entleeren. Das CaCO3 würde dann in einem beliebigen Behälter aufgefangen, der jedoch nicht fester Bestandteil dieser Konstruktion ist.

Schließlich ist die Größe des Tanks für die Calciumhydroxidlösung so zu bestimmen, dass dieser Stoff stets in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Um einen sparsameren Verbrauch an der Calciumhydroxidlösung zu haben ist es wichtig, dass diese in hoher Konzentration vorliegt (wie o.g. bevorzugt in gesättigter Lösung).

Sollte die Gesamtkonstruktion durch die Größe des Calciumhydroxidlösung – Tanks für die Anbringung unter dem Auto hinter dem Katalysator zu groß werden, so müssen 2 Calciumhydroxidlösung – Tanks verwendet werden. Davon muss ein kleiner Tank über dem Hauptbehälter das Obergefäß bilden, während sich ein großer Calciumhydroxidlösungbehälter (r) an einer anderen Stelle im Auto befindet, der als Reserve – und Nachschubbehälter dient und über einen festen, widerstandsfähigen und sicheren Schlauch mit dem kleinen Tank verbunden ist. So könnte jederzeit Calciumhydroxidlösung "nachlaufen".

Dies hätte sogar den großen Vorteil, dass – bei Unterbringung des großen Calciumhydroxidlösungtanks an einer leicht zugänglichen Stelle (z.B. im unteren Teil des Kofferraums oder unter der Motorhaube etc.) – der Autofahrer den großen Tank selbst leicht nachfüllen könnte. Voraussetzung hierfür ist ohnehin, dass bei beiden Alternativen ein Flüssigkeitsmessgerät im Calciumhydroxidlösung – Tank justiert ist, welches bei Entleerung des Tanks eine Meldung an den Bordcomputer des Fahrzeugs gibt; der Fahrer wird dann aufgefordert nachfüllen zu lassen (Alternative 1) oder selbst nachzufüllen (Alternative 2 bei zusätzlichem großen Tank). Voraussetzung wäre bei eigenständiger Nachfüllung, dass eine (norm)gesättigte oder genau vorgeschrieben konzentrierte Calciumhydroxidlösung entweder im Baumarkt oder beim Automobilhändler gekauft werden kann. Dies funktioniert, da wie gesagt eine bei Standardbedingungen (1013 hpa und 20°C) gesättigte Lösung benötigt wird.

Die gesamte Konstruktion mit kleinem Obergefäß (f) und großem Calciumhydroxidtank z.B. im unteren Kofferraum muss insgesamt nicht höher als 13,5 cm und nicht länger als 24 cm sein. Ich schlage folgende Maße vor (Materialwandstärken mit eingerechnet):

Für den Fall dass die Auffangwanne längenmäßig auf 20 cm erhöht wird, erstreckt sie sich vom Beginn der Gesamtapparatur an (vom vorderen Verdichtungsmaterial) bis zum Endpunkt der Apparatur (hinteres Verdichtungsmaterial).

Notfalls könnte das kleine Obergefäß (f) auch ganz weggelassen werden. Dann würden nur die Schläuche des großen Calciumhydroxidtanks im Kofferraum in die Ventile (g) münden und eine direkte Verbindung zum großen Tank und dem Hauptbehälter wurde bestehen.

In diesem Fall hätte die Gesamtkonstruktion höchstens eine Höhe von 10,5 cm.

Sollte wider Erwarten die Gesamtkonstruktion zu lang sein, um sie bei bisheriger Bauweise der Autos (irgendwo) hinter dem Katalysator anzubringen, schlage ich vor, dass das Abgasendrohr, welches bei fast allen Fahrzeugen hinten links endet, dann noch einmal durch ein Erweiterungsrohrstück auf die rechte Seite umgelenkt wird. Das zusätzliche Zwischenrohrstück kann dann dazu benutzt werden, dort meine Apparatur anzubringen

Nach Abschluss der Darstellung dieses ersten und meiner Ansicht nach geeignetsten Modells, das unter besonderen patentrechtlichen Schutz gestellt werden soll, führe ich in Kurzform, wie oben bereits angekündigt, noch die beiden anderen Alternativen zu Modell 1 auf, welche ich mir ebenfalls überlegt habe.

