Wie ein Stückchen Silikonschlauch die Welt retten könnte

CO2EinfangSchlauchharfeAbb. 1: Versuchsaufbau zur Gewinnung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft

Das klingt doch absurd. Das Retten von Welten ist die Aufgabe von Superman, James Bond oder auch von Greenpeace.
Kohlendioxid, das wir ausatmen, das unsere Autos ausstoßen, könnte maßgeblich an kommenden Veränderungen des Weltklimas beteiligt sein. Den Einfluss von Kohlendioxid (CO2) auf das globale Klima haben zahlreiche, auch aktuelle, Studien zum Inhalt. Ob erdgeschichtlich http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/extreme-kaeltephase-wie-vulkangestein-die-erde-einfrieren-liess-a-939487.html oder in naher Zurkunft http://www.sciencedaily.com/releases/2013/12/131216154851.htm , die Bedeutung einer konstant niedrigen, athmosphärischen CO2-Konzentration scheint so groß, dass man wohl bei einem erwiesenen Konzept zu Einfang und Nutzung von athmosphärischem CO2 von einem Beitrag zur Rettung der Welt sprechen mag.

Was das Stückchen Silikonschlauch damit zu tun hat

Ziel einer modernen Gesellschaft muss es sein, in Stoffkreisläufen zu wirtschaften und damit auf fossile Rohstoffe  zu verzichten. In seinem Buch „Beyond Oil“ beschreibt der Chemienobelpreisträger George A. Olah ein mögliches Szenarium und kommt zu dem Schluss, dass eine methanolbasierte Wirtschaft nachhaltig und zukunftsfähig wäre. Die Herstellung von Methanol erfordert Kohlenstoff. Im Grunde geht es also um einen möglichst effizienten Kohlenstoffkreislauf. Als Quelle für den zur Methanolsynthese verwendeten Kohlenstoff soll CO2 dienen. CO2 ist in der Erdatmosphäre ist dieses Gas zu 0,04% enthalten. Daraus folgt, dass ein effektiver technischer Kohlenstoffkreislauf auf die Gewinnung von CO2 aus Atmosphäre angewiesen ist, die möglichst effektiver sein sollte als es in der Pflanze der Fall ist. Einfaches Silikon ist für manche Gase / Stoffe durchlässiger als für andere. Man spricht von einer „selektiven Permeabilität“. In der Zellkultur wird diese Eigenschaft mitunter eingesetzt, um Zellen den Gasaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen. Sauerstoff rein – CO2 raus. Ein wenig Wasser wechselt dabei unter Umständen auch die Seiten. Die tierische Lunge gibt das überschüssige CO2 des venösen Blutes in der Lunge durch dünne Membranen ab. Damit der Übergang möglichst vollständig erfolgt, sollte das CO2 möglichst vollständig abgegeben werden, denn sonst kann es zu einer Rückpermeation kommen.

In einer Serie von Vorversuche Vorversuchen wurden geeignete Lösungen zum ermittelt, die in der Lage sein sollten, Kohlendioxid vollständig an sich zu binden. Das in den chemischen Praktika so beliebte Barytwasser (Bariumhydroxid in wässriger Lösung) weist zwar schon Spuren von CO2 nach, schied aber aufgrund der Toxizität und des Preises von Barium aus. Kalkwasser kann durch gebrannten Kalk (CaO) in wässriger Lösung (Ca(OH)2) schnell und kostengünstig hergestellt werden. Alternativ wurde auch eine wässrige Lösung aus Natriumcarbonat auf ihre Eignung geprüft. Die in CCS-Anlagen (CCS = Carbondioxid Capture and Storage) oft eingesetzten Absorber (meist Amine) wurden bewusst nicht eingesetzt, da sie entweder für Mensch und Umwelt problematisch oder zu teuer sind. Die Carbonatwäsche hingegen ist ein ebenfalls in der Kohlendioxidabscheidung von Kraftwerken getestetes Verfahren. http://de.wikipedia.org/wiki/CO2-Abscheidung_und_-Speicherung Natriumhydrogencarbonat ist als Backpulver für seine Gesundheitsverträglichkeit bekannt.

Eine Membran-Aquarienpumpe sprudelte Raumluft mit 1,4 L/Minute über Perlatoren  in gesättigte Lösungen von Kalkwasser bzw. Natriumcarbonatlösung. Je 1 Liter der jeweiligen Lösung befand sich in einem Messzylinder an dessen Boden sich die mit einem Schlauch mit der Pumpe verbundenen 2 Perlatoren befanden. Die aufsteigenden Gase wurden mit einem dichtschließend angebrachten Trichter aufgefangen und über einen CO2-Sensor geleitet, der aus Schulversuchen zur Verfügung stand. In beiden Fällen war in dem aufsprudelndem Gas kein Kohlendioxid (CO2) nachweisbar. Auch der chemische Nachweis über die Trübung von Barytwasser war negativ. Beide Lösungen sind in der Lage das in der Raumluft befindliche CO2 quantitativ zu absorbieren. Das Kalkwasser zeigte nach etwa 30 Minuten die erste leichte Trübung.
Der CO2-Sensor zeigt in der Raumluft CO2 an. Im aufsprudelnden Gas (Luft) ist kein CO2 mehr nachweisbar. Mit zunehmender Versuchsdauer sinkt der pH der Natriumcarbonatlösung.

