Diese Arbeit befasste sich mit der Kohlenstoffdioxidabsorption aus Kraftwerksrauchgasen in wässrigen Kaliumcarbonatlösungen durch die Bildung von Hydrogencarbonat. Die Herausforderung bestand darin, die langsame Absorptionsrate der Kaliumcarbonatlösungen durch Verwendung von Additiven zu überwinden. Dabei wurden zwei unterschiedliche Methoden angewandt: Katalyse und Oberflächenvergrößerung.
Die katalytische Untersuchung erfolgte mithilfe des Enzyms Rinder-Carboanhydrase BCA-II. Als Absorptionsmittel wurden eine 1 M Kaliumcarbonatlösung und eine 1 M TRIS-Lösung eingesetzt. Bei der Durchführung der Versuche am Schaumsäulenreaktor führte die Zugabe von BCA-II bei beiden Absorptionsmitteln zur Erhöhung der Absorptionsraten. Je höher die Enzymkonzentration war, desto besser waren die Absorptionsraten. Außerdem bildete sich bei beiden Absorptionsmitteln während der Reaktion Schaum.
Um zu prüfen, ob die Zunahme der Absorptionsrate auf Katalyse oder Schaumbildung zurückzuführen ist, wurde die CO2-Absorptionsrate der reinen Kaliumcarbonatlösung und der TRIS-Lösung durch die Zugabe von 4,14.10-6 M BCA-II zur beschleunigten CO2-Aufnahme mit dem Fallfilmreaktor bestimmt. Da bei der Durchführung am Fallfilmreaktor kein Schaum entsteht, ist der Anstieg der Absorptionskinetik ausschließlich auf die Katalyse zurückzuführen. Unter Verwendung der mit dem Fallfilm ermittelten Massentransferraten berechneten Geschwindigkeitskonstante ergab sich eine dreifache Steigerung der Reaktionsgeschwindig-keit der 1 M Kaliumcarbonatlösung, wobei bei der TRIS-Lösung eine fünffache Steigerung der Geschwindigkeitskonstante erfolgte. Die Aktivität des BCA-II war in der TRIS-Lösung besser als in einer mit BCA-II katalysierten Kaliumcarbonatlösung. Der Grund dafür ist, dass TRIS-Puffer im schwach alkalischen Bereich von pH 7,2 bis 9 puffern, in dem die Aktivität der Carboanhydrase am höchsten ist. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die Erhöhung der Absorptionskinetik auf die Überlagerung einer vergrößerten reaktiven Oberfläche mit einer enzymatisch katalysierten CO2-Absorptionskinetik zurückzuführen ist.
Durch die Zugabe des Enzyms BCA-II konnte gezeigt werden, dass die Carboanhydrase als Katalysator für die CO2-Abrennung von Rauchgasen gut geeignet ist. Dennoch sollte es in weiteren Arbeiten auf seine Stabilität geprüft werden. Außerdem ist die Verwendung von freien Enzymen nicht immer geeignet und optimal für einen industriellen Prozess, da sehr große Enzymmengen benötigt werden. Um die Menge der benötigten Enzyme zu reduzieren, ist die Immobilisierung von Enzymen eine vielversprechende Lösung. Darüber hinaus können im Labor biomimetische Zinkkomplexe hergestellt und ihre katalytischen Wirkungen im industriellen Einsatz zukunftsorientiert gestaltet werden.
Die im zweiten Teil der Arbeit untersuchte Oberflächenvergrößerung basierte auf Schaumabsorption. Als Schaumbildner wurden kurzkettige Alkohole (n-Propanol, n-Butanol) und Tenside (anionische, kationische Tenside) verwendet. Ziel war es festzustellen, welches der Schäumungsmittel die Absorptionsrate am besten beschleunigt. Im ersten Schritt wurde die CO2-Absorption durch die Zugabe von kurzkettigen Alkoholen und Tensiden in 1 M Kaliumcarbonatlösung systematisch untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die kurzkettigen Alkohole zur Schaumbildung besser geeignet sind als die anionischen und kationischen Tenside, obwohl das kationische Tensid TTAB einen 15-mal höheren Schaum bildete als die verwendeten Alkohole. Die Schaumqualität war jedoch schlechter als bei den verwendeten Alkoholen. Starke Polyederschäume mit dünnen Lamellen bildeten sich. Das anionische Tensid SDS blockiert die CO2-Absorption, sodass sich die CO2-Absorption verschlechtert. Aufgrund dieser Voruntersuchungen wurde festgestellt, dass die Alkohole besser zur Untersuchung der Oberflächenvergrößerung geeignet sind als die getesteten Tenside. Bei der genaueren Charakterisierung von Alkoholen in Hinblick auf ihre Schaumqualität und -stabilität bei drei unterschiedlichen Porengrößen ergab sich, dass die besten Ergebnisse bei Porengröße zwei mit einem Porendurchmesser zwischen 40 und 100 μm erzielt wurden. Es bildeten sich kleine kugelförmige Schaumblasen mit einem mittleren Durchmesser von 1 mm. Die ermittelten Absorptionsraten waren bei dieser Porengröße am höchsten. Die Absorptionsrate ist direkt proportional zu den gebildeten Schaumhöhen.
