DE19718923A1 - Elektrolytische Reduktion von Schwefelsäure zu Schwefelwasserstoff und diese beinhaltender Biomasse-Produktionsprozess - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolytische Reduktion von Schwefelsäure zu Schwefelwasserstoff in einer stark sauren wäßrigen Lösung an einer resistenten Kathode unter Berücksichtigung von Klemmenspannung, Temperatur, Druck und Schwefelsäure-Konzentration als einstellbare Verfahrensparameter und auf einen Biomasse-Produktionsprozeß mittels chemoautotropher Bakterien in einem Energiezyklus mit Einsatz von aus einem Sulfat elektrolytisch erzeugten Schwefelwasserstoff als Energieträger, der durch den bakteriellen Metabolismus wieder zu Sulfat reoxidiert wird.

Schwefelsäure fällt bei vielen Prozessen als Abfall an, der größtenteils bis heute äußerst umweltschädlich auf den Weltmeeren verklappt wird. Eine verfahrenstechnische Entsorgung konzentrierter, heißer Schwefelsäure durch Reduktion zu Schwefelwasserstoff oder Schwefel ist großtechnisch nur auf einem aufwendigen thermischen Wege bei einer sehr hohen Verfahrenstemperatur von ca. 1000°C und einem hohen Verfahrensdruck möglich, was immer noch eine relativ starke Umweltbelastung bedeutet. Eine bekannte elektrolytische Reduktion an teuren Platin-Kathoden bei einer relativ hohen Klemmenspannung führt zur primären Bildung von naszierendem Wasserstoff, der dann die Säure rein chemisch reduziert. Die Stromausbeute als Prozentanteil der eingesetzten Elektrizitätsmenge, die bei der Elektrolyse zur Umwandlung von Schwefelsäure in Schwefelwasserstoff genutzt wird, ist gering, da der Strom hauptsächlich für die Wasserspaltung verbraucht wird. Diese elektrolytische Reduktion an Platinkathoden ist deshalb technisch unbedeutend und überschritt nie den Labormaßstab.

Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, besteht deshalb darin, eine elektrolytische Reduktion von Schwefelsäure zu Schwefelwasserstoff vorzusehen, die als besonders umweltfreundlicher und großtechnisch umsetzbarer Prozeß mit gut einzustellenden Verfahrensparametern abläuft. Dabei sollen die verwendeten Mittel einfach und damit ökonomisch sein. Ziel ist es, das Verfahren in seiner Wirkung so effektiv und umweltschonend zu gestalten, daß es jedem anderen Entsorgungsverfahren vorziehbar ist. Dabei soll es auch im Zusammenhang mit anderen Vorgängen als der reinen Entsorgung, insbesondere im Zusammenhang mit Biomasse- Produktionsprozessen, einsetzbar sein.

Die erfindungsgemäße Lösung hierfür sieht vor, daß die Kathode aus elektrisch leitendem Kohlenstoff, insbesondere aus Graphit, besteht, der in der Schwefelsäure katalytisch wirksam ist und eine Einstellung der Klemmenspannung unterhalb derjenigen ermöglicht, bei der eine Wasserspaltung eintritt, und daß die Einstellung der Temperatur und der Schwefelsäure-Konzentration so gewählt ist, daß die Schwefelsäure in weitgehend undissoziertem Zustand vorliegt.

