EP4188583A1 - Verfahren und anlage zur abtrennung von kohlendioxid aus der luft - Google Patents

Verfahren und anlage zur abtrennung von kohlendioxid aus der luft

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EP4188583A1
EP4188583A1 EP20757834.5A EP20757834A EP4188583A1 EP 4188583 A1 EP4188583 A1 EP 4188583A1 EP 20757834 A EP20757834 A EP 20757834A EP 4188583 A1 EP4188583 A1 EP 4188583A1
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EP
European Patent Office
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solution
carbon dioxide
hydrogen
absorber
absorption
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Application number
EP20757834.5A
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English (en)
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Inventor
Johannes Szivacz
Aleksander MAKARUK
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Axiom Angewandte Prozesstechnik GmbH
Original Assignee
Axiom Angewandte Prozesstechnik GmbH
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Publication date
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    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a method and a plant for separating and recovering carbon dioxide from the air.
  • a modern method of separating carbon dioxide practiced by the Swiss company Climeworks in Switzerland and Iceland, for example, consists of blowing ambient air over filters with numerous huge fans, the surface of which is impregnated with amines, to which the acidic CO2 is adsorbed. The subsequent desorption takes place by heating the "loaded" filters, which requires enormous amounts of thermal energy.
  • the waste heat from power plants or incinerators can (at least largely) be used for this purpose, the energy consumption of the process itself remains enormous. This is mainly because during desorption simply by heating the filter - which takes place in the presence of air - a product gas is obtained which, in addition to CO2, also contains relatively large amounts of N2 (typically at least 5% by volume), the separation of which is extremely complex is.
  • US 2010/059377 A1 discloses a method for removing CO2 from the exhaust gas from factories, in particular from plants for generating electricity by burning fossil fuels and coal gasification plants. This involves absorption of the CO2 and other components of the exhaust gas in a 10-50% aqueous K2CO3/KHC03 solution in a spray tower, followed by ion exchange to remove multivalent cations, after which the solution is pressurized from 2 to 200 atm, preferably > 30 atm. During subsequent electrodialysis using bipolar dialysis membranes, some of the hydrogen carbonate ions are removed.
  • the main disadvantage of this method is the strongly acidic pH value of the process stream enriched in CO2, which on the one hand results in the need to apply high pressures during dialysis, which increases both the energy and the equipment costs when carrying out the method increased enormously, and which on the other hand causes a considerably higher energy requirement for dialysis, since this increases proportionally to the pH difference between the concentrate and the diluate-side solution, as is also described in US 2010/059377 A1.
  • this CO2-containing solution is electrodialyzed using a combination of a) bipolar and b) ion exchange membranes selective for mono- or polyvalent anions, whereupon the resulting solution, enriched in (hydrogen) carbonate ions, is subjected to thermal desorption of the CO2 by means of steam stripping and subsequent separation of the CO2 from the resulting CO2-water vapor mixture by means of cooling to condense the water vapor, with the two after the dialysis or after the steam stripping, in each case CO2-depleted solutions are recycled - optionally after adjustment of their pH value. After optional further drying of the CO2, it can even be extracted from the ambient air in a highly pure and relatively energy-efficient manner.
  • the aim of the present invention was therefore to provide an improved method in order to be able to extract CO2 from the air in at least the same high degree of purity, but with even less energy expenditure than before.
  • the present invention achieves this goal in a first aspect by providing a method for separating and recovering carbon dioxide from the ambient air, comprising the continuous implementation of the following steps: a) contacting ambient air with a basic aqueous solution of at least one alkali or alkaline earth metal cation to absorb the carbon dioxide into the solution to form the bicarbonate or carbonate of the at least one metal; b) Electrodialysis of the resulting solution using a combination of bipolar and anion-selective ion exchange membranes to obtain a (hydrogen) carbonate ion-enriched and a depleted solution, each having a pH > 7, the (hydrogen) carbonate ion-depleted solution is recycled to step a); c) separating the carbon dioxide from the solution enriched in (hydrogen) carbonate ions, a solution depleted in CO2 being obtained which is recycled to step b); and d) optionally drying and purifying the separated carbon dioxide; the method according to the invention being characterized in that
  • step a) the absorption in step a)
  • Aiii) is carried out in a combination of at least one absorber and at least one open basin; and or
  • Bii takes place by chemical reaction of the (hydrogen) carbonate ions, in which the CO2 contained is converted into a water-insoluble salt or a gas and is thereby removed from the solution;
  • step C) the pH value of each of the two solutions obtained in step b) by means of electrodialysis is measured before recycling to step a) or before separating off the carbon dioxide in step c) and in each case adjusted to a predetermined value; with the proviso that if the absorption is not carried out according to Aiii) in a combination nation of at least one absorber and at least one basin, but the Separation of the carbon dioxide according to Bi) takes place by thermal desorption of the carbon dioxide by means of steam stripping, the pH value according to C) is measured and adjusted.
  • the inventors can extract CO2 from the air with even greater purity than their previous method and with even greater energy efficiency.
  • the absorption of the CO2 from the ambient air can be carried out in a known manner in one or more absorbers (feature Ai)) or in one or more open basins (feature Aii)), which, however, are preferably not natural or artificial stagnant bodies of water, but purposely built , For example brick, and particularly preferably relatively shallow pools, or as a new feature Aiii) in a combination thereof, which will be discussed in more detail later.
  • the carbon dioxide can also be separated either in a known manner by thermal desorption of the carbon dioxide by means of steam stripping (feature Bi)), or as a new feature Bii) by chemical reaction of the (hydrogen) carbonate ions, in which the CO2 is converted into a water-insoluble salt or a gas and can be easily removed from the solution in this form, which will also be discussed in more detail later.
  • the new method of the inventors now includes the pH measurement and adjustment of the two solutions obtained by electrodialysis in step b) before their forwarding to step c) or recycling to step a), preferably immediately after of electrodialysis. Based on the result of the pH value measurement, the ratio between hydrogen carbonate and carbonate ions can be determined (see, for example, FIG. 1) and it can also be determined how much CO2 has been absorbed over a period of time. This enables exact pH regulation and the setting of the other parameters and concentrations of the solutions that are desirable for the most efficient possible process management.
  • the required amount of reactants can be determined in this way before the solution enriched in (hydrogen) carbonate ions by electrodialysis enters the reactor is initiated.
  • the pH can be determined in any known way, for example colorimetrically, potentiometrically or with ion-sensitive field effect transistors.
  • the ionic balance can also be determined by means of other, equivalent methods, for example chromatography or the like, without departing from the spirit of the present invention.
  • the method according to the invention of course necessarily includes that the pH determination and regulation according to feature C) at the indicated Position is carried out in the process, as is also shown in FIG.
  • the (Flydrogen) carbonate ions are electrodialyzed from a first to a second alkaline solution, ie between solutions with a small pFI difference, which reduces the energy requirement of the dialysis step.
  • the pH of the solution is preferably set to at least 7.5, but can also be set to at least 8.0 in particularly preferred embodiments, so that the absorbed CO2 is not present as relatively unstable carbonic acid, but entirely in the form of flydrogen carbonate or carbonate ions can be adjusted to at least 10.0 or even at least 11.0, the latter causing the carbon dioxide absorbed therein to be essentially in the form of CO 3 2 ions.
  • Figure 1 shows a graphical representation of the pFI dependent balance between the three species. The pH values to be preferred in each case will be discussed in more detail later.
  • a solution of alkali metal ions is preferred to one of alkaline earth metal ions for the absorption, more preferably a basic solution of Na + - or K + -ions, especially Na t ions for cost reasons.
  • Such electrolyte systems are stable, ie there is no exchange or loss of the electrolyte ions with or to the atmosphere.
  • additional chemicals such.
  • B. methanol or formaldehyde although the sorption capacity of the Absorption solution or the sorption rate can be increased, but this is not necessary for the operation of the system disclosed and is therefore not preferred for reasons of cost and environmental protection.
  • the absorption in step a) according to feature Aiii) is carried out in a combination of at least one absorber and at least one open basin because the advantages of both variants can thereby be used according to the respective boundary conditions.
  • An absorber enables the absorption of large amounts of CO2 in a relatively short time, but requires energy to operate, while absorption in a basin can take place with almost no energy input, but it takes a relatively long time to absorb larger amounts.
  • the order in which the absorption solution passes through the various types of absorption stations is not particularly restricted according to the present invention, ie it can first keitsstand through one or more, preferably large-area pools with low liquid, ie shallow pools, in which they It can remain for a long time and absorb CO2, after which it is pumped through one or more absorbers to further increase the amount of carbon dioxide absorbed. Or it can also alternately pass several different stations, which is not preferable.
  • the absorption is carried out first in at least one absorber and then in at least one open tank, since the solution of the at least one alkali metal or alkaline earth metal cation recycled from the electrodialysis usually still has an elevated temperature.
  • This causes a "chimney effect" inside the closed absorber, which is preferably a spray scrubber or spray tower or a packed column, ie the air in the absorber heats up when it comes into contact with the warm or hot solution, resulting in buoyancy has, which causes the air to move upwards by itself or at least supports it.
  • the already partially enriched in (hydrogen) carbonate ions and during the treatment in the at least A solution that has cooled down by at least one absorber will then absorb more CO2 more easily, since a higher temperature would impede absorption.
  • these pools are preferably arranged at different heights and are passed in the order from the highest to the lowest so that the transfer can take place by gravity in order to avoid having to use pumps .
  • the absorption in step a) is carried out in at least one absorber, the bottom of which has a sump or collection container in which the solution enriched by absorption with (hydrogen) carbonate ions is temporarily stored before it is passed on to the next absorber or to an open tank or to electrodialysis.
  • the possibility of such an interim storage offers an additional time window in the process according to the invention if it cannot be operated with constant volume flows due to certain circumstances, e.g. lack of electricity or unfavorable weather.
  • C02 absorption can be continuous, without interruptions, maximizing C02 yield, while electrodialysis can be activated and deactivated intermittently depending on the availability of inexpensive electrical energy, making the process as low as possible overall costs can be operated.
  • the solution that has already been partially enriched with (hydrogen) carbonate ions can, in some embodiments, cool down further in such an intermediate store for the above reasons before it is passed on to an open basin. In any case, however, during such an interim storage, there is still further absorption of CO2 from the gas space, which is why such a sump or collecting container can be regarded here as an additional absorber, as will be explained in more detail in the examples below.
  • packed columns, spray scrubbers or spray towers, particularly preferably a spray scrubber, are preferably used according to the present invention or spray tower, are used for absorption, since the latter in particular can be operated in a very energy-efficient manner.
  • any devices for promoting the absorption of the CO 2 gas into the alkaline solution can be used in order to shorten the time required for the absorption of a certain amount of CO 2 gas and to increase the yield of the process of the invention per unit time, such as, for example Jet, immersion, vortex, rotary or Venturi scrubbers.
  • step a) is also carried out in at least one absorber and the order in which it is carried out, if both at least one absorber and at least one open basin are used, it will be used if at least one open basin is also used preferably carried out in at least one open basin, above which at least one cover is placed at a distance suitable to limit the evaporation of water from the aqueous absorption solution. Since open tanks are usually provided outdoors, a not inconsiderable amount of water can otherwise be lost, for example due to heating of the solution by solar radiation or due to wind, which can cause the pH value to shift into an undesirable range or saturation of the solution with CO2 is reached earlier. This is counteracted by providing a cover, e.g. The cover preferably has at least a large part of the area of the basin or essentially the same or even a larger area in order to increase the effect.
  • the cover preferably includes a photovoltaic system, whereby at least part of the electrical energy for carrying out the method can be obtained from sunlight, which further increases the energy efficiency of the method according to the invention.
  • the at least one open basin has integrated dividing walls, between which or around which the basic aqueous Solution of the at least one alkali or alkaline earth metal cation is guided in a meandering manner to absorb the carbon dioxide, which increases its residence time in the tank, also ensures better mixing of the solution during contact with the ambient air and, above all, back-mixing with the continuously flowing, is suppressed by a slightly poorer absorption solution in terms of CO2.
  • step b) of the process according to the invention is carried out in an electrodialysis separator in which a combination of bipolar ion exchange membranes and ion exchange membranes selective for monovalent or polyvalent anions are used for the electrodialysis, since these membranes enable the electrodialysis of (hydrogen )Carbonate ions are able to perform in a very efficient manner.
  • (hydrogen) carbonate ions here means throughout “hydrogen carbonate and/or carbonate ions”.
  • the separation of the carbon dioxide in step c) according to feature Bi) is performed in a known manner by optionally vacuum-assisted thermal desorption of the carbon dioxide by means of steam stripping, the carbon dioxide being mixed from the resulting carbon dioxide-water vapor mixture particularly preferably by means of simple cooling to condense the water vapor and, if appropriate, by means of subsequent further drying.
  • this requires an evaporator to generate the water vapor, which of course entails a considerable energy requirement for the process.
  • the method according to the invention can be carried out more economically using steam stripping by i) to generate the steam in step c) and / or to heat the solution obtained in step b), which is enriched in (hydrogen) carbonate ions, before steam stripping in Step c) waste heat from a power station or factory is used; and/or ii) direct current from renewable energy sources is used for the electrodialysis in step b).
  • the location of the plant for carrying out the method according to the invention therefore also plays a not insignificant role.
  • the carbon dioxide is separated off in step c)--in addition or as an alternative to steam stripping according to B1)--by chemical reaction of the (hydrogen)carbonate ions according to feature Bii).
  • steam stripping is preferably carried out first in order to already separate a large part of the absorbed CO2, after which the remainder can be removed from the solution by means of chemical reactions.
  • the separation takes place exclusively according to Bii) by chemical reactions.
  • reaction product of the (hydrogen) carbonate ions with one or more reactants to be mixed in the reactor with the absorbed CO2-enriched solution from the electrodialysis either is a sparingly soluble precipitate or a gas, each of which is easily removable from the reaction mixture.
  • a solution of at least one alkali metal cation is used for the absorption, in which a pH value of at least 11 is particularly preferably set, so that the carbon dioxide absorbed therein is essentially present in the form of CO 3 2 ions.
  • one or more alkaline earth metal ions preferably Ca 2+ or Mg 2+ , due to the ready availability and de facto insolubility in water, especially Ca 2+ , are then added to form MgCC>3 or CaCC>3, respectively falls out immediately as a precipitate from the solution and can be separated in a particularly simple manner, preferably by sedimentation or filtration, from the solution to be recycled for electrodialysis, which has now again been depleted of carbonate.
  • hydrocarbons formed in this way escape directly from the solution, but according to the present invention this can preferably be supported by applying a negative pressure in the reactor, whereby the gas from the reactor room is sucked off.
  • the outgassing can be supported by means of ultrasound.
