Kohlendioxidwäscher – Wikipedia

Vorrichtung, die Kohlendioxid aus zirkulierendem Gas absorbiert

EIN Kohlendioxidwäscher ist ein Gerät, das Kohlendioxid (CO) absorbiert₂). Es wird zur Behandlung von Abgasen aus Industrieanlagen oder aus der Ausatemluft in lebenserhaltenden Systemen wie Rebreathern oder in Raumfahrzeugen, Tauchbooten oder luftdichten Kammern verwendet. Kohlendioxidwäscher werden auch bei der Lagerung in kontrollierter Atmosphäre (CA) verwendet. Sie wurden auch für die Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff als Mittel zur Bekämpfung der globalen Erwärmung untersucht.

Technologien[edit]

Amin-Schrubben[edit]

Die Hauptanwendung für CO₂ Schrubben dient zum Entfernen von CO
2 aus dem Auspuff von Kohle- und Gaskraftwerken. Praktisch die einzige Technologie, die ernsthaft evaluiert wird, ist die Verwendung verschiedener Amine, z. B. Monoethanolamin. Kalte Lösungen dieser organischen Verbindungen binden CO₂, aber die Bindung ist bei höheren Temperaturen umgekehrt:

CO₂ + 2 HOCH₂CH₂NH₂ ↔ HOCH₂CH₂NH₃⁺ + HOCH₂CH₂NHCO₂^{– –}

Ab 2009^[update]Diese Technologie wurde aufgrund der Kapitalkosten für die Installation der Anlage und der Betriebskosten für deren Nutzung nur geringfügig implementiert.^[1]

Mineralien und Zeolithe[edit]

Mehrere Mineralien und mineralähnliche Materialien binden CO reversibel₂.^[2] Meistens sind diese Mineralien Oxide oder Hydroxide und oft das CO₂ ist als Carbonat gebunden. Kohlendioxid reagiert mit Branntkalk (Calciumoxid) unter Bildung von Kalkstein (Calciumcarbonat).^[3] in einem Prozess namens Carbonatschleifen. Andere Mineralien umfassen Serpentinit, ein Magnesiumsilikathydroxid und Olivin.^[4][5]In dieser Eigenschaft funktionieren auch Molekularsiebe.

Verschiedene Waschverfahren wurden vorgeschlagen, um CO zu entfernen₂ aus der Luft oder aus Rauchgasen. Hierbei wird normalerweise eine Variante des Kraft-Prozesses verwendet. Waschprozesse können auf Natriumhydroxid basieren.^[6][7] Der CO₂ wird in die Lösung aufgenommen, über einen als Ätzmittel bezeichneten Prozess in Kalk überführt und in einem Ofen freigesetzt. Mit einigen Modifikationen an den bestehenden Prozessen, hauptsächlich einem sauerstoffbefeuerten Ofen, ist das Endergebnis ein konzentrierter CO-Strom₂ bereit zur Lagerung oder Verwendung in Kraftstoffen. Eine Alternative zu diesem thermochemischen Prozess ist ein elektrischer Prozess, bei dem eine Nennspannung an die Carbonatlösung angelegt wird, um das CO freizusetzen₂.^{[citation needed]} Dieser elektrische Prozess ist zwar einfacher, verbraucht jedoch mehr Energie, da gleichzeitig Wasser gespalten wird. Da es auf Strom ankommt, muss der Strom wie PV erneuerbar sein. Ansonsten ist der CO₂ Bei der Stromerzeugung erzeugte Produkte müssen berücksichtigt werden. Frühe Inkarnationen der Lufterfassung verwendeten Elektrizität als Energiequelle; waren daher auf eine kohlenstofffreie Quelle angewiesen. Thermische Lufteinfangsysteme verwenden vor Ort erzeugte Wärme, wodurch die Ineffizienzen bei der Stromerzeugung außerhalb des Standorts verringert werden. Natürlich wird weiterhin eine (kohlenstofffreie) Wärmequelle benötigt. Konzentrierte Sonnenenergie ist ein Beispiel für eine solche Quelle.^[8]

Natriumhydroxid[edit]

Zeman und Lackner skizzierten eine spezifische Methode zur Lufterfassung.^[9]

Erstens, CO₂ wird von einer alkalischen NaOH-Lösung absorbiert, um gelöstes Natriumcarbonat zu erzeugen. Die Absorptionsreaktion ist hier eine stark exotherme Gas-Flüssigkeits-Reaktion:

2NaOH (aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H.₂O (l)

N / a₂CO₃(aq) + Ca (OH)₂(s) → 2NaOH (aq) + CaCO₃(s)

