DE102022122837B3

DE102022122837B3 - Elektrolytisches Verfahren, Elektrolyseur, Elektrolysesystem, Verwendung und Anlage

Info

Publication number: DE102022122837B3
Application number: DE102022122837.1A
Authority: DE
Inventors: Paul Teufel; Jonas Futter; Malte Feucht
Original assignee: Carbon Atlantis GmbH
Current assignee: CARBON ATLANTIS GMBH, DE
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2023-09-14
Anticipated expiration: 2042-09-09
Also published as: WO2024052567A3; WO2024052567A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kohlenstoffdioxidgewinnung umfassend folgende Schritte:a) anodisches Oxidieren von Wasserstoffgas, wobei ein saures Oxidationsprodukt erhalten wird;b) Umsetzen des sauren Oxidationsproduktes mit einer alkalischen carbonathaltigen wässrigen Lösung, welche insbesondere einen pH-Wert von > 7 bis 9 aufweist, wobei eine saure wässrige Lösung erhalten wird;c) Entnahme von Kohlenstoffdioxid aus der sauren wässrigen Lösung, wobei Kohlenstoffdioxidgas und eine entgaste saure wässrige Lösung erhalten werden;d) kathodisches Reduzieren saurer Komponenten der entgasten sauren wässrigen Lösung, um kathodisch erzeugtes Wasserstoffgas zu erhalten, wobei zusätzlich eine alkalische wässrige Lösung erhalten wird, welche einen pH-Wert von 9,4 bis ≥ 8 aufweist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kohlenstoffdioxidgewinnung, insbesondere aus Meerwasser, einen Elektrolyseur zur Kohlenstoffdioxidgewinnung, ein Elektrolysesystem umfassend einen solchen Elektrolyseur, eine Verwendung eines solchen Elektrolyseurs in einer Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser, sowie eine Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser.
Beschreibung
Im Zuge der steigenden Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre und dem daraus folgenden Anstieg der globalen Durchschnittstemperaturen, steigt die Relevanz von Systemen zur Entnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre. Neben der direkten Entnahme aus der Umgebungsluft (Direct Air Capture), gibt es auch technische Möglichkeiten zur Extraktion bzw. Gewinnung von Kohlenstoffdioxid aus carbonathaltigen wässrigen Lösungen, insbesondere aus Meerwasser.
Mithilfe elektrochemischer Verfahren kann Wasser in einen basischen und einen sauren Teil gespalten werden. Im sauren Milieu wird das chemische Gleichgewicht von $C O_{3}^{2 -}$
über $H C O_{3}^{-}$
zu CO₂ und H₂ 0 verschoben (s. untenstehende Gleichung (1)). $C O_{3}^{2 -} + 2 H^{+} ⇌ H C O_{3}^{-} + H^{+} ⇌ H_{2} C O_{3} ⇌ C O_{2} + H_{2} O$
Gängige elektrochemische Verfahren zur Aufspaltung von Wasser in einen sauren und basischen Strom basieren in der Regel auf einem oder mehreren lonentauschermembranen. Diese erlauben es selektiv entweder den Kationen (CEM) oder Anionen (AEM), die Membran zu passieren. Des Weiteren können bipolare Membranen (BPM) zum Einsatz kommen, welche wässrige Systeme in einen sauren (H⁺) und einen basischen (OH^-) Strom unterteilen.
Sogenannte E-CEM (Electrocatalytic Cation Exchange Module) Systeme arbeiten mit zwei Kationentauschermembranen zwischen den Elektroden. Hierbei wird durch alle drei getrennten Kompartiments Wasser geleitet. Durch Anlegen einer Spannung wird die Protonenkonzentration im mittleren Kompartiment durch die Migration der H⁺-Ionen erhöht. Folglich wird der pH-Wert abgesenkt, sodass es möglich ist CO₂ aus der Lösung aufzufangen. Der Energieverbrauch bei diesen Systemen liegt bei circa 20000 kWh/t-CO₂.
Verglichen mit E-CEM Systemen haben Bipolare Membran Elektrodialyse Systeme (BPMED) mit circa 920 kWh/t-CO₂ bzw. 1400 kWh/t-CO₂ eine bessere energetische Effizienz bei der Extraktion von CO₂ aus einer wässrigen Lösung. Durch Verwenden eines redoxaktiven Elektrolyt-Stroms, welcher direkt an der Kathode beziehungsweise Anode zirkuliert wird, können Redoxreaktionen wie die Bildung von H₂ (HER) und O₂ (OER) aus H₂ 0 unterdrückt werden. Als Elektrolyt wird bevorzugt ein System aus Fe(II) und Fe(III) Ionen wie Kaliumhexacyanidoferrat(II) und Kaliumhexacyanidoferrat(III) gewählt, kann aber auch durch andere Verbindungen ersetzt werden. An der bipolaren Membran werden die Wassermoleküle in einen sauren (H⁺) und einen basischen (OH^-) Strom zersetzt. Der saure Strom kann zu Gewinnung von CO₂ verwendet werden, wohingegen der basische Strom zur Basifizierung des Prozesswassers dient.
Die nach bisherigem Stand höchste energetische Effizienz zur Gewinnung von CO₂ aus wässrigen Systemen wurde mittels elektrochemischer Wasserstoff-Zirkulation (EHL) erzielt. Der Aufbau ist in drei Kompartiments unterteilt. Das Kathodenkompartiment wird mit Meerwasser geflutet, wodurch an der Kathode H₂ und OH^- gebildet werden. Der entstehende Wasserstoff wird in das Anodenkompartiment geleitet. Dort wird H₂ zu H⁺ oxidiert und in das mittlere Kompartiment geführt, um das einströmende Meerwasser anzusäuern.
Nanofiltration ist üblicherweise notwendig für elektrochemische Verfahren zur Entfernung bzw. Gewinnung von Kohlenstoffdioxid aus Meerwasser. Wenn in einem Teil des Systems, beispielsweise im Kathodenraum, eine hohe pH-Umgebung herrscht, führt das zu einem mineralischen Ausfall von bivalenten Magnesium- oder Calcium-Ionen. Diese sind aber notwendig, um eine hohe Alkalinität im Meerwasser zu behalten und damit die Wiederaufnahmefähigkeit von atmosphärischem Kohlenstoffdioxid. Außerdem können die ausgefallenen Mineralien zu Verunreinigungen im System führen wie zum Beispiel Fouling an der Elektrode, was die notwendigen Energiekosten auf Dauer erhöhen würde.
Nanofiltration ist ein sehr aufwendiger und teurer Prozess, der hohe Kosten verursacht, die im Betrieb auf 0,2€ pro prozessiertem Kubikmeter Wasser geschätzt werden können. Um damit eine Tonne Kohlenstoffdioxid aus Meerwasser mit einer Konzentration von 2,2 mM von gelösten zu extrahieren bei einer Effizienz von 90%, bräuchte man 11477 m³ Wasser. In diesem Rechenbeispiel ergäben sich Kosten allein für die Nanofiltration von -2000E für die Extraktion einer Tonne CO₂.
WO 2022 / 155 754 A1 offenbart Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in nützliche Verbindungen.
US 2010 / 0 230 293 A1 offenbart ein elektrochemisches Niederspannungs- und Niederenergiesystem und Verfahren zur Entfernung von Protonen und/oder zur Herstellung einer Basenlösung, die Hydroxid- und Carbonat-/Hydrogencarbonat-Ionen umfasst, unter Verwendung von Kohlendioxid in einem Kathodenraum, der in einen ersten Kathodenelektrolytraum und eine zweite Kathode unterteilt ist Elektrolytkammer, so dass ein Flüssigkeitsfluss zwischen den Kathodenelektrolytkammern möglich ist, wobei jedoch die Gaskommunikation zwischen den Kathodenelektrolytkammern eingeschränkt ist.
Entsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die obigen Nachteile zu reduzieren bzw. auszuräumen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obige Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben ist, gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrolytisches Verfahren, insbesondere ein kontinuierlich betriebenes elektrolytisches Verfahren, zur Kohlenstoffdioxidgewinnung unter Verwendung eines Elektrolyseurs gemäß dem zweiten Aspekt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) anodisches Oxidieren von Wasserstoffgas, wobei ein saures Oxidationsprodukt erhalten wird;
b) Umsetzen des sauren Oxidationsproduktes mit einer alkalischen carbonathaltigen wässrigen Lösung, welche insbesondere einen pH-Wert von > 7 bis 9 aufweist, wobei eine saure wässrige Lösung erhalten wird;
c) Entnahme von Kohlenstoffdioxid aus der sauren wässrigen Lösung, wobei Kohlenstoffdioxidgas und eine entgaste saure wässrige Lösung erhalten werden;
d) kathodisches Reduzieren saurer Komponenten der entgasten sauren wässrigen Lösung, um kathodisch erzeugtes Wasserstoffgas zu erhalten wobei zusätzlich eine alkalische wässrige Lösung erhalten wird, welche einen pH-Wert von 9,4 bis ≥ 8 aufweist.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektrolyseur zur Kohlenstoffdioxidgewinnung umfassend:

