title: Gashydratbasierte CO2 Abscheidung
title: Untersuchung der CO2 Gasphasenabscheidung durch thermisches Verdampfen unter Druck
titleType: Subtitle
Creators: name: Hinderegger, Julian
Publisher: name: FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg)
Year: 2023
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik

description: Die CO2 Abscheidung ist ein Schlüsselprozess für die Dekarbonisierung der Wirtschaft und Industrie. Die Entwicklungspfade der IEA und des IPCC zur Erreichung des CO2 Nettonulle-missionsziel bis 2050 oder 2070 beinhalten alle eine Form von Carbon Capture, (CC). Als vielversprechende CC-Technologie gerät die gashydratbasierte CO2 Abscheidung, hbCC, aufgrund der hohen Speicherkapazität bei moderaten Druck- und Temperaturniveau und des unproblematischen Arbeitsmediums Wasser zusehends ins Interesse der Forschung und In-dustrie. Gashydrate sind unstöchiometrische Einschlussverbindungen, bei denen die Gasmo-leküle in einem Wirtsgitter aus Wassermolekülen gespeichert werden können. In einem m3 Gashydrat können 170 Nm3 Gas gespeichert werden. Die statischen Eigenschaften von Gas-hydrat sind gut verstanden. Die Dynamik der Synthese und Dissoziation, die intrinsische Re-aktionskinetik der Hydratformation, die Nukleation von initialen Kristallisationskeimen und der Einfluss von Wärme- und Stofftransportphänomenen auf die Dynamik ist noch nicht geklärt. Ein profundes Verständnis der Synthese- und Dissoziationsdynamik, inklusive dem Zusam-menhang mit den p,T-Prozessbedingungen, gilt als Voraussetzung für die Entwicklung effizi-enter hbCC-Verfahren. Üblicherweise wird Gashydrat synthetisiert indem flüssiges Wasser mit der Gasphase in Kontakt gebracht wird. Der initial gebildete Hydratfilm auf der Phasen-grenzfläche hemmt in weiter Folge den Stofftransport für das weitere Hydratwachstum. Die CO2 Gasphasenabscheidung durch thermisches Verdampfen unter Druck, (engl. pressurized thermal evaporation, PTE), unterliegt keinem gehemmten Stofftransport, weil Wasserdampf und Gasmoleküle an einer kalten Substratoberfläche kontinuierlich für die Synthese vorliegen. In vorhergehenden Studien wurden subsequente Synthese- und Dissoziationsexperimente durch PTE aus reiner CO2 oder CH4 Gasphase zur Untersuchung der Dynamik durchgeführt. Für diese Arbeit werden erstmals subsequente PTE Synthese- und Dissoziationsexperimente aus einem binären 0,85 N2 + 0,15 CO2 Synthesegasgemisch umgesetzt. Das durch die Syn-these abgeschiedene Gas wird nach der Dissoziation mit einem Massenspektrometer auf seine Zusammensetzung untersucht. Hydratspeicherkapazität, Abscheiderate und die Selek-tivität der CO2 Gasphasenabscheidung wird für eine Synthesetemperaturvariation, (- 40 °C bis - 15 °C), und einen Synthesedruck von 40 bar(a) bestimmt. Durch Zeitrafferauf-nahmen der Hydratformation und Dissoziation wird die Auswirkung der p,T-Prozessbedingun-gen auf die Synthese- und Dissoziationsdynamik untersucht und der optimale Betriebspunkt für die CO2 Gasphasenabscheidung durch thermisches Verdampfen unter Druck bestimmt. Aus den Ergebnissen lässt sich ein klarer Zusammenhang zwischen Synthesetemperatur, Ab-scheiderate und Selektivität ableiten. Ein tiefere Synthesetemperatur führt zu einer effiziente-ren CO2 Abscheidung. Außerdem zeigt sich bei der Beobachtung der Synthesedynamik eine direkte Resublimation des Gashydrats auf der Wachstumsoberfläche. Es bildet sich keine flüssige Übergangsphase vor der Nukleation. Die neuen Erkenntnisse sind wichtige Faktoren für das Design zukünftiger PTE-Verfahren und Prototypen.