Nachfolgend begannen die Untersuchungen der Kombination von Katalyse und Oberflächenvergrößerung, um eine mögliche Synergie der Effekte aufzuzeigen und dementsprechend die Absorptionskinetik weiter zu erhöhen. Die Untersuchungen erfolgten bei den Porengrößen null und zwei. Für industrielle Umsetzungen, insbesondere wenn Kaliumhydrogencarbonat ausgefällt und aus der Reaktion entfernt werden soll, ist es erforderlich die Messungen mit einer konzentrierten Kaliumcarbonatlösung durchzuführen. Die Kombination von 0,09 M Propanol mit dem Enzym BCA-II in 3 M Kaliumcarbonatlösung zeigte einen Synergieeffekt. Die Aufnahmen waren für beide Porengröße bei der Kombination in Kaliumcarbonatlösung besser als die reine 0,09 M-Propanol- bzw. die reinen Enzymlösungen. Bei der Kombination setzte die Schaumbildung am Anfang der Reaktion ein und nicht zeitverzögert wie bei den reinen Enzymlösungen. Die Kinetik der Reaktion war dementsprechend für beide Porengrößen bei der Kombination besser als für die reine 0,09 M-Propanol- bzw. reine Enzymlösungen. Zusätzlich wurden die Oberflächenspannungen und die Viskosität der jeweiligen Absorptionsmittel vor und nach der Reaktion gemessen.
Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass die Viskosität der Lösungen von der Zusammensetzung der Flüssigkeiten abhängt. So konnte nachgewiesen werden, dass bei steigender Niederschlagsmenge die Zunahme der Viskosität aufgrund der CO2-Absorption geringer wurde.
Die ermittelten Oberflächenspannungswerte stiegen nach der Reaktion an. Die erhaltenen Oberflächenspannungswerte bei den Porengröße null und zwei waren vergleichbar. Je nachdem, wie viel Kaliumhydrogencarbonat in der Lösung ausgefällt wurde, änderte sich die Zusammensetzung der Lösung. Denn eine hohe Ionenkonzentration in der Lösung bedeutet eine starke Wechselwirkung der vorhandenen Ionen, was zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung führt.
Nachfolgend dienen die ermittelten Daten der Auslegung eines Schaumreaktors im technischen Maßstab. Als Auslegeparameter dienen zunächst die technischen Daten einer mobilen CO2-Abtrennanlage, die durch das LUAT am Kraftwerkstandort Lünen betrieben wird. Die Simulation ergab eine sehr gute Übereinstimmung mit den im Labor ermittelten Daten. Dies ermöglichte die gesamtenergetische Bilanzierung eines Schaumreaktors im Vergleich zu einer Packungskolonne. Die Mindestenergie zum Betrieb eines Schaumreaktors betrug hierbei 1,6 kJ/mol und ist somit höher als die einer Packungskolonne.
Wenn dazu der thermische Energiebedarf im Desober verglichen wird, so ergibt sich für die Freisetzung von CO2 aus einer Bindung mit einem Amin, je nach Amin eine Desorptionsenthalpie zwischen 60 und 120 kJ/mol. Die CO2 Freisetzung aus einer Carbonatlösung erfordert jedoch nur etwa 27 kJ/mol. Dies zeigt den entscheidenden energetischen Vorteil bei der Verwendung einer Carbonatlösung zur CO2-Abtrennung. Der energetische Mehraufwand zum Betrieb des Schaumreaktors von 1,4 kJ/mol CO2 ist demgegenüber vernachlässigbar.
Der Einsatz eines Schaumabsorbers bietet eine sehr gute Performanz, um eine CO2-Absorptionsanlage mit wässriger Carbonatlösung sehr energieeffizient zu betreiben. Entscheidend ist zudem, dass auf den Zusatz reaktionsbeschleunigender aminbasierter Additive verzichtet werden kann. Neben dem ökonomischen Vorteil ist somit ein enormer ökologischer Vorteil zu erwarten. Die Schaumabsorption ist jedoch ein relativ neues Arbeitsfeld, dessen Grundlagen im Hinblick auf die am besten geeigneten Schaumbildner noch lange nicht ausreichend charakterisiert sind und dessen erfolgreiche Anwendung in technischen Systemen weiterer Untersuchungen bedarf. Deshalb ist es wichtig, auf diesem Gebiet weiter zu forschen, insbesondere, um speziell für diesen Prozess besonders geeignete Tenside zu finden.