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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid unter Verwendung natürlichen Minerals oder von Stahlschlacke, wodurch die Emission von Kohlendioxid in die Atmosphäre reduziert wird.
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(b) Stand der Technik
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Aufgrund des erhöhten Verbrauchs von fossilen Brennstoffen stiegen die globalen Kohlendioxidemissionen stark an. Die Kohlendioxidemissionen wurden vor kurzem als Hauptursache für die globale Erwärmung erkannt und deshalb unternehmen viele Länder der Welt Anstrengungen, angemessene Regelungen zu treffen, um solche Emissionen zu reduzieren.
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Die Reduzierung der Kohlendioxid-Emissionen kann durch die verminderte Verwendung von fossilen Brennstoffen selber erreicht werden, oder durch ein Verfahren, bei dem Kohlendioxid, dass durch den Einsatz von fossilen Brennstoffen produziert wird, getrennt, gesammelt und fixiert wird. Zum Beispiel kann das getrennte und gesammelte Kohlendioxid als Quelle für die Methanol-Synthese verwendet werden. Das getrennte und gesammelte Kohlendioxid kann auch durch Deponieren im Ozean oder durch die Verwendung von Carbonatmineralien fixiert werden.
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Gemäß einem Verfahren wird Kohlendioxid, das von Industriewerken emittiert wird, unter Verwendung von Carbonatmineralien fixiert. Insbesondere wird das Kohlendioxid mit alkalischen Stoffen (z. B. CaO, MgO, K2O, Na2O, etc.) umgesetzt, die in Mineralien vorkommen, um Carbonate (z. B. CaCO3, MgCO3, Na2CO3, K2CO3, etc.) herzustellen.
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Schlacken, die im Stahlerzeugungsverfahren produziert werden, enthalten Schmelzeisenvorbehandlungsschlacke, Konverterschlacke, Edelstahlschlacke, Elektroofenschlacke und dergleichen. Diese Stahlschlacken werden meistens vergraben, wobei eine begrenzte Menge als Zement oder Zuschlagsstoffe für Straßen- oder Hochbau verwendet wird. Es werden verschiedene andere Methoden zur Nutzung der verworfen Stahlschlacke gewünscht oder vorgeschlagen, zumal es immer schwieriger wird, Deponien zu finden, in denen die Schlacke begraben werden kann.
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Die
koreanische Patenanmeldung mit der Publikationsnummer 2002-0050429 schlägt ein Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid auf der Oberfläche von Stahlschlacke vor, das im Hafenbau oder bei künstlichen Fischbänken für Fische verwendet wird. Das
koreanische Paten Nr. 0891551 (Anmeldenummer:
2008-0025573 ), schlägt vor, Kohlendioxid auf der Oberfläche von Schlacke, die eine bestimmte Menge an Wasser enthält, zu fixieren, indem es mit Kohlendioxid umgesetzt wird. Allerdings benötigen die beiden Verfahren eine exzessive Reaktionszeit, da die Effizienz der Reaktion zwischen Kohlendioxid und Schlacke gering ist. Deshalb sind die Methoden wirtschaftlich unpraktisch.
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Das
koreanische Paten Nr. 0891551 (Anmeldenummer:
2008-0025573 ), schlägt ein Verfahren zur Verfestigung von Kohlendioxid durch Karbonisierung alkalischer Bestandteile, die aus Stahlschlacke extrahiert wurden, mit gasförmigem Kohlendioxid mittels einer hydrothermalen Reaktion unter Druck oder unter normalem Druck vor. Allerdings verbraucht die hydrothermale Reaktion ziemlich viel Energie und es ist unklar, wie Kohlendioxid nach der Karbonisierung der alkalischen Bestandteile fixiert werden kann.
