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Alternative CO2-Absorber auf der Basis ausgewählter Amidine

Jonker, Raphael

Aufgrund der Zunahme von Treibhausgasen ist die Bekämpfung der Erderwärmung zu einer gesellschaftlichen Herausforderung geworden. Fossile Kraftwerke sind einer der größten CO2-Emittenten. Eine intelligente Umstellung der Energieversorgung auf CO2-neutrale Prozesse hätte einen großen Einfluss auf die CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Eine Variante besteht darin, das entstehende CO2 aus konventionellen Kraftwerken zu gewinnen und zu speichern. Diese Technik ist als "Carbon Capture and Storage" (CCS) bekannt. Ein weiterer Leitgedanke ist die Nutzung von CO2 für Massenprodukte, bekannt als "Carbon Capture and Utilization" (CCU). In dieser Arbeit wurden zwei alternative CO2-Absorber auf der Basis von Amidinen (1,8-Diazabicyclo[5.4.0]-undec-7-en (DBU) und Guanidin) untersucht. DBU darf nur in Kombination mit einem Alkohol verwendet werden, der sowohl als Reaktionspartner als auch als Lösungsmittel wirkt. DBU deprotoniert den Alkohol und das erzeugte Alkoholat reagiert dabei während der CO2-Absorption zu einem Monoalkylcarbonat. Verschiedene Mischungen von DBU / Alkoholen (Ethanol, Isopropylalkohol, Isobutanol, n-Hexanol, Cyclohexanol und Octan-1-ol) wurden analysiert und mit dem Referenzabsorber Monoethanolamin (MEA) / H2O verglichen. Für die Absorberlösungen wurden Dichte-, Viskositäts- und mikrowellenunterstützte Analysen durchgeführt. Durch mikrowellenunterstützte Analysen wurden stöchiometrische Mengen, p-T-Diagramme und Gleichgewichtskonstanten bestimmt. Die Absorberflüssigkeiten auf Basis von Isobutanol, n-Hexanol und Cyclohexanol wurden als beste Alternative gefunden. Das zweite untersuchte Amidin, Guanidin, war zu reaktiv. Es ist nicht möglich, Guanidin als Absorber zu verwenden. Aufgrund der Reaktivität von Guanidin wurde Guanidinhydroxid untersucht. Es verwendet H2O als Lösungsmittel, was ein Vorteil gegenüber den Alkohol / DBU-Absorbern ist. Guanidinhydroxid (GdmOH) ist im Prinzip dem Hydroxidwäscher ähnlich. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu erreichen, wurde KOH ebenfalls als Referenz verwendet und mit Dichte, Viskosität, P-T-Diagrammen, stöchiometrischen Verhältnissen und der Gleichgewichtsonstanten verglichen. Während der Arbeit mit dem Guanidinhydroxidwäscher wurde Guanidiniumbicarbonat ausgefällt und verschiedene Daten aufgezeichnet. In der Literatur wird Guanidiniumbicarbonat nur als Zwischenprodukt beschrieben und für diese Substanz liegen keine Daten vor. Die wichtigsten Daten Enthalpie der Bildung, Entropie und Gibbs freie Energie wurden bestimmt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass beide alternativen Absorber gute Ergebnisse im Labormaßstab erzielt haben. Dies im industriellen Maßstab zu überprüfen, ist die Aufgabe einer späteren Arbeit. Die beiden Absorber haben unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte. DBU kann verwendet werden, um wasserfreie Gemische zu hochreinem CO2 zu reinigen, während der Gdm-Absorber das Potenzial hat, ein großmaßstäblicher Gaswäscher zu sein.

Due to the increase in greenhouse gas, counteracting global warming has become a societal challenge. Fossil power plants are one of the biggest CO2 emitters. An intelligent conversion of energy supply to CO2-neutral processes would have a major impact on the CO2 concentration in the atmosphere. A variant is to capture the resulting CO2 from conventional power plants and store it. This technique is known as “Carbon Capture and Storage” (CCS). A further leading idea is the utilization of CO2 for mass products, known as “Carbon Capture and Utilization” (CCU). In this work two alternative CO2 absorbers on the basis of amidine (1,8-diazabicyclo[5.4.0]-undec-7-ene (DBU) and guanidine) were evaluated. DBU may only be used in combination with an alcohol, which acts both as a reactant and solvent. DBU deprotonates the alcohol and the produced corresponding alkoxide reacts upon the CO2 absorption to a monoalkylcarbonate. Various mixtures of DBU/alcohols (ethanol, isopropyl alcohol, isobutanol, n-hexanol, cyclohexanol and octan-1-ol) were analyzed and compared with the reference absorber monoethanolamine (MEA)/H2O. Density, viscosity and microwave-assisted analyses were performed for the absorber solutions. By microwave-assisted analyses stoichiometric amount, p-T diagrams and equilibrium constants were determined. The absorber liquids based on isobutanol, n-hexanol and cyclohexanol were found as the best alternative. The second examined amidine, guanidine, was too reactive. It is not possible to use guanidine as an absorber. Due to the reactivity of guanidine, guanidine hydroxide was examined. It uses H2O as solvent, which is an advantage compared to the alcohol/DBU absorbers. guanidine hydroxide (GdmOH) is, in principle, similar to the hydroxide scrubber. To achieve a better comparability, KOH was used as reference too and compared to density, viscosity, P-T-diagrams, stoichiometric ratios, equilibrium constant. While working with the guanidine hydroxide scrubber guanidinium bicarbonate was precipitated and various data are recorded. In literature guanidinium bicarbonate is only described as an intermediate and for this substance there are no data available. The most important data enthalpy of formation, entropy and Gibbs free energy were determined. In summary, it can be pointed out that both alternative absorbers have achieved good results on a laboratory scale. Checking this on an industrial scale is the task of a subsequent work. The two absorbers have different application focuses. DBU can be used to purify water-free mixtures to high purity CO2, while the Gdm-absorber has the potential of being a large-scale gas scrubber.

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Jonker, Raphael: Alternative CO2-Absorber auf der Basis ausgewählter Amidine. 2018.

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