Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung von Kohlendioxid aus einem Luftstrom, wobei das Verfahren mindestens die Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer wässrigen Lösung eines Kohlendioxid-Absorptionsmittels, wobei das Kohlendioxid- Absorptionsmittel Kationen aus der 1. Hauptgruppe des Periodensystems umfasst; b) Durchleiten eines Kohlendioxid enthaltenden Luftstroms durch die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Lösung, wobei zumindest ein Teil des Kohlendioxids aus dem Luftstrom am Kohlendioxid-Absorptionsmittel gebunden und der Luftstrom an Kohlendioxid abgereichert wird; c) Einleiten der wässrigen Lösung aus Verfahrensschritt b) oder einer wässrigen Lösung umfassend das am Kohlendioxid-Absorptionsmittel gebundene Kohlendioxid in eine mittlere Kammer einer mindestens Drei-Kammer-Elektrolysezelle aus Anodenkammer, Kathodenkam- mer und mindestens einer zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angeordneten, mittleren Kammer, wobei die Drei-Kammer-Elektrolysezelle eine für einwertige Kationen selektive Membran aufweist und Elektrolysieren der wässrigen Lösung unter Freisetzung zumindest eines Teils des Kohlendioxids.

Eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhundert wird darin bestehen, die Gaszusammensetzung der Atmosphäre in Bereiche zurückzuführen, welche eine zu starke klimatische Erwärmung der Erde verhindern. Wissenschaftlich erwiesen ist dabei, dass insbesondere die Erwärmung in den letzten Jahrzehnten auf eine Erhöhung der so genannten Treibhausgase zurückzuführen ist. Bei den Treibhausgasen nimmt insbesondere das Kohlendioxid eine Schlüsselstellung ein, wobei der starke Anstieg der Kohlendioxidkonzentration auf eine verstärkte Verbrennung fossiler Brennstoffe zurückzuführen ist. Insofern wird es für die nahe Zukunft wichtig, neben der Reduktion neuer Kohlendioxid-Emissionen gleichzeitig auch technische Lösungen für die Aufnahme und Speicherung von Kohlendioxid aus der Umgebung bereitzustellen. Nur durch die weitgehende Vermeidung neuer und den effizienten Umgang mit bereits bestehenden Treibhausgasen, kann die ungewollte Erderwärmung in halbwegs tolerablen Grenzen gehalten werden.

Eine technische Möglichkeit zur Entfernung von Kohlendioxid aus der Luft besteht darin, dass das Kohlendioxid über oder durch ein Adsorbens geleitet und von diesem selektiv aus dem Luftstrom entfernt wird. Die Kohlendioxid-Konzentration in der Luft wird dadurch verringert, wohingegen die Kohlendioxidkonzentration im Laufe des Verfahrens im Absorbens ansteigt. Dieser Vorgang ist für eine Vielzahl unterschiedlicher Absorbenzien bekannt, wobei die Systeme hinreichend komplex sind, da sowohl die Konzentration an Kohlendioxid und die Umgebungsbedingungen bei der Absorption so variabel sein können, dass mit unterschiedlichen Absorbenzien unterschiedliche Effizienzen in der Absorption erreicht werden. Des Weiteren spielen natürlich Umweltaspekte eine große Rolle, da effiziente Zusammensetzungen nicht immer besonders umweltfreundlich sind. Ein weiterer Aspekt ergibt sich dadurch, dass das Aufnahmemedium kostengünstig und im Zuge der Weiterverarbeitung des aufgenommenen Kohlendioxids nicht hinderlich sein darf. Letzteres ist insbesondere wichtig, da eine energie- und kostensparende Isolierung des einmal aufgenommenen Kohlendioxids, bestenfalls unter einer uneingeschränkten Weiterverwendbarkeit des Absorptionsmittels, im hohen Maße zur Energiebilanz und damit der Attraktivität des gesamten Verfahrens beiträgt. Somit hängt die Wirtschaftlichkeit und die Umweltfreundlichkeit des Verfahrens nicht nur von der Aufnahme, sondern auch von den weiteren Verfahrensschritten ab, welche letztendlich zu einer Bereitstellung möglichst reiner Kohlendioxidströme beitragen sollen. Diese Ströme können dann in unterschiedlich weiteren Schritten in begehrte Wertstoffe, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe oder Alkohole, umgesetzt werden, welches einen zusätzlichen Beitrag zur Umweltbilanz liefern kann. Aus diesen Überlegungen haben eine Vielzahl zur Aufnahme von Kohlendioxid geeigneter Kohl endioxid-Ab sorb enzi en und prinzipielle Möglichkeiten zur Weiterverarbeitung dieser ihren Eingang in die Patentliteratur gefunden.

So offenbart beispielsweise die WO 2008 072 979 Al ein Verfahren zum Erfassen von CO2 aus Abgas in einem Absorber, wobei das CO2-haltige Gas durch einen wässerigen absorbierenden Schlamm geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der wässerige absorbierende Schlamm ein anorganisches alkalisches Carbonat, Bicarbonat und mindestens eines aus Absorptionsbeschleuniger und Katalysator beinhaltet, und das CO2 durch Ausfällung in dem Absorber in Feststoffe umgewandelt wird, wobei der Schlamm mit den ausgefällten Feststoffen zu einer Abscheidevorrichtung gefördert wird, in welcher die Feststoffe abgeschieden werden, und im Wesentlichen alles des mindestens einen aus Absorptionsbeschleuniger und Katalysator zusammen mit der verbleibenden wässerigen Phase in den Absorber zurückgeführt wird.

In einem weiteren Patentdokument, der WO 2020 152 330 Al, wird ein Verfahren zum Abtrennen und Gewinnen von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft offenbar. Das Verfahren umfasst die kontinuierliche Durchführung der folgenden Schritte: a) In-Kontakt-Bringen von Umgebungsluft mit einer wässrigen Lösung zumindest eines Alkali- oder Erdalkalimetallkations zur Absorption des Kohlendioxids in die Lösung unter Bildung des Hydrogencarbonats bzw. Carbonats des zumindest einen Metalls; b) Elektrodialyse der dabei erhaltenen Lösung unter Verwendung einer Kombination aus bipolaren lonentauschermembranen und für ein- oder mehrwertige Anionen selektiven lonentauschermembranen zum Erhalt einer an (Hydrogen- )Carbonationen angereicherten und einer daran abgereicherten Lösung, wobei die an (Hydro- gen-)Carbonationen abgereicherte Lösung zu Schritt a) rezykliert wird; c) thermische Desorption des Kohlendioxids aus der in Schritt b) erhaltenen, an (Hydrogen-)Carbonationen angereicherten Lösung mittels Dampfstrippen zum Erhalt eines Kohlendioxid-Wasserdampf-Ge- mischs und einer an CO2 abgereicherten Lösung, die zu Schritt b) rezykliert wird, wobei darin ein pH zwischen 7 und 8,5 oder zwischen 8 und 9,5 eingestellt wird; und d) Abtrennung von Wasser aus dem erhaltenen Kohlendioxid-Wasserdampf- Gemisch mittels Kühlung zur Kondensation des Wasserdampfs und gegebenenfalls weitere Trocknung des Kohlendioxids.