  • methane is preferably formed from carbonate ions as a gaseous reaction product according to the following equation according to the present invention:
  • Hydrocarbon mixtures can also be formed by the electrochemical reductions of the present invention, such as a mixture of methane and ethylene according to the following equation:
  • the solutions depleted in (hydrogen) carbonate ions in the respective method step and then recycled are each subjected to a heat exchange, e.g. with a solution enriched therein, in order to further improve the energy balance of the method.
  • the relatively cold solution obtained in step b), enriched in (hydrogen) carbonate ions, prior to steam stripping can undergo a heat exchange i) with the steam stripping that has already been subjected, relatively subjected to hot solution prior to recycling it to step b) to heat the former solution and cool the second solution; and/or ii) with the carbon dioxide/water vapor mixture obtained in steam stripping in order to heat them and cool the carbon dioxide/water vapor mixture to condense the water vapor.
  • the condensate obtained when the carbon dioxide/steam mixture is cooled can also be recycled to step b) and/or recycled to step c) and steam can be generated again therefrom for steam stripping.
  • a second aspect of the present invention provides a system for continuously carrying out the method according to the first aspect, the system according to the invention comprising the following devices or sections of the system in fluid communication with one another via corresponding connecting lines: a) at least one absorber or at least one open basin for contacting ambient air with an aqueous solution of at least one alkali or alkaline earth metal cation to absorb the carbon dioxide to form the bicarbonate or carbonate of the at least one metal; b) an electrodialysis separator comprising a combination of bipolar ion exchange membranes and anion-selective ion exchange membranes for carrying out an ion exchange to obtain a solution enriched in (flydrogen) carbonate ions and a solution depleted thereon, and a line for recycling the (hydrogen) )Carbonate ions depleted solution to a); c) means for separating the carbon dioxide from the solution enriched in (hydrogen) carbonate ions, and a line for recycling the solution thus depleted in
  • Aiii) comprises a combination of at least one absorber and at least one open basin;
  • the means for separating the carbon dioxide from the solution enriched in (hydrogen) carbonate ions comprise:
  • Bi a desorption column for carrying out steam stripping of the (hydrogen) carbonate ion-enriched solution to obtain a carbon dioxide-water vapor mixture
  • Bii a reactor for carrying out a chemical reaction of the (hydrogen) carbonate ions with conversion of the contained CO2 into a water-insoluble salt or into a gas and optionally means for removing the water-insoluble salt or the gas from the reactor; and or
  • the installation comprises pH controllers for measuring and adjusting the pH of each of the solutions obtained in the electrodialysis separator before recycling to a) or before separating off the carbon dioxide; with the proviso that if the plant does not comprise a combination of at least one absorber and at least one open basin according to Aiii), but a desorption column for carrying out steam stripping, it comprises the pH controller for measuring and adjusting the pH of the electrodialysis -Separator obtained solu solutions according to C) includes.
  • the system according to the invention comprises a combination of at least one absorber and at least one open basin according to feature Aiii), which combines the advantages of both variants: While larger amounts of CO2 can be absorbed in a relatively short time in an absorber, the energy requirement is for operation high. In a basin, on the other hand, absorption can take place with almost no energy expenditure, but takes much longer.
  • the order in which the absorption solution passes through the various types of absorption stations is not particularly restricted according to the present invention, ie one or more, preferably large-area basins with a low liquid level, i.e. shallow basins, can first pass in the direction of flow of the process solution , and then one or more absorbers or one or more different stations are provided alternately.
  • the latter is not preferable.
  • the system according to the invention comprises more than one open basin
  • these basins are, as mentioned, preferably each arranged on different fleas, so that the absorption solution can pass through them in the order from the highest to the lowest by gravity alone , in order not to have to provide pumps for this.
  • At least one absorber which is preferably a spray washer, a spray tower or a packed column, in particular a spray washer or spray tower, is first provided in the plant according to the invention, and then at least one open basin is provided , which causes the positive temperature effects described above.
  • the system according to the invention comprises at least one absorber, the bottom of which comprises a sump or collection container for intermediate storage of the solution enriched with (flydrogen) carbonate ions through absorption, so that a temporary buffer is created in the process, so to speak.
  • the at least one open basin of the system according to the invention is preferably one above which at least one cover is arranged at a distance that is suitable for limiting the evaporation of water from the aqueous absorption solution, e.g. at a distance of 1 up to 150 cm, preferably not more than 100 cm, more preferably not more than 50 cm, in particular not more than 25 cm, above the edge of the pool.
  • the cover has at least a large part of the area of the pelvis or essentially the same or even a larger area than the pelvis in order to further enhance this effect. Furthermore, the cover on the upper side preferably includes a photovoltaic system in order to at least partially obtain the electrical energy for operation from sunlight.
  • partitions are provided in the at least one open basin, between which or around which the absorption solution of the at least one alkali metal or alkaline earth metal cation is guided in a meandering manner, which increases its residence time in the basin and improves mixing and, above all, back-mixing with continuously flowing absorption solution that is still poorer in CO2 is suppressed.
  • the plant according to the invention according to feature Bi) comprises a desorption column for carrying out steam stripping of the solution enriched in (Flydrogen) carbonate ions to obtain a carbon dioxide-water vapor mixture and a condenser for separating water from the carbon dioxide-water vapor Mixture by condensation optionally white ters a dryer for the carbon dioxide obtained.
  • a reactor for carrying out a chemical reaction of the (flydrogen) carbonate ions with conversion of the CO2 contained into a water-insoluble salt or into a gas and, optionally, a filter for removing the water-insoluble Chen salt or a device for suction or sonication of the solution solution to remove the gas from the reactor.
  • the reactor of the system according to the invention can preferably include appropriate storage tanks for the required reactants, eg a storage tank for an aqueous solution of alkaline earth metal ions. Or it may include electrodes for performing electrochemical reduction of the (hydrogen) carbonate ions.
  • a filter is preferably provided in the reactor to remove precipitates of poorly soluble salts, eg CaCO 3 , and a vacuum pump to evacuate the reactor gas space and/or an ultrasonic generator to promote outgassing is preferably provided to remove gaseous reaction products.
  • a vacuum pump to evacuate the reactor gas space and/or an ultrasonic generator to promote outgassing is preferably provided to remove gaseous reaction products.
  • seawater can be used as the metal ion source for the commissioning phase of the system according to the invention and to provide larger amounts of (earth) alkali metal ions and chlorine-alkali electrolysis can be used to prepare the (earth) alkali metal ions solution.
  • a reverse osmosis unit can also be used, e.g. to remove any excess water (where the open absorber tanks can sometimes overflow) from the liquid circuit.
  • system according to the invention can, in addition to self-evident components such as lines, valves and pumps, preferably also one or more of the following components, selected from other pFI controllers, (vacuum) pumps, evaporators, heat exchangers, heating and cooling devices, filters - and membrane separators, storage tanks for fresh water and (earth) alkali metal ions, dosing pumps and a computer control system, as well as any components and facilities that are necessary or desirable for further optimization measures.
  • self-evident components such as lines, valves and pumps, preferably also one or more of the following components, selected from other pFI controllers, (vacuum) pumps, evaporators, heat exchangers, heating and cooling devices, filters - and membrane separators, storage tanks for fresh water and (earth) alkali metal ions, dosing pumps and a computer control system, as well as any components and facilities that are necessary or desirable for further optimization measures.
  • Figure 1 is a graph of the pH dependent balance between carbonic acid, bicarbonate and carbonate in aqueous solutions.
  • Figure 2 is a flow diagram of one embodiment of the process or plant of the present invention.
  • FIG. 3 is a flow chart of a preferred embodiment of the process or system of the present invention.
  • A anion-selective
  • AK bipolar
  • Figure 5 is a schematic representation of a preferred embodiment of an open pond as part of the plant according to the invention for absorbing CO2 in step a) of the process.
  • the particularly preferred pH range also depends on whether one or more open basins or absorbers, such as one or more spray scrubbers or spray towers, or combinations thereof, are used for the absorption.
  • the presence of large amounts of base shifts the balance of the chemical reactions:
  • a pH value of Absorption solution of at least 10.0, in particular at least 11.0 is set. It is also preferred to use a solution of alkali metal ions, since on the one hand alkaline earth metal ions can damage the electrodialysis membranes and on the other hand the addition of alkaline earth metal ions can result in the precipitation of sparingly soluble alkaline earth metal carbonates to separate the absorbed CO2.
  • FIG. 3 A simple embodiment of the system according to the invention for carrying out the method according to the invention can be designed as shown schematically in FIG.
  • 01b absorber sump or buffer tank
  • the method according to the invention and the system according to the invention begin, as shown in the top center of Fig. 2, with at least one absorber 01 for absorbing CO2 from the ambient air, which is preferably at least one spray scrubber or spray tower 01a, particularly preferably each with a sump or buffer tank 01b, or at least one open basin 01c or, in particular, a combination thereof.
  • the cations are particularly preferably alkali metal cations, even more preferably Na + or K + ions or a mixture thereof.
  • the solution in the absorbers can also contain additives to increase the sorption capacity of the absorption solution or the sorption rate, such as lower alcohols or formaldehyde, but these are not required for the invention to work and are also not preferred for environmental and cost reasons.
  • hydrogen carbonate and/or carbonate anions are formed due to the absorption of CO2 from the ambient air, depending on the pH value of the solution.
  • a high pH is adjusted to promote absorption, e.g. a pH > 10 or > 11.
  • the alkaline solution of the absorbed CO2 is then subjected to a dialysis step and fed to an electrodialysis separator 05 for this purpose.
  • This can either be done directly or, as shown in FIG. 2, preferably after a previous filtration or conditioning of the solution, e.g. heating in order to accelerate the mass transfer during the dialysis process, for which purpose the heat of a but to a previous stage recycled liquid stream who can be used by means of a heat exchange which would otherwise be lost as waste heat, e.g. the heat of a steam-stripped solution from the second liquid circuit or that of the solution depleted in (hydrogen)carbonate ions by electrodialysis , before being recycled to the absorption step.
  • the optional filtration can largely remove contaminants from the solution before dialysis, and conditioning also includes the optional addition of pH regulators and/or other additives to promote the absorption and desorption processes in addition to heating to understand.
  • filtration and conditioning are performed substantially simultaneously in a filter/conditioner 04 to which the alkaline solution of the absorbed CO2 in FIG. 2 is fed via line 101, pump 03 and line 103. From there, the optionally heated and/or filtered/conditioned solution reaches the electrodialysis separator 05 via line 104, where a solution depleted in (hydrogen)carbonate ions and a solution enriched therein are obtained.
  • a pH value of the alkaline solution in the absorption step >10 or >11 is selected, which is preferred according to the invention, a combination of anion-selective ion exchange membranes "A” and bipolar membranes "AK” is used in the electrodialysis separator 05 in order to carry out the dialysis as shown in Fig. 4 shown.
  • a combination of anion-selective ion exchange membranes "A” and bipolar membranes "AK” is used in the electrodialysis separator 05 in order to carry out the dialysis as shown in Fig. 4 shown.
  • a combination of anion-selective ion exchange membranes "A” and bipolar membranes "AK” is used in the electrodialysis separator 05 in order to carry out the dialysis as shown in Fig. 4 shown.
  • pump 46 and line 409 in the first or (based on to electrodialysis) "diluate" circuit without being subjected to electrodialysis in this cycle
  • the solution is subjected to electrodialysis in normal operation in the electrodialyzer 05, it is recycled via the control or pressure-retaining valve 41, with pH measurement and control being carried out immediately after the electrodialysis at position 06 in order to keep the desired pH value constant in the diluate circuit and to ensure smooth, continuous operation.
  • the solution depleted by electrodialysis is then recycled via line 105, although it can also be fed to a reverse osmosis unit 32 via line 301 and pump 31, if necessary, in order to remove any excess water from the liquid circuit. If necessary, it can subsequently be subjected to the same conditioning and treatment steps as described above for the bypass.
  • This separation at position 17 can take place either as in the earlier applications of the present inventors by means of steam stripping in a desorption column or by means of chemical reactions of the (hydrogen) carbonate ions, in which the CO2 is removed from the solution as a sparingly soluble precipitate or as a gas or also by means of a combination thereof, eg in which steam stripping is carried out first and then the remaining CO2 is removed by chemical reaction.
  • a solution containing essentially only hydrogen carbonate ions is preferably mixed with alkaline earth metal ions in a reactor 17, preferably with Ca 2+ cations, so as to obtain a precipitate of CaCC>3, which can be separated from the solution using a simple filter.
  • a concentrate solution - more preferably one with a higher pH, eg about pH 10.0 or about pH 11.0, to promote the absorption process - is subjected to electrochemical reduction using a hydrocarbon gas, eg methane or ethylene , which escapes from the solution, which can be assisted by suction.
  • the alkaline solution depleted in CO2 in column and/or reactor 17 is conveyed via line 201, pump 13, line 203 and filter or conditioner 14 to remove impurities and, if necessary, for heat exchange, as previously described for 04 in the diluate circuit, and line 204 to Electrodialyzer 05 recycled.
  • FIG. 3 shows an even more preferred embodiment of the method according to the invention and the associated system, which essentially comprises the same steps and system parts as those from FIG. 2, but is particularly different as a result differs in that several different types of absorbers 01 are provided - and that the pH measurement and control do not necessarily have to take place at positions 06 and 16.
  • the embodiment shown in Fig. 3 comprises an absorber 01a shown as a spray tower, the bottom of which comprises a sump or buffer tank 01b for intermediate storage of the absorption solution enriched in CO2 and as a second absorber, since the absorption continues to progress during the intermediate storage. as previously described.
  • This second absorber is connected via pump 07 and line 107 to a third, namely an open basin 01c.
  • This embodiment offers the advantage that the (hydrogen) water heated during the electrodialysis Carbonate ions depleted solution in the column or the spray tower causes a "chimney effect".
  • the air in the absorber in contact with the warm or hot recycled solution, heats up and creates a buoyancy that causes the air to move or at least encourages it to move upwards, which promotes the transfer of CO2 from the air into the absorption solution.
  • the solution which has already been partially enriched in (hydrogen) carbonate ions and cooled during the passage through the absorber 01a, can then more easily absorb further CO2, since higher temperatures limit the gas absorption hinder.
  • the at least one open basin 01 c is shown in a particularly preferred embodiment of the invention as shown in FIG increases their residence time in the basin, ensures better mixing of the solution during contact with the air and, above all, back-mixing with the via line 107 (and Also 304) the continuously following absorption solution, which is still somewhat poorer in CO2, is suppressed.
  • a level gauge is provided at position 37, which determines the water level of the absorption solution in the open basin 01c in order to readjust the water quantity as described above if necessary - i.e. reduce it by means of reverse osmosis at 32 or increase it by means of the water supply via lines 304 and/or 408 be able.