Von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist die Verwendung einer katalytisch wirksamen Kathode aus elektrisch leitendem Kohlenstoff, beispielsweise aus Ruß oder Holzkohle, insbesondere aber aus Graphit. Diese ist einerseits äußerst preiswert und chemisch stabil, andererseits besitzt sie eine relativ hohe Wasserstoffüberspannung, so daß sie in der Lage ist, den konkurrierenden Wasserspaltungsprozeß zu unterdrücken. Dadurch wird eine besonders hohe Stromausbeute bei der Reduktion erzielt. Darüber hinaus besitzt die Graphitkathode in Schwefelsäure aber auch eine vorzügliche katalytische Eigenschaft, die es erlaubt, eine direkte Reduktion der Schwefelsäure bereits bei einer Klemmenspannung zu erzielen, bei der noch keine Wasserzersetzung stattfindet. Der Grund dafür liegt darin, daß Graphit mit seinem schichtartigen Strukturgitter eine besonders einfache Einlagerungsverbindung mit der Schwefelsäure bildet, deren Reduktion energetisch noch günstiger durchführbar ist. Graphit weist eine Schichtstruktur aus hexagonalen C-Ringen mit konjugierten π-Bindungen und deshalb ein Leitungsband mit delokalisierten Elektronen auf. Es bietet deshalb die Möglichkeit, daß mit Schwefelsäure Einlagerungsverbindungen der Form C_mxH₂SO₄ gebildet werden, in denen die Doppelbindung S=0 des Sulfats mit dem Doppelbindungssystem der hexagonalen C-Ringe in den Schichten konjugiert. Diese Einlagerungs­ verbindungen weisen wegen des einfachen Ladungstransfers vom Leitungsband des Graphits zum Sulfat eine niedrigere Aktivierungsenergie auf. Die Temperatur und die Schwefelsäurekonzentration sind dabei so gewählt, daß die Schwefelsäure in stark undissoziiertem Zustand vorliegt und so zwischen die einzelnen Graphitschichten diffundiert, um die Einlagerungsverbindungen zu bilden, die dann katalytisch reduzierbar sind.

Auch andere Kathoden-Materialien, wie beispielsweise die beiden Schwermetalle Silber und Kupfer, weisen eine relativ hohe Wasserstoff- Überspannung auf. Heiße konzentrierte Schwefelsäure wird chemisch von ihnen zu SO₂ reduziert, das dann elektrochemisch leicht zu Sulfid (S^2-) weiter reduziert wird. Aber das entstandene S^2- reagiert sofort mit dem Silber oder dem Kupfer, was zu einem Oberflächenüberzug (Ag₂S, CuS) der Kathode und damit zu ihrer Unbrauchbarkeit führt. Derartige Materialien eignen sich daher nicht zum Einsatz als katalytisch wirksame Kathode.

Die Moderatheit der einstellbaren Verfahrensparameter aufgrund des Einsatzes einer katalytisch wirksamen Kathode trägt nach den oben gemachten Ausführungen wesentlich zu der Einfachheit und problemlosen Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bei. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn gemäß einer Erfindungsausgestaltung die Klemmspannung in einem Bereich zwischen 0,6 V und 1,9 V, die Temperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 145°C, der Druck bei Atmosphärendruck und die Schwefelsäure- Konzentration in einem Bereich zwischen 5 M (Mol/Liter) und 10 M, insbesondere bei 6,5 M bis 6,7 M, liegt. Oberhalb einer Klemmenspannung von 1,9 V tritt Wasserzersetzung an der Kohlenstoffkathode auf, dadurch verringert sich die Stromausbeute stark. Diese wird auch beeinflußt von der Verfahrenstemperatur. Bei einer konstanten Klemmenspannung unterhalb der Wasserzersetzung ist die Temperaturhöhe für die Stromausbeute maßgebend. Eine Veränderung der Stromdichte als Verhältnis des bei der angelegten Spannung fließenden Stroms zur wirksamen Kathodenfläche beeinflußt diese nur unwesentlich. Durch die Möglichkeit, als Verfahrensdruck den Atmosphärendruck ansetzen zu können, da dieser den Katalysevorgang nicht beeinflußt, entfallen aufwendige Druckkammern zur Erzeugung von Überdruck und entsprechende Sicherheitsmaßnahmen. Die hohe Konzentration der Schwefelsäure ist zusammen mit der Temperatur für deren undissoziierten Zustand in der wäßrigen Lösung und damit für die katalytisch wirksame Einlagerungsverbindung im Kohlenstoff der Kathode erforderlich. Dabei erreicht man höchste Ausbeuten in Form von gasförmigem Schwefelwasserstoff im Bereich von 6,5 M bis 6,7 M. Bei einer Schwefelsäurekonzentration von 9 M bis 10 M bildet sich außerdem Schwefel. Nähere Einzelheiten über den Einfluß der einzelnen Verfahrensparameter sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Schwefelsäure zu Schwefelwasser­ stoff elektrokatalytisch reduziert. Bei einem anderen Sprachgebrauch kann man auch von einer Reduktion von Sulfat zu Sulfid sprechen. Gemeint ist damit jeweils das Säurerest-Anion SO₄ ^2- bzw. S^2-, das mit einem metallischen Ion jeweils zu einem Salz gebildet werden kann. Die gewählte Terminologie soll diesen Sprachgebrauch nicht ausschließen.

Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammenfassend darin, daß erstmalig eine direkte elektrochemische Reduktion von Schwefelsäure zu Schwefel­ wasserstoff an einer Kathode aus einfachem, aber katalytisch wirksamem Kohlenstoff bei einer wesentlichen tieferen Temperatur und mit einer sehr viel höheren Ausbeute als bei dem bekannten Verfahren einfach stattfinden kann. Die Erfindung bietet außerdem die Möglichkeit, eine Anlage zu betreiben, in der Schwefelwasserstoff in einem Energiezyklus gewonnen und als Energiequelle für CO₂-reduzierende Bakterien zur Proteinerzeugung oder zur Erzeugung chemischer Brennstoffe, beispielsweise Methan oder Methanol, bereitgestellt werden kann.

Der bei der Reduktion entstehende Schwefelwasserstoff ist gasförmig. Er ist zudem giftig und äußerst unangenehm im Geruch. Diese Entsorgungsnachteile werden umgangen, wenn erfindungsgemäß nach einer anderen Ausgestaltung zur Bildung von ungiftigem Metallsulfid der gasförmige Schwefelwasserstoff in eine Metallionenlösung geleitet wird. Das entstehende Sulfid ist umweltfreundlich und kann in besonderer Weise beim Biomasse- Produktionsprozeß eingesetzt werden.

Die Grundaufgabe bei einem Biomasse-Produktionsprozeß ist die Fixierung von Kohlenstoff, der dann als bakterielle Biomasse, beispielsweise in Form von Proteinen, Kohlehydraten und Lipiden, zur Weiternutzung zur Verfügung steht. Ein Biomasse-Produktionsprozeß mit einem natürlichen Energiezyklus läuft zum Beispiel in großer Meerestiefe um vulkanische Schlote herum ab. Die aufzubringende Energie ist hier geothermischer Natur. Eine wirksame Methode, solare Energie zur Fixierung von CO₂ zu nutzen, besteht darin, die Nahrungsquelle, beispielsweise S^2- oder S₀, chemoautotropher Bakterien (Thiobacillus ferrooxidans) mit photovoltaischer und thermischer Energie elektrochemisch herzustellen. Derartige Bakterien gewinnen die zum Stoffaufbau notwendige Energie durch Chemosynthese als Form der Kohlenstoffassimilation. Da die Mikroorganismen über den Calvin-Zyklus die ihnen zur Verfügung gestellte chemische Energie sehr effektiv nutzen, kann bei einer Herstellung der Nahrungsquelle mit einem hohen Ausbeutegrad auch die photovoltaisch zur Verfügung gestellte Energie mit einem hohen Wirkungsgrad genutzt werden. Eine derartige Biomasse-Produktion könnte langfristig ein Beitrag zur Lösung des Welthunger- und des Energieproblems sein.

Aus dem Aufsatz "Photovoltaisch-biologisch betriebener Energiezyklus zur effizienten Fixierung von Kohlendioxid" von H. Tributsch, 8. ISF '92 Berlin, Tagungsbericht, Band 1, Seiten 42 bis 46, ist es bekannt, daß es denkbar ist im Rahmen von Bestrebungen zur Reduktion der Kohlendioxid-Emission Techniken zur Rezyklierung von Kohlendioxid anzuwenden. Dabei ist es sinnvoll, daß diese direkt an Einrichtungen gekoppelt werden, welche CO₂ in konzentrierter Form freisetzen, beispielsweise Kraftwerke. Solche Einrichtungen emittieren auch Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff aus schwefelhaltigen Brennstoffen. Deren chemische Energie kann von den Bakterien ebenfalls gut genutzt werden. Die Schwefelverbindungen würden dabei durch den bakteriellen Metabolismus zu Sulfat oxidiert werden. Das bedeutet, daß Schwefelverbindungen in den Energiezyklus integriert werden könnten, wenn es gelingt, Sulfat zu Sulfid mit moderaten Verfahrensparametern zu reduzieren. Eine solche Reduktion wird in der Natur nur bei erhöhten Temperaturen und Drücken beobachtet.