• einen Anodenraum,
• einen Zwischenraum, und
• einen Kathodenraum, wobei

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Elektrolysesystem umfassend mindestens einen Elektrolyseur gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines Elektrolyseurs gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung in einer Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser.
Gemäß einem fünften Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser umfassend einen Elektrolyseur gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung oder ein Elektrolysesystem gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Technische Effekte der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Aspekte ermöglichen einen signifikant energieeffizientere Verfahrensführung als bisherige Ansätze zur elektrolytischen Gewinnung von Kohlenstoffdioxid. Weiterhin ermöglichen diese Aspekte eine Verringerung von mineralischem Ausfall/Niederschlag aus der carbonathaltigen Lösung, insbesondere im Kathodenraum, obwohl bivalente Kationen vorhanden sein können. Dies bewirkt eine schonendere Prozessführung, da sich die Wartungsintervalle der Kathode verlängern. Dies ist insbesondere deswegen der Fall, da ein Fouling des Kathodenmaterials durch eine Verringerung der Hydroxidausfälle von Calcium und/oder Magnesium, reduziert wird. Zugleich können bivalente Kationen, wie z.B. Mg²⁺ sowie Ca²⁺, ins Meer zurückgeführt werden, da eine Verwendung eines Nanofilters entfällt. Dies hat ökologische Vorteile, da mithilfe dieser Kationen eine weitere Aufnahme von CO₂ über Carbonate möglich ist und zum anderen ökonomische Vorteile, da auf einen teuren und wartungsintensiven Nanofilter verzichtet werden kann. Ferner ist es durch die erfindungsgemäßen Aspekte möglich, einen pH-Wert, z.B. etwa 8,1, zu generieren, welcher nicht signifikant von dem des Meerwassers abweicht. Dadurch wird es vermieden, dass der Austrag aus der Elektrolyse, welcher üblicherweise ins Meer zurückgeleitet wird, einen niedrigeren pH-Wert als das Meerwasser hat. Somit ist das vorliegende Verfahren auch im Lichte des pH-Wertes vorteilhaft für das Ökosystem Meer, da eine Versäuerung der Ozeane vermieden wird.
Weitere Angaben zu den durch die Erfindung erreichten technischen Effekten finden sich in der detaillierten Beschreibung wieder.
Definitionen
Falls nicht anders angegeben, entsprechen alle hierin verwendeten technischen Begriffe dem gängigen fachmännischen Verständnis.
Der Begriff „Kohlenstoffdioxidgewinnung“ ist breit zu verstehen und wird vorliegend ein Entfernen von Kohlenstoffdioxid in seiner Gasform aus einer carbonathaltigen wässrigen Lösung verstanden, wobei formal mithilfe von H⁺ Kationen Carbonat/Hydrogencarbonat in Dihydrogencarbonat überführt wird, was sich in Wasser und Kohlenstoffdioxidgas zersetzt, wie beispielsweise in obiger Gleichung (1) gezeigt.
Der Begriff „sauer“ ist breit zu verstehen, wobei eine „saure wässrige Lösung“ einen pH-Wert von < 7 aufweist. Entsprechend bedeutet „pH neutral“ ein pH-Wert von 7.
Der Begriff „alkalisch“ oder „basisch“ ist ebenso breit zu verstehen, wobei eine „alkalische wässrige Lösung“ einen pH-Wert von > 7 aufweist.
Der Begriff „pH-Wert“ entspricht dem gängigen fachmännischen Verständnis und ist vorliegend mittels eines pH-Meters messbar. Die hierin offenbarten pH-Werte können beispielsweise mit einem VOLTCRAFT PHT-200 Kombi-Messgerät pH-Wert, Redox (ORP) gemessen werden. Die folgenden technischen Daten für dieses Messgerät sind in der Folge genannt.