  • a cover 51 is provided above the basin 01c, which is intended to prevent excessive evaporation of water from the solution during its dwell time in the basin.
  • This cover 51 particularly preferably includes a photovoltaic system in order to be able to obtain at least part of the electricity required for operating the system from sunlight.
  • a capacitor 09 is provided at the top of the spray tower 01a, which is fed via pump 08 and line 108 with cooled, CO2-enriched absorption solution from the basin 01c and a condensation of any moist air escaping (as indicated by arrows) from the spray tower 01a in order to avoid water losses.
  • the proportion of enriched absorption solution used for this purpose which is returned to the diluate circuit via line 109, is preheated before it is introduced into the electrodialyzer 05, which promotes electrodialysis.
  • Fig. 3 essentially corresponds to that in Fig. 2, i.e. a desorption column, a reactor or a combination thereof can be used to separate the CO2 from the absorption solution at position 17.
  • the water is circulated in two circuits on the diluate and concentrate sides of the electrodialysis separator with pH measurement and control immediately after the electrodialysis and/or use of various absorbers and/or separation of the CO2 by means of chemical reactions stripping of steam, in particular in the respective particularly preferred embodiments, the method of the present invention can be carried out even more efficiently than the inventors' previous method, as the model example below demonstrates.
  • the method detailed above, as well as the relative plant of the present invention may be practiced with numerous variations, as long as they fall within the scope of protection as defined by the appended claims.
  • the electrodialysis separator 05 can be equipped with various conventional ancillary units, such as B. internal recirculation pumps for an intensification of the ion transport, and / or antifouling systems (z. B. by alternating the electrical polarity). Since membrane defects in the separator can lead to an accumulation of metal ions in one of the circuits during longer operation of the system, the electrodialysis can also be carried out using additional pumps for periodic or continuous equalization of the metal ions in the diluate or in the concentrate. Nevertheless, all embodiments of the method according to the invention and the system according to the invention comprise two separate liquid circuits.
  • Spray tower 01a is supplied via line 105 with 1000 m 3 /h of 20% potassium carbonate/bicarbonate solution.
  • the temperature at the inlet to the spray head is ⁇ 55°C and the pFI value is >11.7.
  • the solution thus comprises almost exclusively carbonate anions ( ⁇ 1.7 mol/l) and only traces of hydrogen carbonates ( ⁇ 0 mol/l). Due to the above-mentioned chimney effect of the hot solution, the spray tower sucks in relatively cold ambient air ( ⁇ 15 °C) by itself, causing the solution to cool down to ⁇ 30 °C and a slight reduction in the pH value due to the absorption of CO2 from the air flowing through the solution to pH ⁇ 11, 3 take place.
  • the solution which has cooled somewhat as a result and is already partially enriched in CO2, is collected in the sump tank 01b, where further absorption takes place, and then pumped into the shallow open basin 01c by means of pump 07 and line 107, which is shown and shown in Fig. 5 is also designed with a slight downward slant to the left so that it is passed solely by gravity, further cooling the solution to ⁇ 15 °C and further reducing the pH to pH ⁇ 11 through continued CO2 absorption , until equilibrium between atmospheric CO2 and the bicarbonate ions in the solution is practically reached.
  • a cover 51 is provided with photovoltaic panels on it with a total peak power of ⁇ 7 MW, which can cover up to 30% of the electricity consumption of the electrodialysis on sunny days.
  • the proportion of bicarbonate ions in the total absorbed CO2, i.e. carbonate and bicarbonate ions, is ⁇ 20 mol%.
  • the solution is then pumped through the electrodialyzer 05.
  • a pH measurement and control takes place at the diluate outlet 105 of the electrodialysis, the pH value in the line 105 being adjusted to >11.7 again.
  • the pH in the concentrate (in line 205) is adjusted to a lower value, namely pH ⁇ 9.1.
  • the concentrate solution comprises almost exclusively bicarbonate ions, namely ⁇ 3 mol/l or ⁇ 94 mol% and only small amounts of carbonate ions ( ⁇ 6 mol%).
  • the CO2 is separated from the concentrate in the reactor 17 by means of a chemical reaction with Ca 2+ ions, e.g. with the addition of calcium hydroxide solution according to the following equations:
  • CaCO3 precipitates out of the solution, which shifts the equilibrium of the chemical reactions towards the product side and thus ensures practically quantitative conversion of the absorbed CO2 with a relatively short residence time in the reactor.
  • the precipitated product is separated by simple sedimentation, i.e. the CaCO 3 precipitate is simply allowed to settle and the depleted solution is pumped out of the reactor and recycled to the electrodialyzer 05.
  • CaCO 3 residues can be removed from the reactor space at intermittent intervals. In this way, almost no energy is required to separate the CO2 from the alkaline solution.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen und Gewinnen von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft, umfassend die kontinuierliche Durchführung der folgenden Schritte: a) In-Kontakt-Bringen von Umgebungsluft mit einer basischen wässrigen Lösung; b) Elektrodialyse der Lösung unter Verwendung von bipolaren und anionenselektiven Ionentauschermembranen sowie Rezyklierung der abgereicherten Lösung zu Schritt a); c) Abtrennen des Kohlendioxids von der in Schritt b) angereicherten Lösung und Rezyklieren der dadurch an CO2 abgereicherte Lösung zu Schritt b); dadurch gekennzeichnet, dass A) die Absorption in Schritt a) Ai) in zumindest einem Absorber (01a) oder Aii) in zumindest einem offenen Becken (01c) oder Aiii) in einer Kombination aus zumindest einem Absorber (01a) und zumindest einem offenen Becken (01c) durchgeführt wird; und/oder B) die Abtrennung des Kohlendioxids von der an (Hydrogen-)Carbonat-Ionen angereicherten Lösung in Schritt c) Bi) durch thermische Desorption des Kohlendioxids mittels Dampfstrippens und/oder Bii) durch chemische Reaktion unter Umsetzung des enthaltenen CO2 in ein wasserunlösliches Salz oder ein Gas und gleichzeitige Entfernung aus der Lösung erfolgt; und/oder C) der pH-Wert der beiden in Schritt b) erhaltenen Lösungen vor der Rezyklierung zu Schritt a) bzw. vor der Abtrennung des Kohlendioxids in Schritt c) gemessen und jeweils auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird; mit der Maßgabe, dass, wenn die Absorption nicht gemäß Aiii) in zumindest einem Absorber (01a) und zumindest einem Becken (01c) erfolgt, aber die Abtrennung des Kohlendioxids gemäß Bi) durch thermische Desorption erfolgt, der pH-Wert gemäß C) gemessen und eingestellt wird.

Description

Verfahren und Anlage zur Abtrennung von Kohlendioxid aus der Luft
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Abtrennen und Gewinnen von Kohlendioxid aus der Luft.
STAND DER TECHNIK
Das T reibhausgas CO2 aus der Atmosphäre zu filtern, galt aufgrund des geringen CO2- Gehalts der Luft und des hohen Energieaufwands chemischer Abscheideverfahren als ineffizient und im industriellen Maßstab kaum umsetzbar. Nichtsdestotrotz wurden und werden entsprechende Verfahren entwickelt, zumal das dabei gewonnene CO2 nicht zwangsläufig eingelagert zu werden braucht, sondern auch beispielsweise in der Getränkeindustrie, in Gewächshäusern oder für chemische Synthesen einsetzbar ist, z. B. zur Herstellung von Methan durch Umsetzung mit Wasserstoff, der mitunter auf nachhaltige Weise durch Wasserelektrolyse unter Einsatz von Solar- und/oder Wind strom gewonnen werden kann, oder zur Herstellung von synthetischem Treibstoff. Zu letzteren Zwecken sind allerdings hohe Anforderungen an die Reinheit des abgeschie denen CO2 zu stellen, und es sind fortwährend große Mengen reinen Gases erforder lich, wodurch sich die Produktionskosten enorm erhöhen.
Eine moderne Methode zum Abtrennen von Kohlendioxid, die vom Schweizer Unter nehmen Climeworks beispielsweise in der Schweiz und in Island praktiziert wird, be steht darin, Umgebungsluft mittels zahlreicher riesiger Ventilatoren über Filter zu blasen, deren Oberfläche mit Aminen imprägniert ist, an die das saure CO2 adsorbiert wird. Die anschließende Desorption erfolgt durch Erhitzen der "beladenen" Filter, wofür enorme Mengen an Wärmeenergie vonnöten sind. Zwar kann dafür (zumindest groß- teils) die Abwärme von Kraftwerken oder Verbrennungsanlagen genutzt werden, aber der Energieaufwand des Verfahrens an sich bleibt dennoch enorm. Dies vor allem, weil bei der Desorption durch einfaches Erhitzen der Filter - was in Gegenwart von Luft erfolgt - ein Produktgas erhalten wird, das neben CO2 auch verhältnismäßig große Mengen an N2 enthält (typischerweise zumindest 5 Vol.-%), deren Trennung äußerst aufwändig ist. Allerdings auch, weil das mit Aminen imprägnierte Absorbens relativ instabil ist und von Zeit zu Zeit erneuert werden muss. In US 2010/059377 A1 wird ein Verfahren zur Entfernung von CO2 aus dem Abgas von Fabriken, insbesondere aus Anlagen zur Stromerzeugung durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen und Kohlevergasungsanlagen, offenbart. Dieses umfasst die Ab sorption des CO2 und weiterer Bestandteile des Abgases in 10- bis 50%ige wässrige K2C03/KHC03-Lösung in einem Sprühturm, gefolgt von einem lonenaustausch zur Entfernung mehrwertiger Kationen, wonach die Lösung unter einen Druck von 2 bis 200 atm, vorzugsweise > 30 atm, gesetzt wird. Bei anschließender Elektrodialyse unter Verwendung von bipolaren Dialysemembranen wird ein Teil der Hydrogencarbonat- Ionen entfernt. Diese gehen während der Dialyse - worunter hierin durchwegs Elektro dialyse zu verstehen ist - in einen auf einen konstanten pH-Wert von 3 bis 4 gepuffer ten Prozessstrom über, was den Grund für die vorherige Druckbeaufschlagung dar stellt, um ein Ausgasen des CO2 während der Dialyse zu verhindern. In der Folge wird dieser an CO2 angereicherte Prozessstrom einfach entlüftet, d. h. der Druck wird auf gehoben, wodurch das CO2 aus der stark sauren Lösung entweicht.
Nachteilig ist an diesem Verfahren vor allem der stark saure pH-Wert des an CO2 an gereicherten Prozessstroms, woraus einerseits die Notwendigkeit resultiert, während der Dialyse hohe Drücke anlegen zu müssen, was sowohl den Energie- als auch den apparativen Aufwand bei der Ausführung des Verfahrens enorm erhöht, und was an dererseits einen beträchtlich höheren Energiebedarf der Dialyse bewirkt, da dieser pro portional zur pH-Differenz zwischen der konzentrat- und der diluatseitigen Lösung an steigt, wie dies in US 2010/059377 A1 auch beschrieben wird. Aufgrund dessen ist das dortige Verfahren zwar zur Abtrennung von CO2 aus Gasgemischen geeignet, die hohe Konzentrationen an CO2 enthalten, wie z.B. 10-25 Vol.-% oder mehr in Verbren nungsabgasen, nicht aber zur Gewinnung von CO2 aus der Umgebungsluft, die übli cherweise nur einen C02-Gehalt von rund 400 ppm aufweist.
Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben kürzlich in ihrer zum relevanten Zeitpunkt noch unveröffentlichten europäischen Anmeldung EP 19153598 A und der daraus hervorgegangenen internationalen Anmeldung PCT/EP2020/051747 ein neues Verfahren zum Abtrennen und Gewinnen von Kohlendioxid aus der Umge bungsluft beschrieben, durch das die obigen Nachteile großteils behoben werden kön- nen. Gemäß diesem Verfahren erfolgt nach der Absorption von CO2 aus der Luft in eine basische Lösung von Alkali- oder Erdalkalimetallkationen eine Elektrodialyse die ser C02-hältigen Lösung unter Verwendung einer Kombination aus a) bipolaren und b) für ein- oder mehrwertige Anionen selektiven lonentauschermembranen, woraufhin die dabei erhaltene, an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherte Lösung einer ther mischen Desorption des CO2 mittels Dampfstrippen und einer anschließenden Abtren nung des CO2 aus dem dabei erhaltenen C02-Wasserdampf-Gemisch mittels Kühlung zur Kondensation des Wasserdampfs unterzogen wird, wobei die beiden nach der Dia lyse bzw. nach dem Dampfstrippen erhaltenen, jeweils an CO2 abgereicherten Lösun gen - gegebenenfalls nach Regelung ihres pH-Werts - rezykliert werden. Nach optio naler weiterer Trocknung des CO2 kann dieses in hoher Reinheit und relativ energie effizient sogar aus der Umgebungsluft gewonnen werden.
Der wesentliche Unterschied dieses Verfahrens zum damals bekannten Stand der Technik liegt dabei neben der Verwendung der spezifischen Kombination aus bipola ren und anionenselektiven lonentauschermembranen für die Dialyse darin, dass die dabei erhaltene Lösung ebenfalls alkalisch ist. Dies senkt gegenüber US 2010/059377 A1 den Energieaufwand für die Dialyse erheblich und eliminiert die Notwendigkeit, eine stark saure C02-hältige Lösung unter einem konstanten Druck zu halten, bevor das CO2 durch Entlüftung entweichen gelassen wird, was den apparativen und ebenfalls den Energieaufwand deutlich reduziert.
