Optimierung der CO2-Abscheidung aus Meerwasser mit Durchfluss- und Druckregelung

CO2-Entnahme aus der Atmosphäre und aus dem Meer  

Bei Systemen zur direkten Luftabscheidung wird CO2 direkt aus der Luft entnommen und der Atmosphäre entzogen, wo es zur globalen Erwärmung beiträgt. Die direkte atmosphärische Abscheidung hat zwar positive Auswirkungen auf die Umwelt, ist aber auch ein relativ energieintensiver Prozess, da die Druck- und Temperaturbedingungen in den Adsorptionskammern angepasst werden müssen.  

In einem neuen, von MIT-Forschern entwickelten zyklischen Durchflussverfahren kann nun CO2 aus Salzwasser in den Ozeanen abgeschieden werden, indem elektrochemische Zellen eingesetzt werden, die das behandelte Wasser zunächst ansäuern und dann alkalisieren, bevor es in die Ozeane zurückgeführt wird. Beim Ansäuern des Wassers werden die im Wasser enthaltenen Bikarbonate in CO2-Moleküle umgewandelt, die unter Vakuum entfernt werden können, bevor das Wasser alkalisiert wird.  

Da die CO2-Konzentration im Meerwasser 100-mal höher ist als in der Luft und das MIT-Verfahren im Meerwasser weder eine Erhitzung noch eine Druckbeaufschlagung der Adsorbentien wie bei der direkten Abscheidung aus der Luft erfordert, schätzt das MIT die Prozesskosten auf nur $56 pro Tonne CO2, was wesentlich billiger ist als die direkte Abscheidung aus der Luft für die gleiche CO2-Menge in der Atmosphäre. Da die Ozeane als große Kohlenstoffsenke fungieren, ermöglicht die Entfernung von CO2 aus den Ozeanen die Aufnahme von zusätzlichem CO2 aus der Luft durch die Ozeane, so dass der Prozess fortgesetzt werden kann, bis das CO2 ausreichend aus der Atmosphäre entfernt ist, um die Auswirkungen der globalen Erwärmung zu verringern oder zu beseitigen.

So funktioniert die CO2-Abscheidung aus Meerwasser am MIT 

Das MIT-Verfahren zur CO2-Abtrennung aus Meerwasser funktioniert über eine chloridvermittelte elektrochemische pH-Schwankung mit separaten elektrochemischen Zellen, die das Meerwasser zunächst ansäuern und dann alkalisieren. Bevor das behandelte Wasser in die elektrochemische Alkalisierungszelle zurückkehrt, wird das CO2 als reines Gas durch Strippen unter Vakuum in einem Hohlfasermembrankontaktor entfernt. 

Jede der elektrochemischen Zellen arbeitet zyklisch, so dass eine Zelle in Betrieb ist, bis ihre aktive Elektrode keine Protonen mehr enthält, während die andere Zelle regeneriert wird, wenn ihre aktive Elektrode wieder aufgefüllt wird. Am Ende eines Zyklus, wenn die aktive Elektrode in der ersten elektrochemischen Zelle erschöpft ist, werden die Flussrichtung jeder Zelle und die Polarität der angelegten Spannungen vertauscht. Die Wiederholung des Prozesses mit zyklischer Strömung ermöglicht eine hocheffiziente Entfernung des CO2 aus dem Meerwasser. 

In der MIT-Anlage wird ein Membrankontaktor verwendet, um die CO2-Freisetzung aus dem Wasser mit einem fließenden Stickstoffstrom zu fördern, der das Anlegen eines Vakuums an das Gerät emuliert. CO2-Sensoren bestimmen die CO2-Konzentration, die bei dem Experiment aufgefangen wird. Das MIT stellt fest, dass das CO2 mit zusätzlichen Methoden vom Wasser getrennt werden kann.  