• Messbereich mV: -1999 bis 1999 mV
• Genauigkeit mV: ± 0,5%.

Das benannte Messgerät ist standardmäßig über einen Werkstandard kalibriert und kann ferner mit im Lieferumfang enthaltenen pH-Pufferlösungen (pH = 4 und pH = 7) kalibriert werden.
Der Begriff „saures Oxidationsprodukt“ ist breit zu verstehen und, ohne an eine spezielle Theorie gebunden sein zu wollen, betrifft das formale Protonenprodukt der Oxidation von diatomarem Wasserstoff, insbesondere Wasserstoffgas, wobei dieses formale Protonenprodukt beispielsweise solvatisiert in wässriger Lösung als H₃O⁺ _(aq), wobei Cl^-(_aq) formal als Gegenanion vorliegen kann, und/oder als Teil eines festen Elektroden- und/oder Membranmaterials, wodurch das formale Protonenprodukt über bekannte Mechanismen transportiert wird, vorliegen kann. Neben Chlorid können in allen vorgenannten Fällen formal auch andere Gegenanionen vorliegen, die sich von den Säuren H₂SO₄, HCO₃ ^-, H₂CO₃, H₃BO₃ und HBr ableiten.
Der Begriff „carbonathaltige wässrige Lösung“ ist vorliegend breit zu verstehen und enthält Carbonat in jeglicher chemischen Form. Eine „carbonathaltige wässrige Lösung“ ist typischerweise alkalisch und weist insbesondere einen pH-Wert von >7 bis 9 auf. Dies bedeutet, dass die wässrige Lösung gelöstes Carbonat CO₃ ²- und/oder Hydrogencarbonat enthält. Ein Beispiel für eine „carbonathaltige wässrige Lösung“ ist Meerwasser. Die carbonathaltige wässrige Lösung weist insbesondere zudem zweiwertige Kationen wie z.B. Magnesium, Calcium und/oder Strontium auf. Ferner kann die carbonathaltige wässrige Lösung einwertige Kationen, wie z.B. Natrium, aufweisen.
Der Begriff „Meerwasser“ wird hier gleichrangig und gleichwertig verwendet mit „Salzwasser“ und „salzhaltigem Wasser“ ist breit zu verstehen und betrifft eine wässrige Lösung, die einem salzhaltigen Gewässer oder einem Salzwassergewässer, insbesondere einem Salzwassermeer, wie z.B. einem Ozean, entnommen wurde. Selbstverständlich kann die genaue chemische Zusammensetzung je nach Ort der Meerwasserentnahme unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielhaft sei jedoch eine Zusammensetzung wie sie von KESTER, Dana R. [et al.]: Preparation of artificial seawater In: Limnology & Oceanography, Vol. 12, 1967, No. 1, S. 176-179 - ISSN 0024-3590 (P); 1939-5590 (E). DOI: 10.4319/Io.1967.12.1.0176. angegeben wurde, wobei die Inhalte dieser Veröffentlichung per Bezugnahme hier inkludiert sind. Aus dieser Veröffentlichung sind Tabellen 1 und 2 als ungefähre Beispiele für die Zusammensetzung von Meerwasser angegeben.

Tabelle 1: Angaben zur ungefähren Zusammensetzung von Meerwasser bezüglich gravimetrischer Salze. Gravimetrische Salze

Salz	Molekulargewicht	g kg ^-1 Lösung
Natriumchlorid (NaCl)	58,44	23,926
Natriumsulfat (Na₂SO₄)	142,04	4,008
Kaliumsulfat (KCI)	74,56	0,677
Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃)	84,00	0,196
Kaliumbromid (KBr)	119,01	0,098
Borsäure (H₃BO₃)	61,83	0,026
Natriumfluorid (NaF)	41,99	0,003

Tabelle 2: Angaben zur ungefähren Zusammensetzung von Meerwasser bezüglich volumetrischer Salze. Volumetrische Salze

Salz Molekulargewicht mol kg ^-1 Lösung

Magnesiumchlorid (MgCl_2·6H₂O) 203,33 0,05327

Calciumchlorid (CaCl₂·2H₂O) 147,03 0,01033

Strontiumchlorid (SrCl₂·6H₂O) 266,64 0,00009
Der Begriff „entgaste saure wässrige Lösung“ ist vorliegend breit zu verstehen und betrifft eine wässrige Lösung mit pH < 7 aus welcher Kohlenstoffdioxidgas im Wesentlichen vollständig entfernt wurde. Insbesondere kann eine entgaste saure Lösung entstehen, indem einer sauren wässrigen Lösung Kohlenstoffdioxidgas, z.B. mittels eines Membrankontaktors, entnommen wird. Eine solche entgaste saure wässrige Lösung enthält insbesondere bivalente Kationen, wie etwa Magnesium und/oder Calcium. Insbesondere verbleiben in der entgasten sauren wässrigen Lösung ≤ 10 Ma.-%, bevorzugt ≤ 5 Ma.-%, Kohlenstoffdioxid, wobei sich der prozentuale Massenanteil des Kohlenstoffdioxid auf die ursprüngliche Masse des Kohlenstoffdioxid bezieht, welche in Form von Carbonat und/oder Hydrogencarbonat in der alkalischen carbonathaltigen wässrigen Lösung vorhanden war. Mit anderen Worten ist die Abtrennungseffizienz mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95%.
Der Begriff „saure Komponenten“ betrifft üblicherweise Protonen in ihrer wässrigen Form, d.h. H₃O⁺(aq).
Der Begriff „fluidisch verbunden“ ist vorliegend breit zu verstehen und betrifft insbesondere eine Verbindung, wie z.B. eine Rohrleitung, zwischen zwei Elektrolyseeinheiten, welche dazu eingerichtet ist, ein Fluid, z.B. eine Flüssigkeit oder ein Gas, wie etwa Wasserstoffgas, von einer ersten zu einer zweiten Elektrolyseeinheit zu transportieren. Solch eine Elektrolyseeinheit kann einen Kathodenraum, einen Anodenraum, oder einen Zwischenraum, welcher zwischen Anoden- und Kathodenraum angeordnet sein kann, umfassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs.
2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrolysesystems.
3 zeigt exemplarisch ein Pourbaix Diagramm von Wasser.

