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Ung Lee und Kollegen berichten nun in der Fachzeitschrift Joule über eine Studie zu einer Pilotanlage zur Hydrierung von Kohlendioxid zu Ameisensäure (K. Kim et al., Joule https://doi.org/10.1016/j.Joule.2024.01). Die Studie zeigt die Optimierung mehrerer Schlüsselelemente des Herstellungsprozesses. Auf Reaktorebene kann die Berücksichtigung wichtiger Katalysatoreigenschaften wie katalytische Effizienz, Morphologie, Wasserlöslichkeit, thermische Stabilität und die Verfügbarkeit von Ressourcen im großen Maßstab die Reaktorleistung verbessern und gleichzeitig den Bedarf an Ausgangsmaterialien gering halten. Die Autoren verwendeten hier einen Ruthenium(Ru)-Katalysator auf einem gemischt kovalenten Triazin-Bipyridyl-Terephthalonitril-Gerüst (Ru/bpyTNCTF). Sie optimierten die Auswahl geeigneter Aminpaare für eine effiziente CO₂-Abscheidung und -Umwandlung. Dabei wählten sie N-Methylpyrrolidin (NMPI) als reaktives Amin zur CO₂-Abscheidung und Förderung der Hydrierungsreaktion zu Formiat sowie N-Butyl-N-imidazol (NBIM) als reaktives Amin. Nach Isolierung des Amins kann das Formiat durch Bildung eines trans-Addukts für die weitere Ameisensäureproduktion isoliert werden. Zusätzlich optimierten sie die Reaktorbetriebsbedingungen hinsichtlich Temperatur, Druck und H₂/CO₂-Verhältnis, um die CO₂-Umwandlung zu maximieren. Im Hinblick auf das Prozessdesign entwickelten sie eine Anlage bestehend aus einem Rieselbettreaktor und drei kontinuierlichen Destillationskolonnen. Das restliche Bicarbonat wird in der ersten Kolonne abdestilliert; NBIM wird durch Bildung eines trans-Addukts in der zweiten Kolonne hergestellt; das Ameisensäureprodukt wird in der dritten Kolonne gewonnen. Die Materialwahl für Reaktor und Turm wurde sorgfältig abgewogen. Für die meisten Bauteile wurde Edelstahl (SUS316L) gewählt, für den dritten Turm hingegen ein handelsübliches Zirkonium-basiertes Material (Zr702), um die Korrosion des Reaktors aufgrund seiner Beständigkeit gegenüber Brennelementkorrosion zu reduzieren. Zudem sind die Kosten vergleichsweise niedrig.
Nach sorgfältiger Optimierung des Produktionsprozesses – Auswahl des idealen Ausgangsmaterials, Konstruktion eines Rieselbettreaktors und dreier kontinuierlicher Destillationskolonnen, sorgfältige Materialauswahl für Kolonnenkörper und Füllkörper zur Korrosionsminimierung sowie Feinabstimmung der Reaktorbetriebsbedingungen – demonstrieren die Autoren den Bau einer Pilotanlage mit einer Tageskapazität von 10 kg Brennelementen, die einen stabilen Betrieb über 100 Stunden gewährleisten kann. Durch sorgfältige Machbarkeits- und Lebenszyklusanalyse konnte die Pilotanlage die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Brennelement-Produktionsverfahren um 37 % und das Treibhauspotenzial um 42 % senken. Darüber hinaus erreicht der Prozess einen Gesamtwirkungsgrad von 21 % und seine Energieeffizienz ist vergleichbar mit der von wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellenfahrzeugen.
Qiao, M. Pilotproduktion von Ameisensäure aus hydriertem Kohlendioxid. Nature Chemical Engineering 1, 205 (2024). https://doi.org/10.1038/s44286-024-00044-2