Alternative:

Bei ähnlicher Grundkonstruktion der Apparatur werden die Abgase auch hier durch Einsatz von Verdichtungsmaterialien mit ansteigender Dichte in ihrer Durchströmgeschwindigkeit gemindert und gelangen so langsamer in den Hauptbehälter. Dort wird jedoch anstelle der Calciumhydroxidlösung Wasser aus einem oberhalb befestigten Wasser-Obergefäß durch einen Zerstäuber fein in kleine Tröpfchen verteilt. Eine dabei notwendige Bedingung ist, dass ein entsprechender Druck im Hauptbehälter herrscht. Dieser Druck muss genau so groß eingestellt sein, dass die einströmenden Abgase nicht wieder in Richtung Motor zurückgedrückt werden, sondern nach wie vor in Richtung Auspuffende strömen. Der Druck im Hauptbehälter ist bei diesem Alternativmodell wichtig, da die Apparatur und das Reinigungsverfahren auf Anwendung der folgenden Reaktion zielt: 3H2O + CO2 <-> 2H3O* + CO32– 2H3O* + CO32– + Ca2+ + 2OH -> 4H2O + CaCO3

Dabei wurde die erste Reaktion direkt zusammengefasst; die Zwischenstufen hierbei wären: H2O + CO2 <-> H2CO3 H2CO3 + H2O <-> H3O* + HCO3 HCO3 + H2O + H3O* <-> CO32– + 2H3O*

Zu beachten ist, dass die Umwandlung von CO2 unter Zugabe einer reichlichen Menge an Wasser zu 2H3O* und CO32– auf mehreren Gleichgewichtsreaktionen beruht.

Unter Normbedingungen (1013 hpa) liegt jedoch das Gleichgewicht wesentlich stärker auf der Seite der Edukte (CO2 und H2O). Insofern muss im Hauptbehälter ein entsprechender Druck gemäß Anwendung des Prinzips von Les Chateliers aufgebaut werden. In Verbindung mit den Temperaturverhältnissen im Hauptbehälter sowie einer übermäßigen H2O-Konzentration kann das Gleichgewicht letztendlich jedoch so verschoben werden, dass eine deutliche Steigerung der Menge der entstehenden Produkte bewirkt wird. Je nach Wahl des Verdichtungsmaterials, welches dann auch höhere Druckverhältnisse zulässt, sowie Erhöhung der Wasserkonzentration und Temperatur kann dabei im Vergleich zu Standardbedingungen u.U. ein Wirkungsgrad von 30–35% erreicht werden. Dies bedeutet jedoch zugleich, dass ein Fahrzeug, welches zuvor etwa 200 g CO2 pro Kilometer ausgestoßen hat, jetzt immer noch 140 g CO2 emittiert.

Im weiteren Reaktionsverlauf werden die entstandenen Produkte in einer Wanne aufgefangen, die mit einem Flüssigkeitsstandmesser versehen ist. Zeigt dieser eine bestimmte Füllhöhe an, werden die Produkte CO32– + 2H3O* und ein gewisser überschüssiger Wasseranteil aus den Zerstäubern, der sich in der Wanne mit gesammelt hat, in einen tieferliegenden Reaktionsraum per Ventilöffnung abgeleitet. Dieser steht unter dem gleichen Druck wie der Hauptbehälter und besitzt ein pH-Meter, welches permanent den pH-Wert misst (also die H3O*-Ionenkonzentration ermittelt). Dieser Wert wird an einen Rechner weitergeleitet, der so programmiert ist, dass er über eine Verbindung zum darüber liegenden Calciumlaugenbehälter dessen Ventil automatisch schließen kann, wenn er den pH 7,000 misst. Voraussetzung ist eine automatische Steuerung, so dass das Ventil des Calciumlaugenbehälters sich kurze Zeit nach vollständiger Überführung der abgeleiteten Produkte in den Reaktionsraum öffnet.

Nach stattgefundener Neutralisation (Rechner misst pH 7,000) öffnet sich computergesteuert das zweite Ventil des Reaktionsraumes, um das entstandene Wasser mit dem darin befindlichen CaCO3 in das letzte Gefäß abzuführen. Danach schließt sich das Ventil automatisch wieder. In diesem letzten Gefäß setzt sich CaCO3 infolge seiner Hydrophobität am Boden ab. Über eine Wasserleitung mit leichtem Unterdruck wird das Wasser aus diesem letzten Raum abgeleitet und zurück in das Wasserobergefäß geführt, wo es zur erneuten Reaktion wiederverwertet werden kann.

Calciumcarbonat wird jedoch gesammelt und nur bei zu großer Ansammlung entnommen. Das geschieht, indem ein Mengenmesser die Menge an CaCO3 im letzten Behälter feststellt. Bei maximaler Füllhöhe wird der Fahrer aufgefordert (Bordcomputeranzeige!), das CaCO3 abzulassen, indem er einen Knopf im Fahrzeuginnenraum betätigt, darüber eine Öffnung auf der Behälterunterseite betätigt und das Calciumcarbonat in einen Behälter, der nicht fester Bestandteil der Konstruktion ist, ablässt.