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Das
koreanische Patent Nr. 0801542 (Anmeldenummer:
2006-0105753 ) schlägt ein Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid unter Verwendung natürlichen mineralischen Talks vor. Allerdings müssen die Partikel gemäß dieser Methode 125 μm oder weniger besitzen, was somit überschüssige Energie für die Pulverisierung des Minerals erfordern. Ferner, nachdem die alkalischen Bestandteile zur Extraktion mit einem schwachsauren Lösungsmittel behandelt wurden, wie zum Beispiel Essigsäure, wird der pH-Wert erhöht, um das Kohlendioxid mittels Karbonisierung zu fixieren. Dieser Anstieg des pH-Wertes bewirkt, dass einige Metallionen (z. B. Ca
2+) mit Hydroxidionen (OH
–) reagieren, um milchigen Kalk (Ca(OH)
2) zu bilden, was zu einer Suspension führt. Somit ist ein zusätzlicher Fällungsvorgang oder Filtrationsvorgang nötig. Da das ausgefallene Carbonat in der Lösung suspendiert wird, ist die Trennung schwierig und es ist schwierig einen industriell anwendbaren, kontinuierlichen Prozess zu etablieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur wirksamen Fixierung von Kohlendioxid bereit, das die Probleme herkömmlicher Verfahren überwindet. Das vorliegende Verfahren ist auf die gegenwärtigen Verfahren anwendbar, wobei Kohlendioxid durch eine Flüssigphasenreaktion fixiert werden kann. Das vorliegende Verfahren stellt ferner eine verbesserte Reaktionseffizienz bei normaler Temperatur unter Normaldruck bereit, und reduziert somit den Energieverbrauch. Weiterhin ist es gemäß den vorliegenden Verfahren unnötig, den pH-Wert für die Kohlendioxidfixierung einzustellen, was die Bildung von suspendiertem milchigem Kalk verhindert und ein kontinuierliches Verfahren erlaubt.
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Gemäß weiterer Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, dass in der Lage ist, die Kosten für die Fixierung von Kohlendioxid durch Recycling der verwendeten Extraktionslösung nach der Trennung der Carbonate zu senken.
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In einem allgemeinen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Kohlendioxidfixierung bereit, das umfasst: (a) Behandlung natürlichen Minerals oder von Stahlschlacke mit einer Säure, um Metallionenkomponenten zu extrahieren; (b) Einspeisen von Kohlendioxid in eine Extraktionslösung, die die Metallionenkomponenten enthält, die in Schritt (a) erhalten wurden, um dieselben zu karbonisieren; (c) Transferieren einer Lösung, in der die Carbonate resultierend aus Schritt (b) gelöst sind, in einen Lagertank für gelöstes Carbonat und speichern derselben; (d) Transferieren der gespeicherten gelösten Carbonate in einen Carbonattrennungs-/Reinigungstank und pH-Wert-Einstellung auf 7 oder höher, um die Carbonate zu trennen, und (e) Behandlung der Lösung, von der die Carbonate getrennt wurden, mit einer Säure und Recycling der behandelten Lösung als das Extraktionslösungsmittel (Säure) in Schritt (a).
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Die oben genannten und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden weiter unten beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die oben genannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mm mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon genauer beschrieben, die in den zugehörigen Zeichnungen veranschaulicht sind, die im Folgenden nur zur Veranschaulichung dargestellt sind, und somit die Offenbarung nicht einschränken, und wobei:
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1 zeigt ein bereits vorhandenes Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid unter Verwendung von Schlacke; und
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2 zeigt ein Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid unter Verwendung natürlichen Minerals oder von Stahlschlacke gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Es versteht sich, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, und somit eine vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale wiedergeben, die die grundsätzlichen Prinzipien der Offenbarung veranschaulichen. Die spezifischen Ausführungsmerkmale der Offenbarung, wie hierin offenbart, darunter zum Beispiel spezielle Abmessungen, Orientierungen, Standorte und Formen, werden durch den jeweiligen Anwendungszweck und die benutzte Umgebung bestimmt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden wird nun auf die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung genauer Bezug genommen, von denen Beispiele in zugehörigen Zeichnungen veranschaulicht und wie unten stehend beschrieben werden. Obwohl die Offenbarung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu bestimmt ist die Offenbarung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil, die Offenbarung ist dazu bestimmt nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern auch unterschiedliche Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, die vom Geist und Bereich der Offenbarung umfasst werden, der durch die angehängten Patentansprüche definiert wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid bereit, umfassend:
- (a) Behandlung natürlichen Minerals oder von Stahlschlacke mit einer Säure, um Metallionenkomponenten zu extrahieren;
- (b) Einspeisen von Kohlendioxid in eine Extraktionslösung, die die Metallionenkomponenten enthält, die in Schritt (a) erhalten wurden, um dieselben zu karbonisieren;
- (c) Transferieren der Lösung aus Schritt (b), in der die Carbonate resultierend aus Schritt (b) gelöst sind, in einen Lagertank für gelöstes Carbonat und speichern derselben;
- (d) Transferieren der gespeicherten, gelösten Carbonate in einen Carbonattrennungs-/Reinigungstank und pH-Wert-Einstellung auf 7 oder höher, um die Carbonate zu trennen, und
- (e) Behandlung der Lösung, von der die Carbonate getrennt wurden, mit einer Säure (in der aus Schritt (d)) und Recycling der säurebehandelten Lösung, um sie als das Extraktionslösungsmittel (Säure) in Schritt (a) einzusetzen.