Bei einem derartigen Biomasse-Produktionsprozeß mittels chemoautotropher Bakterien in einem Energiezyklus mit Einsatz von aus einem Sulfat elektrolytisch erzeugten Schwefelwasserstoff als Energieträger, der durch den bakteriellen Metabolismus wieder zu Sulfat reoxidierbar ist, kann deshalb nach der Erfindung vorgesehen sein, daß das Sulfat über einen Anionentauscher als Schwefelsäure abtrennbar ist und die elektrolytische Reduktion zu gasförmigem Schwefelwasserstoff nach einem der weiter oben beschriebenen Verfahrensausgestaltungen katalytisch erfolgt. Die dort vorgeschlagene Kohlenstoff-Kathode, insbesondere aus Graphit, weist die entsprechenden Eigenschaften auf. Die Verfahrensparameter sind moderat und daher ohne größeren apparativen Aufwand einzustellen. Der Ausgangsstoff Schwefelsäure steht in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung. Die Abtrennung des durch bakterielle Reoxidation entstandenen Sulfats aus der Nährlösung durch Anionentauscher und dessen Rezyklierung zur elektrolytischen Reduktion ermöglicht jedoch einen Kreislauf, in dem sich das erfindungsgemäße katalytische Reduktionsverfahren optimal in den Biomasse-Produktionsprozeß mit Energiezyklus einpaßt.

Die moderaten Verfahrensparameter begünstigen darüberhinaus noch eine weitere Möglichkeit. Dabei ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß bei der elektrokatalytischen Reduktion im oben beschriebenen Rahmen der zur Erzeugung der Klemmenspannung erforderliche elektrische Strom photovoltaisch und die zur Erzeugung der Temperatur erforderliche Wärme über Sonnenkollektoren gewonnen wird. Durch die dabei vorliegende ausschließliche Nutzung der Sonnenenergie kann das Verfahren und damit der Biomasse-Produktionsprozeß mittels sulfid-gefütterter, CO₂-re­ duzierender chemoautotropher Bakterien auch in ariden Gegenden vorgenommen werden. Das bedeutet eine Produktion von Biomasse an den Orten, wo aufgrund der absoluten Wasserknappheit ein Nahrungsmangel herrscht.

Als weitere Möglichkeit ist es daneben gemäß einer anderen Erfindungsausgestaltung besonders sinnvoll und günstig, wenn die wie oben beschrieben erzeugte Biomasse in einem Energie-Produktionsprozeß in chemische Energieträger, z. B. Methan oder Alkohol, umgewandelt wird. Bei den Umwandlungsverfahren kann es sich hierbei beispielsweise um Gärung oder Pyrolyse handeln. Durch diese Umwandlung kann ein wertvoller Beitrag zur Lösung des weltweiten Energieproblems geliefert werden. Gerade aber auch in Gebieten, in denen aufgrund der herrschenden Trockenheit ein Nahrungsmangel vorliegt, herrscht oftmals auch akuter Brennstoffmangel. Eine Kombination der Produktionsprozesse für Biomasse und Energie ist deshalb für solche Gebiete von besonderem Interesse.

Weitere Einzelheiten zu den beschriebenen Prozessen sind dem anschließenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.

Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Laboraufbaus zur Durchführung der erfindungsgemäßen elektrolytischen Reduk­ tion,

Fig. 2 eine Tabelle mit Versuchsergebnissen,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Stromausbeute und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Biomasse-Produktions­ prozesses mit Energiekreislauf.