CO32- + H2O + CO2 -> 2 HCO3

Der Effekt ist als Versauerung aus Sodawasserbereitern bekannt.

Die Absorberlösungen funktionieren wie geplant. Die Freisetzung des gebundenen Kohlendioxid gelingt aus Natriumhydrogencarbonat bei 105°C. Die Freisetzung von Carbonat aus Kalziumcarbonat erfordert zwischen 900 und 1000°C. Diese Temperaturen erfordern umfängliche technische Aufbauten und verschlingen Energie, die als Hitze im nachfolgenden Prozess der Methanolsynthese nicht mehr benötigt wird.

Vorversuch 2: Permeation von CO2 durch eine Silikonmembran

Der Versuch soll zeigen, dass CO2 tatsächlich durch Silikon wandert. Mit zunehmendem Aufenthalt des CO2 im Schlauch soll die Konzentration bis auf die untere Nachweisgrenze sinken. In dem Versuch wird atmosphärische Luft mit einer definierten Geschwindigkeit durch parallel geschalteten Silikonschlauch gepumpt (2 Schläuche parallel, Länge jeweils 5 m; Wandstärke 0,4 mm; Außendurchmesser 3 mm). Das Silikonschlauchmaterialbefindet sich in Absorberlösung. Die CO2-Konzentration der ausströmenden Luft wird gemessen. Die Plastikbox wird mit Absorberflüssigkeit (50 g / L Na2CO3) gefüllt. Die Verbindungsschläuche zur Pumpe und zum Sensor bestehen aus gasdichtem Schlauch.

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Der Versuchsaufbau belegt: Bis zu einer Geschwindigkeit von 15 ml Luft pro Minute verlässt alles eingeblasene CO2 den Schlauch durch die Silikonwand in die Absorberflüssigkeit hinein. Damit ist die Permeationsrate pro laufendem Meter Schlauch zu bestimmen. Wird der Gasfluss wesentlich erhöht, findet keine vollständige Absorption des CO2 mehr statt und das Gas kann in der ausströmenden Luft wieder mit dem Sensor nachgewiesen werden.

Das Pumpen von Luft durch einen englumigen Schlauch kostet Energie. Für den Hauptversuch wird der Aufbau deshalb umgekehrt verwendet. Die Absorberflüssigkeit befindet sich nun in einem 200 m langen Schlauch, der als „Harfe“ auf ein Gestell gewickelt ist. Im Versuch bewirkt ein Ventilator der Luftaustausch um den Schlauch herum. Eine spezielle kalibrierte Schlauchpumpe pumpt die Absorberflüssigkeit mit 10 ml / Minute durch den Schlauch.

KalibrationSchlauchpumpe

Ein zeitgesteuerter Fraktionssammler fängt die aus dem Schlauch tretende Flüssigkeit in gasdichten Polystyrolröhrchen auf.  Die Röhrchen werden mit einem gasdichten Deckel verschlossen sobald das nächste Röhrchen gefüllt wird.

Als Maß für den Erfolg des CO2-Übergangs dient die Veränderung des pH-Werts. Aus ihm lässt sich die Menge des absorbierten Gases errechnen. Die Durchflussgeschwindigkeit und das Volumen des Schlauches bestimmen die Zeit in der ein Übertritt des CO2 aus der Luft durch das Silikon in die Absorberflüssigkeit möglich war. Die Lösung in Fraktion 1 konnte kaum CO2 absorbieren. Ihr pH von 11,46 entspricht dem der Ausgangslösung. Der pH von Fraktion 41 betrug 11,13 und der von Fraktion 70 betrug 10,93. Das Gesamtvolumen des Schlauchs lässt sich zu 760 ml berechnen. Im Laufe der Zeit ergab sich, dass bei gleichbleibender Zufuhr der Absorberflüssigkeit das Volumen der Fraktionen abnimmt, was entsprechend der Diffusion des Wasser aus dem Schlauch so zu erwarten ist. Damit steigt die Konzentration des Absorbers in den gesammelten Fraktionen.

Für die weiteren Aufbauten ist eine Optimierung in der Art anzustreben, dass gegen Ende des Schlauches nahezu eine Sättigungskonzentration des NaHCO3  erreicht wird. Diese beträgt bei 20°C etwa 96 g/L.

Fazit und Ausblick: In einem energieextensiven Verfahren lässt sich eine Konstruktion entsprechend der Schlauchharfe so aufbauen, dass atmosphärisches in einer Flüssigkeit innerhalb des Schlauches so absorbiert wird, dass am Ende eine annähernd gesättigte Lösung entsteht aus der das CO2 zum Beispiel durch mildes Erhitzen freizusetzen ist. Befindet sich der Vorratsbehälter mit Absorberlösung oberhalb der Schlauchharfe genügt eine regelbare Schlauchklemme zur optimierten Flussbegrenzung. Die gesättigte Absorberlösung kann durch Erhitzen von Kohlendioxid befreit und durch Regenwasser ergänzt wieder in den Kreislauf eingebracht werden. In diesem Kreislauf müsste zur Gewinnung von CO2 ausschließlich Wasser ergänzt werden. Eine geschwärzte Fläche eines Bleches kann unter Einfluss intensiven Sonnenlichtes die benötigten Temperaturen erreichen. Eine Verbesserung des Gasübergangs kann durch die Reduktion der Wanddicke des Schlauchmaterials erreicht werden.

 

 

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