Auch dieses Verfahren der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes be darf allerdings noch einer gewissen Optimierung. Das Ziel der vorliegenden Erfindung war somit ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, um CO2 in zumindest gleich ho her Reinheit, aber mit noch geringerem Energieaufwand als bisher aus der Luft ge winnen zu können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieses Ziel erreicht die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt durch Bereit stellung eines Verfahrens zum Abtrennen und Gewinnen von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft, umfassend die kontinuierliche Durchführung der folgenden Schritte: a) In-Kontakt-Bringen von Umgebungsluft mit einer basischen wässrigen Lösung zumindest eines Alkali- oder Erdalkalimetallkations zur Absorption des Kohlendioxids in die Lösung unter Bildung des Hydrogencarbonats bzw. Carbonats des zumindest einen Metalls; b) Elektrodialyse der dabei erhaltenen Lösung unter Verwendung einer Kombina tion aus bipolaren und anionenselektiven lonentauschermembranen zum Erhalt einer an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten und einer daran abgereicherten Lösung, die jeweils einen pH > 7 aufweisen, wobei die an (Hydrogen-)Carbonat-lonen abgereicherte Lösung zu Schritt a) rezykliert wird; c) Abtrennen des Kohlendioxids von der an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angerei cherten Lösung, wobei eine an CO2 abgereicherte Lösung erhalten wird, die zu Schritt b) rezykliert wird; und d) gegebenenfalls Trocknung und Reinigung des abgetrennten Kohlendioxids; wobei das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass
A) die Absorption in Schritt a)
Ai) in zumindest einem Absorber oder
Aii) in zumindest einem offenen Becken oder
Aiii) in einer Kombination aus zumindest einem Absorber und zumindest einem offenen Becken durchgeführt wird; und/oder
B) die Abtrennung des Kohlendioxids von der an (Hydrogen-)Carbonat-lonen an gereicherten Lösung in Schritt c)
Bi) durch thermische Desorption des Kohlendioxids mittels Dampfstrippen zum Erhalt eines Kohlendioxid-Wasserdampf-Gemischs und/oder
Bii) durch chemische Reaktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen erfolgt, bei der das enthaltene CO2 in ein wasserunlösliches Salz oder ein Gas übergeführt und da durch aus der Lösung entfernt wird; und/oder
C) der pH-Wert jeder der beiden in Schritt b) mittels Elektrodialyse erhaltenen Lö sungen vor der Rezyklierung zu Schritt a) bzw. vor der Abtrennung des Kohlendioxids in Schritt c) gemessen und jeweils auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird; mit der Maßgabe, dass, wenn die Absorption nicht gemäß Aiii) in einer Kombi nation aus zumindest einem Absorber und zumindest einem Becken erfolgt, aber die Abtrennung des Kohlendioxids gemäß Bi) durch thermische Desorption des Kohlen dioxids mittels Dampfstrippen erfolgt, der pH-Wert gemäß C) gemessen und eingestellt wird.
Durch dieses neue Verfahren der Erfinder kann CO2 gegenüber ihrem früheren Verfah ren in noch höherer Reinheit und noch energieeffizienter aus der Luft gewonnen wer den. Die Absorption des CO2 aus der Umgebungsluft kann dabei auf bekannte Weise in einem oder mehreren Absorbern (Merkmal Ai)) oder in einem oder mehreren offenen Becken (Merkmal Aii)), die hierin jedoch vorzugsweise keine natürlichen oder künstli chen stehenden Gewässer, sondern gezielt errichtete, z.B. gemauerte, und besonders bevorzugt relativ untiefe Becken sind, oder aber als neues Merkmal Aiii) in einer Kom bination davon erfolgen, worauf später noch näher eingegangen wird. Die Abtrennung des Kohlendioxids kann ebenfalls entweder auf bekannte Weise durch thermische Desorption des Kohlendioxids mittels Dampfstrippen (Merkmal Bi)) erfolgen, oder aber als neues Merkmal Bii) durch chemische Reaktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen, bei der das CO2 in ein wasserunlösliches Salz oder ein Gas übergeführt und in dieser Form einfach aus der Lösung entfernt werden kann, worauf ebenfalls später noch näher eingegangen wird.
Und als drittes Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst das neue Verfahren der Erfinder nun die pH-Messung und -Einstellung der beiden durch die Elektrodialyse in Schritt b) erhaltenen Lösungen vor deren Weiterleitung zu Schritt c) bzw. Rezyklierung zu Schritt a), vorzugsweise unmittelbar nach der Elektrodialyse. Anhand des Ergeb nisses der pH-Wert-Messung kann nämlich das Verhältnis zwischen Hydrogencarbo nat- und Carbonat-Ionen bestimmt werden (siehe z.B. Fig. 1 ) und außerdem fest gestellt werden, wie viel CO2 pro Zeit absorbiert wurde. Dadurch wird eine exakte pH- Regelung und die Einstellung der sonstigen, für eine möglichst effiziente Verfahrens führung wünschenswerten Parameter und Konzentrationen der Lösungen ermöglicht. Beispielsweise kann bei Einsatz von chemischen Reaktionen zur Entfernung des CO2 in Schritt c) gemäß Merkmal Bii) die erforderliche Menge an Reaktionspartnern auf diese Weise bestimmt werden, bevor die durch die Elektrodialyse an (Hydrogen-)Car- bonat-lonen angereicherte Lösung in den Reaktor eingeleitet wird. Die pH-Wert-Bestimmung kann dabei auf jede bekannte Weise, z.B. kolorimetrisch, potentiometrisch oder mit ionensensitiven Feldeffekt-Transistoren, erfolgen. Für den Fachmann versteht es sich jedoch von selbst, dass das lonengleichgewicht auch mit tels anderer, äquivalenter Methoden, z.B. chromatographisch o.dgl., bestimmt werden kann, ohne vom Geiste der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Für den Fall, dass in der einfachsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Absorption und zur Abtrennung des CO2 jeweils bekannte Schritte durchgeführt wer den, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren freilich zwingend, dass die pH-Bestim- mung und -Regelung gemäß Merkmal C) an der angegebenen Position im Verfahren durchgeführt wird, wie dies auch in Fig. 1 dargestellt ist.
Wie schon zuvor erfolgt auch im neuen Verfahren gemäß vorliegender Erfindung die Elektrodialyse der (Flydrogen-)Carbonat-lonen von einer ersten in eine zweite alkali sche Lösung, d.h. zwischen Lösungen mit geringer pFI-Differenz, was den Energie bedarf des Dialyseschritts verringert. Der pH der Lösung wird dabei vorzugsweise auf zumindest 7,5 eingestellt, kann aber in besonders bevorzugten Ausführungsformen auch auf zumindest 8,0, damit das absorbierte CO2 nicht als relativ instabile Kohlen säure, sondern vollständig in Form von Flydrogencarbonat- oder Carbonat-Ionen vor liegt, auf zumindest 10,0 oder sogar zumindest 11 ,0 eingestellt werden, wobei Letzte res bewirkt, dass das darin absorbierte Kohlendioxid im Wesentlichen in Form von C032 -Ionen vorliegt. Fig. 1 zeigt eine grafische Darstellung des pFI-abhängigen Gleich gewichts zwischen den drei Spezies. Auf die jeweils zu bevorzugenden pH-Werte wird später noch näher eingegangen.
Allgemein wird gemäß vorliegender Erfindung aufgrund der besseren Löslichkeit der Hydroxide und Carbonate eine Lösung von Alkalimetallionen gegenüber einer von Erd alkalimetallionen für die Absorption bevorzugt, noch bevorzugter eine basische Lösung von Na+- oder K+-lonen, aus Kostengründen insbesondere von Nationen. Solche Elektrolytsysteme sind stabil, d. h. es findet kein Austausch oder Verlust der Elektro lytionen mit der bzw. an die Atmosphäre statt. Durch Verwendung zusätzlicher Chemi kalien, wie z. B. Methanol oder Formaldehyd, kann zwar die Sorptionskapazität der Absorptionslösung bzw. die Sorptionsgeschwindigkeit erhöht werden, dies ist aber für den Betrieb des offenbarten Systems nicht notwendig und daher aus Kosten- und Um weltschutzgründen nicht bevorzugt.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Absorption in Schritt a) gemäß Merkmal Aiii) in einer Kombination aus zumindest einem Absorber und zumindest einem offenen Becken durchgeführt, weil dadurch entsprechend den jeweiligen Randbedingungen die Vorteile beider Varianten genutzt werden können. Ein Absorber ermöglicht die Absorption großer Mengen an CO2 in relativ kurzer Zeit, be nötigt für den Betrieb allerdings Energie, während die Absorption in einem Becken nahezu ohne Energieaufwand vonstatten gehen kann, dafür aber eine relativ lange Zeit vonnöten ist, um größere Mengen zu absorbieren. Die Reihenfolge, in der die Absorptionslösung die verschiedenen Arten von Absorptionsstationen passiert, ist dabei gemäß vorliegender Erfindung nicht speziell eingeschränkt, d.h. sie kann zuerst durch ein oder mehrere, vorzugsweise großflächige Becken mit niedrigem Flüssig keitsstand, d.h. untiefe Becken, geführt werden, in denen sie über längere Zeit verwei len und CO2 absorbieren kann, wonach sie durch einen oder mehrere Absorber ge pumpt wird, um die Menge an absorbiertem Kohlendioxid noch zu erhöhen. Oder sie kann auch jeweils mehrere verschiedene Stationen abwechselnd passieren, was aber nicht zu bevorzugen ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird die Absorption vielmehr zuerst in zumindest einem Absorber und anschließend in zumindest einem offenen Becken durchgeführt, da die aus der Elektrodialyse rezyklierte Lösung des zumindest einen Alkali- oder Erdalkalimetallkations dabei in der Regel noch eine erhöhte Temperatur aufweist. Dies bewirkt innerhalb des geschlossenen Absorbers, bei dem es sich vor zugsweise um einen Sprühwäscher oder Sprühturm oder eine Füllkörperkolonne han delt, einen "Kamineffekt", d.h. die Luft im Absorber erwärmt sich bei Kontakt mit der warmen oder heißen Lösung, was einen Auftrieb zur Folge hat, wodurch die Luft von selbst in eine Aufwärtsbewegung versetzt oder eine solche zumindest unterstützt wird. Im danach vorgesehenen zumindest einen offenen Becken kann die bereits teilweise an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherte und während der Behandlung im zumin- dest einen Absorber abgekühlte Lösung anschließend auch leichter weiteres CO2 ab sorbieren, da eine höhere Temperatur die Absorption behindern würde.
Passiert die Absorptionslösung gemäß vorliegender Erfindung mehr als ein offenes Becken, so sind diese Becken vorzugsweise jeweils auf unterschiedlicher Höhe ange ordnet und werden in der Reihenfolge vom höchst- zum tiefstgelegenen passiert, damit die Weiterleitung aufgrund der Schwerkraft erfolgen kann, um keine Pumpen einsetzen zu müssen.
In noch bevorzugteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Absorption in Schritt a) in zumindest einem Absorber durchgeführt, dessen Boden einen Sumpf- oder Sammelbehälter aufweist, in dem die durch Absorption mit (Hydro- gen-)Carbonat-lonen angereicherte Lösung zwischengelagert wird, bevor sie in den nächsten Absorber oder in ein offenes Becken oder zur Elektrodialyse weitergeleitet wird. Die Möglichkeit einer solchen Zwischenlagerung bietet ein zusätzliches Zeitfens ter im erfindungsgemäßen Verfahren, falls es aufgrund bestimmter Umstände, z.B. Strommangel oder ungünstiger Witterung, nicht mit konstanten Volumenströmen be trieben werden kann. Auf diese Weise kann die C02-Absorption kontinuierlich, ohne Unterbrechungen erfolgen, was die C02-Ausbeute maximiert, während die Elektrodia lyse intermittierend, je nach Verfügbarkeit von kostengünstiger elektrischer Energie, aktiviert und deaktiviert werden kann, wodurch das Verfahren als insgesamt mit mög lichst geringen Kosten betrieben werden kann. Darüber hinaus kann sich die mit (Hy- drogen-)Carbonat-lonen bereits teilweise angereicherte Lösung in manchen Ausfüh rungsformen in einem solchen Zwischenspeicher aus den obigen Gründen noch weiter abkühlen, bevor sie in ein offenes Becken weitergeleitet wird. Jedenfalls aber erfolgt während einer solchen Zwischenlagerung noch eine weitere Absorption von CO2 aus dem Gasraum, weswegen ein solcher Sumpf- oder Sammelbehälter hierin als zusätz licher Absorber angesehen werden kann, wie dies in den späteren Beispielen näher ausgeführt wird.
Wie bereits erwähnt werden gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise Füllkörper kolonnen, Sprühwäscher oder Sprühtürme, besonders bevorzugt ein Sprühwäscher oder Sprühturm, für die Absorption eingesetzt, da besonders Letztere sehr energieeffi- zent betrieben werden können. Allgemein können jedoch jedwede Vorrichtungen zur Förderung der Absorption des C02-Gases in die alkalische Lösung eingesetzt werden, um die für die Absorption einer bestimmten Menge an C02-Gas benötigte Zeitspanne zu verkürzen und die Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens pro Zeiteinheit zu erhöhen, so z.B. auch Strahl-, Tauch-, Wirbel-, Rotations- oder Venturiwäscher.
Unabhängig davon, ob die Absorption in Schritt a) auch in zumindest einem Absorber durchgeführt wird und in welcher Reihenfolge sie durchgeführt wird, wenn sowohl zu mindest ein Absorber und zumindest ein offenes Becken eingesetzt werden, wird sie, wenn auch zumindest ein offenes Becken zum Einsatz kommt, vorzugsweise in zu mindest einem offenen Becken durchgeführt, oberhalb dessen zumindest eine Abde ckung in einem Abstand angeordnet ist, der geeignet ist, um die Verdampfung von Wasser aus der wässrigen Absorptionslösung einzuschränken. Da offenen Becken in der Regel im Freien vorgesehen werden, kann ansonsten, z.B. aufgrund von Erwär mung der Lösung durch Sonneneinstrahlung oder aufgrund von Wind, eine nicht un beträchtliche Menge an Wasser verloren gehen, wodurch sich der pH-Wert in einen unerwünschten Bereich verschieben kann oder eine Sättigung der Lösung mit CO2 früher erreicht wird. Durch Vorsehen einer Abdeckung, z.B. in einem Abstand von 1 bis 150 cm, vorzugsweise nicht mehr als 100 cm, noch bevorzugter nicht mehr als 50 cm, insbesondere nicht mehr als 25 cm, oberhalb des Beckenrandes, wird dem entge gengewirkt. Vorzugsweise weist dabei die Abdeckung zumindest einen Großteil der Fläche des Beckens oder im Wesentlichen dieselbe oder sogar eine größere Fläche auf, um die Wirkung zu verstärken.
Um diese Fläche noch auf andere Weise sinnvoll zu nutzen, umfasst die Abdeckung vorzugsweise eine Photovoltaikanlage, wodurch zumindest ein Teil der elektrischen Energie für die Durchführung des Verfahrens aus Sonnenlicht gewonnen werden kann, was die Energieeffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöht.
Weiters weist das zumindest eine offene Becken in bevorzugten Ausführungsformen integrierte Trennwände auf, zwischen denen bzw. um die herum die basische wässrige Lösung des zumindest einen Alkali- oder Erdalkalimetallkations zur Absorption des Kohlendioxids mäandernd geführt wird, wodurch ihre Verweilzeit im Becken erhöht wird, zudem für eine bessere Durchmischung der Lösung während des Kontakts mit der Umgebungsluft gesorgt wird und vor allem eine Rückvermischung mit der kontinu ierlich nachströmenden, an CO2 noch etwas ärmeren Absorptionslösung unterdrückt wird.