In Fig. 1 ist eine Laborapparatur 1 zur Durchführung der erfindungsgemäßen Reduktion dargestellt. Sie besteht bei der im Labormaßstab benutzten Ausführung aus einem einfachen U-Rohr 2 aus Glas mit einer Schenkellänge von 250 mm und einem Innendurchmesser von 30 mm. An beiden Enden sind mehrere Schliffe vorgesehen. Diese dienen zur Aufnahme von zwei Liebigkühlern 3 und 4, zwei Thermometern 5 und 6 sowie zwei Teflonstopfen 7 und 8. Über zwei weitere Öffnungen 9 und 10 werden über Wulfsche Flaschen kontrolliert Luftströme zur Austreibung der entstehenden Gase zugeführt. Im Teflonstopfen 7 ist eine Anode 11 gasdicht befestigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um eine Spirale aus Platindraht von 500 mm Länge und 1 mm Durchmesser. Im anderen Teflonstopfen 8 ist eine Kohlenstoff-Kathode 12 fixiert. Diese besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Graphitblock mit den Maßen 125 × 10 × 10 mm, um dessen oberen zylindrischen Teil ein Platindraht 13 fest umwickelt ist, der mit dem Teflonstopfen 8 gasdicht verbunden ist.

Das Glasrohr 2 wird mit konzentrierter Schwefelsäure H₂SO₄ (das Molekül- Molgewicht beträgt ungefähr 98 g) in wäßriger Lösung in stark undissoziiertem Zustand gefüllt. Nach Anlegen der Klemmenspannung U_K unterhalb einer Spannung, bei der Wasserspaltung eintreten würde, zwischen Anode 11 und Kathode 12 beginnt bei einem Druck P_R bei Atmosphärendruck und einer Temperatur T_R von ca. 120°C die Reduktion der zwischen den einzelnen Graphitschichten der Kathode 12 eingelagerten Schwefelsäure. Das dort durch elektrokatalytische Reduktion entstehende Schwefelwasserstoffgas H₂S wird durch Ableitung aus der Kathodenkammer getrennt und in einem Gefäß 14, das eine wäßrige Metallionenlösung, beispielsweise Pb(CH₃COO)₂ oder CuSO₄, enthält, als ungiftiges Sulfid MS ausgefällt. Bei sehr hohen Schwefelsäurekonzentrationen von ca. 9 M bis 10 M (Mol/Liter) bildet sich außerdem Schwefel. Weitere Einzelheiten zu den Verfahrensparametern sind der Beschreibung der folgenden Figuren zu entnehmen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Ergebnisse von Ausführungsbeispielen bei Verwendung einer Graphitkathode, bei denen die Stromausbeute als Prozentanteil der Elektrizitätsmenge, die bei der Elektrolyse in Schwefelwasserstoff umgewandelt wurde, als Funktion der Temperatur T_K, der Klemmenspannung U_K und der Schwefelsäurekonzentration K. In einer Schwefelsäure mit einer Konzentration K = 6,7 M (durchgezogene Kurven A, B und C in Fig. 3) wurden bereits bei einer Klemmenspannung U_K = 0,6 V Spuren von Schwefelwasserstoff mit Hilfe von Bleiacetatpapier nachgewiesen. Aufgrund des bei der geringen Klemmenspannung U_K und des - bei der Laborapparatur - erreichten, sehr kleinen Stromes von einigen µA konnte Bleisulfid in vertretbarer Zeit nicht in gravimetrisch bestimmbarer Menge ausgefällt werden. Eine Extrapolation der durchgezogenen Kurven A und B zeigt jedoch, daß auch bei U_K = 0,6 V die Stromausbeuten von ca. 60% bzw. 45% zu erwarten sind. Diese in vertretbarer Zeit zu bestimmen, erfordert jedoch eine Apparatur mit entsprechend großer Kathodenfläche, wie sie in einem realen großtechnischen Aufbau ohne weiteres zu realisieren ist.

