DE10051516C1

DE10051516C1 - Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10051516C1
Application number: DE10051516A
Authority: DE
Inventors: Martin Koeckerling; Oliver Najmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2020-10-18

Abstract

Die Erfindung betifft als Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid unterschiedliche, aktivierte Iodoxid-Verbindungen mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wesentlich verbesserten Fähigkeit, giftiges Kohlenmonoxid bei Raumtemperatur in Kohlendioxid umzuwandeln. Dadurch ergeben sich Anwendungen in allen Bereichen des Atemschutzes, in denen das für den Menschen giftige Gas Kohlenmonoxid aus der Atemluft entfernt werden muss. Die erfindungsgemäßen Substanzen bestehen aus Iodoxiden der allgemeinen Formel [I¶3¶O¶6¶]{[HZ]¶1-y¶[Z]¶0,5y¶X¶0,5y¶} mit X = I, Br, Cl oder F; Z = SO¶4¶·2-·, H¶2¶PO¶4¶- oder HPO¶4¶·2-· und weiterhin 0 y 1 gesetzt sind. DOLLAR A Diese Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid können als reine Substanzen oder auch auf Trägermaterialien aufgetragen in allen Bereichen des Atemschutzes eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft als Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid unterschiedliche, aktivierte Iodoxid-Verbindungen mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wesentlich verbesserten Fähigkeit, giftiges Kohlenmonoxid im Temperaturbereich von ca. -20°C bis ca. +80°C, und damit insbesondere im Raumtemperaturbereich, vollständig in Kohlendioxid umzuwandeln (CO-Oxidationsmittel).

Chemische Substanzen, die Kohlenmonoxid (CO) im oben angegebenen Temperaturbereich zu Kohlendioxid oxidieren, sind u. a. in folgenden Anwendungsbereichen aus gesundheitlichen Gründen notwendig, wobei eine vollständige (= quantitative) Umsetzung (Oxidation) zu Kohlendioxid (CO₂) angestrebt wird:

1. Atemschutz: Eliminierung von CO, welches z. B. bei Bränden entsteht, aus dem Atemluftstrom mit Hilfe einer Atemschutzmaske mit CO-Filter (Feuerwehr, Bundeswehr, Privatbereich)
2. Rauchen: Eliminierung von CO aus dem beim Rauchen von Zigaretten, Zigarren oder Pfeifen entstehenden Luftstrom beim Inhalieren
3. Fahrzeuge: Eliminierung von CO aus den zur Atmung der Insassen bereitgestellten Gasströmen.
4. Luftreinigungssysteme in der Gebäudetechnik oder in Flugzeugen: Eliminierung von CO aus dem im Falle eines Brandes entstehenden CO- haltigen Luftstroms, der gegebenenfalls über Klimia- und Belüftungsanlagen verteilt wird
5. Kamine (insbesondere im Privatbereich): Eliminierung von CO aus dem beim Verbrennen bestimmter Materialien (z. B. Holz) entstehenden CO-haltigen Luftstrom

Folgende Verfahren zur Oxidation von Kohlenmonoxid bei Temperaturen unterhalb von 50°C sind bekannt:

1. Oxidation von CO mit einer unter dem Handelsnamen "Hopcalit" (engl. Hopcalite) bekannten Substanz (S. H. Tylor et al., Chem. Commun., (1999) 1373-1374 und dort zitierte Literatur). Diese Substanz verliert schon bei geringsten Feuchtigkeitsmengen im Oxidationsprozess nahezu vollständig ihre Aktivität und zwar schon nach kurzer Zeit, so dass im Atemschutzbereich (Beispiel Atemschutzmaske mit CO-Filter) aufgrund der immer vorhandenen Luftfeuchtigkeit ein lebensbedrohendes Risiko des Versagens des Filters besteht.
2. Katalytische Umwandlung von CO in CO₂ unter Zuhilfenahme von Metallkatalysatoren, die jedoch aufgrund unvollständiger Umsetzung ebenfalls nicht im Atemschutzbereich einsetzbar sind (DE 193 22 280 A1 und dort zitierte Literaturstellen).

Oberhalb von ca. 100°C existieren andere Verfahren, die für die Betrachtung hier nicht relevant sind. Exemplarisch sei die Oxidation von CO mit Iod(V)-oxid genannt. Dieses Verfahren erfordert für quantitative Umsetzungen Temperaturen oberhalb von 170°C (Holleman-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Verlag Walter de Gruyter, Berlin, New York, 1995, Seite 498); im Atemschutzbereich, zur Entgiftung von Zigaretten oder anderen lebensnahen Bereichen nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, chemische Substanzen zu entwickeln, die in allen lebensnahen Anwendungsbereichen CO risikolos und vollständig aus der Atemluft entfernen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Iodoxide gelöst, die durch elementares Halogen aktiviert sind. Diese chemischen Substanzen haben die allgemeine Formel

[I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y}

worin X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2-;
ist und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 gesetzt ist.