In der EP 3 384 973 Al wird ein Verfahren zur Rückgewinnung von Kohlendioxid zur Anreicherung der Gasströme, die zur Herstellung von Natriumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat nach dem Ammoniak-Soda-Verfahren verwendet werden beschrieben. Das Verfahren umfasst: Inkontaktbringen der in dem Verfahren zur Herstellung von Natrium carbonat und Natriumhydrogencarbonat nach dem Ammoniak-Soda-Verfahren auftretenden Ströme von Prozessgasen und/oder Auslassgasen in der CCh-Absorptionskolonne, umfassend: - ein Teil- oder ganzer Gasstrom, der aus der Kalkverbrennung in Schachtkalköfen mit Luftstoß stammt, und/oder

- ein Teil oder ein ganzer Auslassgasstrom aus der Anlage zur Kohlensäure von Soda und/oder

- ein Teil oder ein ganzer Auslassgasstrom aus der Anlage zur Carbonisierung von Backpulver,

- und gegebenenfalls einen oder mehrere Ströme von Rauchgasen oder anderen kohlendioxid- haltigen Gasen, die aus der Verbrennung fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe resultieren, um Wärme oder elektrische Energie zu erzeugen, um die Produktionsanforderungen durch das Ammoniak-Soda-Verfahren zu erfüllen;

- und gegebenenfalls einen oder mehrere Rauchgasströme oder andere kohlendioxidhaltige Gase, die von einem externen Lieferanten stammen mit einem Strom einer wässrigen absorbierenden Lösung, um eine mit Kohlendioxid angereicherte wässrige absorbierende Lösung zu bilden, Erhitzen einer mit Kohlendioxid angereicherten wässrigen Absorptionslösung im Verdampfer, Desorption von gasförmigem Kohlendioxid unter Regeneration einer wässrigen absorbierenden Lösung in einer Desorptionssäule, Abkühlen der regenerierten wässrigen Absorptionslösung und Zurückführen in die CCL-Absorptionssäule und Entfernen von der Desorptionssäule und Abkühlen des Stroms mit einem hohen Kohlendioxidgehalt zur Verwendung in dem Verfahren zur Herstellung von Natriumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat durch das Ammoni ak- S oda- V erfahren . Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere hinsichtlich der Effizienz der Kohlendioxidaufnahme unter variablen Umgebungsbedingungen und insbesondere hinsichtlich der Möglichkeit mit einem geringen Energieaufwand einmal gebundenes Kohlendioxid einfach und schnell wieder aus der Aufnahmeflüssigkeit zu desorbieren.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, welches in der Lage ist einmal in einer Absorptionsflüssigkeit gebundenes Kohlendioxid möglichst energieeffizient und schnell in möglichst reiner Form isoliert zu desorbieren.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs, gerichtet auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufnahme und Abgabe von Kohlendioxid. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.

Erfindungsgemäß ist dementsprechend ein Verfahren zur Isolierung von Kohlendioxid aus einem Luftstrom, wobei das Verfahren mindestens die Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer wässrigen Lösung eines Kohlendioxid-Absorptionsmittels, wobei das Kohlendioxid- Absorptionsmittel Kationen aus der 1. Hauptgruppe des Periodensystems umfasst; b) Durchleiten eines Kohlendioxid enthaltenden Luftstroms durch die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Lösung, wobei zumindest ein Teil des Kohlendioxids aus dem Luftstrom am Kohlendioxid-Absorptionsmittel gebunden und der Luftstrom an Kohlendioxid abgereichert wird; c) Einleiten der wässrigen Lösung aus Verfahrensschritt b) oder einer wässrigen Lösung umfassend das am Kohlendioxid-Absorptionsmittel gebundene Kohlendioxid in eine mittlere Kammer einer mindestens Drei-Kammer-Elektrolysezelle aus Anodenkammer, Kathodenkam- mer und mindestens einer zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angeordneten, mittleren Kammer, wobei die Drei-Kammer-Elektrolysezelle eine eine für einwertige Kationen selektive Membran aufweist und Elektrolysieren der wässrigen Lösung unter Freisetzung zumindest eines Teils des Kohlendioxids.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich über oben angegebenes Verfahren Kohlendioxid sehr effizient aus Luftströmen aufgenommen und sehr selektiv von dem Absorptionsmittel über eine Elektrolyse wieder befreit werden kann. Mittels dieses Gesamtverfahrens lassen sich sehr unterschiedliche Luftströme mit stark variierenden Gehalten an Kohlendioxid effektiv behandeln. So lässt sich beispielsweise Kohlendioxid aus der normalen Umgebungsluft mit einem relativ geringen Kohlendioxid-Anteil oder aber auch aus Abgasströmen mit einem sehr hohen Kohlendioxid-Anteil absorbierenden. Die mit Kohlendioxid beladenen Flüssigkeiten lassen sich über die Elektrolyse besonders energetisch effizient aufarbeiten, so dass ohne großen Energieeinsatz das Kohlendioxid aus der Flüssigkeit desorbiert werden kann. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahren ist zudem, dass das Kohlendioxid in reiner Form anfallen kann. So ist es beispielsweise möglich, im Rahmen der Elektrolyse die Abgabe von Kohlendioxid aus der Flüssigkeit so zu steuern, dass dieses Gas im Wesentlichen rein anfällt. In diesen Fällen muss der Kohlendioxid-Gasstrom also nicht extra weiter von anderen Gasbestandteilen befreit werden. In diesen Fällen kann das Verfahren dazu genutzt werden, dass die beiden einzelnen Schritte der Kohlendioxid-Aufnahme und -Abgabe so aufeinander abgestimmt werden, dass die Flüssigkeit zur Aufnahme des Kohlendioxids im Kreis gefahren wird. Es kann sich insofern ein flexibel adaptierbarer Gesamtprozess ergeben, welcher kontinuierlich betrieben werden kann. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren deutlich vorteilhafter als die aus dem Stand der Technik bekannten elektrolytischen Aufarbeitung kohlendioxidhaltiger wässriger KOH-Lösun- gen. In letzteren werden nur Wirkungsgrade von 70% bis 80% erzielt. Die Wirkungsgradverluste resultieren im Wesentlichen aus der Überspannung an der Anode. Wird der wässrige Elektrolyt bestehend aus einer KOH-Lauge durch eine wässrige KHCOs -Mischung, die bei der CCh-Absorption aus der Luft entsteht, ersetzt und sind die Anoden und Kathodenkammer durch eine kationenselektive Membran getrennt, so wird neben O2 auch CO2 an der Anode freigesetzt. Soll das abgetrennte CO2 in einem nachgeschalteten Prozess als Synthesebaustein eingesetzt werden, so eignet sich dieses Verfahren nur bedingt, da der Sauerstoff verfahrenstechnisch sehr aufwendig und unter Energieaufwand aus dem Kohlendioxid-Sauerstoff-Gasgemisch entfernt werden muss. Dieses Problem kann dadurch umgangen werden, indem die Elektrolyse in einem 3 -Kammer- Aufbau durchgeführt wird. In diesem Verfahrensschritt lassen sich die unterschiedlichen Gase, Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserstoff, in getrennten Kammern auffangen und insofern ist eine Trennung der Komponenten nicht nötig.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Isolierung von Kohlendioxid aus einem Luftstrom. Das Verfahren ist also in der Lage, Kohlendioxid selektiv aus einem Luftstrom zu entnehmen und anschließend, in einem weiteren Verfahrensschritt, im Wesentlichen in reiner Form wieder zur Verfügung zu stellen. Das Kohlendioxid wird also durch die Absorption und die Desorption von weiteren Gasbestandteilen getrennt. Als Luftströme eignen sich dazu unterschiedlich anfallende gasförmige Mischungen. So kann es sich bei dem Luftstrom beispielsweise um Umgebungsluft handeln. Es ist aber auch möglich, dass als Luftstrom der Abgasstrom eines Verbrennungsprozesses verwendet wird. Die unterschiedlichen Luftströme können sich insofern durch die weiteren Gasbestandteile in der Zusammensetzung unterscheiden. Zudem eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung von Luftströmen mit deutlich unterschiedlichen Kohlendioxid- Anteilen. Der Luftstrom kann beispielsweise Kohlendioxid in einer Konzentration von größer oder gleich 100 ppm, des Weiteren bevorzugt von größer oder gleich 500 ppm und weiter bevorzugten größer oder gleich 1000 ppm beinhalten. Im Verfahrensschritt a) erfolgt das Bereitstellen einer wässrigen Lösung eines Kohlendioxid- Absorptionsmittels, wobei das Kohlendioxid- Ab sorptionsmittel Kationen aus der 1. Hauptgruppe des Periodensystems umfasst. Die Voraussetzung zur Absorption des Kohlendioxids aus dem Luftstrom ist das Vorhandensein eines entsprechenden Absorptionsmittels in einer wässrigen Lösung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei mit einer Vielzahl unterschiedlicher Absorptionsmittel durchgeführt werden. Wesentliche Voraussetzung ist allerdings, dass das Absorptionsmittel Kationen aus der 1. Hauptgruppe umfasst. Insofern kann das Absorptionsmittels beispielsweise Kalium- oder Natrium-Ionen als Bestandteile aufweisen. Dabei muss das Absorptionsmittel nicht zwangsläufig als Salz vorliegen. Es ist auch möglich, dass ein in Lösung ungeladenes Absorptionsmittel vorliegt, wobei zusätzlich zu dem eigentlichen Absorptionsmittel dann weitere Bestandteile in Form einer salzartigen Verbindung mit den entsprechenden Kationen aus der 1. Hauptgruppe hinzutreten. Der Anteil an Absorptionsmittel kann dabei entsprechend der vorliegenden Trennaufgabe und den Kohlendioxid-Konzentratio- nen im Luftstrom angepasst werden. So kann der Anteil an Absorptionsmittel bevorzugt größer oder gleich 2,5 Gew.-%, weiter bevorzugt größer oder gleich 7,5 Gew.-% und des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 15 Gew.-% bezogen auf die wässrige Lösung betragen. Die Kationen aus der ersten Hauptgruppe stammen demnach aus der Gruppe der Alkali-Ionen wie beispielsweise Lithium, Natrium, Kalium oder Rubidium. Entsprechend des Anteils an Absorptionsmittel kann die wässrige Lösung bevorzugt größer oder gleich 75 Gew.-%, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 80 Gew.-% und weiterhin bevorzugt größer oder gleich 85 Gew - % an Wasser aufweisen.