Die Kurven A,B und C unterscheiden sich im Parameter der Reduktionstemperatur T_R (A: 121°C, B: 116°C, C: 102°C). Ein starkes Maximum bei der Stromausbeute von 80% ergibt sich bei Kurve A bei einen Klemmenspannung U_K = 1,9 V. Bei den Kurven B und C ist das Maximum weniger ausgeprägt. Der starke Abfall der Ausbeute bei einer Klemmenspannung U_K < 1,9 V ist bedingt durch den immer größer werdenden Anteil des für die Wasserspaltung verbrauchten Stromes. Für eine höhere Ausbeute bei gleicher Klemmenspannung U_K ist somit eine höhere Temperatur T_R und nicht eine höhere Stromdichte maßgebend.

Die strichliert dargestellte Kurve D wurde für eine stark konzentrierte Schwefelsäure mit einer Konzentration K = 9,7 M bei einer Temperatur T_R = 145°C erstellt. Bei dieser Siedetemperatur wurde nur eine maximale Stromausbeute von ca. 22% erzielt. Diese im Vergleich zu der geringeren Konzentration K = 6,7 M erreichte Ausbeute ist darin begründet, daß bei dieser hohen Konzentration ein nicht unerheblicher Teil des Stromes für die Bildung von elementarem Schwefel verbraucht wird. Es ist auch möglich, daß eine teilweise Rückoxidation des primär gebildeten Schwefelwasserstoffs durch die Schwefelsäure dieser Konzentration stattfindet. Weitere Interpretationen der Kurven können der Tabelle in Fig. 2 entnommen werden.

Im Labor wurden auch zum Vergleich Reduktionsversuche bei den entsprechenden oben genannten Siedetemperaturen mit der bekannten Platin- Kathode durchgeführt. Die hier nicht weiter dargestellten Ergebnisse zeigen jedoch deutlich, daß eine geringe Bildung von Schwefelwasserstoff bzw. Schwefel nur bei einer hochkonzentrierten Schwefelsäure mit K = 9,7 M oberhalb einer Klemmenspannung U_K auftritt, bei der primär die Wasserzersetzung eintritt.

In Fig. 4 ist ein Schema eines Prozesses zur solar-elektrolytischen Reduktion von Sulfat zu Sulfid und zur bakteriellen Biomasse-Produktion in einem Energiezyklus dargestellt. Dieser findet im wesentlichen in zwei Reaktoren statt. In einem Elektrokatalyse-Reaktor 15 wird die Schwefelsäure nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Schwefelwasserstoff elektrokatalytisch durch ausschließliche Nutzung von Solarenergie reduziert. Der bei der Reduktion der Schwefelsäure gebildete Schwefelwasserstoff wird in eine wäßrige CuSO₄- Lösung geleitet.

Das gefällte CuS wird abgetrennt und einem bakteriellen Biomasse-Reaktor 16 zugeführt. Hier dient es Thiobacillus ferrooxidans-Bakterien mit der Konzentration von 15.000 Bakterien/µl in einer Nährlösung aus MgSO₄ und K₂HPO₄ und Spurenelementen (pH ≅ 1,8) als Nahrung. Dabei wird das Sulfid bakteriell zu Sulfat reoxidiert. Die dabei freiwerdende Energie wird für den Metabolismusprozeß (Stoffwechselprozeß) der Bakterien zur Fixierung von CO₂ und H₂O sowie zur Bildung von Biomasse durch Bakterienwachstum verwendet. Nach der Adaption der Bakterien an dem CuS erhöht sich dabei die Bakterienkonzentration in 2 bis 3 Wochen um ein Vielfaches. Das bei der bakteriellen Reoxidation entstehende Sulfat wird aus der Nährlösung mit Hilfe eines Anionentauschers 17 (beispielsweise Amberlyst A-26) als H₂SO₄ abgetrennt und zum Elektrokatalyse-Reaktor 15 zur elektrokatalytischen Reduktion rezykliert.