Unter Abwägung der jeweiligen Komplexität der Apparaturen und Installationen, um diese beiden Modelle anwenden zu können, zeigt sich, dass das Alternativmodell das von mir zuerst dargestellt Modell 1 auf keinen Fall ersetzen kann. Bei der Alternative kann eine CO2-Reinigung infolge der Gleichgewichtsproblematik nur zum Teil gelingen, bei Modell 1 zu annähern 100%. Ferner erfordert Modell 1 wesentlich weniger Aufwand in der Konstruktion und Durchführung und stellt deutlich geringere Anforderungen an den Einsatz spezieller Materialien.

Würde man also Modell 1 künftig verstärkt in der Industrie und Autoindustrie sowie an allen CO2-emittierenden Stellen einsetzen, so hätte man das CO2-Problem gelöst, soweit wesentliche Verursacher von Haupttreibhausgas hier in Rede stehen. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass der Anteil des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre auf Dauer erstens nicht weiter zunimmt und zweitens sogar rückläufig werden könnte. Der sonst unaufhaltsamen globalen Klimaerwärmung mit Überschwemmungsfolgen und dramatischer Eis- und Gletscherschmelze wäre damit entgegengewirkt!

Insbesondere jedoch ist durch meine Erfindung (Modell 1) eine Möglichkeit gefunden, wie man sehr umweltschonend jegliche Abgase, in denen der CO2-Gehalt sogar ständig wechselnd ist und somit keine Konstante darstellt, vom Treibhausgas befreit. Die durch die sofortige Umwandlung von CO2 entstehenden Produkte (hier Calciumcarbonat) können später u.a. in der Bauindustrie oder zum Kalken und Neutralisieren von sauren Wäldern etc. wiederverwertet werden.


Anspruch[de]
Als Hauptpatentanspruch soll die "halbautomatische Apparatur mit einem chemischen Verfahren zur signifikanten Abgasreinigung bei Fahrzeugen durch Eliminierung von Kohlenstoffdioxid bei gleichzeitiger Umwandlung dieses Gases in umweltfreundliches, recyclebares Material" als patentfähig unter Schutz gestellt werden.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

(1)

– Bei Fahrzeugen wird diese Konstruktion hinter dem Katalysator – also nach stattgefundener Abgasvorreinigung eingesetzt. Die ungefähren Maße der Konstruktion betragen bis zu 13,5 cm in der Höhe und bis zu 21 cm in der Länge.

(1.1)

– Die Autoabgase werden vorne und hinten durch ein unterschiedlich dichtes Verdichtungsmaterial geleitet; es bremst die Gase ab und übernimmt Ventilfunktion.

(1.2)

– Die chemische Methode konzentriert sich dabei auf den Einsatz einer bei Standardbedingungen (Raumtemperatur 20°C und 1013 hpa) gesättigten Calciumhydroxidlösung.

– Diese wird in feiner Verteilung automatisch gesteuert durch Zerstäuber in einen Hauptbehälter gesprüht, durch welchen – hier am Beispiel Auto-Abgase geleitet werden.

– Dadurch kommt es zur chemischen Reaktion: Calciumhydroxidlösung (aq) + Kohlenstoffdioxid (g) -> Wasser (g) + Calciumcarbonat (f) (2)

– Vor Eintritt der Abgase in den Hauptbehälter misste eine in den Abgasstrom hereingeführte Sonde permanent die Kohlenstoffdioxidmenge bzw. -konzentration im Abgas.

– Der jeweils ermittelte Wert wird an einen kleinen Zwischenrechner übertragen. Dieser ist auf die Standardkonzentration der Calciumhydroxidlösung eingestellt und errechnet dann sofort die für die vollständige Reaktion mit dem Kohlenstoffdioxid erforderliche Menge an auszusprühender Calciumhydroxidlösung.

– Dabei erfolgt die Einstellung der Ventilöffnungsweite an den Ansaugrohren für die Calciumhydroxidlösung durch eine Verbindung zum Rechner automatisch gesteuert.

(3)

– Der entstehende Feststoff Calciumhydroxid fällt aus und wird in einer tiefer angebrachten Auffangwanne festgehalten, während das ebenfalls entstehende Wasser als Dampf zusammen mit den übrigen Gasen, welche nicht mit der Calciumhydroxidlösung reagieren, in die Atmosphäre abgeführt wird.

(3.1)

– Für den Fall, dass das bei dieser Reaktion entstehende Wasser eine Temperatur von weniger als 100°C aufweisen sollte, ist die Apparatur zudem mit einer Membran an der Unterseite der Calciumcarbonat-Auffangwanne bestückt, die gemäß ihrer Porengröße nur für Wasser-Moleküle passierbar ist, nicht aber für Calciumcarbonat-Moleküle bzw. Gase.

