Alkalische Industrieabwässer und CO2 – die perfekte Liaison?
Alkalische Industrieabwässer mit Säure neutralisieren ist Stand der Technik – und teuer, wenn dazu Schwefel- oder Salzsäure eingesetzt wird. Statt dieser Säuren kann CO2 diese Aufgabe übernehmen, meinen Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Hereon. Sie entwickelten einen marktreifen Prozess, der die Behandlung von Industrieabwässern mit der CO2-Emissionsverhinderung kombiniert.
Ein bekanntes Phänomen effektiv nutzen
Löst sich Kohlendioxid in alkalischem Wasser, entsteht Kohlensäure, die mit den vorhandenen Hydroxid-Ionen zu Hydrogencarbonat reagiert. In dieser Form kann das Klimagas langfristig im Wasser gebunden bleiben und über die Flüsse ins Meer transportiert werden. In der Natur entstehen Hydrogenkarbonate durch Bindung von CO2 an Karbonate, die durch Verwitterung von kalkhaltigem Gestein in die Flüsse und Meere gelangen.
Schon länger dachten Forschende darüber nach, gezielt Karbonate in Gewässer einzuleiten, um eine Steigerung der CO2-Aufnahmekapazität herbeizuführen. Das Team um Prof. Hemuth Thomas, Leiter des Hereon-Instituts für Kohlenstoffkreisläufe, hat nun einen technischen Prozess im industriellen Maßstab entwickelt, mit dem alkalische Industrieabwässer durch Einleitung von CO2 neutralisiert werden können. Damit können nicht nur große Mengen von mineralischen Säuren eingespart, sondern künftig auch pro Jahr viele Millionen Tonnen des Treibhausgases gebunden werden. Bei dem in der Zeitschrift Environmental Science&Technology Letters vorgestellten Verfahren handelt es sich nicht um eine vollständige Neutralisation, wie sie durch Säurezugabe erreicht wird, sondern um eine Umwandlung der sogenannten Hydroxid-Alkalinität in Karbonat-Alkalinität. Die Autoren sprechen hier von der Erhaltung der Abwasseralkalinität (Wastewater Alkalinity Preservation – WAP).
Warum Industrieabwässer?
In bestimmten Industrieanlagen, z.B. in der Aluminium- und Zementherstellung, entstehen prozessbedingt sowohl große Mengen alkalischer Abwässer als auch große Mengen an CO2, deren Emission in die Atmosphäre zukünftig verhindert werden soll. Die Mengen an Abwasser und CO2 an einem solchen Standort sind in der Regel bekannt. Unter Berücksichtigung der Alkalinität bzw. des Karbonatgehalts des aufnehmenden Gewässers lässt sich die CO2-Dosierung in das Abwasser bwz. dessen Verdünnung so einstellen, dass es bei Einleitung des behandelten Abwassers nicht zur CO2-Ausgasung kommt und die Umweltschutzvorgaben, insbesondere der pH-Wert, für die Einleitung eingehalten werden. Für bestimmte Industrieanlagen rechnete Helmuth Thomas den zu erwartenden Kohlendioxidumsatz und das Einsparungspotenzial an Emissionen im Zeitraum 2030 bis 2100 aus. Unter der Annahme einer relativ geringen Zunahme des weltweit anfallenden Volumens an alkalischen Abwasserströmen (1,18 %/Jahr) kann das Einsparpotenzial an CO2-Emissionen in diesem Zeitraum von etwa 30 Mio. t/a auf etwa 50 Mio. t/a steigen. Mit größerem Wirtschaftswachstum weltweit würden auch die Abwassermengen und entsprechend die CO2-Aufnahmekapazitäten zunehmen, wie eine in der Studie veröffentlichte Grafik verdeutlicht.
Technische Umsetzung und Monitoring
Neben der Simulation des Potenzials, mit Hilfe alkalischer Abwässer CO2 zu binden, wurde auch ein Anlagenkonzept entwickelt. Mit diesem soll zum einen sichergestellt werden, dass sich das eingeleitete CO2 vollständig auflöst und nicht etwa als Gas entweicht, und dass die Menge des vom Gewässer über das behandelte Abwasser aufgenommenen Kohlendioxids eindeutig bilanziert werden kann.
Der intensive Kontakt zwischen Abwasser und Gas wird ermöglicht in einem statischen Mischer, der nur Energie für den Start benötigt und danach seinen kontinuierlichen Betrieb durch hydraulischen Sog aufrechterhält.
Das gesamte System ist ausgestattet mit Sensoren für den pH-Wert des Abwassers, den Gasmengenstrom sowie die CO2-Partialdrücke und pH-Werte im aufnehmenden Gewässer vor und hinter der Gas-Abwasser-Mischkammer.
Nach Angaben der Autoren beruht das komplette Verfahren auf bewährten, im Industriemaßstab erhältlichen Komponenten und entspricht daher dem technologischen Reifegrad 9, kann also sofort großtechnisch implementiert werden.