Grundsätzlich geeignet sind hierbei sämtliche CCh-Absorbenzien, sofern diese eine ausreichende Löslichkeit in der wässrigen Lösung zeigen. In Kontakt der gelösten Substanz mit der Umgebungsluft zeigen beispielsweise anorganische Carbonate, Amine, Polyethylenglykolamine, Diaminopolyethylenglykole, Carbonsäurederivate der Polyethylenglykolamine, Polyethylenimine, aminhaltige Zuckerderivate, Aminosäuren oder Mischungen mindestens zweier dieser Komponenten die geeigneten Eigenschaften. Diese Gruppenauswahl zeigt vorteilhafterweise einen nahezu vemachlässigbaren Dampfdruck und kein gesundheits- oder umweltgefährdendes Potential. Als Amine eignen sich sowohl primäre, sekundäre oder tertiäre Amine aus einem Molekulargewichtsbereich von kleiner oder gleich 1000 g/mol. Als Polyethylenglykolamine, Diaminopolyethylenglykole und Carbonsäurederivate der Polyethylenglykolamine können Substanzen in Frage kommen, in denen eine (Polyethylenglykolamin) oder beide OH-Gruppen (Diaminopolyethylenglykol) des PEGs durch Amingruppen ersetzt wurden. Die Carbonsäurederivate sind entsprechend aufgebaut, wobei eine oder beide OH-Gruppen durch Carbonsäuregruppen (-COOH) ersetzt wurden. Als Zuckerderivate geeignet sind beispielsweise N-Methyl-D-glucamin (Meglumin) undN-Ethyl-D-glucamin (Eglumin). Beide zeigen eine sehr gute Löslichkeit und in Lösung einen zu vernachlässigenden Dampfdruck.

Als Absorptionsmittel eignen sich auch Polyethylenimine nach der folgenden Formel: wobei über die Anzahl m die Eigenschaften bezüglich Viskosität, Dampfdruck und Kohlendi- oxidaufnahme feinjustiert werden können. Bevorzugt kann das Molekulargewicht der verzweigten Polyethylenimine kleiner oder gleich 800 g/mol betragen.

Zusätzlich zu dem Absorptionsmittel kann die wässrige Lösung noch weitere Bestandteile in Form von Polyolen aufweisen, welche insbesondere dazu genutzt werden können, um die Viskosität und den Wasserdampfdruck der Flüssigkeit zu regulieren. Als weitere Bestandteile kann das Kohlendioxid-Absorbens beispielsweise Polyethylenglykole oder Polyole mit einem Molekulargewicht von kleiner oder gleich 1000 g/mol in einem Anteil von größer oder gleich 2 Gew-% und kleiner oder gleich 93 Gew.-% aufweisen. In Kontakt mit der Umgebungsluft eignen sich dazu Polyethylenglykol (PEG) oder Polyole, die einen speziell festgelegten Dampfdruck aufweisen und keine umweit- oder gesundheitsgefährdende Wirkung zeigen. Als besonders geeignet habe sich Polyethylenglykole der allgemeinen Summenformel C2nH4n+2O _n +i herausgestellt: wobei n beispielsweise von 1 bis 10 gewählt werden kann. Der Partialdruck der Substanzen bei 298 K sinkt dabei von 5 Pa für n=l auf 5.47* 10' ⁸ Pa für n = 8. PEGs ab n > 4 gelten als nicht flüchtig. Die Polyethylenglykole weisen zudem außergewöhnlich niedrige Toxizitätswerte auf und sind bis n < 20 vollständig biologisch abbaubar. Zur Einstellung des Wasserdampfpartialdruckes sind die organischen Verbindungen in jedem Mengenverhältnis mit Wasser mischbar. Polyole im Sinne der Erfindung sind aliphatische Substanzen, welche mindestens zwei -OH Gruppen tragen. Bevorzugt tragen die Polyole mindestes 3, des Weiteren bevorzugt 4 OHGruppen. Ein bevorzugter Vertreter aus dieser Gruppe ist beispielsweise das Glycerin. Weiter bevorzugt kann die zweite Komponente b) in einem Gewichtsanteil von größer oder gleich 30 Gew.-% und kleiner oder gleich 90 Gew.-%, weiterhin bevorzugt von größer oder gleich 35 Gew.-% und kleiner oder gleich 85 Gew.-% im Kohlendioxid-Absorbens vorliegen.

Im Verfahrensschritt b) erfolgt das Durchleiten eines Kohlendioxid enthaltenden Luftstroms durch die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Lösung, wobei zumindest ein Teil des Kohlendioxids aus dem Luftstrom am Kohlendioxid-Absorptionsmittel gebunden und der Luftstrom an Kohlendioxid abgereichert wird. Der Luftstrom wird mit der bereitgestellten Lösung in Kontakt gebracht. Das in Kontakt bringen des Luftstroms mit der Flüssigkeit kann dabei auf unterschiedliche Arten und Weisen erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, dass der Luftstrom durch die Flüssigkeit in Form sein verteilter Perlen verdüst durchgeleitet wird. Es ist aber auch möglich, dass die Flüssigkeit in Form eines fließenden Filmes bereitgestellt wird, welcher dann den Luftstrom kontaktiert. In sämtlichen Fällen macht es Sinn, dass eine möglichst große Austauschfläche zwischen Luftstrom und Flüssigkeit bereitgestellt wird. Als Funktion der konkreten Ausgestaltung der Flüssigkeit, der Temperatur, des Drucks und der Kontaktzeit wird ein Teil des Kohlendioxids aus dem Luftstrom in die Flüssigkeit übergehen und in dieser gebunden. Die konkreten Wechselwirkungen zwischen Kohlendioxid und Absorptionsmittel können dabei kovalenter oder physikalischer Art sein. Zumindest wird durch die chemische Wechselwirkung des Kohlendioxids mit dem Absorptionsmittel erreicht, dass ein Teil des Kohlendioxids die Flüssigkeit nicht verlässt und insofern der Luftstrom an Kohlendioxid verarmt. Es ist beispielsweise auch möglich, den Luftstrom ein oder mehrmals durch ein und dieselbe Flüssigkeit zu leiten.

Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Einleiten der wässrigen Lösung aus Verfahrensschritt b) oder einer wässrigen Lösung umfassend das am Kohlendioxid-Absorptionsmittel gebundene Kohlendioxid in eine mittlere Kammer einer mindestens Drei-Kammer-Elektrolysezelle aus Anodenkammer, Kathodenkammer und mindestens einer zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angeordneten, mittleren Kammer, wobei die Drei-Kammer-Elektrolysezelle eine für einwertige Kationen selektive Membran aufweist und Elektrolysieren der wässrigen Lösung unter Freisetzung zumindest eines Teils des Kohlendioxids. Nach dem Absorptionsschritt wird die Lösung mit dem Absorptionsmittel und den daran gebunden Kohlendioxid im Rahmen einer Elektrolyse aufgearbeitet. In der Elektrolysezelle wird die wässrige Lösung also einer elektrischen Spannung ausgesetzt, so dass sich als Funktion der Spannung einen Stromfluss innerhalb der Elektrolysezelle einstellt. Dazu weist die Elektrolysezelle neben den einzelnen durch die Membran abgetrennten Kompartimenten auch zwei Elektroden auf. Üblicherweise werden diese Elektroden als Anode und Kathode bezeichnet. Die Wanderung der Kationen durch die kationenselektive Membran führt zu einem pH-Wert Unterschied zwischen der mittleren Kammer und der Kathodenkammer Die Absenkung des pH-Werts in der Zwischenkammer führt dort zur Freisetzung von CO2. Die zur Freisetzung des Kohlendioxids einsetzbaren elektrischen Zell Spannungen können, in Abhängigkeit des pH-Wertunterschieds zwischen der Zwischenkammer und der Kathodenkammer, beispielsweise größer oder gleich 1 V, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 1,5 V und weiterhin bevorzugt größer oder gleich 1,75 V betragen. Neben der Freisetzung des Kohlendioxids kann im Rahmen der Elektrolyse auch Wasser elektrolysiert werden, so dass an den Elektroden Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens kann die Elektrolysezelle eine mindestens Drei-Kam- mer-Elektrolysezelle aus Anodenkammer, Kathodenkammer und mindestens einer zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angeordneten, mittleren Kammer sein, wobei die Anodenkammer beispielsweise durch eine bipolare Membran und die Kathodenkammer durch die für einwertige Kationen selektive Membran von der mittleren Kammer getrennt sein können, wobei die wässrige Lösung des Verfahrensschrittes c) in die mittlere Kammer der Elektrolyse eingespeist wird. Unabhängig von der Beladung des Luftstromes mit CO2 und weitgehend unabhängig von der Zusammensetzung des Absorbens lassen sich mit CO2 beladene Absorbenzien besonders vorteilhaft mit einer Drei -Kammer-Elektrolyse rezyklieren. Dies kann besonders vorteilhaft im Falle eines Absorbens aus einer Carbonatlösung und gegebenenfalls zusätzlicher absorptionsbeschleunigender Promotoren beschrieben werden. Das intermediär als Hydrogencarbonat gebundene CO2 kann als parallele Reaktion bei der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt werden. Die dabei gebildete Carbonatlösung kann wieder zur CCL-Ab sorption aus der Luft eingesetzt werden. Ziel der Abtrennung von CO2 aus der Luft ist seine Nutzung als Synthesebaustein beispielsweise in der Herstellung von Kohlenwasserstoffen. Neben der Abtrennung von CO2 ist hierzu die Erzeugung von Wasserstoff notwendig und auch gewünscht. Im Rahmen der Dekarbonisierung wird dieser zukünftig wesentlich elektrolytisch erzeugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die molare Sättigung des Absorptionsmittels mit Kohlendioxid am Anfang des Verfahrensschritts c) größer oder gleich 90 mol- % und kleiner oder gleich 100 mol-% bezogen auf die Konzentration des Absorptionsmittels in der wässrigen Lösung betragen. Zur Durchführung eines besonders energieeffizienten Verfahrens hat sich als bevorzugt herausgestellt, dass das Absorptionsmittel vor der elektrolytischen Behandlung in einem besonders hohen Maße mit Kohlendioxid gesättigt ist. In dieser Ausführungsform kann mit einem besonders geringen Aufwand an Elektronen dafür gesorgt werden, dass ein Großteil des Kohlendioxids ohne weitere Umwandlungsverluste aus der wässrigen Lösung freigesetzt wird. Diese hohen Beladungen lassen sich beispielsweise durch lange Kontaktzeiten zwischen dem Luftstrom und der wässrigen Lösung erreichen. Weiterhin bevorzugt kann die molare Sättigung größer oder gleich 95 mol-%, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 98 mol-% betragen. Die molare Sättigung gibt dabei den Anteil an Absorptionsmittel an, welcher mit Kohlendioxid beladen ist. Der Anteil ergibt sich im Vergleich zum gesamten vorliegenden Absorptionsmittel.

Innerhalb eines bevorzugten Aspektes des Verfahrens kann das Kohlendioxid-Absorptionsmittel aus der Gruppe der Alkali-Carbonate, Alkali-Salze der Aminosäuren oder Mischungen mindestens zweier Komponenten aus dieser Gruppe ausgesucht sein. In einem wasserbasierenden Kohlendioxid-Absorbens reagieren Kalium- oder Natriumcarbonat entsprechend der nachfolgend für Natriumcarbonat aufgestellten Reaktionsgleichung:

Na2CC>3(aq) + H2O + CC>2(aq) — 2 NaHCC>3(s

Die Löslichkeit dieses Absorptionsmittel ändert sich als Funktion der Beladung mit Kohlendioxid, so dass bei atmosphärischen CCh-Konzentrationen unterhalb von oder um 400 ppm eine stetige CCh-Aufnahme und Fällung als Hydrogencarbonat oder einer hydrogencarbonathaltigen Verbindung stattfindet. Dieser Effekt kann beispielsweise durch Zugabe weiterer Absorptionspromotoren gesteigert werden. Beispielsweise kann Na2COs und MEG (Monoethylengly- kol)/H2O und PEGI5O/H2O eingesetzt werden. Geeignete Kombination für K2CO3 sind beispielsweise MEG/H2O und PEGI5O/H2O. In diesen Ausgestaltungen ergeben sich besonders große synergistische Effekte. Für das K2CO3 ergibt sich als Fällungsprodukt im Rahmen des erfindungsgemäßen Kohlendioxid-Absorbens KHCO3. Zusätzlich ist die Badzusammensetzung auch so robust, dass die Ausfällung von Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat durch Zugabe gleichionischer Zusätze, wie beispielsweise NaCl, gesteigert werden kann. Dies ist insbesondere für Carbonat/PEG/Wasser-Lösungen möglich. Alternativ können aber auch Mischungen aus Alkali-Carbonaten und Aminosäuresalzen oder nur der Einsatz von Alkali- Carbonaten oder Aminosäuresalze als Absorptionsmittel vorteilhaft sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann das Kohlendioxid-Absorptionsmittel nach der CCh-Aufnahme Hydrogencarbonat umfassen. Die Aufnahme von Kohlendioxid und die anschließende Umsetzung einer Hydrogencarbonat-Lösung hat gegenüber der Elektrolyse von Carbonatlösungen deutliche Vorteile. Die Stöchiometrie der Umsetzung von CO2 bei der Elektrolyse einer Carbonatlösung ist bekannt. Es gilt für Carbonatlösungen folgender Zusammenhang:

K2CO3 + 2 H2O CO ₂ ? + H ₂ $ + ¥2 O ₂ ? + 2 KOH

Für die Freisetzung eines CO2-Moleküls sind auf Basis von Carbonaten zwei Elektronen erforderlich. Die Freisetzung von CO2 aus einer Hydrogencarbonatlösung kann als parallele Reaktion bei der elektrolytischen H2 und O2 Erzeugung genutzt werden und kann über folgende Gleichung ausgedrückt werden:

4 KHCO3 2 CO ₂ ? + H ₂ $ + ¥20$ + 2 K2CO3 + H2O

Vorteilhaft bei der Verwendung einer Hydrogencarbonatlösung ist, dass für die Freisetzung eines CO2-Moleküls nur ein Elektron erforderlich ist. Die gleichzeitige Freisetzung von CO2 aus einer Hydrogencarbonatlösung bei der elektrolytischen Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung ist somit äußerst energieeffizient. Thermodynamisch betrachtet ergibt sich die zu überwindende Potential differenz aus der Wasserzerlegung mit 1,23 V und den Überspannungen an der Anode und der Kathode mit zusammen etwa 0,5 V. Die für die Freisetzung des CO2 zu überwindende Potentialdifferenz ist zudem von den Konzentrationsverhältnissen in der Zwischenkammer und der Kathodenkammer abhängig. Diese erzeugen an der kationenselektiven Membran eine Potentialdifferenz von etwa 0,2 V. Neben der elektrochemisch günstigen Stöchiometrie wird in einem Dreikammer-Elektrolyseur die Bildung von O2 an der Anode, die Bildung von H2 an der Kathode und gleichzeitig die Bildung von CO2 in der Zwischenkammer induziert. Stöchiometrisch ergeben sich /i O2, H2 und 2 CO2 als nahezu reine gasförmige Komponenten in getrennten Volumina der drei Kammern. Es kann also eine aufwendige Trennung der einzelnen Gaskomponenten entfallen. Dieses Prinzip lässt sich generell auf 3 + 2n-Kam- mern mit n = 0, 1, 2, 3 etc. ausdehnen. Die Lösung wird dann jeweils in die mittleren Kammern eingespeist.

Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann das Kohlendioxid- Absorptionsmittel im Verfahrensschritt a) Kaliumcarbonat mit einer Konzentration von größer oder gleich 200 g/L und kleiner oder gleich 1200 g/L umfassen. Diese hohen Konzentrationen an Carbonaten in dem Absorptionsmitteln führen überraschenderweise dazu, dass Kohlendioxid verlässlich und schnell auch aus Luftströmen aufgenommen werden kann, welche nur geringe Kohlendioxid-Konzentrationen aufweisen. Dies kann beispielsweise Umgebungsluft mit einer Kohlendioxid-Konzentration von kleiner oder gleich 400 ppm sein. Durch die sehr hohe Konzentration an Carbonaten werden die sich bildenden Hydrogencarbonate nahe an ihrer Sättigungskonzentration gefahren, sodass diese vorteilhafterweise schon unter den Bedingungen im Absorber aus der Flüssigkeit ausfallen. Dadurch kann eine schnelle und nahezu vollständige Aufnahme von Kohlendioxid auch bei insgesamt geringen Kohlendioxidkonzentrationen erreicht werden. Vorteilhafterweise kann die Kaliumcarbonat-Konzentration größer oder gleich 300 g/L und kleiner oder gleich 1000 g/L, weiterhin bevorzugt größer oder gleich 400 g/L und kleiner oder gleich 900 g/L und weiter bevorzugt größer oder gleich 500 g/L und kleiner oder gleich 850 g/L betragen.

Innerhalb eines weiter bevorzugten Aspektes des Verfahrens können mindestens 2 -Kammern der 3-Kammer-Elektrolsezelle durch eine bipolare Membran voneinander separiert sein. Insbesondere die Verwendung eine bipolare Membran im Rahmen einer 3 -Kammer-Elektrolysezelle kann zu einem besonders energetisch effizienten Verfahren zur Entfernung des Kohlendioxids aus der Lösung beitragen. Bevorzugt kann die bipolare Membran zumindest eine der mittleren Kammern von der Anodenkammer abgrenzen. In diesem Aufbau mit bipolarer Membran kann auch eine für einwertige Kationen selektive Membran eine der mittleren Kammern von der Kathodenkammer trennen.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann in einen zweiten Verfahrensteilschritt b‘) das Kohlendioxid-Absorptionsmittel mit absorbiertem Kohlendioxid ausgefällt und von der Lösung des Verfahrensschrittes b) abgetrennt werden, wobei im Verfahrensschritt c) eine wässrige Lösung des ausgefallenen Kohlendioxid-Absorptionsmittels mit absorbiertem Kohlendioxid eingespeist wird, wobei die an Kohlendioxid-Absorptionsmittel mit absorbiertem Kohlendioxid verarmte Mutterlösung zumindest zum Teil in die Kathodenkammer der Elektrolysezelle geleitet wird. Um eine besonders elektrisch effiziente Desorption des Kohlendioxids aus der Absorptionsflüssigkeit zu erreichen hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass in Summe nur Absorptionsmittel zu Elektrolyse geführt werden, welche auch mit Kohlendioxid beladen sind. Im Falle einer reinen Absorption von Kohlendioxid an einem Absorptionsmittel wird sich als Funktion der Umgebungsbedingungen ein Gleichgewicht einstellen. Als Funktion der Lage des Gleichgewichts wird das Absorptionsmittel mal mehr oder weniger mit Kohlendioxid beladen vorliegen. Möchte man im Rahmen der Elektrolyse nur beladene Absorptionsmittel verwenden, so kann man beispielsweise diese mit Kohlendioxid beladenen Absorptionsmittel aus der Lösung abtrennen und diese abgetrennten Mittel dann im Rahmen einer neuen Lösung zur Elektrolyse weiterleiten. In diesen Fällen ist sichergestellt, dass die elektro- lysierte Lösung keine unbeladenen Absorptionsmittel aufweist. Dies ist insbesondere in den Fällen vorteilhaft, in denen die nicht beladenen Absorptionsmittel im Rahmen der Elektrolyse unter Verbrauch von Elektronen umgewandelt werden. Durch die Bereitstellung beladener Absorptionsmittel entfällt dieser Beitrag und es kann die Desorption von Kohlendioxid mit einem sehr geringen Verlustanteil an Elektronen über die weitere Umwandlung erfolgen. Dieses Verfahren kann sich insbesondere bei der Verwendung von Carbonat als Absorptionsmittel eignen. Die Carbonate können durch Absorption von Kohlendioxid in Hydrogencarbonate umgewandelt und die Hydrogencarbonate aus den wässrigen Lösungen ausgefällt werden.

Dadurch werden Reaktionen von Carbonat im Rahmen der Elektrolyse verhindert.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann der pH-Wert in der mittleren Kammer größer oder gleich pH 7,8 und kleiner oder gleich pH 8,8, der pH-Wert in der Kathodenkammer größer oder gleich pH 11 und kleiner oder gleich pH 13,5 und der Unterschied in den pH-Werten der mittleren Kammer und der Kathodenkammer während der Elektrolyse größer oder gleich 2,2 und kleiner 5,7 betragen. Innerhalb dieser pH-Grenzen lässt sich das System thermodynamisch vorteilhaft betreiben. Die erforderlichen Reaktionsgleichgewichte stellen sich schnell ein und auch aus elektrochemischer Sicht sind diese Unterschiede vorteilhaft. Diese Grenzen können insbesondere bei der Verwendung von Hydrogencarbonaten als Absorptionsmittel genutzt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Konzentration an Kohlendioxid- Absorptionsmittel mit absorbiertem Kohlendioxid beim Einspeisen in die Elektrolyse oder gleich 2 mol/L und kleiner oder gleich 8 mol/L betragen. Mit diesen Konzentrationsgrenzen lassen sich mit einer hohen Aktivität hohe Mengen an Kohlendioxid freisetzen. Zudem können diese Konzentrationsgrenzen geeignet sein, um den Zellaufbau über lange Zeiten betreiben zu können.

Nach einer bevorzugten Charakteristik des Verfahrens kann die Leitfähigkeit des Eingangsstroms in einen mittleren Teil der Elektrolyse im Verfahrensschritt c) größer oder gleich 0,1 S/cm und kleiner oder gleich 0,5 S/cm betragen. Diese Leitfähigkeiten für den Eingangsstrom in einen oder mehrere Teile der 3-Kammer-Elektrolyse haben sich für die energetische Effizienz der Elektrolyse als besonders vorteilhaft herausgestellt. Die Leitfähigkeit dieses mit Kohlendioxid beladenen wässrigen Eingangsstromes wird dabei unter Betriebsbedingungen, insbesondere Druck und Temperatur, mittels dem Fachmann bekannter Verfahren bestimmt. Es ist beispielsweise möglich, dass die Leitfähigkeit des wässrigen Eingangsstromes über einen konduktiven Leitfähigkeitssensor ermittelt werden. Diese Leitfähigkeiten können insbesondere im Zusammenhang mit der Elektrolyse wässriger Hydrogencarbonat-Lösungen sinnvoll sein. Es ergeben sich sehr hohe Hydrogencarbonat-Konzentrationen, welche die Leitfähigkeit des Elektrolyten in dieser Kammer bevorzugt hoch halten.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann in der Anodenkammer der mindestens 3 -Kammerelektrolyse wässrige KOH-Lösung als Elektrolyt verwendet werden. Für die Anodenkammer kann bevorzugt Kaliumhydroxid (KOH) als Elektrolyt gewählt werden, da dieser Elektrolyt unter den Betriebsbedingungen der Elektrolyse eine entsprechend hohe Leitfähigkeit aufweisen kann.