ΔH ° = -114,7 kJ / mol

Die Ätzung wird in der Zellstoff- und Papierindustrie allgegenwärtig durchgeführt und überträgt leicht 94% der Carbonationen vom Natrium auf das Calciumkation.^[9] Anschließend wird der Calciumcarbonatniederschlag aus der Lösung abfiltriert und thermisch zersetzt, um gasförmiges CO zu erzeugen₂. Die Kalzinierungsreaktion ist die einzige endotherme Reaktion im Prozess und wird hier gezeigt:

CaCO₃(s) → CaO (s) + CO₂(G)

ΔH ° = + 179,2 kJ / mol

Die thermische Zersetzung von Calcit erfolgt in einem mit Sauerstoff befeuerten Kalkofen, um einen zusätzlichen Gastrennschritt zu vermeiden. Die Hydratisierung des Kalks (CaO) vervollständigt den Zyklus. Die Kalkhydratation ist eine exotherme Reaktion, die mit Wasser oder Dampf durchgeführt werden kann. Bei Verwendung von Wasser handelt es sich um eine flüssige / feste Reaktion, wie hier gezeigt:

CaO (s) + H.₂O (l) → Ca (OH)₂(s)

ΔH ° = -64,5 kJ / mol

Lithiumhydroxid[edit]

Andere starke Basen wie Natronkalk, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und Lithiumhydroxid können Kohlendioxid durch chemische Reaktion damit entfernen. Insbesondere wurde Lithiumhydroxid an Bord von Raumfahrzeugen wie im Apollo-Programm verwendet, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen. Es reagiert mit Kohlendioxid unter Bildung von Lithiumcarbonat.^[10] In letzter Zeit wurde die Lithiumhydroxid-Absorptionstechnologie für die Verwendung in Anästhesiegeräten angepasst. Anästhesiegeräte, die während der Operation lebenserhaltende und inhalative Mittel bereitstellen, verwenden typischerweise einen geschlossenen Kreislauf, der die Entfernung des vom Patienten ausgeatmeten Kohlendioxids erfordert. Lithiumhydroxid kann gegenüber älteren Produkten auf Kalziumbasis einige Sicherheits- und Komfortvorteile bieten.

2 LiOH (s) + 2 H.₂O (g) → 2 LiOH · H.₂O (s)

2 LiOH · H.₂O (s) + CO₂(g) → Li₂CO₃(s) + 3 H.₂O (g)

Die Nettoreaktion ist:

2 LiOH (s) + CO₂(g) → Li₂CO₃(s) + H.₂O (g)

Lithiumperoxid kann auch verwendet werden, da es mehr CO absorbiert₂ pro Gewichtseinheit mit dem zusätzlichen Vorteil der Freisetzung von Sauerstoff.^[11]

In den letzten Jahren hat Lithiumorthosilicat viel Aufmerksamkeit auf die CO2-Abscheidung sowie die Energiespeicherung gelenkt.^[12] Dieses Material bietet beträchtliche Leistungsvorteile, obwohl es hohe Temperaturen erfordert, damit die Carbonatbildung stattfindet.

Regeneratives Kohlendioxid-Entfernungssystem[edit]

Das regenerative Kohlendioxid-Entfernungssystem (RCRS) auf dem Space-Shuttle-Orbiter verwendete ein Zwei-Bett-System, das eine kontinuierliche Entfernung von Kohlendioxid ohne Verbrauchsprodukte ermöglichte. Regenerierbare Systeme ermöglichten einer Shuttle-Mission einen längeren Aufenthalt im Weltraum, ohne dass die Sorptionsmittelkanister nachgefüllt werden mussten. Ältere Systeme auf Lithiumhydroxid (LiOH) -Basis, die nicht regenerierbar sind, wurden durch regenerierbare Systeme auf Metalloxidbasis ersetzt. Ein auf Metalloxid basierendes System bestand hauptsächlich aus einem Metalloxid-Sorptionsmittelbehälter und einer Regeneratoranordnung. Es funktionierte, indem Kohlendioxid unter Verwendung eines Sorptionsmaterials entfernt und dann das Sorptionsmaterial regeneriert wurde. Der Metalloxid-Sorptionsmittelbehälter wurde regeneriert, indem Luft mit ungefähr 204 ° C (400 ° F) mit einer Standardströmungsrate von 0,0035 m (7,5 cu ft / min) durch ihn gepumpt wurde³/ s) für 10 Stunden.^[13]

Aktivkohle[edit]