Durch die ausschließliche Nutzung von Solarenergie und die einfachen Verfahrensmittel sowie einfach einzustellenden Verfahrensparameter kann dieser Biomasse-Produktionsprozeß auch in ariden Gebieten in einem weitgehend geschlossenen Wasserkreislauf stattfinden. Damit könnte an den Orten, wo durch die große Trockenheit ein Nahrungsmangel zu größten Hungerproblemen unter der Bevölkerung führt, direkt wertvolle Biomasse hergestellt und so zur Lösung des Welthungerproblems beigetragen werden. Gleiches gilt für eine Energieproduktion bzw. -umwandlung aus der so gewonnenen Biomasse. Durch einfache Umwandlungsverfahren, wie beispielsweise Gärung oder Pyrolyse, entsteht hochwertiger Brennstoff, beispielsweise in Form von Methan oder Alkohol, direkt in den ariden Gebieten, die zusätzlich auch unter akutem Brennstoffmangel leiden. Darüberhinaus ist eine derartige Brennstofferzeugung natürlich auch weltweit bei der Lösung des Energieproblems von besonderer Bedeutung.

Bezugszeichenliste

U_K

Klemmenspannung
T_R

Reduktionstemperatur
P_R

Reduktionsdruck
K Schwefelsäurekonzentration
MS Metallsulfid
e⁻ Solarstrom
Q Solarwärme

1

Laborapparatur

2

U-Rohr

3

Liebigkühler

4

Liebigkühler

5

Thermometer

6

Thermometer

7

Teflonstopfen

8

Teflonstopfen

9

Öffnung

10

Öffnung

11

Anode

12

Kohlenstoff-Kathode (Graphit)

13

Platindraht

14

Gefäß

15

Elektrokatalyse-Reaktor

16

Biomasse-Reaktor

17

Anionentauscher

Claims (7)

1. Elektrolytische Reduktion von Schwefelsäure zu Schwefelwasserstoff in einer stark sauren wäßrigen Lösung an einer resistenten Kathode unter Berücksichtigung von Klemmenspannung, Temperatur, Druck und Schwefelsäure-Konzentration als einstellbare Verfahrensparameter, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (12) aus elektrisch leitendem Kohlenstoff, insbesondere aus Graphit, besteht, der in der Schwefelsäure katalytisch wirksam ist und eine Einstellung der Klemmenspannung (U_K) unterhalb derjenigen ermöglicht, bei der eine Wasserspaltung eintritt, und daß die Einstellung der Temperatur (T_R) und der Schwefelsäure-Konzentration (K) so gewählt ist, daß die Schwefelsäure in weitgehend undissoziertem Zustand vorliegt.

2. Elektrolytische Reduktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmenspannung (U_K) in einem Bereich zwischen 0,6 V und 1,9 V, die Temperatur (T_R) in einem moderaten Bereich zwischen 100°C und 145°C, der Druck (P_R) bei Atmosphärendruck und die Schwefelsäure-Konzentration (K) in einem Bereich zwischen 5 M und 10 M, insbesondere bei 6,5 M bis 6,7 M, liegt.

3. Elektrolytische Reduktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von ungiftigem Metallsulfid (MS) der gasförmige Schwefelwasser­ stoff leicht abtrenn- und durch eine Metallionenlösung (14) leitbar ist.

4. Biomasse-Produktionsprozeß mittels chemoautotropher Bakterien in einem Energiezyklus mit Einsatz von aus einem Sulfat elektrolytisch erzeugten Schwefelwasserstoff als Energieträger, der durch den bakteriellen Metabolismus wieder zu Sulfat reoxidierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sulfat über einen Anionentauscher (17) als Schwefelsäure abtrennbar ist und die elektrolytische Reduktion (15) zu gasförmigem Schwefelwasserstoff katalytisch nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3 erfolgt.

5. Biomasse-Produktionsprozeß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der elektrokatalytischen Reduktion (15) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3 der zur Erzeugung der Klemmenspannung (U_K) erforderliche elektrische Strom (e⁻) photovoltaisch und die zur Erzeugung der Temperatur (T_R) erforderliche Wärme (Q) über Sonnenkollektoren gewonnen wird.

6. Biomasse-Produktionsprozeß nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem gasförmigen Schwefelwasserstoff durch Leitung durch ein Metallionenbad (14) zunächst ein ungiftiges Metallsulfid bildbar ist, das dann den chemoautotrophen Bakterien zuführbar (16) ist.

7. Biomasse-Produktionsprozeß nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hiermit erzeugte Biomasse in einem Energie-Produktionsprozeß in chemische Energieträger umwandelbar ist.