Detaillierte Beschreibung
Die in der Folge gezeigten Ausführungsformen zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, welche keineswegs als eine Beschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehen sind. Aufgeführte Ausführungsformen innerhalb der verschiedenen Erfindungsaspekte sind frei miteinander kombinierbar, sofern nicht anders angegeben.
Elektrolytisches Verfahren
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrolytisches Verfahren, insbesondere ein kontinuierlich betriebenes elektrolytisches Verfahren, zur Kohlenstoffdioxidgewinnung unter Verwendung eines Elektrolyseurs gemäß dem zweiten Aspekt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) anodisches Oxidieren von Wasserstoffgas, wobei ein saures Oxidationsprodukt erhalten wird;
b) Umsetzen des sauren Oxidationsproduktes mit einer alkalischen carbonathaltigen wässrigen Lösung, z.B. Meerwasser, welche einen pH-Wert von > 7 bis 9 aufweist, wobei eine saure wässrige Lösung erhalten wird;
c) Entnahme von Kohlenstoffdioxid aus der sauren wässrigen Lösung, wobei Kohlenstoffdioxidgas und eine entgaste saure wässrige Lösung erhalten werden;
d) kathodisches Reduzieren saurer Komponenten der entgasten sauren wässrigen Lösung, wobei zusätzlich eine alkalische wässrige Lösung erhalten wird, wobei zusätzlich eine alkalische wässrige Lösung erhalten wird, welche einen pH-Wert von 9,4 bis ≥ 8 aufweist. Insbesondere kann dieser pH-Wert 9,2 bis ≥ 8, insbesondere 8,5 bis ≥ 8 betragen.