Die Elektrodialyse in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Elek- trodialyse-Separator durchgeführt, in dem für die Elektrodialyse eine Kombination aus bipolaren lonentauschermembranen und für ein- oder mehrwertige Anionen selektiven lonentauschermembranen eingesetzt werden, da diese Membranen die Elektrodialyse von (Hydrogen-)Carbonat-lonen auf sehr effiziente Weise durchzuführen in der Lage sind. Dazu ist allgemein festzustellen, dass hierin mit der Angabe "(Hydrogen-)Carbo- nat-lonen" durchwegs "Hydrogencarbonat- und/oder Carbonationen" gemeint ist. Das bedeutet beispielsweise für den Dialyseschritt, dass je nach gewünschter Verfahrens führung entweder hauptsächlich oder im Wesentlichen nur einwertige Hydrogencarbo nat- oder hauptsächlich oder im Wesentlichen nur zweiwertige Carbonat-Ionen oder beide gleichzeitig auf der Konzentratseite des Elektrodialyse-Separators angereichert werden. Welche Variante gewählt wird, hängt unter anderem von der Konzentration der Lösung des zumindest einen (Erd-)Alkalimetallions sowie vom pH-Wert derselben ab. Bei relativ stark verdünnten Lösungen, d. h. Lösungen mit einem pH zwischen 7 oder 7,5 und 8,5, liegt das absorbierte CO2 hauptsächlich als Hydrogencarbonat vor, wie dies auch aus Fig. 1 hervorgeht.
Die Absorption, also der Phasenübergang des CO2 aus der Gas- in die flüssige Phase, kann außerdem dadurch beschleunigt werden, indem noch höhere pH-Werte einge stellt werden, da die Gegenwart großer Mengen an Base das Gleichgewicht der che mischen Reaktionen:
NaOH + CO2 NaHCOa 2 NaOH + CO2 Na2C03 + H2O jeweils zur Produktseite hin verschiebt. Darauf wird später noch näher eingegangen. In manchen bevorzugten Ausführungsformen wird die Abtrennung des Kohlendioxids in Schritt c) gemäß Merkmal Bi) auf bekannte Weise durch, gegebenenfalls Vakuum unterstützte, thermische Desorption des Kohlendioxids mittels Dampfstrippen durch geführt, wobei das Kohlendioxid aus dem dabei erhaltenen Kohlendioxid-Wasser- dampf-Ge misch besonders bevorzugt mittels einfacher Kühlung zur Kondensation des Wasserdampfs und gegebenenfalls mittels anschließender weiterer Trocknung ge wonnen wird. Dazu ist allerdings ein Verdampfer zur Erzeugung des Wasserdampfs erforderlich, was natürlich einen erheblichen Energiebedarf für das Verfahren mit sich bringt.
Allerdings kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz von Dampfstrippen wirtschaftlicher durchgeführt werden, indem i) zur Erzeugung des Wasserdampfs in Schritt c) und/oder zum Erwärmen der in Schritt b) erhaltenen, an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung vor dem Dampfstrippen in Schritt c) die Abwärme eines Kraftwerks oder einer Fabrik ein gesetzt wird; und/oder ii) für die Elektrodialyse in Schritt b) Gleichstrom aus erneuerbaren Energie quellen eingesetzt wird.
Der Standort der Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens spielt somit auch eine nicht unwesentliche Rolle.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird aber die Abtrennung des Kohlen dioxids in Schritt c) - zusätzlich oder alternativ zum Dampfstrippen gemäß B1 ) - durch chemische Reaktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen gemäß Merkmal Bii) durchge führt. Dies verringert den Energiebedarf, selbst wenn zusätzlich Dampfstrippen erfolgt, und reduziert sowohl den Energiebedarf als auch den apparativen Aufwand enorm, wenn ausschließlich chemische Reaktionen eingesetzt werden.
Für den Fall des Einsatzes beider Methoden wird vorzugsweise zuerst Dampfstrippen durchgeführt, um einen Großteil des absorbierten CO2 bereits abzutrennen, wonach mittels chemischer Reaktionen der Rest aus der Lösung entfernt werden kann. Gemäß vorliegender Erfindung besonders bevorzugt sind aus den obigen Gründen allerdings Ausführungsformen, bei denen die Abtrennung ausschließlich gemäß Bii) durch che mische Reaktionen erfolgt.
Welche chemischen Reaktionen durchgeführt werden, ist gemäß vorliegender Erfin dung nicht speziell eingeschränkt, solange als Reaktionsprodukt der (Hydrogen-)Car- bonat-lonen mit einem oder auch mehreren, im Reaktor mit der an absorbierten CO2 angereicherten Lösung aus der Elektrodialyse zu vermischenden Reaktionspartnern entweder ein schwer löslicher Niederschlag oder ein Gas ist, die jeweils leicht aus dem Reaktionsgemisch entfernbar sind.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird zur Absorption eine Lösung zu mindest eines Alkalimetallkations eingesetzt, in der besonders bevorzugt ein pH-Wert von zumindest 11 eingestellt wird, damit das darin absorbierte Kohlendioxid im We sentlichen in Form von C032 -Ionen vorliegt. Im Reaktor werden dann ein oder mehrere Erdalkalimetallionen, vorzugsweise Ca2+ oder Mg2+, aufgrund der leichten Verfügbar keit und der de facto Unlöslichkeit in Wasser insbesondere Ca2+, zugesetzt, um MgCC>3 oder CaCC>3 zu bilden, das jeweils unmittelbar als Niederschlag aus der Lösung aus fällt und auf besonders einfache Weise, vorzugsweise durch Sedimentation oder Fil tration, von der zur Elektrodialyse zu rezyklierenden, nun wieder an Carbonat abgerei cherten Lösung abgetrennt werden kann.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen werden als chemische Reaktion der (Hy- drogen-)Carbonat-lonen elektrochemische Reduktionen zu gasförmigen Kohlenwas serstoffen CxHy gemäß den nachstehenden allgemeinen Reaktionsgleichungen durch geführt:
X HCO3- + (5X+Y) H+ + (4X+Y) e- CXHY † + 3X H2O X COs2 + (6X+Y) H+ + (4X+Y) e- CXHY † + 3X H2O
Die auf diese Weise gebildeten Kohlenwasserstoffe entweichen unmittelbar aus der Lösung, was aber gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise durch Anlegen eines Unterdrucks im Reaktor unterstützt werden kann, wodurch das Gas aus dem Reaktor- raum abgesaugt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann aber das Ausgasen mittels Ultraschall unterstützt werden.
Aufgrund des geringsten Energiebedarfs für die Reduktion und seiner Einsetzbarkeit als Brennstoff wird gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise aus Carbonationen Methan als gasförmiges Reaktionsprodukt gemäß nachstehender Gleichung gebildet:
C03 2 + 10 H+ + 8 e- -»· CH4 † + 3 H20
Bei Bedarf können aber auch höhere Kohlenwasserstoffe hergestellt werden, wie z.B. Ethylen gemäß nachstehender Gleichung:
2 C03 2 + 16 H+ + 12 e- C2H4 † + 6 H2O
Auch Kohlenwasserstoffgemische können durch die elektrochemischen Reduktionen gemäß vorliegender Erfindung gebildet werden, wie z.B. ein Gemisch aus Methan und Ethylen gemäß nachstehender Gleichung:
3 CO32- + 26 H+ + 20 e- -»· CH4 † + C2H4 † + 9 H2O
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wer den die im jeweiligen Verfahrensschritt an (Hydrogen-)Carbonat-lonen abgereicherten und anschließend rezyklierten Lösungen jeweils einem Wärmeaustausch, z.B. mit einer daran angereicherten Lösung, unterzogen, um die Energiebilanz des Verfahrens weiter zu verbessern.
So kann etwa bei Durchführung von Dampfstrippen zur Abtrennung des Kohlendioxids gemäß Merkmal Bi) die in Schritt b) erhaltene, an (Hydrogen-)Carbonat-lonen ange reicherte, relativ kalte Lösung vor dem Dampfstrippen einem Wärmeaustausch i) mit der bereits Dampfstrippen unterzogenen, relativ heißen Lösung vor deren Rezyklierung zu Schritt b) unterzogen werden, um die erstere Lösung zu erwärmen und die zweitere Lösung abzukühlen; und/oder ii) mit dem beim Dampfstrippen erhaltenen Kohlendioxid-Wasserdampf-Ge- misch unterzogen werden, um sie zu erwärmen und das Kohlendioxid-Wasserdampf- Gemisch zur Kondensation des Wasserdampfs abzukühlen. Auch kann das beim Abkühlen des Kohlendioxid-Wasserdampf-Gemischs erhaltene Kondensat zu Schritt b) rezykliert werden und/oder zu Schritt c) rezykliert werden und daraus erneut Wasserdampf für das Dampfstrippen erzeugt werden.
Bei ausschließlichem Einsatz von chemischen Reaktionen zur Abtrennung des CO2 ist hingegen eine höhere Temperatur der Reaktionslösung wünschenswert, da dies höhe re Reaktionsgeschwindigkeiten bewirkt und im Falle von elektrochemischer Reduktion das Ausgasen des oder der dabei gebildeten Gase aus dem Reaktionsgemisch fördert.
Mit weiteren, aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Fachleute auf dem Gebiet der chemischen Ver fahrenstechnikwohlvertraut, so dass derlei ohne übermäßiges Experimentieren in das hierin beschriebene Verfahren implementiert werden kann.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anlage zur kontinuierli chen Durchführung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt, wobei die erfindungsgemäße Anlage die folgenden, miteinander über entsprechende Verbin dungsleitungen in Fluidkommunikation stehenden Vorrichtungen bzw. Teilabschnitte der Anlage umfasst: a) zumindest einen Absorber oder zumindest ein offenes Becken zum In-Kon- takt-Bringen von Umgebungsluft mit einer wässrigen Lösung zumindest eines Alkali oder Erdalkalimetallkations zur Absorption des Kohlendioxids unter Bildung des Hydro- gencarbonats bzw. Carbonats des zumindest einen Metalls; b) einen eine Kombination aus bipolaren lonentauschermembranen und anio- nenselektiven lonentauschermembranen umfassenden Elektrodialyse-Separator zur Durchführung eines lonenaustauschs zum Erhalt einer an (Flydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten und einer daran abgereicherten Lösung sowie eine Leitung zum Re- zyklieren der an (Hydrogen-)Carbonat-lonen abgereicherten Lösung zu a); c) Mittel zum Abtrennen des Kohlendioxids aus der an (Hydrogen-)Carbonat- lonen angereicherten Lösung, sowie eine Leitung zum Rezyklieren der dadurch an (Hydrogen-)Carbonat-lonen abgereicherten Lösung zu a); und d) gegebenenfalls Mittel zum Trocknen und/oder zum Reinigen des an c) abge trennten Kohlendioxids; dadurch gekennzeichnet, dass
A) die Anlage
Ai) zumindest einen Absorber oder
Aii) zumindest ein offenes Becken oder
Aiii) eine Kombination aus zumindest einem Absorber und zumindest einem offenen Becken umfasst; und/oder
B) die Mittel zum Abtrennen des Kohlendioxids aus der an (Hydrogen-)Carbonat- lonen angereicherten Lösung Folgendes umfassen:
Bi) eine Desorptionskolonne zur Durchführung von Dampfstrippen der an (Hy- drogen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung zum Erhalt eines Kohlendioxid-Was- serdampf-Gemischs und/oder
Bii) einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion der (Hydro- gen-)Carbonat-lonen unter Umsetzung des enthaltenen CO2 in ein wasserunlösliches Salz oder in ein Gas sowie gegebenenfalls Mittel zum Entfernen des wasserunlösli chen Salzes oder des Gases aus dem Reaktor; und/oder
C) die Anlage pH-Regler zum Messen und Einstellen des pH-Werts jeder der bei den im Elektrodialyse-Separator erhaltenen Lösungen vor der Rezyklierung zu a) bzw. vor Abtrennung des Kohlendioxids umfasst; mit der Maßgabe, dass, wenn die Anlage keine Kombination aus zumindest einem Absorber und zumindest einem offenen Becken gemäß Aiii), aber eine Desorp tionskolonne zur Durchführung von Dampfstrippen umfasst, sie die pH-Regler zum Messen und Einstellen des pH-Werts der im Elektrodialyse-Separator erhaltenen Lö sungen gemäß C) umfasst.
Auf diese Weise sind dieselben Vorteile wie zuvor in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erzielbar, insbesondere eine weitere Verbesserung der Energiebilanz und der Reinheit des gewonnenen CO2, wobei in bevorzugten Ausführungsformen auch der apparative Aufwand deutlich gesenkt werden kann. In manchen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Anlage eine Kombination aus zumindest einem Absorber und zumindest einem offenen Be cken gemäß Merkmal Aiii), was die Vorteile beider Varianten kombiniert: Während in einem Absorber größere Mengen an CO2 in relativ kurzer Zeit absorbierbar sind, ist der Energiebedarf für den Betrieb hoch. In einem Becken kann hingegen die Absorp tion nahezu ohne Energieaufwand erfolgen, dauert allerdings deutlich länger. Wie be reits erwähnt, ist die Reihenfolge, in der die Absorptionslösung die verschiedenen Arten von Absorptionsstationen passiert, gemäß vorliegender Erfindung nicht speziell eingeschränkt, d.h. es können in Flussrichtung der Verfahrenslösung zuerst ein oder mehrere, vorzugsweise großflächige Becken mit niedrigem Flüssigkeitsstand, d.h. un tiefe Becken, und danach ein oder mehrere Absorber oder auch jeweils ein oder meh rere verschiedene Stationen abwechselnd vorgesehen werden. Letzteres ist aber nicht zu bevorzugen.
Für den Fall, dass die erfindungsgemäße Anlage mehr als ein offenes Becken umfasst, so sind diese Becken, wie erwähnt, vorzugsweise jeweils auf unterschiedlicher Flöhe angeordnet, damit sie von der Absorptionslösung allein aufgrund der Schwerkraft in der Reihenfolge vom höchst- zum tiefstgelegenen passiert werden können, um dafür keine Pumpen vorsehen zu müssen.
Bevorzugt wird gemäß vorliegender Erfindung, dass in der erfindungsgemäßen Anlage zuerst zumindest ein Absorber, bei dem es sich vorzugsweise um einen Sprühwä scher, einen Sprühturm oder eine Füllkörperkolonne, insbesondere einen Sprühwä scher oder Sprühturm, handelt, und anschließend zumindest ein offenes Becken vor gesehen werden, was die zuvor beschriebenen positiven Temperatureffekte bewirkt.