– Das aufgefangene Wasser wird in diesem Fall über ein Ableitungsrohr abgeführt und kurz vor Austritt in die Athmosphäre noch von einem kleinen Heizgerät erhitzt, so dass es von seinem flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht.

(4)

– Das entstehende Calciumcarbonat wird in einer Auffangwanne in Normgröße, in die man einen Fühler einsetze, der die Füllhöhe mit Calciumcarbonat misst, gesammelt. Zeigt dieser per Bordcomputer an, dass die Wanne fast vollständig gefüllt ist, kann der Autofahrer per Knopfdruck im Inneren des Wagens ein Ventil an der Wannenunterseite öffnen und das Calciumcarbonat ablassen. (Dies muss allerdings zu Hause passieren, da das Calciumcarbonat dann in einen Sonderbehälter, der nicht fester Bestandteil des Fahrzeugs bzw. dieser Konstruktion ist, abgelassen wird.

(5)

– Zudem wird im unteren Kofferraum ein größerer Calciumhydroxidlösung-Behälter angebracht, um stets ausreichend Calciumhydroxidlösung zur Verfügung zu haben. Diese kann dann immer in ein kleineres Calciumhydroxidlösung-Obergefäß nachlaufen und von dort aus durch Zerstäuber in den Hauptbehälter gesprüht werden.

(6)

– Anstelle der Calciumhydroxidlösung könnte auch eine andere Metallhydroxidlösung wie z.B. eine Natrium- oder Kaliumhydroxidlösung verwendet werden. Am umweltfreundlichsten ist jedoch eine Calciumhydroxidlösung, zumal das entstehende Calciumcarbonat später u.a. in der Bauindustrie wiederverwendet werden kann (Recycling, Kalkkreislauf).
Als Unteranspruch zu diesem o.g. Hauptanspruch soll eine alternative Ausführungsmöglichkeit, die allerdings weniger geeignet ist, im Folgenden geltend gemacht werden. Diese ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

(1)

– Anstelle des Einsprühens einer Calciumhydroxidlösung wird Wasser vom Obergefäß in den Hauptbehälter eingesprüht. Dabei ist darauf zu achten, dass mehr als die dreifache Menge Wasser im Verhältnis zur CO2-Menge, die ebenfalls wieder per Sonde und Rechner festgestellt wird, eingesprüht wird.

Als Reaktionsprodukte entstehen aus dem CO2 teilweise 2H3O* und CO32–.

(1.1)

– Da die hier in Rede stehenden Umwandlungsprozesse zu den gewünschten Produkten jedoch nur durch Gleichgewichtsreaktionen stattfinden können, muss ein hoher Druck im Hauptbehälter herrschen, um überhaupt eine rentable Menge an 2H3O* und CO32– zu erhalten; diese Produkte werden dann ebenso in einer Auffangwanne aufgefangen.

(2)

– Hat ein Fühler die maximale Füllhöhe der Wanne festgestellt, werden die Produkte durch automatische Ventilöffnung bei Flüssigkeitshöchststand in einen tieferliegenden zweiten

– Reaktionsraum abgeführt.

In diesem herrscht exakt der gleiche Druck wie im oberen Raum, damit bei Ventilöffnung kein etwaiger Luftmassenausgleich stattfindet.

(3)

– In diesem zweiten Reaktionsraum misst ein ph-Meter dauerhaft den ph-Wert und überträgt diesen Wert ebenso an den Rechner. Nun wird eine Calciumlauge (hohe Konzentration empfehlenswert, genaue Vorgaben jedoch hier nicht notwendig) in den zweiten Reaktionsraum eingesprüht. Ebenso Natronlauge oder Kalilauge etc. möglich.

– Sie stammt aus einem weiteren Gefäß neben dem zweiten Reaktionsraum und wird, da auch sie mit dem Rechner in Verbindung steht, computergesteuert über Ventile zugeleitet.

(4)

– Zeigt der ph-Meter den ph 7,00 an, so wird automatisch das Ventil zur Laugenzuleitung geschlossen und ein weiteres Ventil auf der anderen Seite des zweiten Reaktionsraumes wird wie durch Kettenreaktion (vorherige Rechnerprogrammierung) geöffnet, so dass die entstandenen Produkte Wasser und Calciumcarbonat ausgespült werden.

(5)

– Diese gelangen zunächst über ein kurzes Rohrstück in ein drittes Gefäß.

Hier fällt das in Wasser unlösliche CaCO3 aus, während das Wasser selbst über einen Schlauch mit geringfügigem Unterdruck in das Obergefäß zurückgeleitet wird, wo es wiederverwendet werden kann. Der Kreislauf schließt sich.






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