Ein anodisches Oxidieren von Wasserstoffgas nach Schritt a) kann in einer wässrigen Lösung wie auch über eine Gasdiffusionselektrode, z.B. über eine Zero Gap Elektrode, erfolgen. Das saure Oxidationsprodukt entspricht formal H⁺ in der untenstehenden Gleichung (2): H₂ →2H⁺ + 2e^- E⁰ = 0V (2)
H⁺ kann beispielsweise in wässriger Lösung als H₃O⁺ _(aq) oder als Teil eines festen Elektroden- und/oder Membranmaterials vorliegen. Die tatsächliche Form des sauren Oxidationsproduktes H⁺ ist unkritisch solange es für Schritt b) zur Verfügung steht. In gewissen Ausführungsformen kann Wasserstoffgas in Schritt a) an einer Gasdiffusionselektrode ohne Nutzung einer wässrigen Lösung, höchstens einer minimalen Befeuchtung des Wasserstoffgases, oxidiert werden. Durch die Oxidation des Wasserstoffgases ist ein geringerer Energieaufwand innerhalb des Verfahrens möglich, da eine Generierung von Sauerstoff nicht notwendig ist. Wie in 3 gezeigt, ist das Redoxpotential einer Wasserstoffoxidation deutlich geringer als eine Oxidation von Wasser, um Sauerstoff zu erhalten.
Mittels des sauren Oxidationsproduktes findet in Schritt b) ein Umsetzen einer carbonathaltigen wässrigen Lösung statt. Beispielsweise wird das Oxidationsprodukt aus Schritt a) in einem Anodenraum produziert, während das Umsetzen in Schritt b) in einem Zwischenraum des Elektrolyseurs gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt stattfindet, wobei der Zwischenraum zwischen einem Kathoden- und einem Anodenraum angeordnet sein kann. Das saure Oxidationsprodukt kann über eine Transportmembran mit der carbonathaltigen wässrigen Lösung zum Umsetzen in Kontakt gebracht werden. Bevorzugt weist die carbonathaltige wässrige Lösung einen pH-Wert von etwa ≥ 8 bis etwa 8,5 auf. Durch das Umsetzen in Schritt b) findet insbesondere eine chemische Reaktion nach obiger Gleichung (1) statt, wodurch gelöstes Kohlenstoffdioxid entsteht, welches - aufgrund des Umsetzens mittels des sauren Oxidationsproduktes - nach dem Umsetzen nach Schritt b) in gelöster Form vorliegt. Im folgenden Schritt c) erfolgt eine Entfernung des Kohlenstoffdioxidgases, insbesondere über einen Membrankontaktor, der außerhalb des Zwischenraums und im Nachgang zu Schritt c) angeordnet sein kann. Somit wird der sauren wässrigen Lösung Kohlenstoffdioxid entnommen, um eine entgaste saure wässrige Lösung zu erhalten, welche z.B. einen pH-Wert < 7 aufweist, In Schritt d), der insbesondere im vorgenannten Kathodenraum stattfindet, werden saure Komponenten, z.B. H⁺ _(aq) dieser entgasten Sauren wässrigen Lösung sowie Wasser reduziert, wobei Wasserstoffgas und ebenso Hydroxidionen, d.h. eine alkalische wässrige Lösung welche einen pH-Wert von etwa 9,4 bis ≥ 8 - oder einen der oben genannten Werte - aufweist, entstehen. Insbesondere weist die alkalische wässrige Lösung einen pH von etwa 8 bis 9, vorzugsweise von 8 bis 8,5, z.B. ungefähr 8,1 auf. Formal verlaufen diese Reaktionen nach untenstehenden Gleichungen (3) und (4): 2 H⁺ + 2e^- → 2H₂ · E⁰ ≈ 0.247 @ pH=4 (3) H₂O + 2 Na⁺ + 2e^- → 2 NaOH + H₂ . E⁰ = -0,487 @ pH = 8,1 (4)
Insbesondere kann das Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt mit einer Gleichspannung von < 1,5 V, insbesondere ≤ 1,3 V betrieben werden. Hierbei werden die Natriumkationen aus Gleichung (4) insbesondere aus dem Zwischenraum in den Kathodenraum, z.B. über eine Transportmembran, überführt. Die Reaktionen nach Gleichungen (3) und (4) innerhalb von Schritt d) führen zu folgenden signifikanten technischen Vorteilen der vorliegenden Erfindung.
Durch die Erzielung eines pH-Wertes zwischen 9,4 bis ≥ 8 - oder einem der oben genannten Wertebereiche - der alkalischen wässrigen Lösung in Schritt d) wird die Tendenz verringert, dass zweiwertige Kationen, wie etwa Magnesium und/oder Calcium, welche in der carbonathaltigen wässrigen Lösung insbesondere vorhanden sind, als feste Hydroxide ausfallen. Dieser pH-Wertebereich ist nicht zuletzt durch das Vorhandensein der entgasten sauren wässrigen Lösung in Schritt d) möglich. Insbesondere kann die entgaste saure wässrige Lösung entsprechend vorstehender Erklärungen bivalente Kationen, wie z.B. Magnesium und/oder Calcium, aufweisen. Durch deren Reduktion nach Gleichung (3) und der weiteren Wasserreduktion nach Gleichung (4) wird die alkalische wässrige Lösung mit dem pH-Wert zwischen 9,4 bis ≥ 7 erhalten. Außerhalb dieses Wertebereiches würde der pH zu hoch sein und es käme zu einem ungünstigen Ausfall besagter Hydroxide, welche zu dem eingangs diskutierten erheblichen Fouling an der Kathode führen. Durch die Verringerung dieser Hydroxidausfällung können somit die zweiwertigen Kationen, wie etwa Calcium, Magnesium und/oder Strontium, in der carbonathaltigen wässrigen Lösung belassen werden ohne dass ein kosten- und wartungsintensiver Nanofilter zu deren Entfernung notwendig wäre. Eine Verringerung bis hin zu einer Vermeidung der Verunreinigungen durch die ausgefallenen Hydroxide führt auch zu einer höheren Effizienz, da Verunreinigungen üblicherweise Einbußen in der Energieeffizienz zufolge haben. Zudem hätte ein zu hoher Ausfall von Hydroxidionen den Nachteil, dass der pH-Wert der alkalischen wässrigen Lösung unvorteilhaft abgesenkt würde.
Eine Wiedereinleitung der alkalischen wässrigen Lösung in das salzhaltige Gewässer, wie z.B. das Meer, ist auch vorteilhaft, da durch das weitere Vorhandensein der zweiwertigen Kationen wieder Kohlenstoffdioxid gebunden werden kann. Somit hat der erzielte pH-Wert auch ökologische Vorteile. Ein weiterer ökologischer Vorteil besteht darin, dass kein saures Abwasser in das salzhaltige Gewässer, wie z.B. das Meer geleitet werden muss, sondern die alkalische wässrige Lösung einen umweltfreundlicheren pH-Wert aufweist. Ein zu niedriger pH im Meerwasser würde zudem für eine CO₂-Freisetzung in die Atmosphäre führen.
Überraschenderweise wurde zudem rausgefunden, dass das teilweise saure Milieu, welches durch die Einleitung einer entgasten sauren wässrigen Lösung herrührt (siehe Gleichung (2) oben) an der Kathode zu einer energieeffizienteren Generierung von Wasserstoffgas aufgrund kinetischer und thermodynamischer Vorteile führt.
Vor der Einführung der carbonathaltigen wässrigen Lösung in Schritt b) kann insbesondere eine Entfernung von Stickstoff und Sauerstoffgas aus der carbonathaltigen wässrigen Lösung erfolgen. Dies ist beispielsweise mittels eines Membrankontaktors möglich.
In gewissen Ausführungsformen wird das in Schritt d) kathodisch erzeugte Wasserstoffgas in Schritt a) überführt und oxidiert. Mit anderen Worten findet innerhalb des Verfahrens ein Wasserstoffkreislauf statt (Oxidation in Schritt a), Reduktion in Schritt b), erneute Oxidation in Schritt d)). Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren weitgehend autark Wasserstoff generieren und der Bedarf einer externen Wasserstoffzuführung wird verringert. Da Wasserstofferzeugung typischerweise mit hohem Energieaufwand verbunden ist, bedeutet besagter Wasserstoffkreislauf effiziente Einsparungen.
In gewissen Ausführungsformen wird das saure Oxidationsprodukt aus Schritt a) zum Umsetzen in Schritt b) durch eine erste Transportmembran transportiert, wobei diese Transportmembran an einer Stelle eines Austrittes des sauren Oxidationsproduktes in Kontakt mit der alkalischen carbonathaltigen Lösung steht. Beispielsweise kann eine solche erste Transportmembran eine Gasdiffusionselektrode, ein Gasdiffusionslayer (GDL) und/oder eine Elektrode mit Zero Gap Membran (CEM) aufweisen. Auch kann unter einer ersten Transportmembran ein Gasdiffusionslayer verstanden werden. Insbesondere kann die erste Transportmembran eine Perfluorsulfonsäuremembran aufweisen. Vorzugsweise kann eine derartige Transportmembran auf einem Perfluorsulfonsäure/Polytetrafluorethylen-Copolymer basieren. Materialien für Transportmembranen können ferner oder alternativ insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: PTFE/PTFE-(Polytetrafluorethylen/Teflon-)basierten Membranen, Hydrocarbon-Membranen, sPPS (sulfonierte polyphenylene Sulfone)-Membranen. Beispiele hierfür sind insbesondere dem Fachmann geläufige Membranen, die unter dem Namen Nation, Gore, Fumasep, Fumapem, Aquivion und/oderXion vertrieben werden, wobei eine Nafionmembran oder eine Gore-Select-Membran hierunter bevorzugt ist. Insbesondere kann das saure Oxidationsprodukt im Anodenraum in Schritt a) produziert werden und durch eine solche erste Transportmembran hindurchdiffundieren, wonach das Umsetzen gemäß Schritt b) im Zwischenraum erfolgt.
In gewissen Ausführungsformen werden Metallkationen, z.B. Natriumkationen, aus der carbonathaltigen wässrigen Lösung während des Umsetzens über eine zweite Transportmembran dem Schritt d) des kathodischen Reduzierens zugeführt. Die zweite Transportmembran kann insbesondere die oben genannten Merkmale der ersten Transportmembran aufweisen. Insbesondere können Natriumkationen aus der carbonathaltigen wässrigen Lösung von dem Zwischenraum über eine zweite Transportmembran in den Kathodenraum, in dem Schritt d) durchgeführt werden kann, transportiert werden. Diese Kationen dienen Formal dem Ladungsausgleich gemäß obiger Gleichung (4).
In gewissen Ausführungsformen liegt der pH-Wert der entgasten wässrigen Lösung bei < 5. Insbesondere beträgt dieser pH-Wert ungefähr 2 bis < 5, ferner bevorzugt 3 bis ungefähr 4,5. Dies kann gezielt durch die anodische Oxidation in Schritt 1 erzielt werden. Durch besagten sauren pH-Wert können obige Vorteile erzielt werden.
Gemäß bestimmter Ausführungsformen kann die entgaste wässrige saure Lösung in Schritt d) ebenso mit einer alkalischen wässrigen Lösung in Kontakt gebracht werden. Beispielswiese durch die Reduktion nach Gleichung (4) kann sich eine alkalische wässrige Lösung über die Zeit in dem Kathodenraum anreichern, was zu einem pH-Gradient führt, da die entgaste saure wässrige Lösung am Einlass sauer ist.
Elektrolyseur zur Kohlenstoffdioxidgewinnung
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektrolyseur Kohlenstoffdioxidgewinnung umfassend:

· einen Anodenraum,
· einen Zwischenraum, und
· einen Kathodenraum, wobei

Selbstverständlich umfasst der Elektrolyseur die Merkmale sowie technischen Effekte und des elektrolytischen Verfahrens gleichsam. Der Elektrolyseur gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eingerichtet, das elektrolytische Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Entsprechend wird der Elektrolyseur zur Kohlenstoffdioxidgewinnung in dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt eingesetzt.
Insbesondere ist der Anodenraum eingerichtet, Schritt a) des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Ferner ist insbesondere der Zwischenraum dafür eingerichtet, Schritt b) des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Entsprechend ist der Kathodenraum dafür eingerichtet, Schritt d) des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Ferner ist die Kohlenstoffdioxidentnahmevorrichtung dafür eingerichtet, Schritt c) aus dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
In gewissen Ausführungsformen ist die Kohlenstoffdioxidentnahmevorrichtung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Membrankontaktoren, bevorzugt 3M Liqui-Cel, Wärmetauscher und Kombinationen davon. Bevorzugt wird ein Membrankontaktor eingesetzt. Im Falle eines Wärmetauschers ist dieser eingerichtet, die saure wässrige Lösung zu erwärmen, um ein Ausgasen von Kohlenstoffdioxidgas zu ermöglichen.
Insbesondere ist die erste Transportmembran eine lonentransportmembran, die dazu eingerichtet ist, das saure Oxidationsprodukt von dem Anodenraum in den Kathodenraum zu transportieren. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Transportmembran als lonentransportmembran ausgestaltet sein, welche dazu eingerichtet ist, einwertige Kationen, wie z.B. Natriumkationen, von dem Zwischenraum in den Kathodenraum zu transportieren.
Insbesondere ergibt es sich aus den vorigen Ausführungen der Beschreibung, dass der Elektrolyseur keinen Nanofilter aufweist.
Ferner finden insbesondere keine weiteren Operationen abgesehen von der Kohlenstoffdioxidentnahme zwischen dem Ausgang des Zwischenraums und dem Eingang des Kathodenraums statt. Insbesondere sieht eine fluidische Gesamtverbindung zwischen dem Ausgang des Zwischenraums und dem Eingang des Kathodenraums keine weitere Mischvorrichtung vor, wobei der pH-Wert der sauren wässrigen Lösung und der entgasten sauren wässrigen Lösung im Wesentlichen konstant bleibt.
In gewissen Ausführungsformen weist der Anodenraum ein Anodenmaterial auf, das in direktem Kontakt mit der ersten Transportmembran steht. Das Anodenaktivmaterial ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin, Nickel/Eisen, Nickel/Cobalt, Nickel, Cobalt/Platin, Edelstahl, Iridium, Iridiumoxid, Ruthenium, Rutheniumoxid und Palladium und Kombinationen hiervon. Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial Platin. Das Anodenmaterial kann als Zero Gap Elektrode ausgestattet sein, wobei keinerlei Spalt zwischen dem Anodenmaterial und der ersten Transportmembran vorhanden ist. Weiterhin kann das Anodenmaterial auf Trägern aufgebracht sein. Derartige Träger können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Stahl, Titan und Carbon Paper oder Kombinationen davon. Alternativ kann die Anode als Gasdiffusionselektrode ausgestaltet sein. Die Gasdiffusionselektrode kann beispielsweise Produktvarianten aus der Gore-Primea-Serie umfassen.
In gewissen Ausführungsformen kann vor dem Eingang des Zwischenraums eine Vorrichtung zur Entnahme von Sauerstoff und Stickstoff aus der alkalischen carbonathaltigen wässrigen Lösung vorgesehen sein. Eine derartige Vorrichtung kann analog zu der Kohlenstoffdioxidentnahmevorrichtung ausgestaltet sein.
In gewissen Ausführungsformen kann der Anodenraum einen externen Zulauf für Wasserstoffgas umfassen. Auf diese Weise können gegebenenfalls auftretende Wasserstoffdefizite ausgeglichen werden, die im Rahmen einer Wasserstoffkreislaufführung auftreten könnten.
In gewissen Ausführungsformen kann der Kathodenraum eine der zweiten Transportmembran abgewandte Seite aufweisen, wobei der Eingang des Kathodenraums näher an der abgewandten Seite als an der zweiten Transportmembran angeordnet ist. Dies kann zu einer Alkalisierung der wässrigen Lösung in dem Kathodenraum führen, sodass zwischen der Kathode und der zweiten Transportmembran ein hoher pH-Gradient entsteht. Dadurch wird der Transport von Kationen in den Kathodenraum signifikant verbessert.
In gewissen Ausführungsformen sind der Eingang des Kathodenraums und der Eingang des Zwischenraums derart angeordnet sind, dass ein Flüssigkeitszustrom, der in den Eingang des Kathodenraums eintritt, im Gegenstrom oder im Gleichstrom zu einem Flüssigkeitszustrom, der in den Eingang des Zwischenraums eintritt durch den Elektrolyseur verläuft. Insbesondere hat eine Gegenstromführung den Vorteil, dass entlang der pH-Gradient dasselbe Vorzeichen hat und sich positiv geladene Kationen in den Kathodenraum bewegen.
In gewissen Ausführungsformen weist der Kathodenraum ein Kathodenmaterial auf und das Kathodenmaterial ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin, Nickel, Titan, Carbon Paper oder eine Kombination davon. Insbesondere wird als bevorzugtes Kathodenaktivmaterial Platin verwendet. Besonders bevorzugt ist hierbei Carbon Paper mit einem aufgetragenen Pt/C-Katalysator.
In gewissen Ausführungsformen wird das Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt bei einem Gesamtdruck oberhalb des atmosphärischen Drucks, insbesondere bei einem Gesamtdruck zwischen 2 bar und 50 bar, betrieben.
Der Elektrolyseur gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann bei < 100 °C getrieben werden. Insbesondere kann der bei 60 bis 80 °C betrieben werden. Ferner ist es möglich, dass der Elektrolyseur bei einer Temperatur von mindestens 95 °C und unter 100 °C betrieben wird.
Elektrolysesystem