Beispiele sind: [I₃O₆]{[HSO₄]_0.8[SO₄]_0.1Cl_0.1} (y = 0.2) oder
[I₃O₆]{[HSO₄]_0.5[SO₄]_0.25I_0.25} oder [I₃O₆]{[SO₄]_0.5I_0.5} oder [I₃O₆]{[H₂PO₄]_0.8[HPO₄]_0.1I_0.1} oder [I₃O₆]{[HPO₄]_0.5F_0.5}.

Die Herstellung der Substanzen dieser Erfindung geschieht in drei Schritten:

1. Eine Iod-Sauerstoffverbindung (z. B. Iodsäure (HIO₃) oder Iod(V)-oxid (I₂O₅) oder Periodsäure (H₅IO₆)) wird mit einem Überschuß an konzentrierter Oxosäure (Schwefelsäure (96%) oder Phosphorsäure (wasserfrei)) erhitzt. Hierbei wird gasförmiger Sauerstoff freigesetzt und die vorher klare und farblose Flüssigkeit verfärbt sich zunächst gelb und dann braun.
2. Man läßt die braune Lösung auf eine Temperatur von ca. 100°C abkühlen und fügt dann eine kleine Menge elementares Iod (oder Brom oder Chlor oder Fluor) zu, wobei sich die Flüssigkeitsfarbe vertieft.
3. Bei Abkühlen kristallisiert innerhalb weniger Stunden ein gelblich-brauner Feststoff aus, der abfiltriert und getrocknet wird.

Bei dieser chemischen Umsetzung wird zunächst eine Verbindung erzeugt, die ein Iod(III, V)-oxopolykation und Hydrogenoxosäureanionen (zum Beispiel Hydrogensulfatanionen oder Dihydrogenphosphatdianionen) enthält (zum Beispiel [I₃O₆][HSO₄] oder [I₃O₆][H₂PO₄]). Durch die Umsetzung dieser Substanz mit Halogen (Iod oder Brom oder Chlor oder Fluor) wird die Aktivierung erreicht, wobei ein Teil der Hydrogenoxoanionen gegen X-Atome (X = I, Br, Cl oder F) ausgetauscht wird. Dabei wird Ladungsneutralität durch Abgabe von Hydrogeniumkationen erreicht.

Substanzen dieser Erfindung lassen sich auf geeignete Trägermaterialien (z. B. Silicagele oder saure Mineralien oder Molekularsiebe) auftragen, was die mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Gasdurchflussgeschwindigkeit verbessert.

Beispiel 1 Herstellung einer Substanz der Formel [I₃O₆]{[HSO₄]_0.5[SO₄]_0.25I_0.25}

5 g HIO₃ werden in 10 ml H₂SO₄ (konzentriert, min. 96%) vorsichtig erhitzt. Nach kurzer Zeit beginnt eine gelinde Gasentwicklung. Nach dem diese abgeklungen und alles HIO₃ in Lösung gegangen ist, lässt man die resultierende Flüssigkeit auf eine Temperatur von ca. 100°C abkühlen und fügt 0,3 g fein gepulvertes, elementares Iod zu. Das Iod löst sich auf, wobei sich eine braun-grüne Lösung bildet. Aus dieser kristallisiert bei weiteren Abkühlen die Substanz der Formel [I₃O₆]{[HSO₄]_0.5[SO₄]_0.25I_0.25} aus, die von überschüssiger H₂SO₄ befreit wird.

Die Substanzen dieser Erfindung, für welche die unten angegebenen Ansprüche geltend gemacht werden und deren Synthese sowie die chemischen Bestandteile angegeben sind, zeichnen sich dadurch aus, dass sie im oben angegebenen Temperaturbereich CO vollständig zu CO₂ oxidieren. Ein weiterer Vorteil gegenüber Hopcalit ist, dass diese Substanzen ihre Oxidationsfähigkeit bei Anwesenheit von Luftfeuchtigkeit nicht schlagartig vollständig verlieren. Die aktivierten Substanzen dieser Erfindung lassen sich in allen Geräten und Vorrichtungen und Filtersystemen einsetzen, in denen giftiges Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert werden muss. Diese schließen alle Arten von Filtern für Atemschutzgeräte, von Autoabgas-Reinigungssysteme, Zigarettenfilter und Atemluft-Reinigungssysteme mit ein.

