Durchfluss-NMR-Spektroskopie zur Untersuchung der Speziesverteilung bei Reaktivabsorption von Kohlendioxid in wässrigen Aminlösungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die hochauflösende Durchfluss NMR-Spektroskopie bietet die Möglichkeit, weitgehend störungsfrei Speziesverteilungen in komplexen Mischungen quantitativ zu bestimmen. Sie wurde im Projekt eingesetzt, um kohlendioxidhaltige, wässrige Aminlösungen zu untersuchen. Diese komplexen reagierenden Mischungen sind für die Abtrennung von Kohlendioxid aus gasförmigen Mischungen durch Reaktivabsorption von großem praktischem Interesse, gerade auch vor dem Hintergrund der Verhinderung von Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid. Die experimentellen Arbeiten wurden weitgehend in der ersten Projektphase abgeschlossen. In der zweiten Projektphase wurden die im Vorhaben ermittelten umfangreichen experimentellen Daten genutzt, um physikalisch-chemisch begründete thermodynamische Modelle der untersuchten Mischungen zu entwickeln und mit Modellen aus der Literatur zu vergleichen. Damit liegen als Ergebnis des Projekts zum einen umfassende Erfahrungen zur Nutzung der hochauflösenden Durchfluss NMR-Spektroskopie zur experimentellen Untersuchung von Speziesverteilungen in komplexen technischen Mischungen und zum Einsatz der Daten in der thermodynamischen Modellierung vor. Zum anderen können die Ergebnisse unmittelbar zur Verbesserung der Modelle von technisch relevanten Prozessen zur Abtrennung des Treibhausgases Kohlendioxid eingesetzt werden. Die erarbeitete Methodik wie auch die konkreten Ergebnisse des Vorhabens sind vor dem Hintergrund des Klimawandels aufgrund des Treibhauseffekts von großem Interesse. Die untersuchten wässrigen Aminlösungen gehören zu den aus der chemischen Technik gut bekannten Absorptionsmitteln zur Reinigung kohlendioxidhaltiger Abgasströme. Insbesondere das hier untersuchte Monoethanolamin (MEA) wird aber auch für den Einsatz zur Reinigung von Kraftwerksabgasen diskutiert und hat dort sogar den Stand eines Referenzlösungsmittels, gegen das alle Neuentwicklungen verglichen werden müssen. Das Vorhaben hat die Entwicklung von Stoffdatenmodellen der dabei zu betrachtenden komplexen Mischungen auf eine sicherere Basis gestellt, in dem systematisch die tatsächliche Speziesverteilung in diesen Mischungen über einen weiten, technisch relevanten Zustandsbereich aufgeklärt wurde. Die durch das Vorhaben bereit gestellte Methodik ist aber vor allem bei der Entwicklung neuer, verbesserter Lösungsmittel für die Abtrennung des Treibhausgases Kohlendioxid von Bedeutung, und zwar in zweifacher Hinsicht: zum einen kann sie beim Screening von neuen Lösungsmitteln verwendet werden, die dringend benötigt werden, wenn der derzeit noch zu hohe Energiebedarf der Kohlendioxid-Abtrennung verringert werden soll. Im Screening trägt die mit der hier entwickelten Methoden bestimmbare Speziesverteilung dazu bei, das Verhalten ganzer Stoffklassen, etwa der Aminosäuren, als Lösungsmittel für die Kohlendioxid-Abtrennung besser zu verstehen. Zum anderen wird sie benötigt, wenn für die aussichtsreichsten Lösungsmittel vorhersagekräftige physikalisch-chemische Stoffdatenmodelle entwickelt werden sollen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- High Resolution NMR Spectroscopy in Process Engineering, eingeladener Vortrag, 26th Annual GDCh Meeting on Magnetic Resonance “Novel Applications of Magnetic Resonance to Condensed Matter”, joint Meeting with the Royal Chemical Society’s NMR section, UK, 28.-30.09.2004, Aachen
H. Hasse, M. Maiwald
- NMR-spektroskopische Untersuchungen der Reaktivabsorption von CO2 in wässrigen Aminlösungen, NMR-Diskussionstagung „Praktische Probleme der Kernresonanzspektroskopie“ der Fachgruppe Magnetische Resonanzspektroskopie der GDCh, Universität Erlangen-Nürnberg, 12.-13.01.2004, Erlangen
W. Böttinger, M. Maiwald, H. Hasse
- NMR-spektroskopische Untersuchungen der Reaktivabsorption von CO2 in wässrigen Aminlösungen, Vortrag, VDI-GET Thermodynamik-Kolloqium 2004, 27.-28.09.2004, Lutherstadt Wittenberg
W. Böttinger, M. Maiwald, H. Hasse
- On-line NMR Spectroscopy of Technical Samples - Challenges and Solutions, Poster, 26th Annual GDCh Meeting on Magnetic Resonance "Novel Applications of Magnetic Resonance to Condensed Matter", joint Meeting with the Royal Chemical Society’s NMR section, UK, 28.-30.09.2004, Aachen
M. Maiwald, H. Hasse
- Probleme bei der Quantifizierung von NMR-Signalen in technischen Mischungen, NMR-Diskussionstagung „Praktische Probleme der Kernresonanzspektroskopie“ der Fachgruppe Magnetische Resonanzspektroskopie der GDCh, Universität Erlangen-Nürnberg, 12.-13.01.2004, Erlangen
M. Maiwald, F. Zieker, H. H. Fischer, H. Hasse
- Hyphenated NMR Spectroscopy in Process Engineering, Invited Lecture, International Hyphenation Conference, 26.03.-29.03.2006, Tübingen
H. Hasse, M. Maiwald, O. Steinhof, W. Böttinger, T. Grützner
- NMR-spektroskopische Untersuchung der Reaktivabsorption von Kohlendioxid in wässrigen Aminlösungen, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 3, Nr. 851, ISBN 3-18-385103-2 (2006)
Wolfram Böttinger
- Online-NMR-Spektroskopie in der Prozessanalytik, 2. Kolloquium "Prozessanalytik" des Arbeitskreises Prozessanalytik, GDCh-Fachgruppe Analytische Chemie, 06.-07.11.2006, Dresden
M. Maiwald, H. Hasse
- NMR Spectroscopy: Key Technology for Process Development, RSC NMR Discussion Group and Analytical Division, 2007 Spring Meeting „NMR in Process Chemistry and Development”, 06.03.2007, Ware, Hertfordshire, UK
H. Hasse, M. Maiwald
- Online-NMR-Spektroskopie in der Prozessanalytik, ANAKON 2007, 27.-30.03.2007, Jena
M. Maiwald, H. Hasse
- Quantitative Online NMR-Spektroskopie in der Verfahrensentwicklung, Invited Lecture, GDCh- und Chemisches Kolloquium an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, 01.02.2007, Oldenburg
H. Hasse, M. Maiwald, O. Steinhof, T. Grützner, W. Böttinger, E. Ströfer
- Online NMR Spectroscopic Study of Species Distribution in MEA-H2O-CO2 and DEA-H2O-CO2, Fluid Phase Equilibria 263 (2008) 131-143
W. Böttinger, M. Maiwald, H. Hasse