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Elektrolysesystem umfassend mindestens einen Elektrolyseur gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Selbstverständlich kann ein derartiges Elektrolysesystem eingerichtet sein, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung auszuführen. Das Elektrolysesystem umfasst entsprechend die Verfahrensschritte gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, wie auch die technischen Vorteile entsprechend. Dasselbe gilt in Bezug auf den Elektrolyseur gemäß dem ersten Erfindungsaspekt.
Beispielsweise können mehrere Elektrolyseure gemeinsam innerhalb des Elektrolysesystems verwendet werden. Diese mehrere Elektrolyseure können in Form eines Stackings miteinander verbunden werden. Beispielsweise können zwei Elektrolyseure über einen gemeinsamen Anodenraum miteinander verknüpft werden. Ein weiterer Elektrolyseur kann über eine gemeinsame Kathode mit diesen beiden Elektrolyseuren verknüpft werden. Ein noch weiterer Elektrolyseur kann wiederum über einen gemeinsamen Anodenraum mit diesem weiteren Elektrolyseur verknüpft werden usw.
Verwendung des Elektrolyseurs
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines Elektrolyseurs gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung in einer Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser.
Die Verwendung gemäß dem vierten Aspekt umfasst die technischen Merkmale und Effekte, wie auch Vorteile des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt und dem Elektrolyseur gemäß dem zweiten Aspekt entsprechend.
Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser
Gemäß einem fünften Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser umfassend einen Elektrolyseur gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung oder ein Elektrolysesystem gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Eine solche Anlage kann insbesondere an einem salzhaltigen Gewässer, z.B. einem Meer, positioniert sein. Diese Anlage kann zudem mit Meerwasser als carbonathaltige Lösung betrieben werden.
Ferner kann diese Anlage auch mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrieben werden.
Um auf Wiederholungen zu verzichten sei ausgeführt, dass die Anlage die Merkmale sowie technischen Vorteile und Effekte gemäß den ersten, zweiten, dritten, und vierten Erfindungsaspekten entsprechend aufweist.
Beschreibung der Zeichnungen
Die nachfolgenden Figuren zeigen beispielhaft Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und sind daher keinesfalls beschränkend auszulegen.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 1 gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Gewinnung von Kohlenstoffdioxid aus Meerwasser. Über eine erste Eintragsleitung 13 wird frisches alkalisches Meerwasser mit einem pH von etwa 8,1 einem ersten Membrankontaktor 17a zugeführt, durch welchen dem Meerwasser Sauerstoff und Stickstoff entnommen werden. Über eine zweite Eintragsleitung 14 wird das alkalische Meerwasser in einen Zwischenraum 51 eingeführt, wobei der Zwischenraum 51 zwischen einem Anodenraum 50, enthaltend eine Anode 45, und einem Kathodenraum 52, enthaltend eine Kathode 46, angeordnet ist. Der Anodenraum 50 und der Zwischenraum 51 sind durch eine erste lonentransportmembran 61, die eingerichtet ist, Protonen von dem Anodenraum 50 in den Zwischenraum 51 zu transportieren, getrennt. Der Zwischenraumraum 51 und der Kathodenraum 52 sind durch eine zweite lonentransportmembran 62 getrennt, die eingerichtet ist, Natriumionen von dem Zwischenraum 51 in den Kathodenraum 52 zu transportieren. Diese elektrochemischen Reaktionen werden über eine Wechselspannungsquelle 44 betrieben. Innerhalb des Anodenraums 50 findet an der Anode 45 eine Oxidation von Wasserstoffgas zu einem sauren Oxidationsprodukt statt. Über die erste lonentransportmembran 61 wird dieses saure Oxidationsprodukt in den Zwischenraum 51 überführt, wo es mit dem Meerwasser reagiert, um eine saure wässrige Lösung zu erhalten. Das Wasserstoffgas für die Oxidation wird beispielsweise über Wasserstoffleitung 23 von dem Kathodenraum 52, wo es an der Kathode 46 entsteht, zum Anodenraum 50 transportiert. Die im Zwischenraum 51 erhaltene saure wässrige Lösung enthält gelöstes Kohlenstoffdioxid, das gemäß Gleichung (1) erhalten wird. Über eine erste Ableitung 4 wird die saure wässrige Lösung (pH etwa 4) zu zweiten und dritten Membrankontaktoren 17b, 17c geführt, wo eine Entnahme von Kohlenstoffdioxidgas erfolgt. Ferner wird eine entgaste saure wässrige Lösung (pH etwa 4) enthalten, die über eine zweite Ableitung 5 in dem Kathodenraum 52 überführt wird. Innerhalb des Kathodenraums 52 existiert ein pH-Gradient (hell für den niedrigeren pH, dunkler für den höheren pH), welcher dadurch entsteht, dass in die entgaste wässrige saure Lösung in einen Kathodeneingang 55 eingetragen wird, während innerhalb an der Kathode 46 Hydroxidionen produziert werden. Je nach Verlauf innerhalb des Kathodenraums 52 findet eine Neutralisierung der entgasten wässrigen sauren Lösung über die Hydroxidionen statt. Ferner erhöht sich auch der pH-Wert durch den Verbrauch der formalen Protonen zur Bildung von Wasserstoff gemäß Gleichung (3). Somit entsteht innerhalb des Kathodenraums 52 ein pH-Wert von > 8.1 welcher über eine Meerwasseraustragsleitung 11 in das Meer zurückgeführt werden kann.
2 zeigt ein Beispiel für ein Elektrolysesystem 100 gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Pfeile deuten die stofflichen Einträge und Austräge an, die bereits in 1 gezeigt sind. Entsprechend sind nur die für die hiesige Diskussion relevanten Teile per Bezugszeichen gekennzeichnet. Hierbei sind ein erster Elektrolyseur 1a und ein zweiter Elektrolyseur 1b über deren Anodenraum 50 verknüpft. Ferner ist ein dritter Elektrolyseur 1c mit dem zweiten Elektrolyseur 1b über die Kathode 46 verknüpft. Ein weiterer Elektrolyseur 1n kann entsprechend der vorgenannten Stacking-Technik wiederum über den Anodenraum 50 mit dem dritten Elektrolyseur 1c verknüpft werden, was durch die drei Punkte in der 2 angedeutet ist, usw.
3 zeigt ein Pourbaix-Diagramm für Wasser zu Illustrationszwecken.
Bezugszeichenliste