Innerhalb eines bevorzugten Aspektes des Verfahrens kann die Leitfähigkeit der in der Anodenkammer vorliegenden wässrigen KOH-Lösung unter Betriebsbedingungen größer oder gleich 0,5 S/cm und kleiner oder gleich 1,3 S/cm betragen. Dieser Leitfähigkeitsbereich und die Verwendung von KOH als Elektrolyt können zu einem besonders elektrisch effizienten Umwandlungsprozess unter Freisetzung von Kohlendioxid im Rahmen der Elektrolyse beitragen.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die Leitfähigkeit der zu Beginn der Elektrolyse in der Kathodenkammer vorliegenden Elektrolytlösung unter Betriebsbedingungen größer oder gleich 0,4 S/cm und kleiner oder gleich 1,15 S/cm betragen. In die Kathodenkammer kann zur Erreichung dieser Leitfähigkeiten beispielsweise eine Carbonat- /Hydrogencarbonatlösung mit einer Hydrogencarbonatkonzentration nahe der Löslichkeitsgrenze geleitet werden. Diese hohen Konzentrationen können die elektrische Effizienz des Gesamtverfahrens verbessern. Zudem weisen Lösungen mit diesen Leitfähigkeiten einen ausreichenden Anteil an Kaliumcarbonat auf. Über den Kaliumcarbonat-Anteil in der Lösung kann vorteilhafterweise auch der Wasserdampfdruck des Absorptionsmittels gesteuert werden. Je nach vorliegender Luftfeuchtigkeit kann für einen bestimmten Bereich der Wasserdampfdruck des Absorptionsmittels so angepasst werden, dass weder Wasser aus dem Absorptionsmittel verdampft noch Wasser aus der Atmosphäre in das Absorptionsmittel aufgenommen wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass in diesen Leitfähigkeitsbereichen die durch die kationenselektive Membran gewanderten K ⁺ -Ionen, aus dem in der KHCCh/IGCCh-Lösung vorhandenem KHCO3 ebenfalls K2CO3 bilden.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann nach dem Verfahrensschritt b) Hydrogencarbonat vom Absorptionsmittel abgetrennt und unter mindestens Zusatz von Wasser als wässrige Lösung in die mindestens 3 -Kammer-Elektrolyse gegeben werden. In dieser Verfahrensvariante kann auf das zumindest teilweise Einspeisen der an Kohlendioxid verarmten Mutterlösung in die Kathodenkammer der Elektrolysezelle verzichtet werden. Die Fällung und Aufkonzentrierung des Kohlendioxid-Absorptionsmittel mit absorbiertem Kohlendioxid, beispielsweise in Form von Hydrogencarbonat, kann im Rahmen der 3 -Kammer-Elektrolyse zu schon vorher beschriebenen energetischen Vorteilen führen.

Im Rahmen einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung kann die Lösung des Kohlendioxid- Absorptionsmittels im Verfahrensschritt a) eine Verbindung mit einer Aminfunktion als Koh- lendioxid-Absorptionsbeschleuniger umfassen, wobei die Verbindung mit einer Aminfunktion bei 20°C und in einer Konzentration von 1 mol/kg eine Carbamat-Gleichgewichtskonstante, ermittelt aus Kohl endi oxid-Partial druckmessungen, von größer oder gleich 0,01 und kleiner oder gleich 0,75 aufweist. Unter der Carbamat-Gleichgewichtskonstante wird folgende Gleichgewichtskonstante verstanden:

Die Gleichgewichtskonstante K _carb (in mol/L) ist eine Stoffgröße, welche die Stabilität von Carbamaten beschreibt, die während der CCL-Absorption mit den Absorptionsbeschleunigem in der Absorptionsflüssigkeit gebildet werden. Eine niedrige Carbamatstabilität wird durch einen hohen Wert für Äcarb ausgedrückt. Dies bedeutet, dass gebildetes Carbamat zu Hydrogencarbonat und dem Amin zurückreagiert. Insbesondere letzteres ist im vorliegenden Fall erwünscht und führt zu einer verbesserten Kohlendioxid- Aufnahmerate. Insbesondere können diese Amin-Zusätze dazu beitragen, dass auch Luftströme mit relativ geringen Kohlendioxid-Gehalten effizient vom Kohlendioxid befreit werden können. Geeignete Amine zur Beschleunigung der Aufnahme bilden beispielsweise, auf Grund ihres sehr geringen Dampfdrucks, die Aminosäuren. Eine geeignete Carbamatstabilität weist beispielsweise die Aminosäure Pipecolinsäure auf. Weiterhin bevorzugt können Aminosäuren mit einer Carbamat- Gleichgewichtskonstante bei 20°C von größer oder gleich 0,02 und kleiner oder gleich 0,5 und weiterhin bevorzugt von größer oder gleich 0,03 und kleiner oder gleich 0,25 verwendet werden.

Des Weiteren erfindungsgemäß ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Absorption von Kohlendioxid aus einem Luftstrom, wobei der Luftstrom eine Kohlendioxid- konzentration von größer oder gleich 100 ppm und kleiner oder gleich 650 ppm aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich insbesondere dazu eignen, dass Luftströme mit sehr geringen Kohlendioxidkonzentrationen weiter von Kohlendioxid befreit werden. Diese Bedingungen führen bei Stand der Technik Bädern meist zu einer unkontrollierbaren Aufnahme oder Abgabe von Wasser aus der Lösung, welches ein enges Prozessmonitoring mit entsprechendem Regelungsaufwand erfordert. Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht eine verlässliche und kontinuierliche Aufnahme von Kohlendioxid aus diesen kohlendioxidarmen Strömen und eine effiziente und energetisch vorteilhafte Desorption im Rahmen der Elektrolyse. Es können auch Verfahren etabliert werden, welche eine Aufnahme von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft effizient durchführen und eine elektrisch geeignete Freisetzung im Rahmen einer 3-Kammer- Elektrolyse gewährleisten können.

Des Weiteren bilden auch die jeweiligen 3-Kammer-Elektrolyse-Apparaturen erfindungsge- mäße Ausgestaltungen. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Figuren veranschaulicht und in den nachfolgenden Beispielen erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Es zeigen die

Fig. 1 eine nicht erfindungsgemäße Zweikammer-Elektrolyse mit Rückführung der elekt- rolysierten Lösung aus der Anoden- in die Kathodenkammer;

Fig. 2 eine nicht erfindungsgemäße Zweikammer-Elektrolyse mit Rückführung der elekt- rolysierten Lösung aus der Anoden- in die Kathodenkammer und einer funktionali- sierten Ni-Anode;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Dreikammer-Elektrolyse mit Rückführung der elektrolysier- ten Lösung aus der Mittleren- in die Kathodenkammer;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Fünfkammer-Elektrolyse mit Rückführung der elektrolysier- ten Lösung aus der Mittleren- in die Kathodenkammer;

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Dreikammer-Elektrolyse mit separaten Fällungsschritt des mit CO2 gesättigten Absorptionsmittel;

Fig. 6 eine nicht erfindungsgemäße Zweikammer-Elektrolyse mit separater Freisetzung des CO2 in einer weiteren Kammer;

Fig. 7 eine nicht erfindungsgemäße Zweikammer-Elektrolyse mit separaten Fällungsschritt des mit CO2 gesättigten Absorptionsmittel und Freisetzung des CO2 aus KHCO3 durch KHSO4;

Fig. 8 eine nicht erfindungsgemäße Zweikammer-Elektrolyseeinheit mit separaten Fällungsschritt des mit CO2 gesättigten Absorptionsmittel;

Fig. 9 den Stromverlauf und die Kohlendioxidentwicklung eines Absorbens auf Hydrogencarbonatbasis in einer Drei-Kammerelektrolyse; Fig. 10 den Stromverlauf und die Kohlendioxidentwicklung eines Absorbens auf Aminosäurebasis in einer Drei-Kammerelektrolyse;

Fig. 11 die Löslichkeit von KHCO3 in K2CO3 sowie den CCL-Partialdruck bei der Sättigung mit KHCO3;

Fig. 12 die Massentransferraten für die Aufnahme von CO2 in eine KHCCL/^CCL-Lösung bei 323 K;

Fig. 13 die Strom/Spannungskennlinie der Elektrolyse einer 1 molalen KOH-Lösung;

Fig. 14 die Strom/Spannungskennlinie der Elektrolyse einer 1 molalen KHCCL-Lösung im Anoden- und einer 0,5 molalen K2CO3-Lösung im Kathodenraum im Vergleich zu der in der Fig.13 gezeigten Elektrolyse mit einer 1 molalen KOH-Lösung im Anoden- und Kathodenraum;

Fig. 15 die Strom/Spannungskurve einer 0,5 molalen K2SO4 Lösung, pH = 7,4 in der Anodenkammer und einer 1 molalen K2CO3-Lösung, pH= 11,8, in der Kathodenkammer; Fig. 16 die Strom/Spannungskennlinie einer erfindungsgemäßen Elektrolyse in einem Dreikammersystem.

