Entwicklung und Erprobung von funktionalen Komponenten und einer Prozesskette zur klimaneutralen Herstellung von Soda und Natron als Senke für erzeugtes CO2 - GreenSoda

Abstract

Die Gesamtzielstellung des Teilprojektes bestand darin, eine alternative auf Membrantrennprozessen basierende Produktionsroute für Soda und Natron zu entwickeln und zu erproben. Zentral sind dabei die Abtrennung und Reinigung von CO2 aus Biogas bzw. aus (biogenen) Verbrennungsgasen, die Entwicklung von elektrochemischen Membranverfahren und von Adsorptionseinheiten für die Überführung von Salzsole (NaCl) in Soda-/Natronlösung mittels Salzspaltung/Metathese. Der Einsatz geothermischer Energie für die auch weiterhin notwendigen thermischen Produktaufbereitungsprozesse sollte ebenfalls bewertet werden. In der ersten Phase der Bearbeitung wurde ein Versuchsstand für die anzuwendende bipolare Elektrodialyse geplant und gefertigt. Weiterhin erfolgten umfangreichere Untersuchungen zur Auswahl geeigneter Ionenaustauschermembranen mit dem Versuchsstand. Parallel hierzu wurden neue Funktionsschichten für keramische Membranen zur CO2-Abtrennung aus Gasgemischen synthetisiert und unter standardisierten Bedingungen erprobt. Mit den ausgewählten Ionenaustauschermembranen wurden unter Einsatz von Rohsole des Verbundpartners Untersuchungen zur Salzspaltung mit anschließender Carbonisierung durchgeführt. Die Erprobung erfolgte schließlich in Dauerversuchen unter Verwendung eines Elektrodialysemoduls mit 2.500 cm2 Membranfläche. Dabei gelang es aus der Sole zunächst eine 14-16%ige Natronlauge und eine 9%ige HCl herzustellen. Es wurde gefunden, dass durch eine sequentielle Carbonisierung im Prozess Natriumcarbonatkonzentrationen >2,5Mol/l entsprechend >5Mol/l Alkalinität stabil erreicht werden können. Da das Produkt bereits während der Carbonisierung sedimentiert, erübrigten sich weitere Trennoperationen. Je Versuchslauf wurden kg-Mengen Produkt erzeugt. Das Produkt ist sehr rein. Weiterführend wurden Untersuchungen zur Nutzung von sog. Rückführwasser aus dem Solvayprozess als Edukt durchgeführt, auf das der Großteil der emittierten Salzfracht zurückgeht. Nach einer Gipsfällung zur Abtrennung von Calcium und einem Elektrolyseschritt zur Nachreinigung ließ sich auf dieser Basis ebenfalls mittels bipolarer Elektrodialyse Soda erzeugen. Untersuchungen zur Nutzung geothermischer Energie zeigten, dass je nach Ergiebigkeit eines Geothermalfeldes zwischen 2 und 25 kommerzielle Geothermieanlagen für die kostengünstige und emissionsfreie Bereitstellung der für die thermischen Verfahrensschritte benötigten Energie benötigt würden. Am Unternehmensstandort des Verbundpartners wäre die Nutzung geothermischer Energie nur unter Verwendung von Großwärmepumpen möglich. Eine Verringerung des Aufwandes ließe der Einsatz der Membrandestillation zur Aufkonzentrierung von Produktlösungen zu, wie entsprechende Laboruntersuchungen ergaben. Die Erprobung neu synthetisierter Membranen im Feldversuch bei der Gewinnung von CO2 aus Biogas zeigte erheblichen weiteren Entwicklungsbedarf. Die vergleichende Bewertung der Emissionspotentiale zeigte, dass die spezifischen Treibhausgasemissionen bei elektrochemischer Erzeugung um mehr als 90% verringert werden konnten und bei entsprechender Optimierung auch negativ ausfallen werden. Auch die Emissionen saliner Wässer können auf diese Weise drastisch vermindert werden.