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In Schritt (a) ist das natürliche Mineral vorzugsweise nicht im Besonderen beschränkt. Zum Beispiel können Peridotit, Basalt, Talk, Serpentinit, Wollastonit, usw., die eine hohe Menge an Metalloxiden, wie Calciumoxid und Magnesiumoxid, enthalten, verwendet werden. Der Gehalt an Calciumoxid und Magnesiumoxid in Serpentinit und Wollastonit wird, zum Beispiel, in Tabelle 1 gezeigt.
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In Schritt (a), kann die Stahlschlacke, ohne hierauf beschränkt zu sein, ausgewählt sein aus Schlacke, Elektroofenschlacke oder Konverterschlacke sein, die zum Beispiel in Eisenwerken während Hochofen-, Konverter- oder Sauerstoffblasverfahren erzeugt wird. Derzeit wird die Stahlschlacke meistens als Zement oder Zuschlagstoff für Straßenbau oder Hochbau verwendet. Die chemische Zusammensetzung von verschiedenen Stahlschlacken ist auch in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
| CaO (Gew.-%) | MgO (Gew.-%) |
Natürliches Mineral | Serpentinit | 0 | 40 |
Wollastonit | 48 | 0 |
Stahlschlacke | Hochofenschlacke | 41 | 10 |
Konverterschlacke | 46 | 2 |
Elektroofenschlacke | 20 | 5 |
Pfannenschlacke | 54 | 10 |
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Da das natürliche Mineral und die Stahlschlacke einen großen Anteil an Metalloxiden, einschließlich Calciumoxid und Magnesiumoxid enthalten, zeigen sie eine hohe Basizität. Die Metallkomponenten der Metalloxide werden durch Säurebehandlung in die Lösung abgegeben, und zeigen als solche somit eine alkalische Eigenschaft. Im Allgemeinen sind die Metallionenkomponenten mehrheitlich Ca2+ und Mg2+, und der Rest kann zum Beispiel K+, Na+, usw. sein.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen kann die Säurebehandlung bei einem pH-Wert von etwa 3–5 durchgeführt werden. Um den gewünschten pH-Wert bereitzustellen, kann eine säurehaltige Verbindung wie zum Beispiel Essigsäure, Natriumazetat, Salzsäure, usw. bei geeigneten Konzentration verwendet werden.
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Nach der Säurebehandlung wird die Lösung, die die Metallionen, zum Beispiel Ca2+, Mg2+-usw., enthält, mit einem sauren pH-Wert bereitgestellt.