Aktivkohle kann als Kohlendioxidwäscher verwendet werden. Luft mit hohem Kohlendioxidgehalt, wie Luft aus Obstlagerorten, kann durch Aktivkohlebetten geblasen werden, und das Kohlendioxid wird von der Aktivkohle absorbiert. Sobald das Bett gesättigt ist, muss es “regeneriert” werden, indem kohlenstoffarme Luft wie Umgebungsluft durch das Bett geblasen wird. Dadurch wird das Kohlendioxid aus dem Bett freigesetzt, und es kann dann zum erneuten Schrubben verwendet werden, wobei die Nettomenge an Kohlendioxid in der Luft dieselbe bleibt wie zu Beginn des Prozesses.^{[citation needed]}

Metallorganische Gerüste (MOFs)[edit]

Metallorganische Gerüste sind eine der vielversprechendsten neuen Technologien für die Abscheidung und Sequestrierung von Kohlendioxid durch Adsorption. Obwohl heutzutage keine kommerzielle Großtechnologie existiert, haben mehrere Forschungsstudien das große Potenzial von MOFs als CO aufgezeigt₂ Adsorbens. Seine Eigenschaften wie Porenstruktur und Oberflächenfunktionen können leicht eingestellt werden, um das CO zu verbessern₂ Selektivität gegenüber anderen Gasen.^[14]

Ein MOF könnte speziell so konzipiert sein, dass es sich wie ein CO verhält₂ Entfernungsmittel in Nachverbrennungskraftwerken. In diesem Szenario würde das Rauchgas durch ein mit einem MOF-Material gepacktes Bett strömen, in dem CO₂ würde ausgezogen werden. Nach Erreichen der Sättigung wird CO₂ könnte durch Druck- oder Temperaturschwankungen desorbiert werden. Kohlendioxid könnte dann zu überkritischen Bedingungen komprimiert werden, um unterirdisch gelagert oder in verbesserten Ölrückgewinnungsprozessen verwendet zu werden. Dies ist jedoch aufgrund mehrerer Schwierigkeiten, von denen eine die Herstellung von MOFs in großen Mengen ist, noch nicht in großem Maßstab möglich.^[15]

Ein weiteres Problem ist die Verfügbarkeit von Metallen, die zur Synthese von MOFs erforderlich sind. In einem hypothetischen Szenario, in dem diese Materialien verwendet werden, um das gesamte CO zu erfassen₂ Um Probleme mit der globalen Erwärmung zu vermeiden, wie beispielsweise die Aufrechterhaltung eines globalen Temperaturanstiegs von weniger als 2 ° C über der vorindustriellen Durchschnittstemperatur, würden wir mehr Metalle benötigen, als auf der Erde verfügbar sind. Um beispielsweise alle MOFs zu synthetisieren, die Vanadium verwenden, benötigen wir 1620% der globalen Reserven von 2010. Selbst wenn MOFs auf Magnesiumbasis verwendet werden, die eine große Fähigkeit zur Adsorption von CO gezeigt haben₂Wir würden 14% der globalen Reserven von 2010 benötigen, was eine beträchtliche Menge ist. Außerdem wäre ein umfassender Bergbau erforderlich, der zu mehr potenziellen Umweltproblemen führen würde.^[15]

In einem vom DOE gesponserten und von UOP LLC in Zusammenarbeit mit Fakultäten von vier verschiedenen Universitäten betriebenen Projekt wurden MOFs als mögliche Mittel zur Entfernung von Kohlendioxid in Rauchgas nach der Verbrennung getestet. Sie konnten 90% des CO trennen₂ aus dem Rauchgasstrom unter Verwendung eines Vakuumdruckschwingprozesses. Durch umfangreiche Untersuchungen fanden die Forscher heraus, dass Mg / DOBDC mit einem CO von 21,7 Gew .-% das beste zu verwendende MOF war₂ Ladekapazität. Schätzungen zufolge würden sich die Energiekosten um 65% erhöhen, wenn ein ähnliches System auf ein Großkraftwerk angewendet würde, während ein NETL-Basissystem auf Aminbasis eine Steigerung von 81% bewirken würde (das DOE-Ziel liegt bei 35%) ). Auch jede Tonne CO₂ Eine Vermeidung würde 57 USD kosten, während diese Kosten für das Aminsystem auf 72 USD geschätzt werden. Das Projekt endete 2010 und schätzte, dass das Gesamtkapital für die Umsetzung eines solchen Projekts in einem 580-MW-Kraftwerk 354 Millionen Dollar betrug.^[16]

Luftpatrone ausfahren[edit]

Eine Extend Air Cartridge (EAC) ist eine Marke oder ein Typ eines vorinstallierten Einweg-Absorptionsbehälters, der in einem entsprechend ausgelegten Rebreather in einen Empfängerhohlraum eingesetzt werden kann.^[17]

Andere Methoden[edit]

Viele andere Methoden und Materialien zum Waschen von Kohlendioxid wurden diskutiert.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]