AiF-FV-Nummer 12678

Untersuchungen zum Einsatz von natürlichen Zeolithen in der Luftreinhaltung

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.11.2000 bis 31.10.2002

Forschungsstellen

  • Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
    Bliersheimer Str. 58 - 60, 47229 Duisburg
    http://www.iuta.de

Zusammenfassung

Die Adsorption ist ein Grundverfahren mit einem großen Anwendungsspektrum in der Luftreinhaltung. Als Sorptionsmittel werden Kalkprodukte, Aktivkohle und synthetische Zeolithe eingesetzt sowie Kombinationen aus den o.g. Sorptionsmitteln. Da Aktivkoks aufgrund seines hohen Kohlenstoffanteils brennbar ist, sind beim Einsatz entsprechend hohe sicherheitstechnische Standards einzuhalten, d.h. vorbeugende Brand- und Explosionsschutzmaßnahmen sind zu treffen. Dies verursacht zusätzliche Investitions- und Betriebs(mittel)kosten. Nicht brennbare synthetische Zeolithe hingegen sind sehr teuer. Natürliche Zeolithe sind wesentlich preiswerter und kommen weltweit in Form von Mehrstoffgemischen vor. In ersten orientierenden Vorversuchen mit einem natürlichen Zeolith von dem Kaiserstuhl -Phonolith - ergaben sich deutliche Hinweise auf eine Eignung zur Dioxin- und Furanabscheidung. Bei mehrtägigen Messungen wurden auch mit diesem Material Abscheidegrade von mehr als 99 % bestimmt. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollten diese Untersuchungen fortgeführt und intensiviert werden, um vor allem auch in Langzeitversuchen Basisdaten für den großtechnischen Einsatz des Phonolith zu erhalten. Neben grundlegenden Versuchen im Labor zu Adsorptionsverhalten, Quellverhalten und Druckverlust wurde für Untersuchungen zur Abscheidung von Dioxinen und Furanen das Abgas einer realen Dioxin-/Furanquelle genutzt. Auf die (sicherheits)technisch sehr anspruchsvolle Handhabung dieser hochtoxischen Stoffgruppe im Labor konnte dadurch verzichtet werden. Gleichzeitig ergab sich der Vorteil, den Einfluss einer realen Abgasmatrix auf das Abscheideverhalten mit erfassen zu können. Für diese Untersuchungen wurde im Rahmen des Forschungsprojektes eine Methode entwickelt und validiert sowie eine entsprechende, weitgehend automatisch arbeitende Einrichtung zur simultanen Langzeituntersuchung des Abscheideverhaltens mehrerer Adsorbentien gebaut. Zum Vergleich und zur Bewertung der Ergebnisse wurden jeweils auch Untersuchungen mit kohlenstoffhaltigen Adsorbentien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen sowohl bei den Laborversuchen wie auch bei den Versuchen zur Dioxin/Furanabscheidung das klar bessere Verhalten bei den kohlenstoffhaltigen Adsorbentien, obwohl die Dioxin-/Furanabscheidung an Herdofenkoks vermutlich durch hohe SO2-Konzentrationen im Abgas und daraus resultierende Schwefelsäurebildung auf dem Koks beeinträchtigt war und weit hinter den Erwartungen zurückblieb. Es wurden keine Hinweise gefunden, dass für die Adsorption von Schadstoffen, die in höheren Konzentrationen vorliegen, eine ausreichende Oberfläche des Phonolith zur Verfügung steht. Für die nur in Spuren im Abgas enthaltenen Dioxine und Furane ist eine differenziertere Betrachtung erforderlich. Beim Phonolith war die Fragestellung von vornherein, ob das enge Porengefüge für die Adsorption der relativ großen PCDD/F-Moleküle zur Verfügung steht (aufgrund sterischer Effekte sollte dies eigentlich ausgeschlossen sein), oder ob die guten früheren Messergebnisse (Ab-scheidegrade > 99 %, s.o.) evtl. auf einen katalytischen Abbau der PCDD/F zurückzuführen sind. Beides kann wohl aufgrund der Ergebnisse verneint werden. Für die adsorbierten Mengen sind bei dem verwendeten Korndurchmesser von 0.8 mm nur etwa 12 % der äußeren Oberfläche erforderlich. Bei einer Bindung durch entsprechend starke Adsorptionswechselwirkungskräfte scheint eine Belegung in dieser Größenordnung auch unter realen Abgasbedingungen durch-aus möglich. Da auf dem Phonolith keine katalytische Bildung von Schwefelsäure stattfindet, ergibt sich unter solchen Abgasbedingungen ein relativer Vorteil gegenüber HOK. Bei Untersuchungen des Adsorbats wurde nahezu die gesamte über die Gasdifferenzmessung ermittelte abgeschiedene Dioxin-/Furanmenge wiedergefunden. Damit können auch katalytische Effekte ausgeschlossen werden. Die hohe Beladung von ca. 12 % der äußeren Oberfläche deutet aber auf eine Dioxin-/Furanabscheidung mit hoher Selektivität und Affinität hin. Ein Einsatz im Fest- oder Wanderbett bleibt trotzdem ausgeschlossen, da die dort aus technischen Gründen verwendeten Korngrößen (HOK: 1-4 mm) eine noch geringere spezifische äußere Oberfläche bieten. Eine Perspektive bietet das Flugstrom- oder Filterschichtverfahren, bei dem der Einsatz einer sehr feinen Qualität des Phonolith (Zeomin Z 7, s.u.) mit einer mittleren Korngröße von ca. 0.005 mm (5 µm) möglich ist, welche als quasi mahlaktives Sorbens eine sehr viel größere äußere Oberfläche zur Verfügung stellt. Einsatzmöglichkeiten für den Phonolith ergeben sich dort, wo wegen Brand- oder Explosionsgefahr der Einsatz von Koks nicht möglich ist, oder wo auf dessen Eigenschaften als Allround-Adsorbens verzichtet werden kann. Im Flugstrom -/Filterschichtverfahren werden zur Reduzierung der Brand oder Explosionsgefahr in der Regel Inertmaterialien zugemischt. Auch hier bietet sich der Einsatz eines gleichzeitig für die Di-oxinabscheidung wirksamen Materials an. In Anlagen, in denen neben dem Adsorbens noch ein größerer Anteil Staub abzuscheiden ist und in denen eine Rezirkulation daher nur ein-geschränkt oder gar nicht möglich ist, ist die Ausnutzung der Adsorbentien auch dementsprechend schlecht. Auch hier bietet sich der Einsatz von Adsorbentien mit geringerer Beladekapazität an. Vor allem die unerwartet geringe Beladung des HOK mit Dioxi-nen/Furanen zeigt deutlich auf, dass Laborergebnisse mit synthetischem Abgas nur eingeschränkt praxistauglich sind und für die Auslegung von Apparaten Versuche mit realem Abgas erst die erforderliche Sicherheit bieten. Das Ziel des Vorhabens war, an hand systematischer Untersuchungen die Eignung natürlicher Zeolithe als Adsorbens zum Einsatz in der Luftreinhaltung zu prüfen. Es konnte anhand von Labor und Technikumsversuchen an einer realen Abgasquelle gezeigt werden, dass dies nur unter bestimmten technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen möglich ist. In diesem Sinne ist das Ziel des Vorhabens erreicht worden.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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