Noch bevorzugter umfasst die erfindungsgemäße Anlage zumindest einen Absorber, dessen Boden einen Sumpf- oder Sammelbehälter zur Zwischenlagerung der durch Absorption mit (Flydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung umfasst, wodurch im Verfahren sozusagen ein zeitlicher Puffer geschaffen wird. Wie bereits erwähnt, ist das zumindest eine offene Becken der erfindungsgemäßen Anlage vorzugsweise eines, oberhalb dessen zumindest eine Abdeckung in einem Ab stand angeordnet ist, der geeignet ist, um die Verdampfung von Wasser aus der wäss rigen Absorptionslösung einzuschränken, z.B. in einem Abstand von 1 bis 150 cm, vorzugsweise nicht mehr als 100 cm, noch bevorzugter nicht mehr als 50 cm, insbe sondere nicht mehr als 25 cm, oberhalb des Beckenrandes. Dabei weist die Abde ckung zumindest einen Großteil der Fläche des Beckens oder im Wesentlichen die selbe oder sogar eine größere Fläche als das Becken auf, um diese Wirkung weiter zu verstärken. Weiters umfasst die Abdeckung an der Oberseite vorzugsweise eine Pho tovoltaikanlage, um die elektrische Energie für den Betrieb zumindest teilweise aus Sonnenlicht zu gewinnen.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage sind in dem zumindest einen offenen Becken Trennwände vorgesehen, zwischen denen bzw. um die herum die Absorptionslösung des zumindest einen Alkali- oder Erdalkalimetall kations in mäandernder Weise geführt wird, was deren Verweilzeit im Becken erhöht, die Durchmischung verbessert und vor allem eine Rückvermischung mit kontinuierlich nachströmender, noch an CO2 ärmerer Absorptionslösung unterdrückt.
In manchen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Anlage gemäß Merkmal Bi) eine Desorptionskolonne zur Durchführung von Dampfstrippen der an (Flydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung zum Erhalt eines Kohlendioxid- Wasserdampf-Gemischs sowie einen Kondensator zur Abtrennung von Wasser aus dem Kohlendioxid-Wasserdampf-Gemisch durch Kondensation gegebenenfalls wei ters einen Trockner für das erhaltene Kohlendioxid.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen allerdings umfasst sie gemäß Merkmal Bii) einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion der (Flydrogen-)Car- bonat-lonen unter Umsetzung des enthaltenen CO2 in ein wasserunlösliches Salz oder in ein Gas und weiters gegebenenfalls einen Filter zur Entfernung des wasserunlösli chen Salzes oder eine Einrichtung zum Absaugen oder Beschallen der Reaktionslö sung zur Entfernung des Gases aus dem Reaktor. Je nachdem, welche chemischen Reaktionen zur Umsetzung des absorbierten CO2 im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, kann der Reaktor der erfin dungsgemäßen Anlage vorzugsweise entsprechende Vorratsbehälter für die benötig ten Reaktanten umfassen, z.B. einen Vorratsbehälter für eine wässrige Lösung von Erdalkalimetallionen. Öder er kann Elektroden für die Durchführung von elektrochemi scher Reduktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen umfassen. Zur Entfernung von Nie derschlägen schwer löslicher Salze, z.B. von CaC03, ist im Reaktor weiters vorzugs weise ein Filter vorgesehen, und zur Entfernung gasförmiger Reaktionsprodukte vor zugsweise eine Vakuumpumpe zum Absaugen des Reaktorgasraums und/oder ein Ultraschallgenerator zur Förderung des Ausgasens.
Beispielsweise kann für die Inbetriebnahmephase der erfindungsgemäßen Anlage und zur Bereitstellung größerer Mengen an (Erd-)Alkalimetallionen Meerwasser als Metall ionenquelle eingesetzt und eine Chlor-Alkali-Elektrolyse zur Aufbereitung der (Erd-)AI- kalimetallionen-Lösung eingesetzt werden. Um die Wassermenge auf konstantem Ni veau zu halten, kann außerdem beispielsweise eine Umkehrosmose-Einheit einge setzt werden, z.B. um eventuelle Wasserüberschüsse (bei denen die offenen Absor berbecken mitunter überlaufen können) aus dem Flüssigkeitskreislauf zu entfernen.
Um den intermittierenden Betrieb der Elektrodialyse beim kontinuierlichen Betrieb der Absorption zu ermöglichen können unterschiedliche Bypassventile verwendet werden
Und weiters kann die erfindungsgemäße Anlage, neben selbstverständlichen Bau teilen wie Leitungen, Ventilen und Pumpen, vorzugsweise noch eine oder mehrere der folgenden Komponenten, ausgewählt aus weiteren pFI-Reglern, (Vakuum-)Pumpen, Verdampfern, Wärmetauschern, Heiz- und Kühlvorrichtungen, Filter- und Membranse paratoren, Vorratsbehältern für Frischwasser und (Erd-)Alkalimetallionen, Dosierpum pen und einer Computersteuerung, sowie jegliche für weitere Optimierungsmaßnah men erforderliche oder wünschenswerte Bauteile und Einrichtungen umfassen. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungs formen, die freilich nur zu Illustrationszwecken angeführt sind und die Erfindung nicht einschränken sollen, eines Berechnungsbeispiels für den Energieverbrauch des erfin dungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Anlage, sowie unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, die Folgendes zeigen:
Fig. 1 ist ein Diagramm des pH-abhängigen Gleichgewichts zwischen Kohlensäure, Hydrogencarbonat und Carbonat in wässrigen Lösungen.
Fig. 2 ist ein Fließbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage.
Fig. 3 ist ein Fließbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung anionenselekti- ver ("A") und bipolarer ("AK") Membranen im Elektrodialyse-Separator in Schritt b) des Verfahrens.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines offenen Beckens als Teil der erfindungsgemäßen Anlage zur Absorption von CO2 in Schritt a) des Verfahrens.
BEISPIELE
Wie zuvor erwähnt wird in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Schritt a) ein pH-Wert der alkalischen Lösung des zumindest einen (Erd-)Alkalimetallions von zumindest 7,7, zumindest 8,0 oder auf noch höhere Werte, z.B. > 11 ,0, eingestellt. Allerdings hängt der besonders bevorzugte pH-Bereich auch davon ab, ob für die Absorption ein oder mehrere offene Becken oder Absorber, wie z.B. ein oder mehrere Sprühwäscher oder Sprühtürme, oder Kombinationen davon genutzt werden. Wie ebenfalls erwähnt, verschiebt die Gegenwart großer Mengen an Base das Gleich gewicht der chemischen Reaktionen:
NaOH + C02 NaHCOs 2 NaOH + CO2 Na2C03 + H2O jeweils zur Produktseite hin, weswegen gemäß vorliegender Erfindung, wo als offene Becken keine natürlichen Gewässer, sondern gemauerte, untiefe Becken bevorzugt werden, in besonders bevorzugten Ausführungsformen ein pH-Wert der Absorptions lösung von zumindest 10,0, insbesondere zumindest 11 ,0, eingestellt wird. Weiters wird bevorzugt, eine Lösung von Alkalimetallionen einzusetzen, da einerseits Erd- alkalimetallionen die Elektrodialysemembranen schädigen können und andererseits auf diese Weise nach Zusatz von Erdalkalimetallionen eine Ausfällung schwer löslicher Erdalkalimetallcarbonate zur Abtrennung des absorbierten CO2 erfolgen kann.
Eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wie in Fig. 2 schematisch dargestellt konzipiert werden. Die darin - und in Fig. 3 - enthaltenen Bezugszeichen haben die folgende Bedeutung, wobei die dreistelligen Bezugszeichen für Leitungen gleichzeitig die darin transportierten Fluidströme kennzeichnen. Legende Fig. 2 und Fig. 3:
01a Absorber: Füllkörperkolonne oder Sprühwäscher
01b Absorber: Sumpf- oder Pufferbehälter
01c Absorber: offenes Becken
03 Umwälzpumpe des 1 . Flüssigkeitskreislaufs
04 Filtration und/oder Konditionierung im 1. Flüssigkeitskreislauf
05 Elektrodialysator
06 pH-Wert-Bestimmung und -Regelung im 1. Flüssigkeitskreislauf
07 Förderpumpe zwischen den Absorbern
08 Umwälzpumpe für Kühltrocknung
09 Kondensator und Kühltrockner
13 Umwälzpumpe des 2. Flüssigkeitskreislaufs
14 Filtration und/oder Konditionierung im 2. Flüssigkeitskreislauf
16 pH-Wert-Bestimmung und -Regelung im 2. Flüssigkeitskreislauf
17 CÜ2-Abtrennung: Desorptionskolonne und/oder Reaktor
31 Pumpe für die Wasserniveauregelung
32 Umkehrosmose 33 Regelventil für die Wasserniveauregelung
34 Pumpe für die Wasserniveauregelung
35 Wassertank
37 Wasserniveaumessung
41 Regelventil bzw. Druckhalteventil im 1. Kreislauf
42 Regelventil bzw. Druckhalteventil im 2. Kreislauf
43 Wasserkonditionierung / Metallionenaufbereitung
44 Wasser und/oder Metallionenquelle
45 Behälter mit Metallionenlösung
46 Dosierpumpe für die Metallionenlösung
48 Elektrodialyse-Bypassventil
58 Bidirektionale Pumpe für den Metallionenausgleich
101 Diluat nach C02-Absorption
103 Diluat nach Druckerhöhung
104 Diluat nach Konditionierung (Diluateinlass in die Elektrodialyse)
105 Diluat rezirkuliert zur Absorption (Diluatauslass aus der Elektrodialyse)
107 Verbindung zwischen den Absorbern
108 Zuleitung von kaltem Wasser zur Kühltrocknung
109 Rückführung aus der Kühltrocknung
405 Bypass der Elektrodialyse
201 Konzentratrezyklierung nach der CÜ2-Abtrennung
203 Konzentrat nach Druckerhöhung
204 Konzentrat nach Konditionierung (Konzentrateinlass in die Elektrodialyse)
205 Konzentrat aus der Elektrodialyse zur CC>2-Abtrennung
301 Zuleitung in die Umkehrosmose
302 Zuleitung von Wasser in den Wasserspeicherbehälter
303 Rezyklierung der Absorptionslösung aus der Umkehrosmose
304 Wasserzuleitung zu Absorbern
407 Zuleitung aus Metallionen- bzw. Wasserquelle zur Wasseraufbereitung
408 Frischwasser- oder Metallionenzuleitung
409 Zuleitung für Metallionenlösung
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Anlage beginnen, wie in Fig. 2 oben in der Mitte dargestellt, mit zumindest einem Absorber 01 zur Absorption von CO2 aus der Umgebungsluft, bei denen es sich vorzugsweise um zumindest einen Sprühwäscher oder Sprühturm 01a, besonders bevorzugt jeweils mit einem Sumpf oder Pufferbehälter 01b, oder zumindest ein offenes Becken 01c oder insbesondere um eine Kombination davon handeln kann. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Kationen aus obigen Gründen um Alkali metallkationen, noch bevorzugter um Na+- oder K+-lonen oder ein Gemisch davon. Weiters kann die Lösung in den Absorbern Zusätze zur Erhöhung der Sorptionskapa zität der Absorptionslösung bzw. der Sorptionsgeschwindigkeit enthalten, wie z.B. nie dere Alkohole oder Formaldehyd, diese sind allerdings für die Wirkungsweise der Erfindung nicht erforderlich und aus Umweltschutz- und Kostengründen auch nicht bevorzugt.
In der alkalischen Lösung kommt es durch Absorption von CO2 aus der Umgebungsluft in Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung zur Bildung von Hydrogencarbonat- und/ oder Carbonat-Anionen. Vorzugsweise wird zur Förderung der Absorption ein hoher pH eingestellt, z. B. ein pH-Wert > 10 oder > 11.
Die alkalische Lösung des absorbierten CO2 wird in der Folge einem Dialyseschritt unterzogen und zu diesem Zweck einem Elektrodialyse-Separator 05 zugeführt. Dies kann entweder direkt erfolgen oder, wie in Fig. 2 dargestellt, vorzugsweise nach einer vorhergehenden Filtration bzw. Konditionierung der Lösung, z.B. einer Erwärmung, um den Stoffübergang während des Dialysevorgangs zu beschleunigen, zu welchem Zweck auch die Wärme eines später im Verfahren anfallenden, aber zu einer vorheri gen Stufe rezyklierten Flüssigkeitsstroms mittels einem Wärmeaustausch genutzt wer den kann, die ansonsten als Abwärme verloren gehen würde, z.B. die Wärme einer Dampfstrippen unterzogenen Lösung aus dem zweiten Flüssigkeitskreislauf oder jene der durch die Elektrodialyse an (Hydrogen)Carbonat-lonen abgereicherten Lösung, bevor diese zum Absorptionsschritt rezykliert wird. Durch die optionale Filtration kön nen vor der Dialyse Verunreinigungen weitgehend aus der Lösung entfernt werden, und unter Konditionierung ist hierin außer einer Erwärmung auch der optional erfol gende Zusatz von pH-Reglern und/oder sonstigen Additiven zur Förderung der Ab- sorptions- und Desorptionsvorgänge zu verstehen. In bevorzugten Ausführungsfor men werden Filtration und Konditionierung im Wesentlichen gleichzeitig in einem Filter/Konditionierer 04 durchgeführt, dem die alkalische Lösung des absorbierten CO2 in Fig. 2 über Leitung 101 , Pumpe 03 und Leitung 103 zugeführt wird. Von dort gelangt die gegebenenfalls erwärmte und/oder filtrierte/konditionierte Lösung über Leitung 104 in den Elektrodialyse-Separator 05, wo eine an (Hydrogen)Carbonat- lonen abgereicherte und einer daran angereicherten Lösung erhalten werden. Bei der erfindungsgemäß bevorzugten Wahl eines pH-Werts der alkalischen Lösung im Ab sorptionsschritt > 10 oder > 11 wird im Elektrodialyse-Separator 05 eine Kombination aus anionenselektiven lonentauschermembranen "A" und bipolaren Membranen "AK" eingesetzt, um die Dialyse wie in Fig. 4 dargestellt vorzunehmen. Über das noch vor dem Elektrodialyse-Separator 05 vorgesehene Dreiwegeventil, das Elektrodialyse-By- passventil 48, kann die durch Absorption an CO2 angereicherte Lösung im Bedarfsfall, z.B. von Zeit zu Zeit, auch am Elektrodialysator 05 vorbeigeführt und nach vorheriger Nachjustierung der Wassermenge und/oder der Konzentration der (Erd-)Alkalimetall- ionen über Wassertank 35 und Pumpe 34 bzw. ein (Meer-)Wasserreservoir, Leitung 407 und Wasserkonditionierer 43 und Leitung 408 bzw. Metallionenreservoir 45, Pum pe 46 und Leitung 409 im ersten oder (bezogen auf die Elektrodialyse) "Diluat"-Kreis- lauf rezykliert werden, ohne in diesem Zyklus der Elektrodialyse unterzogen zu wer den.
