DE102009048541A1 - Physikalisch-technisches Verfahren zur Aufspaltung von Kohlendioxid in Kohlenstoff und Sauerstoff - Google Patents

Abstract

Das dargestellte Verfahren ermöglicht grundsätzlich die Aufspaltung des CO2-Moleküls, das sich unter Normalbedingungen chemisch sehr stabil verhält und dadurch einer stofflichen Nutzung nicht bzw. schwer zugänglich ist.
Damit sind prinzipiell für ein „CO2-Recycling” die Voraussetzungen gegeben, wenn dafür die entsprechende elektrische Energiemenge als Überschuss- oder Anfallenergie verfügbar ist, die andernfalls keiner Verwendung mehr zugeführt werden kann.

Description

• 1. Physikalisch-technische Zusammenhänge
• Kohlendioxid entsteht im Ergebnis einer jeden Oxidation kohlenstoffhaltiger Substanzen und ist ein sehr stabiles Gas, das die Erdatmosphäre anreichert. Die Stabilität ist im Charakter der Bindung und der Wechselwirkungen zwischen den Atomen begründet.
• Die Bindung des C-Atoms mit den beiden O-Atomen ist eine Doppelbindung, wobei von den 6 Elektronen des C-Atoms nur 4 Elektronen auf der äußeren Schale chemisch aktiv in Erscheinung treten. Das O-Atom hat 4 Elektronen in der äußeren Schale. Da diese Schale sechs Elektronen aufnehmen kann, ist noch Platz für jeweils zwei weitere Elektronen des C-Atoms.
• Die Bindung ist exotherm und die Bindungsenergie beträgt 891 kJ/mol. Die Bindungsenergie ist abhängig von der geometrischen Anordnung der beteiligten Atome sowie von der Anzahl der wechselwirkenden Elektronen. Für eine Aufspaltung muss mindestens diese Energie wieder aufgewendet werden.
• Hinsichtlich der Bindungsenergie kann zum Vergleich die Verbindung H2O herangezogen werden.
• Wasser ist ebenfalls eine sehr stabile Verbindung mit einer Bindungsenergie von 913 kJ/mol, also vergleichbar mit der von CO2. Sehr gut bekannt ist, dass mit Elektrolyse, d. h. mittels eines elektrischen Feldes durch Anlegen einer Spannung, Wasser technisch in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden kann. Voraussetzung dafür ist ein ionisierter (elektrisch leitfähiger) Zustand des Wassers.
• Im Unterschied dazu ist bisher noch kein technisches Verfahren zur Spaltung (Reduktion) von Kohlendioxid in Kohlenstoff und Sauerstoff bekannt.
• Unter Normalbedingungen ist CO2 nicht ionisiert, so dass der physikalische Ansatz für ein technisches Verfahren darin gewählt wurde, das Kohlendioxid in einen Plasmazustand zu versetzen und dieses Plasma einem elektrischen Feld auszusetzen. Ein Plasma entsteht durch Energiezufuhr bis zu einem Stadium, bei dem sich die Elektronenhüllen der Atome auflösen und besteht dann aus Elektronen, Ionen und neutralen Teilchen. Bei Ausbleiben oder Unterbrechung der Energiezufuhr wird im Normalfall der Ausgangszustand wieder erreicht, d. h. es findet eine Rekombination statt.
• Das Plasma, im allgemeinen auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet, ist also ein ionisiertes (elektrisch leitfähiges) Gas. In diesem Zustand sind, ähnlich wie bei ionisiertem Wasser, die Voraussetzungen gegeben, unter Einfluss eines elektrischen Feldes die Aufspaltung des CO2-Moleküls verfahrenstechnisch vorzunehmen. Die im Plasma vorhandenen geladenen Teilchen werden, ähnlich wie bei der Elektrolyse, durch das elektrische Feld voneinander getrennt und bei Verringerung der Energiezufuhr an ihrer Rekombination gehindert.
• 2. Technisches Lösung
• Um einen impulsförmigen Energieeintrag zu realisieren, wurde eine spezielle „Plasmakammer” in Form eines druck- und temperaturfesten Stahlreaktors realisiert, und darin Elektroden eingebracht.
• Die Elektroden dienen dem Aufbau eines elektrischen Feldes und der Erzeugung eines elektrischen Durchschlages mittels Anlegen einer Hochspannung.
• Mit dem elektrischen Durchschlag wird die für den Energieeintrag erforderliche Energiemenge freigesetzt. Für die Erzeugung der Hochspannung wurde eine spezielle Hochspannungsversorgung realisiert, die in der Lage ist, parametergesteuert intermittierende Hochspannungsimpulse zu liefern.
• Kommt es zum Durchschlag, entsteht im Bereich des Durchschlagkanals ein Plasma mit hoher Temperatur und es baut sich ein sehr hoher Druck auf. Bedingt durch den Stromfluss im Durchschlagkanal kommt es in diesem Zeitabschnitt kurzzeitig zum Zusammenbruch der Spannung, die sich aber mit Beendigung des Durchschlages wieder sofort aufbaut und in dem entstandenen Plasma die Trennung der geladenen Teilchen voneinander bewirkt.
• Mit jedem Durchschlag wird somit ein Plasma gebildet, dass einem elektrischen Feld augesetzt ist und im Moment der Unterbrechung der Energiezufuhr dadurch nicht (bzw. nur begrenzt) rekombiniert.
• Im praktischen Versuch wurde gasförmiges Kohlendioxid in der Plasmakammer Imulsentladungen mit einer Hochspannung > 40 kV ausgesetzt. In diesem Prozess kam es zur Ausfällung und Ablagerung von Kohlenstoff, d. h. mit diesem technischen Verfahren wurde die Aufspaltung von CO2 realisiert.
• Eine schematische Darstellung dieser technischen Anordnung ist in den Antragsunterlagen enthalten.
• Der impulsförmige Energieeintrag im Sinne des Patentanspruchs kann verfahrenstechnisch auch mit Laserimpulsen, Mikrowellen und anderen Energieformen realisiert werden. Für den Patentanspruch ist es unerheblich, mit welcher Energieform der Energieeintrag erfolgt.
• Bezugszeichenliste

1

Reaktor

2

Isolierung

3

Elektroden

4

intermittierender Durchschlag

5

Schalter

6

Speicher

7

Zuführung CO₂ (flüssig, gasförmig)

8

Reaktionsgasaustritt

9

Ventile

Claims (2)

1. Das physikalisch-technische Verfahren zur Aufspaltung von Kohlendioxid in Kohlenstoff und Sauerstoff ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines impulsförmigen Energieeintrages die Bindungsenergie des Kohlendioxid-Moleküls überwunden und damit die Voraussetzung für die Aufspaltung des Moleküls geschaffen wird
2. Das physikalisch-technische Verfahren zur Aufspaltung von Kohlendioxid in Kohlenstoff und Sauerstoff ist dadurch gekennzeichnet, dass unter Einfluss eines starken elektrischen Feldes die Spaltprodukte voneinander getrennt werden und Kohlenstoff abgelagert werden kann

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