Flüssigkeits- und Gasflusskontrolle für das MIT-Verfahren zur CO2-Abscheidung aus Meerwasser 

Kontrolle des Flüssigkeitsdurchflusses

In der Versuchsanordnung des MIT wird simuliertes Meerwasser mit 0,5 M NaCl und 2,5 mM NaHCO3 mit einer Flussrate von 1,04 mL/min über eine Schlauchpumpe in das elektrochemische Zellsystem gepumpt. Wie bereits erwähnt, wird die Flussrichtung nach jedem Zyklus umgekehrt. Für diesen Prozess können ein einziger Alicat-Flüssigkeitsdurchflussregler und eine Pumpe an jede der beiden elektrochemischen Zellen angeschlossen werden, so dass der Durchfluss in beide Richtungen automatisiert werden kann. 

Der CODA-Controller von Alicat bietet eine hochpräzise Durchflussregelung für Meerwasser in und aus dem System und kann mit Hilfe von Befehlsskripten automatisiert oder mit anderen Sensoren im System über serielle, analoge oder industrielle Protokolle an SPS und Computer angeschlossen werden. In der Forschung werden Alicat-Geräte eingesetzt, um die Betriebsbedingungen für die elektrochemische Forschung zu optimieren und die Gültigkeit ähnlicher Testergebnisse für elektrochemische Zellen, die in der Elektrolyse und in Wasserstoff-Brennstoffzellen verwendet werden, zu erhöhen. 

Merkmale und technische Daten des CODA-Controllers:

• 40 g/h Skalenendwert bis 100 kg/h Skalenendwert mit einer Abweichung von 2% - 100% vom Skalenendwert 
• NIST-rückführbare Genauigkeit bis zu ±0,2% vom Messwert oder ±0,05% vom Skalenendwert, je nachdem, welcher Wert größer ist 
• Wiederholbarkeit ± ±0,05% vom Messwert oder ±0,025% vom Skalenendwert, je nachdem, welcher Wert größer ist 
• Reaktionszeiten der Steuerung von bis zu 500 ms 

Kontrolle des Gasflusses

Im MIT-Forschungsprozess wird Stickstoffgas mit 5 ml pro Minute zugeführt, um die CO2-Freisetzung aus dem angesäuerten Meerwasser zu fördern, nachdem es aus der ersten elektrochemischen Zelle austritt.   

Zu diesem Zweck sind die MC-Serie oder der CODA-Controller von Alicat aufgrund des großen Regelbereichs, der umfangreichen Kommunikationsoptionen und der Totalisierungs- und Dosierungsfunktionen eine ausgezeichnete Wahl. Im Ergebnis kann die CO2-Konzentration von CO2-Sensoren mit hoher Qualität und Genauigkeit gemessen werden, da die Regelungsstabilität nahtlos an eine SPS oder einen Computer zur kontinuierlichen Datenerfassung und Automatisierung übertragen wird. 

Merkmale und technische Daten der MC-Serie: 

• 0,5 SCCM Skalenendwert bis 5.000 SLPM Skalenendwert mit einem Messbereich von 0,01% - 100% des Skalenendwertes  
• Reproduzierbarkeit bis zu 0,1% vom Messwert und 0,02% vom Endwert  
• Messreaktionszeiten von bis zu 10 ms  

Druckregelung bei der CO2-Abscheidung aus Meerwasser  

Obwohl die MIT-Forschungskonfiguration Stickstoff zum Ausstoßen des CO2In dem Forschungspapier wurde auf ein kommerzielles Verfahren mit Vakuumabscheidung hingewiesen.  

Alicat Druckregler sind in verschiedenen Industriezweigen in Verbindung mit Vakuumpumpen weit verbreitet und ermöglichen eine präzise und genaue chemische Verarbeitung, wie z.B. bei der chemischen Gasphasenabscheidung bei der Herstellung synthetischer Diamanten. Wie die Massendurchflussregler von Alicat bieten auch die Druckregler von Alicat eine Vielzahl von Kommunikationsoptionen, darunter analoge, serielle und industrielle Protokolle.  

Merkmale und technische Daten der PC-Serie:  

• Vollskalenbereiche von max. 0-3000 PSIA; min. 0-15 PSIA und Messbereiche von max. 0-3000 PSIG
• Stabiler Regelbereich von 0,01% - 100% des Skalenendwertes 
• Standardgenauigkeitskalibrierung, NIST-rückführbar bis zu ±0,25% vom Skalenendwert