Aktivitätstests der Substanzen dieser Erfindung wurden durchgeführt, indem Kohlenmonoxid langsam durch eine lockere Aufschüttung dieser Substanzen geleitet wurde, wobei ein Infrarotdetektor hinter der Substanz den Durchbruch von CO meldete. Es zeigte sich, dass 100 g der Substanz [I₃O₆]{[HSO₄]_0.5[SO₄]_0.25I_0.25} ca. 15 g CO (entspricht ca. 13 Liter reines CO) umsetzen.

Ein Beispiel für eine Testmessung der Verbindungen dieser Erfindung ist in zwei Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Messung des CO-Umsatzes der Substanzen dieser Erfindung.

Fig. 2 zeigt exemplarisch die Messergebnisse des Detektorausschlages des IR- Messgerätes für den zeitlichen Verlauf der Oxidation von CO mittels einer der Substanzen dieser Erfindung.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt zwei Gasflaschen, die CO und N₂ enthalten (1). Sie sind über Gasdruckminderer (2) und Gasdurchflussmessgeräte (3) durch Schläuche mit einem Gasmischrohr (4) verbunden. Die N₂/CO- Gasmischung wird durch jeweils eine der Substanzen dieser Erfindung geleitet, die sich in dem Behälter (5) befindet. Hinter diesem Behälter befindet sich eine Infrarotmesszelle (6) mit Anzeigegerät (7), deren Wellenlänge auf die Detektion von CO eingestellt ist. In der benutzten Variante hatte dieses Gerät einen Messbereich von 0 bis 2000 ppm CO, wobei der letzte Wert einem Detektorausschlag von 100% entspricht. Hinter dem IR-Messgerät ist eine Vorrichtung zur gefahrlosen Gasentsorgung (8) angeordnet.

Fig. 2 zeigt den Verlauf des Detektorauschlages für eine Messung, in der 100 g [I₃O₆]{[HSO₄]_0.5[SO₄]_0.25I_0.25} eingesetzt wurden. Dabei war die CO/N₂- Gasmischung mit 25 Volumen-% CO bei einer Gesamt-Gasdurchfluss geschwindigkeit von 21 pro Minute eingestellt. Das IR-Messgerät zeigt keinen Detektorausschlag innerhalb eines Zeitraums von 24,5 Minuten. Das heisst, dass in dieser Zeit das gesamte Kohlenmonoxid zu CO₂ umgesetzt wurde.

Claims

1. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Substanzen mit der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} bestehen, worin X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 gesetzt ist.

2. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 mit Iod als aktivierende Komponente eingesetzt werden.

3. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 mit Brom als aktivierende Komponente eingesetzt werden.

4. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F: Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 mit Chlor als aktivierende Komponente eingesetzt werden.

5. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 mit Fluor als aktivierende Komponente eingesetzt werden.

6. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- ist und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 mit Iod bis zu einem Massenanteil von 19% eingesetzt werden.

7. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- ist und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 mit Brom bis zu einem Massenanteil von 13% eingesetzt werden.

8. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 mit Chlor bis zu einem Massenanteil von 6% eingesetzt werden.

9. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 mit Fluor bis zu einem Massenanteil von 4% eingesetzt werden.

10. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, CI oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 unter Verwendung von konzentrierter Schwefelsäure hergestellt werden.

11. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, C oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 unter Verwendung von konzentrierter Phosphorsäure hergestellt werden.

12. Raumtemperatur-Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid nach einem der Anprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen der allgemeinen Formel [I₃O₆]{[HZ]_1-y[Z]_0.5yX_0.5y} mit X = I, Br, Cl oder F; Z = SO₄ ^2-, H₂PO₄ ^- oder HPO₄ ^2- und weiterhin 0 ≦ y ≦ 1 auf ein Trägermaterial aufgetragen sind.

13. Verwendung der Substanzen nach einem der Ansprüche 1-12 als Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid im Atemschutzbereich, beispielsweise als Filtersubstanz in einer Atemschutzmaske zwecks Eliminierung des giftigen CO aus dem Luftstrom beim Inhalieren.

14. Verwendung der Substanzen nach einem der Ansprüche 1-13 als Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid in einer Zigarette, Zigarre, Zigarillo oder Pfeife zwecks Eliminierung des giftigen CO aus dem Luftstrom beim Inhalieren.

15. Verwendung der Substanzen nach einem der Ansprüche 1-13 als Oxidationsmittel für Kohlenmonoxid in einer Belüftungs- oder Klimaanlage zwecks Eliminierung des giftigen CO aus dem Gasstrom, welcher als Atemluft zur Verfügung gestellt wird.