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Gemäß den herkömmlichen Verfahren zur Fixierung durch Karbonisierung, wird der pH-Wert der Extraktionslösung auf ungefähr 12 eingestellt gefolgt von der Einspeisung von Kohlendioxid, um einen Carbonatniederschlag zu bilden. Während dieses Vorgangs reagieren einige der gelösten Metallionen (z. B. Ca2+, Mg2+, usw.) mit Hydroxidionen (OH–), um milchigen Kalk zu bilden, was somit zu einer Suspension führt. Wenn der suspendierte Feststoff nicht wirksam getrennt wird, wird es schwierig Kohlendioxid mittels eines kontinuierlichen Verfahrens zu fixieren. Im Ergebnis ist die Behandlung von Kohlendioxid im großen Maßstab seht schwierig, wenn nicht gar unmöglich.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird der Vorgang, den pH-Wert auf ungefähr 12 einzustellen, ausgelassen, und damit wird diese Beschränkung überwunden. Insbesondere vermeidet die vorliegende Erfindung durch Auslassen des Vorgangs der pH-Wert-Einstellung die Bildung von milchigem Kalk und folglich die Bildung von suspendierten Feststoffen. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung ein kontinuierliches Verfahren, und die Behandlung von Kohlendioxid in großem Maßstab ist möglich. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Vorgang für die pH-Wert-Einstellung auf einen alkalischen Bereich (pH 7 oder höher), zur Abtrennung der Carbonate, durchgeführt, nachdem die CO2 Reaktion mit Metallionenkomponenten beendet ist. Da die Metallionen an Reaktionen zur Bildung der Carbonate teil genommen haben, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie durch Reaktion mit Hydroxidionen suspendierende Feststoffe bilden, sehr gering. Die Lösung, in der die Carbonate (das sind die Carbonate resultierend aus dem Schritt (b) der Kohlendioxidfixierung) gelöst sind, wird in einem Lagertank für gelöstes Carbonat transferiert und gespeichert. Anschließend wird die gespeicherte gelöste Carbonatlösung in einen Karbonattrennungs-/Reinigungstank transferiert und der pH-Wert der Lösung wird 7 oder höher eingestellt, um die Carbonate zu trennen. Folglich können die Arbeitsschritte der Karbonisierung und Carbonattrennung kontinuierlich durchgeführt werden.
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In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Karbonisierung in Schritt (b) bei normaler Temperatur und unter Normaldruck durchgeführt werden. Wie hierin verwendet, bedeuten „normale Temperatur” und „Normaldruck”, dass keine zusätzliche Wärme oder Druck zugeführt werden muss. Zum Beispiel kann die Temperatur ungefähr 0–40°C, und in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen, etwa 10–25°C betragen, und der Druck kann ungefähr 0,1–5 atm, und in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen, etwa 0,5–2 atm betragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Karbonisierung innerhalb von 5 Minuten abgeschlossen werden, ohne dass eine energieverbrauchende hydrothermale Reaktion benötigt wird. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Geschwindigkeit der Kohlendioxideinspeisung in Schritt (b) so gesteuert werden, um eine gewünschte Zeit für die Fertigstellung der Karbonisierung einzustellen. Insbesondere kann die Karbonisierungsreaktion von Schritt (b) gemäß verschiedenen Ausführungsformen innerhalb von 5 Minuten abgeschlossen werden, wenn die Einspeisungsrate von Kohlendioxid etwa 2 l/min beträgt. Ferner, da die Abgabe der Metallionenkomponenten in Schritt (a) innerhalb von ungefähr 2 Stunden vollendet werden kann, kann das gesamte Verfahren in 2 Stunden beendet werden, was es zu einem sehr ökonomischen Verfahren macht. Somit kann Kohlendioxid, unter Verwendung natürlichen Minerals oder von Stahlschlacke (z. B. Schlacke, Elekroofenschlacke oder Konverterschlacke, die in Eisenwerken während Hochofen-, Konverter- oder Sauerstoffblasverfahren erzeugt wird), wirksam fixiert werden, wodurch die Emission von Treibhausgas bemerkenswert reduziert wird und die Verwendung von vorher verworfener Stahlschlacke ermöglicht wird.