Wird hingegen die Lösung im Normalbetrieb im Elektrodialysator 05 der Elektrodialyse unterzogen, wird sie über Regel- bzw. Druckhalteventil 41 rezykliert, wobei unmittelbar nach der Elektrodialyse an Position 06 eine pH-Messung und -Regelung erfolgt, um den gewünschten pH-Wert im Diluatkreislauf konstant zu halten und so einen rei bungslosen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten. Anschließend wird die durch Elektrodialyse abgereicherte Lösung über Leitung 105 rezykliert, wobei sie jedoch ge gebenenfalls noch über Leitung 301 und Pumpe 31 einer Umkehrosmose-Einheit 32 zugeführt werden kann, um eventuelle Wasserüberschüsse aus dem Flüssigkeitskreis lauf zu entfernen. In der Folge kann sie zudem im Bedarfsfall denselben Konditionie rungen und Behandlungsschritten unterzogen werden wie zuvor für den Bypass be schrieben.
Das im Elektrodialysator 05 erhaltene "Konzentrat" der Elektrodialyse, das den zweiten Flüssigkeitskreislauf durchläuft, wird über Regel- bzw. Druckhalteventil 42 aus dem Dialysator 05 rezykliert, wonach ebenfalls unmittelbar an Position 16 eine pH-Messung und -Regelung dieses Flüssigkeitsstroms erfolgt, wonach das Konzentrat über Leitung 205 zum nächsten Schritt, der Abtrennung des CO2 als Schritt c) des erfindungsgemä ßen Verfahrens in den Mitteln 17 zum Abtrennen des Kohlendioxids aus der an (Hydro- gen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung weitergeleitet wird.
Diese Abtrennung an Position 17 kann entweder wie in den früheren Anmeldungen der vorliegenden Erfinder mittels Dampfstrippen in einer Desorptionskolonne oder mit tels chemischer Reaktionen der (Hydrogen-)Carbonat-lonen erfolgen, bei denen das CO2 als schwer löslicher Niederschlag oder als Gas aus der Lösung entfernt wird, oder auch mittels einer Kombination davon, z.B. in dem zuerst Dampfstrippen durchgeführt wird und danach das restliche CO2 durch chemische Reaktion entfernt wird.
Vorzugsweise wird für die Abtrennung mittels chemischer Reaktionen, wie oben er wähnt, eine im Wesentlichen nur Hydrogencarbonat-Ionen enthaltende Lösung, be sonders bevorzugt eine mit einem pH von etwa 8,0 oder etwa 9,0, in einem Reaktor 17 mit Erdalkalimetallionen versetzt, vorzugsweise mit Ca2+-Kationen, um so einen Niederschlag aus CaCC>3 zu erhalten, der mittels eines einfachen Filters von der Lö sung abgetrennt werden kann. In alternativen bevorzugten Ausführungsformen wird eine Konzentrat-Lösung - noch bevorzugter eine mit höherem pH, z.B. etwa pH 10,0 oder etwa pH 11 ,0, zur Förderung des Absorptionsvorgangs - einer elektrochemi schen Reduktion unterzogen, wobei ein Kohlenwasserstoffgas, z.B. Methan oder Ethy len, erzeugt wird, das aus der Lösung entweicht, was mittels Absaugung unterstützt werden kann.
Die in Kolonne und/oder Reaktor 17 an CO2 abgereicherte alkalische Lösung wird über Leitung 201 , Pumpe 13, Leitung 203 sowie Filter bzw. Konditionierer 14 zur Entfernung von Verunreinigungen und gegebenenfalls zum Wärmeaustausch, wie zuvor für 04 im Diluatkreislauf beschrieben, sowie Leitung 204 zum Elektrodialysator 05 rezykliert.
In Fig. 3 ist eine noch bevorzugtere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah rens und der zugehörigen Anlage dargestellt, die zwar im Wesentlichen dieselben Schritte und Anlagenteile umfasst wie jene aus Fig. 2, sich aber insbesondere dadurch unterscheidet, dass mehrere verschiedene Arten von Absorbern 01 vorgesehen sind - und dass die pH-Messung und -Regelung nicht zwingend an den Positionen 06 und 16 erfolgen müssen.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform umfasst einen als Sprühturm dargestellten Absorber 01 a, dessen Boden einen Sumpf- oder Pufferbehälter 01 b zur Zwischenla gerung der an CO2 angereicherten Absorptionslösung sowie als zweiten Absorber um fasst, da die Absorption während der Zwischenlagerung ja weiter fortschreitet, wie zu vor beschrieben wurde. Über Pumpe 07 und Leitung 107 ist dieser zweite Absorber mit einem dritten, nämlich einem offenen Becken 01 c verbunden.
Diese Ausführungsform unter Positionierung eines Gaswäschers 01 a unmittelbar nach der Elektrodialyse im Diluatkreislauf (bzw. nach optionaler vorheriger Nachjustierung der Wassermenge und/oder der Metallionen-Konzentration wie zuvor beschrieben) bietet den Vorteil, dass die bei der Elektrodialyse erwärmte, an (Hydrogen-)Carbonat- lonen abgereicherte Lösung in der Kolonne oder dem Sprühturm einen "Kamineffekt" bewirkt. Dabei erwärmt sich die Luft im Absorber Kontakt mit der warmen oder heißen rezyklierten Lösung und bewirkt einen Auftrieb, der die Luft in eine Aufwärtsbewegung versetzt oder eine solche zumindest unterstützt, was den Übergang des CO2 aus der Luft in die Absorptionslösung fördert. Im danach vorgesehenen Sumpfbehälter 01 b und im darauf folgenden offenen Becken 01 c kann die bereits teilweise an (Hydrogen-) Carbonat-Ionen angereicherte und während der Passage des Absorbers 01 a abge kühlte Lösung dann auch leichter weiteres CO2 absorbieren, da höhere Temperaturen die Gasabsorption behindern.
Das zumindest eine offene Becken 01 c ist in besonders bevorzugten Ausführungsfor men der Erfindung wie in Fig. 5 dargestellt, d.h. es weist integrierte Trennwände 11 auf, zwischen denen bzw. um die herum die basische wässrige Absorptionslösung zur Absorption des Kohlendioxids mäandernd geführt wird, was ihre Verweilzeit im Becken erhöht, für eine bessere Durchmischung der Lösung während des Kontakts mit der Luft sorgt und vor allem eine Rückvermischung mit der über Leitung 107 (und gege- benenfalls auch 304) kontinuierlich nachströmenden, an CO2 noch etwas ärmeren Ab sorptionslösung unterdrückt.
An Position 37 ist ein Pegelmesser vorgesehen, der den Wasserspiegel der Absorp tionslösung im offenen Becken 01 c bestimmt, um die Wassermenge gegebenenfalls wie zuvor beschrieben nachjustieren - d.h. mittels Umkehrosmose an 32 verringern oder mittels Wasserzufuhr über die Leitungen 304 und/oder 408 erhöhen - zu können. Weiters ist oberhalb des Beckens 01 c eine Abdeckung 51 vorgesehen, die eine über mäßige Verdampfung von Wasser aus der Lösung während ihrer Verweilzeit im Be cken verhindern soll. Besonders bevorzugt umfasst diese Abdeckung 51 eine Photo- voltaik-Anlage, um zumindest einen Teil des Strombedarfs für den Betrieb der Anlage aus Sonnenlicht gewinnen zu können.
Darüber hinaus ist in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform noch ein Kondensa tor 09 am Kopf des Sprühturm 01 a vorgesehen, der über Pumpe 08 und Leitung 108 mit abgekühlter, an CO2 angereicherter Absorptionslösung aus dem Becken 01 c ge speist wird und eine Kondensation von etwaiger (wie durch Pfeile angedeutet) aus dem Sprühturm 01 a austretender, feuchter Luft bewirken soll, um Wasserverluste zu ver meiden. Gleichzeitig wird der dafür eingesetzte Anteil an angereicherter Absorptions lösung, der über Leitung 109 wieder in den Diluatkreislauf zurückgeführt wird, vor der Einleitung in den Elektrodialysator 05 vorerwärmt, was die Elektrodialyse begünstigt.
Im Übrigen entspricht die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform im Wesentlichen jener in Fig. 2, d.h. zur Abtrennung des CO2 aus der Absorptionslösung an Position 17 kann eine Desorptionskolonne, ein Reaktor oder auch eine Kombination davon eingesetzt werden.
Durch diese Verfahrensschritte unter Zirkulierung des Wassers in zwei Kreisläufen auf der Diluat- bzw. der Konzentratseite des Elektrodialyse-Separators unter pH-Messung und -Regelung gleich nach der Elektrodialyse und/oder Nutzung verschiedener Absor ber und/oder Abtrennung der CO2 mittels chemischer Reaktionen anstelle von Dampf strippen, insbesondere in den jeweiligen besonders bevorzugten Ausführungsformen, kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung sogar noch effizienter ausgeführt wer den als das frühere Verfahren der Erfinder, wie das nachfolgende Modellbeispiel be legt. Allerdings versteht es sich, dass das oben detailliert beschriebene Verfahren so wie die zugehörige Anlage der vorliegenden Erfindung auch mit zahlreichen Variatio nen in die Praxis umgesetzt werden können, solange diese im durch die beiliegenden Ansprüche definierten Schutzbereich liegen.
Beispielsweise kann der Elektrodialyse-Separator 05, je nach technischer Ausführung, mit diversen herkömmlichen Nebenaggregaten ausgerüstet sein, wie z. B. internen Rezirkulationspumpen für eine Intensivierung des lonentransportes, und/oder Antifou ling-Systemen (z. B. durch Alternieren der elektrischen Polung). Da es bei längerem Betrieb der Anlage durch Membrandefekte im Separator zur Anreicherung von Metall ionen in einem der Kreisläufe kommen kann, kann die Elektrodialyse darüber hinaus unter Verwendung zusätzlicher Pumpen für einen periodischen oder kontinuierlichen Ausgleich der Metallionen im Diluat oder im Konzentrat durchgeführt werden. Nichts destotrotz umfassen sämtliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfah rens und der erfindungsgemäßen Anlage zwei separate Flüssigkeitskreisläufe.
In diesem Beispiel wurde ein Modell für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Anlage wie in Fig. 3 dargestellt plus der pFI-Messung und -Rege lung an den Positionen 06 und 16 aus Fig. 2 und unter Einsatz chemischer Reaktionen zur Abtrennung des CO2 in Reaktor 17 auf Basis empirischer Daten computerunter stützt durchgerechnet, um den erforderlichen Energieverbrauch abschätzen zu kön nen. Das Modell basiert auf den folgenden Parametern und Annahmen:
Sprühturm 01 a wird über Leitung 105 mit 1000 m3/h 20%iger Kaliumcarbonat/bicarbo- nat-Lösung versorgt. Die Temperatur am Einlass zum Sprühkopf beträgt ~55 °C und der pFI-Wert > 11 ,7. Die Lösung umfasst somit, wie aus Fig. 1 zu entnehmen, nahezu ausschließlich Carbonat-Anionen (~1 ,7 mol/l) und lediglich Spuren an Hydrogencarbo nationen (~0 mol/l). Durch den erwähnten Kamineffekt der heißen Lösung saugt der Sprühturm von selbst relativ kalte Umgebungsluft (~15 °C) an, wodurch eine Abkühlung der Lösung auf ~30 °C und durch die Absorption von CO2 aus der durchströmenden Luft eine leichte Senkung des pH-Werts der Lösung auf pH ~11 ,3 erfolgen. Die dadurch etwas abge kühlte und bereits zum Teil an CO2 angereicherte Lösung wird im Sumpfbehälter 01 b gesammelt, wo weitere Absorption erfolgt, und anschließend mittels Pumpe 07 und Leitung 107 in das untiefe offene Becken 01 c gepumpt, das wie in Fig. 5 gezeigt und zudem leicht nach links unten geneigt ausgeführt ist, so dass es ausschließlich auf grund der Schwerkrafteinwirkung passiert wird, wobei eine weitere Abkühlung der Lö sung auf ~15 °C und durch fortgesetzte C02-Absorption eine weitere Reduktion des pH-Werts auf pH ~11 erfolgen, bis das Gleichgewicht zwischen atmosphärischem CO2 und den Hydrogencarbonationen in der Lösung praktisch erreicht ist.
Oberhalb des untiefen Beckens 01 c ist eine Abdeckung 51 mit darauf befindlichen Photovoltaikpaneelen mit einer Gesamtspitzenleistung von ~7 MW vorgesehen, die an sonnigen Tagen bis zu 30 % des Stromverbrauchs der Elektrodialyse abdecken kön nen.
Am Auslass des Beckens 101 beträgt der Anteil an Hydrogencarbonationen am ge samten absorbierten CO2, d.h. Carbonat- und Hydrogencarbonationen, ~20 Mol-%. Die Lösung wird dann durch den Elektrodialysator 05 gepumpt. Am Diluat-Auslass 105 der Elektrodialyse findet, wie in Fig. 2 gezeigt, eine pH-Messung und -Regelung statt, wobei der pH-Wert in der Leitung 105 wieder auf > 11 ,7 eingestellt wird.
Im zweiten Kreislauf, d.h. im Konzentrat, erfolgt nach der Elektrodialyse ebenfalls zu nächst an 16 eine pH-Messung und -Regelung. Allerdings wird der pH im Konzentrat (in Leitung 205) auf einen niedrigeren Wert eingestellt, nämlich auf pH ~9,1. Das bedeutet, dass die Konzentratlösung nahezu ausschließlich Hydrogencarbonationen, nämlich ~3 mol/l oder ~94 Mol-% und nur geringe Mengen an Carbonationen (~6 Mol- %) umfasst. Die Abtrennung des CO2 aus dem Konzentrat erfolgt im Reaktor 17 mittels chemischer Reaktion mit Ca2+-lonen, z.B. unter Zusatz von Calciumhydroxid-Lösung gemäß den nachstehenden Gleichungen:
Ca(OH) + KHCO3 CaCOa j + KOH + H2O Ca(OH) + K2CO3 -»· CaCOs j + 2 KOH
Dabei fällt CaC03 aus der Lösung aus, was das Gleichgewicht der chemischen Reak tionen zur Produktseite hin verschiebt und somit praktisch quantitativen Umsatz des absorbierten CO2 bei relativ kurzer Verweilzeit im Reaktor gewährleistet. Das ausge fallene Produkt wird mittels einfacher Sedimentation abgetrennt, d.h. der CaC03- Niederschlag wird einfach absetzen gelassen, und die abgereicherte Lösung wird aus dem Reaktor abgepumpt und zum Elektrodialysator 05 rezykliert. In intermittierenden Abständen können Rückstände des CaC03 aus dem Reaktorraum entfernt werden. Auf diese Weise ist für die Abtrennung des CO2 aus der alkalischen Lösung nahezu keine Energie aufzuwenden.