Die Figur 1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Zweikammer-Elektrolyse mit Rückführung der elektrolysierten Lösung aus der Anoden- in die Kathodenkammer. Dies ist ein einfacher Aufbau einer Elektrolyseeinheit zur Elektrolyse von H2O und Freisetzung von CO2 aus einer Absorptionsflüssigkeit für Kohlendioxid. Zusätzlich ist hier gezeigt, dass eine Rückführung der elektrolysierten Lösung aus der Anoden- in die Kathodenkammer erfolgt. Diese Elektrolyse kann beispielsweise mit einem Absorbens aus einem Salz erfolgen, welches in wässriger Lösung in Kationen und Anionen zerfällt. Der Anoden- und Kathodenraum werden durch eine kationenselektive Membran getrennt. Im Laufe der Elektrolyse sinkt der pH-Wert an der Anode während der pH-Wert an der Kathode steigt. Da die Aufnahme von CO2 in eine wässrige Lösung für die bekannten CCh-Absorbenzien, Laugen, Carbonate, Aminosäuresalze und Amine -primär, sekundär, tertiär- immer mit einer Abnahme des pH-Wertes verbunden ist, lässt sich CO2 durch Reduktion des pH-Werts immer aus der Lösung austreiben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das CCL-Absorbens das Kation selbst enthält. Dies sind beispielsweise die Laugen sämtlicher Alkalimetalle, Carbonate sämtlicher Alkalimetalle und die Aminosäuresalze sämtlicher Alkalimetalle. Bei CCL-Absorbenzien die keine Alkalimetalle enthalten kann ein neutrales Salz, welches nicht elektrolysiert wird, beispielsweise K2SO4 oder ähnliche, der Absorptionslösung hinzugefügt werden. Daraus resultiert eine prinzipielle Anwendbarkeit des Elektrolyseprinzips auf eine Vielzahl bekannter CCh-Absorbenzien. Der neben der Elektrolyse von H2O erforderliche Energieaufwand zur CCh-Freisetzung ergibt sich aus dem für die CCh-Austrei- bung erforderlichem pH-Wert Unterschied zwischen der mittleren Kammer und dem Katho- denraum und der daraus resultierenden Potentialdifferenz. Diese ist substanzspezifisch und kann zwischen 0,8 V und 0,25 V variieren. Ferner ist die Anzahl der Elektronen, die zur Freisetzung eines CCh-Moleküls benötigt werden, ebenfalls substanzspezifisch und von der, entsprechend dem CO2-Partialdruck im Absorber, erzielbaren Beladungskapazität abhängig. Die Anzahl der erforderlichen Elektronen variiert zwischen 1 und 2. Ein genereller Unterschied zu den bekannten Verfahren kann in dieser Ausgestaltung darin gesehen werden, dass die in der Anodenkammer von CO2 abgereicherte Lösung, vor der erneuten CCh-Absorption in die Ka- thodenkammer geleitet wird. Dort findet eine Neutralisation statt, welches den pH-Wert in der Kathodenkammer senkt. Die dadurch erzielbare Senkung der Potentialdifferenz reduziert den erforderlichen Energieaufwand zur CCh-Frei Setzung wesentlich. Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich insbesondere in der generellen Anwendbarkeit; dem einfachen verfahrenstechnischen Aufbau, da diese direkt an einer CCL-Absorberkolonne betrieben werden kann und dem durch die Verwendung bipolarer Membranen stackweisen Aufbau der Elektrolysezelle.

Die Figur 2 zeigt einen nicht erfindungsgemäßen Teilverfahrensschritt in Form einer Zwei- Kammer-Elektrolyse eines mit Kohlendioxid-beladenen Luftstromes mit Nickelhydroxid- Anode. Ein Absorbens mit einer Alkalicarbonat-Komponente wird aus einem Luftstrom mit Kohlendioxid beladen. Das Carbonat wird, zumindest teilweise, in Hydrogencarbonat umgewandelt, welches in den Anodenraum einer Zwei-Kammerelektrolyse eingeleitet wird. Die Elektrolysezelle weist eine Alkali-durchlässige Membran auf, welche den Anoden- vom Kathodenraum trennt. Bei der Anode handelt es sich um eine poröse Anode, welche in der Lage ist Sauerstoff zu binden. Insofern verlässt den Anodenraum nur das gebildete Kohlendioxid. Im Kathodenraum wird Wasserstoff gebildet. Insofern fallen die unterschiedlichen Gase an unterschiedlichen Orten an und müssen nicht aufwendig voneinander getrennt werden. Die Anode kann dann von Zeit zu Zeit thermisch unter Sauerstoffabgabe regeneriert werden. Es ergeben sich folgende Reaktionen:

Anode

2 KHCO3 2 K ⁺ + 2 HCO ₃ -

2 HCO ₃ - 2 CO ₂ + 2 OH’

2 Ni(OH) ₂ + 2 OH 2 NiOOH + 2 H ₂ O + 2 e

Als Gesamtreaktion ergibt sich:

(KHCO ₃ + Ni(OH) ₂ K ⁺ + CO ₂ + NiOOH + e ) x 2

An der Kathode finden folgende Reaktionen statt:

4 H2O 2 H ₃ O ⁺ + 2OH-

2 H ₃ O ⁺ + 2 e H ₂ + 2 H ₂ O

2 KHCO ₃ + 2 K ⁺ + 2 OH 2 K ₂ CO ₃ + 2 H ₂ O

Insgesamt ergibt sich im Kathodenraum eine Gesamtreaktion von:

2 KHCO ₃ + 2 K + 2 e 2 K ₂ CO ₃ + H ₂

Die Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Teilverfahrensschritt in Form einer Drei-Kammer- Elektrolyse eines mit Kohlendioxid-beladenen Absorbens. Ein Absorbens auf Carbonat-Basis kann beispielsweise aus einem Luftstrom, beispielsweise Umgebungsluft oder industrielle Abluft, mit Kohlendioxid beladen werden. Durch die Aufnahme erfolgt eine zumindest partielle Umwandlung des Carbonats in Hydrogencarbonat. Die hydrogencarbonathaltige Lösung wird in die mittlere Kammer einer zumindest drei Kammern umfassenden Elektrolyseeinheit gegeben. Die mittlere Kammer ist mit einer bipolaren Membran gegenüber dem Anodenraum und mittels einer für Kalium, oder allgemein Alkali-Ionen, durchlässigen Membran gegenüber dem Kathodenraum abgegrenzt. Durch Anlegen einer Spannung wird im Anodenraum Sauerstoff, im Kathodenraum Wasserstoff und im mittleren Raum Kohlendioxid entwickelt. Die einzelnen Gasströme können separat aufgefangen werden. Die an Kohlendioxid verarmte Lösung in der mittleren Kammer weist nun einen höheren Carbonat- und einen niedrigeren Hydrogencarbonatanteil auf. Diese rezyklierte Lösung kann wieder als Absorbens für einen kohlendioxid- haltigen Luftstrom eingesetzt werden. In Form von Reaktionsgleichungen ergeben sich an den unterschiedlichen Reaktionsorten folgende Umsetzungen:

An der Anode:

2 OH’ H ₂ O + ¥2 O ₂ + 2e

An der bipolaren Membran:

2 H2O — > 2 H ⁺ + 2 OH"

In der Zwischenzelle:

2 HCO ₃ - - 2 H 2 CO ₂ + 2 H2O

In Summe ergibt sich als Gesamtreaktion der Zwischenzelle:

2 KHCO3 - 2 H 2 K + 2 CO ₂ + 2 H ₂ O

An der Kathode finden folgende Reaktionen statt:

4 H2O 2 H ₃ O ⁺ + 2 OH

2 H ₃ O ⁺ + 2 e H ₂ + 2 H ₂ O

2 KHCO ₃ + 2 K ⁺ + 2 OH’ 2 K ₂ CO ₃ + 2 H ₂ O Insgesamt ergibt sich somit für den Kathodenraum:

2 KHCO3 - 2 K + 2 e' 2 K2CO3 + H ₂

Der Drei-Kammeraufbau ist in Bezug auf die mittlere Einheit beliebig erweiterbar. Insofern können mit nur leicht veränderten elektrochemischen Eigenschaften mit dem erfindungsgemäßen Absorbens oder beispielsweise auch mit reinen Hydrogencarbonat- oder Aminosäurelösungen auch 5-, 7-, 9- oder allgemein 3+2n-Kammeraufbauten verwendet werden.