1: Elektrolyseur
1a: Erster Elektrolyseur
1b: Zweiter Elektrolyseur
1c: Dritter Elektrolyseur
1n: Weiterer Elektrolyseur
11: Meerwasseraustragsleitung
13: Erste Eintragsleitung
14: Zweite Eintragsleitung
17a: Erster Membrankontaktor
17b: Zweiter Membrankontaktor
17c: Dritter Membrankontaktor
23: Wasserstoffleitung
44: Wechselspannungsquelle
45: Anode
46: Kathode
50: Anodenraum
51: Zwischenraum
52: Kathodenraum
55: Kathodeneingang
61: Erste lonentransportmembran
62: Zweite lonentransportmembran
100: Elektrolysesystem

Claims

Elektrolyseur (1) zur Kohlenstoffdioxidgewinnung umfassend: • einen Anodenraum (50), • einen Zwischenraum (51), und • einen Kathodenraum (52), wobei der Zwischenraum (51) zwischen dem Anodenraum (50) und dem Kathodenraum (52) angeordnet ist; der Anodenraum (50) mit dem Zwischenraum (51) über eine erste Transportmembran (61) verbunden ist; der Kathodenraum (52) mit dem Zwischenraum (51) über eine zweite Transportmembran (62) verbunden ist; der Anodenraum (50) und der Kathodenraum (52) über eine Wasserstoffgasleitung (23) fluidisch verbunden sind; der Zwischenraum (51) einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Ausgang fluidisch mit einer Kohlenstoffdioxidentnahmevorrichtung verbunden ist und die Kohlenstoffdioxidentnahmevorrichtung über eine Flüssigkeitsleitung direkt fluidisch mit einem Eingang (55) des Kathodenraums (52) verbunden ist.
Elektrolyseur (1) nach Anspruch 1, wobei der Anodenraum (50) ein Anodenmaterial aufweist, das in direktem Kontakt mit der ersten Transportmembran (61) steht.
Elektrolyseur (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Eingang des Zwischenraums (51) eine Vorrichtung zur Entnahme von Sauerstoff und Stickstoff aus einer alkalischen carbonathaltigen wässrigen Lösung vorgeschaltet ist.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Anodenraum (50) einen externen Zulauf für Wasserstoffgas umfasst.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kathodenraum (52) eine der zweiten Transportmembran (62) abgewandte Seite aufweist und der Eingang des Kathodenraums (52) näher an der abgewandten Seite als an der zweiten Transportmembran (62) angeordnet ist.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Eingang (55) des Kathodenraums (52) und der Eingang des Zwischenraums (51) derart angeordnet sind, dass ein Flüssigkeitszustrom, der in den Eingang (55) des Kathodenraums (52) eintritt, im Gegenstrom oder im Gleichstrom zu einem Flüssigkeitszustrom, der in den Eingang des Zwischenraums (51) eintritt durch den Elektrolyseur (1) verläuft.
Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kathodenraum (52) ein Kathodenmaterial aufweist und das Kathodenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Titan oder eine Kombination davon.
Elektrolysesystem (100) umfassend mindestens einen Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verwendung eines Elektrolyseurs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser.
Anlage zur elektrolytischen Kohlenstoffdioxidgewinnung aus Meerwasser umfassend einen Elektrolyseur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder ein Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 8.
Elektrolytisches Verfahren zur Kohlenstoffdioxidgewinnung unter Verwendung eines Elektrolyseurs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) anodisches Oxidieren von Wasserstoffgas, wobei ein saures Oxidationsprodukt erhalten wird; b) Umsetzen des sauren Oxidationsproduktes mit einer alkalischen carbonathaltigen wässrigen Lösung, wobei eine saure wässrige Lösung erhalten wird; c) Entnahme von Kohlenstoffdioxid aus der sauren wässrigen Lösung, wobei Kohlenstoffdioxidgas und eine entgaste saure wässrige Lösung erhalten werden; d) kathodisches Reduzieren saurer Komponenten der entgasten sauren wässrigen Lösung, um kathodisch erzeugtes Wasserstoffgas zu erhalten, wobei zusätzlich eine alkalische wässrige Lösung erhalten wird, welche einen pH-Wert von 9,4 bis ≥ 8 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das in Schritt d) kathodisch erzeugte Wasserstoffgas in Schritt a) überführt und oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das saure Oxidationsprodukt aus Schritt a) zum Umsetzen in Schritt b) durch eine erste Transportmembran (61) transportiert wird, wobei die Transportmembran (61) an einer Stelle eines Austrittes des sauren Oxidationsproduktes in Kontakt mit der alkalischen carbonathaltigen wässrigen Lösung steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei Metallkationen aus der carbonathaltigen wässrigen Lösung während des Umsetzens über eine zweite Transportmembran (62) dem Schritt d) des kathodischen Reduzierens zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der pH-Wert der entgasten sauren wässrigen Lösung < 5 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die entgaste wässrige saure Lösung in Schritt d) mit einer alkalischen wässrigen Lösung in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 11 bis 15, wobei das Verfahren bei einem Gesamtdruck oberhalb des atmosphärischen Drucks betrieben wird.