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Das Kohlendioxidgas, das durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wird, kann jedes Kohlendioxidgas sein, einschließlich solches, das als Nebenprodukt von industriellen Öfen, wie zum Beispiel Hochöfen, Kalkbrennöfen, Verkokungsöfen, etc. oder durch Sintern oder Warmwalzverfahren, Stromerzeugung, Abhitzekessel und dergleichen produziert wird. Demgemäß, falls ein Eisenhüttenwerk mit einer Anlage ausgestattet ist, die das während des Stahlerzeugungsverfahrens hergestellte Kohlendioxid fixieren kann, kann die Stahlschlacke, die während des Verfahrens hergestellt wird, verwendet werden, um die Gase, die zur Erderwärmung führen vor Ort zu fixieren. Dadurch können Umweltauflagen erfüllt werden und Nebenprodukte, wie zum Beispiel Metalloxide, können als eine neue Einnahmequelle verwendet werden, statt als Abfall.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Lösung mit den Carbonaten, die in Schritt (d) getrennt wurden, nicht verworfen, sondern sie kann als das Extraktionslösungsmittel (auch als ”Säure” bezeichnet) in Schritt (a) recycelt werden. Da die Lösung resultierend aus Schritt (d) einen pH-Wert von 7 oder höher hat, wird sie zunächst mit einer Säure behandelt, um den pH-Wert auf 3–5, für die spätere Verwendung als Extraktionslösungsmittel in Schritt (a), einzustellen. Die Säurebehandlung kann mit einer oder mehreren Säure(n), vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Phosphorsäure, phosphorige Säure, Zitronensäure und Oxalsäure, durchgeführt werden. Das recycelte Extraktionslösungsmittel kann mit einem frischen Extraktionslösungsmittel und dem Gemisch, das der Extraktionsvorrichtung (wie zum Beispiel in gezeigt) zugeführt wird, gemischt werden. Durch das Recycling der Extraktionslösung werden die Kosten, die im Zusammenhang mit der Herstellung, der Reinigung und der Entsorgung der Extraktionslösung stehen, reduziert, und die Gesamtkosten der Kohlendioxidfixierung können deutlich reduziert werden.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem Kohlendioxid durch Karbonisierung ohne pH-Werteinstellung fixiert wird, und wobei hochreines Carbonat in etwa 2 Stunden hergestellt werden kann. Da ferner durch das vorliegende Verfahren ein kontinuierlicher Prozess ermöglicht wird, ist die Aufarbeitung von Kohlendioxid im großen Maßstab möglich. Darüber hinaus, da die Extraktionslösung recycelt werden kann, können die Kosten, die mit der Herstellung, der Reinigung und der Entsorgung der Extraktionslösung in Zusammenhang stehen, reduziert werden und die Gesamtkosten der Kohlendioxid-Fixierung können deutlich reduziert werden.
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Das Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem Metallionen durch Säurebehandlung natürlichen Minerals oder von Stahlschlacke extrahiert werden, ist wesentlich effektiver als die bisherigen Feststoff-Gas-Reaktionsverfahren. Da die Reaktion bei normaler Temperatur unter Normaldruck durchgeführt wird, ohne dass energieintensive Verfahren wie die Hydrothermalsynthese benötigt werden, lässt sich der Energieverbrauch reduziert. Da die pH-Wert-Einstellung für die Fixierung von Kohlendioxid weggelassen wird kann ferner die Bildung von suspendiertem milchigem Kalk verhindert werden, und ein kontinuierlicher Prozess wird ermöglicht. Da ferner die Extraktionslösung recycelt werden kann, können die Kosten, die mit Herstellung, Reinigung und Entsorgung der Extraktionslösung in Zusammenhang stehen, reduziert werden, und die Gesamtkosten der Kohlendioxidfixierung können deutlich reduziert werden.
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Da das Verfahren zur Fixierung von Kohlendioxid gemäß der vorliegenden Erfindung die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen durch die Verwendung von Stahlschlacke, die momentan lediglich für wertlose Anwendungen verwendet wird, ermöglicht, indem das Recycling der verworfenen Stahlschlacke als Carbonat ermöglicht wird kann es eine wirksame Maßnahme sein, um das Erfordernis der Treibhausgasreduzierung, die den stahlerzeugenden Unternehmen auferlegt ist, in den Griff zu bekommen.
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Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass die Kosten, die mit der Herstellung, Reinigung und Entsorgung der Extraktionslösung, die in einem Kohlendioxidfixierungsverfahren eingesetzt wird, in Zusammenhang stehen, mehr als 50% der Gesamtkosten der Kohlendioxidfixierung ausmachen. Somit werden gemäß der vorliegenden Erfindung, die Gesamtkosten der Kohlendioxidfixierung durch die Senkung der Kosten, die mit Herstellung, Reinigung und Entsorgung der Extraktionslösung im Zusammenhang, reduziert. Ferner kann der Nettobetrag des fixierten Kohlendioxids erhöht werden, während die Menge der verwendeten Extraktionslösung verringert wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde ausführlich unter Bezugnahme auf ihre besonderen Ausführungsformen beschrieben. Jedoch wird von den Fachkreisen verstanden, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen in den Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Wesen der Offenbarung abzuweichen, deren Umfang in den angehängten Patentansprüchen und deren Äquivalenten festgelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 2002-0050429 [0006]
- KR 0891551 [0006, 0007]
- KR 2008-0025573 [0006, 0007]
- KR 0801542 [0008]
- KR 2006-0105753 [0008]