Unter diesen Annahmen können laut Computerberechnung ~5000 Nm3/h reines CO2 in gebundener Form [als CaCÜ3 erhalten werden. Dafür ist aufgrund der dreifachen Absorption (01 a, 01 b, 01 c), der pH-Regelung unmittelbar nach der Elektrodialyse und des Einsatzes chemischer Reaktionen anstelle von Dampfstrippen, d.h. durch Auswahl der erfindungsgemäß besonders bevorzugten Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale Aiii), Bii) und C) mit dem zusätzlichen Sumpfbehälter 01 b und der teilweisen Gewinnung des Strombedarfs für die Elektrodialyse durch Photovoltaik, lediglich ein Energieaufwand von ~12,5 MW erforderlich.
Der gesamte spezifische Energiebedarf für die Gewinnung von CO2 aus der Umge bungsluft mittels vorliegender Erfindung beträgt somit gemäß der Berechnung nur ~2,5 kWh/Nm3 CO2, was gegenüber dem früheren Verfahren der Erfinder, bei dem ein Ver brauch von 3,8 kWh elektrische Energie und 1 ,41 kWh Wärmeenergie pro Normkubik meter CO2 berechnet wurde, eine weitere erhebliche Verbesserung darstellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Abtrennen und Gewinnen von Kohlendioxid aus der Umge bungsluft, umfassend die kontinuierliche Durchführung der folgenden Schritte: a) In-Kontakt-Bringen von Umgebungsluft mit einer basischen wässrigen Lösung zumindest eines Alkali- oder Erdalkalimetallkations zur Absorption des Kohlendioxids in die Lösung unter Bildung des Hydrogencarbonats bzw. Carbonats des zumindest einen Metalls; b) Elektrodialyse der dabei erhaltenen Lösung unter Verwendung einer Kombina tion aus bipolaren und anionenselektiven lonentauschermembranen zum Erhalt einer an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten und einer daran abgereicherten Lösung, die jeweils einen pH > 7 aufweisen, wobei die an (Hydrogen-)Carbonat-lonen abgereicherte Lösung zu Schritt a) rezykliert wird; c) Abtrennen des Kohlendioxids von der an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angerei cherten Lösung, wobei eine an CO2 abgereicherte Lösung erhalten wird, die zu Schritt b) rezykliert wird; und d) gegebenenfalls Trocknung und Reinigung des abgetrennten Kohlendioxids; dadurch gekennzeichnet, dass
A) die Absorption in Schritt a)
Ai) in zumindest einem Absorber (01a) oder
Aii) in zumindest einem offenen Becken (01c) oder
Aiii) in einer Kombination aus zumindest einem Absorber (01a) und zumindest einem offenen Becken (01c) durchgeführt wird; und/oder
B) die Abtrennung des Kohlendioxids von der an (Hydrogen-)Carbonat-lonen an gereicherten Lösung in Schritt c)
Bi) durch thermische Desorption des Kohlendioxids mittels Dampfstrippen zum Erhalt eines Kohlendioxid-Wasserdampf-Gemischs und/oder
Bii) durch chemische Reaktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen erfolgt, bei der das enthaltene CO2 in ein wasserunlösliches Salz oder ein Gas übergeführt und da durch aus der Lösung entfernt wird; und/oder C) der pH-Wert jeder der beiden in Schritt b) mittels Elektrodialyse erhaltenen Lö sungen vor der Rezyklierung zu Schritt a) bzw. vor der Abtrennung des Kohlendioxids in Schritt c) gemessen und jeweils auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird; mit der Maßgabe, dass, wenn die Absorption nicht gemäß Aiii) in einer Kombi nation aus zumindest einem Absorber (01 a) und zumindest einem Becken (01 c) er folgt, aber die Abtrennung des Kohlendioxids gemäß Bi) durch thermische Desorption des Kohlendioxids mittels Dampfstrippen erfolgt, der pH-Wert gemäß C) gemessen und eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption in Schritt a) gemäß Aiii) zuerst in zumindest einem Absorber (01 a) und anschließend in zumindest einem offenen Becken (01 c) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorp tion in Schritt a) in zumindest einem Absorber (01 a) durchgeführt wird, dessen Boden einen Sumpf- oder Sammelbehälter (01 b) aufweist, in dem die durch Absorption mit (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherte Lösung zwischengelagert wird, bevor sie in den nächsten Absorber oder in ein offenes Becken oder zur Elektrodialyse weiterge leitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption in Schritt a) in zumindest einem Sprühwäscher oder Sprühturm oder in zumindest einer Füllkörperkolonne (01 a) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption in Schritt a) in zumindest einem offenen Becken (01 c) durchgeführt wird, oberhalb dessen zumindest eine Abdeckung (51 ) in einem Abstand angeordnet ist, der geeignet ist, um die Verdampfung von Wasser aus der basischen wässrigen Lösung des zumindest einen Alkali- oder Erdalkalimetallkations einzuschränken.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (51 ) eine Photovoltaikanlage umfasst, wodurch zumindest ein Teil der elektrischen Energie für die Durchführung des Verfahrens aus Sonnenlicht gewonnen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption in Schritt a) in zumindest einem offenen Becken (01 c) mit integrierten Trennwänden (01 d) durchgeführt wird, zwischen denen die basische wässrige Lösung des zumindest einen Alkali- oder Erdalkalimetallkations zur Absorption des Kohlen dioxids mäandernd geführt wird, wodurch ihre Verweilzeit im Becken erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung des Kohlendioxids in Schritt c) gemäß Bi) durch, gegebenenfalls Va- kuum-unterstützte, thermische Desorption des Kohlendioxids mittels Dampfstrippen erfolgt und das Kohlendioxid aus dem dabei erhaltenen Kohlendioxid-Wasserdampf- Gemisch mittels Kühlung zur Kondensation des Wasserdampfs und gegebenenfalls mittels anschließender weiterer Trocknung gewonnen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lösung des zumindest eines Alkali- oder Erdalkalimetallkations ein pH-Wert von zumindest 7,5, zumindest 8,0 oder zumindest 10,0 eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung des Kohlendioxids in Schritt c) gemäß Bii) durch chemische Reaktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine wässrige Lösung zumindest eines Alkalimetallkations zur Absorption des Kohlendi oxids eingesetzt wird und als chemische Reaktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen eine Umsetzung mit Erdalkalimetall-Kationen zur Bildung von schwer löslichen Carbo- naten durchgeführt wird, die einen abtrennbaren Niederschlag bilden.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der wässrigen Lösung des zumindest einen Alkalimetallkations ein pH-Wert von zumindest 11 einge stellt wird, bei dem das darin absorbierte Kohlendioxid im Wesentlichen in Form von C032 -Ionen vorliegt.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als chemische Re aktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen elektrochemische Reduktionen zu aus der Lö sung entweichenden gasförmigen Kohlenwasserstoffen CxHy gemäß den nachstehen den allgemeinen Reaktionsgleichungen durchgeführt werden:
X HCO3- + (5X+Y) H+ + (4X+Y) e CXHY † + 3X H 0 X C03 2 + (6X+Y) H+ + (4X+Y) e- CXHY † + 3X H2O
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Methan als gas förmiger Kohlenwasserstoff erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gas förmigen Kohlenwasserstoffe durch Anlegen eines Unterdrucks im Reaktor abgesaugt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) erhaltene, an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherte, relativ kalte Lösung vor dem Dampfstrippen einem Wärmeaustausch mit i) der bereits Dampfstrippen unterzogenen, relativ heißen Lösung vor deren Rezyklierung zu Schritt b) unterzogen wird, um die erstere Lösung zu erwärmen und die zweitere Lösung abzukühlen; und/oder ii) dem beim Dampfstrippen erhaltenen Kohlendioxid-Wasserdampf-Gemisch unterzogen wird, um sie zu erwärmen und das Kohlendioxid-Wasserdampf-Gemisch zur Kondensation des Wasserdampfs abzukühlen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass i) zur Erzeugung des Wasserdampfs in Schritt c) und/oder zum Erwärmen der in Schritt b) erhaltenen, an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung vor dem Dampfstrippen in Schritt c) die Abwärme eines Kraftwerks oder einer Fabrik ein gesetzt wird; und/oder ii) für die Elektrodialyse in Schritt b) Gleichstrom aus erneuerbaren Energie quellen eingesetzt wird.
18. Anlage zur kontinuierlichen Durchführung eines Verfahrens zum Abtrennen und Gewinnen von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend die folgenden, miteinander über entsprechende Verbindungsleitungen in Fluidkommunikation stehenden Vorrichtungen bzw. Teilabschnitte der Anlage: a) zumindest einen Absorber (01 a) oder zumindest ein offenes Becken (01 c) zum In-Kontakt-Bringen von Umgebungsluft mit einer wässrigen Lösung zumindest eines Alkali- oder Erdalkalimetallkations zur Absorption des Kohlendioxids unter Bil dung des Flydrogencarbonats bzw. Carbonats des zumindest einen Metalls; b) einen eine Kombination aus bipolaren lonentauschermembranen und anio- nenselektiven lonentauschermembranen (A, AK) umfassenden Elektrodialyse-Sepa- rator (05) zur Durchführung eines lonenaustauschs zum Erhalt einer an (Flydrogen-) Carbonat-Ionen angereicherten und einer daran abgereicherten Lösung sowie eine Leitung (105) zum Rezyklieren der an (Flydrogen-)Carbonat-lonen abgereicherten Lö sung zu a); c) Mittel (17) zum Abtrennen des Kohlendioxids aus der an (Flydrogen-)Carbo- nat-lonen angereicherten Lösung, sowie eine Leitung (201 ) zum Rezyklieren der da durch an (Flydrogen-)Carbonat-lonen abgereicherten Lösung zu a); und d) gegebenenfalls Mittel zum Trocknen und/oder zum Reinigen des an c) abge trennten Kohlendioxids; dadurch gekennzeichnet, dass A) die Anlage
Ai) zumindest einen Absorber (01 a) oder
Aii) zumindest ein offenes Becken (01 c) oder
Aiii) eine Kombination aus zumindest einem Absorber (01 a) und zumindest einem offenen Becken (01 c) umfasst; und/oder B) die Mittel (17) zum Abtrennen des Kohlendioxids aus der an (Hydrogen-)Carbo- nat-lonen angereicherten Lösung Folgendes umfassen:
Bi) eine Desorptionskolonne (17) zur Durchführung von Dampfstrippen der an (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung zum Erhalt eines Kohlendioxid- Wasserdampf-Gemischs und/oder
Bii) einen Reaktor (17) zur Durchführung einer chemischen Reaktion der (Hy- drogen-)Carbonat-lonen unter Umsetzung des enthaltenen CO2 in ein wasserunlös liches Salz oder in ein Gas sowie gegebenenfalls Mittel zum Entfernen des wasser unlöslichen Salzes oder des Gases aus dem Reaktor (17); und/oder
C) die Anlage pH-Regler (06, 16) zum Messen und Einstellen des pH-Werts jeder der beiden im Elektrodialyse-Separator (05) erhaltenen Lösungen vor der Rezyklie rung zu a) bzw. vor Abtrennung des Kohlendioxids umfasst; mit der Maßgabe, dass, wenn die Anlage keine Kombination aus zumindest einem Absorber (01 a) und zumindest einem offenen Becken (01 c) gemäß Aiii), aber eine Desorptionskolonne zur Durchführung von Dampfstrippen umfasst, sie die pH- Regler (06, 16) zum Messen und Einstellen des pH-Werts der im Elektrodialyse-Sepa rator (05) erhaltenen Lösungen gemäß C) umfasst.
19. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kombination aus zumindest einem Absorber (01 a) und zumindest einem offenen Becken (01 c) gemäß Aiii) umfasst.
20. Anlage nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumin dest einen Absorber (01 a) umfasst, dessen Boden einen Sumpf- oder Sammelbehälter (01 b) zur Zwischenlagerung der durch Absorption mit (Hydrogen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung umfasst.
21. Anlage nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (01 ) ein Sprühwäscher, ein Sprühturm oder zumindest eine Füllkörper kolonne ist.
22. Anlage nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest ein offenes Becken (01 c) umfasst, oberhalb dessen zumindest eine Ab deckung (51 ) in einem Abstand angeordnet ist, der geeignet ist, um die Verdampfung von Wasser aus der basischen wässrigen Lösung des zumindest einen Alkali- oder Erdalkalimetallkations einzuschränken.
23. Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (51 ) eine Photovoltaikanlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht um fasst.
24. Anlage nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest ein offenes Becken (01 c) umfasst, in dem Trennwände (01 d) zur Führung der basischen wässrigen Lösung des zumindest einen Alkali- oder Erdalkalimetallkat ions in mäandernder Weise angeordnet sind.
25. Anlage nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Desorptionskolonne (17) zur Durchführung von Dampfstrippen der an (Hydro- gen-)Carbonat-lonen angereicherten Lösung zum Erhalt eines Kohlendioxid-Wasser- dampf-Gemischs gemäß Bi) sowie einen Kondensator zur Abtrennung von Wasser aus dem Kohlendioxid-Wasserdampf-Gemisch durch Kondensation umfasst und ge gebenenfalls weiters einen Trockner für das erhaltene Kohlendioxid umfasst.
26. Anlage nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reaktor (17) zur Durchführung einer chemischen Reaktion der (Hydrogen-) Car bonat-Ionen unter Umsetzung des enthaltenen CO2 in ein wasserunlösliches Salz oder in ein Gas gemäß Bii) umfasst und weiters gegebenenfalls einen Filter zur Entfernung des wasserunlöslichen Salzes oder eine Einrichtung zum Absaugen oder Beschallen der Reaktionslösung zur Entfernung des Gases aus dem Reaktor umfasst.
27. Anlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (17) einen Vorratsbehälter für eine wässrige Lösung von Erdalkalimetallionen oder Elektro den für die elektrochemische Reduktion der (Hydrogen-)Carbonat-lonen umfasst.
28. Anlage nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiters eine oder mehrere der folgenden Komponenten, ausgewählt aus weiteren pH- Reglern, (Vakuum-)Pumpen, Verdampfern, Wärmetauschern, Heiz- und Kühlvorrich tungen, Filter- und Membranseparatoren, Vorratsbehältern für Frischwasser und (Erd-)Alkalimetallionen, Dosierpumpen und einer Computersteuerung umfasst.
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