Die Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Fünfkammer-Elektrolyse mit Rückführung der elekt- rolysierten Lösung aus der mittleren- in die Kathodenkammer. Aufgrund des erfmdungsgemä- ßen Aufbaus können mehrere „mittlere“ Kammern zur Freisetzung von Kohlendioxid genutzt werden. Es werden entsprechend mehrere bipolare Membranen und kationenselektive Membranen eingesetzt.

Die Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Dreikammer-Elektrolyse mit separaten Fällungsschritt des mit CO2 gesättigten Absorptionsmittels. Nach der Absorption des Kohlendioxids wird das mit Kohlendioxid gesättigte Absorptionsmittel zusammen ausgefällt. Das ausgefallene Mittel kann dann in 100% reiner Form in die Elektrolyse gegeben werden. Durch dieses Verfahren kann sichergestellt werden, dass im Rahmen der Elektrolyse nur eine Spezies elektrolysiert wird. Dies kann die elektrischen Effizienzparameter des Gesamtverfahrens verbessern. Der separate Fällungsschritt kann ebenfalls einer Zweikammer-Elektrolyse vorgeschaltet werden.

Die Figur 6 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Zweikammer-Elektrolyse mit separater Freisetzung des CO2 in einer weiteren Kammer. Zur Trennung der einzelnen Gasströme der Elektrolyse kann die Freisetzung von Kohlendioxid prinzipiell auch in einem außerhalb der Elektrolysezelle angeordnetem Kompartiment erfolgen. Die Freisetzung erfolgt durch Druck und/oder Temperaturänderung. Nach der Kohlendioxid-Frei Setzung kann die Lösung in die Kathodenkammer geleitet werden. Vor der Elektrolyse kann ein separater Fällungsschritt durchgeführt werden. Die mit KHCO3 angereicherte Lösung wird in die Anodenkammer und die verarmte Lösung in die Kathodenkammer eingespeist (Figur 5).

Die Figur 7 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Zweikammer-Elektrolyse mit separaten Fällungsschritt des mit CO2 gesättigten Absorptionsmittel. In dieser Variante erfolgt eine Vorabfällung des gesättigten Absorbens. Das Fällungsprodukt, KHCO3 wird als Feststoff oder Schlamm in eine KHSO4 / K2SO4 - Lösung überführt wobei entsprechend der folgenden Reaktionsgleichung:

KHCO3 + KHSO4 K2SO4 + H2O + CO2T

CO2 freigesetzt wird.

Treibende Kraft hierbei ist, dass KHSO4, pH = 0,7 entsprechend einer 10 Gew.-%igen Lösung, eine stärkere Säure als KHCO3, pH = 7,9 entsprechend einer 10 Gew.-%igen Lösung, darstellt. Die mit K2SO4 angereicherte KHSCL/IGSCk-Lösung wird in die Anodenkammer geleitet, dort erfolgt, entsprechend der Gesamtreaktion im Anodenraum:

2 K2SO4 + H2O 2 K + 2 KHSO4 + 1/202 + 2e die Freisetzung von O2 unter Bildung von KHSO4.

Die nun mit KHSO4 angereicherte KHSO4 / K2SO4 - Lösung wird wieder zurück in das Reaktionsgefäß zur Freisetzung des CO2 geleitet. Im Kathodenraum erfolgt die Freisetzung von H ₂ , gleichzeitig wird die I<HCO ₃ /I<2CO ₃ -Lösung mit K2CO3, zur erneuten CCL-Absorption, angereichert:

2 KHCO ₃ + 2 K ⁺ +2e' 2 K2CO3 + H ₂ Im Vergleich zur Elektrolyse von KHCO3 (Figur 14) ist für die Elektrolyse von KHSO4, auf Grund des niedrigeren pH-Wertes ein um etwa 0,2 V höherer Spannungsabfall an der kationenselektiven Membran zu beobachten. Die Verfahrensvariante dargestellt in Figur 7 ist somit ein energieeffizientes Verfahren für die Freisetzung von CO2 und O2 in getrennten Volumina.

Die Figur 8 als Ausschnitt aus Figur 4 einen erweiterbaren Stack, welcher durch bipolare Membrane abgetrennt ist. Zudem ist ein separater Fällungsschritt des mit CO2 gesättigten Absorptionsmittel der Elektrolyse vorgeschaltet. Der separate Fällungs- und Auflösungsschritt kann die elektrische Effizienz der Elektrolyse steigern, da in diesen Fällen nur Hydrogencarbonat und kein Carbonat in die Elektrolysezelle gelangt.

Die Figur 9 zeigt den Stromverlauf und die Kohlendioxidentwicklung eines Absorbens auf Hydrogencarbonatbasis in einer Drei -Kammerelektrolyse. Das Absorbens basiert auf einer 10 Gew.-%igen KHCCh-Lösung und in der Figur ist die gemessene Stromstärke und der bestimmte CO2-Volummenstrom als Funktion der Messzyklen dargestellt. Aufgetragen sind die Daten der Messzyklen von 10000 bis 11000, wobei das Zeitintervall eines Messzyklus 1 Sekunde beträgt. Die Messung erfolgte bei einer Temperatur von 20°C. Eingesetzt wurden Elektrolytlösungen mit den Inhalts stoffen: Anode: KOH 5,4 Gew.%; Zwischenkammer: KHCO3 10 Gew.-%; Kathode: KHCO3 10 Gew.-%. Der fluktuierende Stromfluss ist auf die Blasenbildung und Ablösung an der Oberfläche der bipolaren Membran zurückzuführen. Aus einem ähnlichen Grund schwankt auch der CO2-Gasmengenstrom etwas. Das stöchiometrische Verhältnis der freigesetzten Gasmengen entsprach in etwa dem Verhältnis: 2: 1 : 1/2 für CO2, H2, O2. Die in dem einfachen Versuchsaufbau erzielte Faraday -Effektivität bezogen auf CO2 betrug etwa 80%.

Die Figur 10 zeigt den Stromverlauf und die Kohlendioxidentwicklung eines Absorbens auf Aminosäurebasis in einer Drei-Kammerelektrolyse. Aufgetragen ist die eingesetzte Stromstärke sowie der erzielte CO2-Gasmengenstrom bei der Elektrolyse einer mit CO2 beladenen Aminosäuresalzlösung im Dreikammer-Elektrolyseur. Die Messung erfolgte ebenfalls bei einer Temperatur von 20°C. Eingesetzt wurden Elektrolytlösungen folgender Zusammensetzung: Anode: KOH, 5,4 Gew.-%; Zwischenkammer: Beladene Aminosäuresalzlösung mit Prolin, 10 Gew.-%; Kathode: Beladene Aminosäuresalzlösung Prolin 10 Gew.-%. Die CO2-Beladung erfolgte vor der Elektrolyse in einem Blasensäulenreaktor durch Durchleiten eines 14 vol.-%igen CO2-Gasstroms. Der gemessene fluktuierende Stromfluss ist auch hier auf die Blasenbildung und Ablösung an der Oberfläche der bipolaren Membran zurückzuführen. Gleiches gilt für die Schwankungen im CO2-Gasmengenstrom. Das stöchiometrische Verhältnis der freigesetzten Gasmengen entsprach in etwa dem Verhältnis: 1 : 1 : 1/2 für CO2, H2, O2. Die in diesem einfachen Versuchsaufbau erzielte Faraday -Effektivität bezogen auf CO2 betrug etwa 85%.

Die Figur 11 zeigt die Löslichkeit von KHCO3 in K2CO3 sowie den CO2-Partialdruck bei der Sättigung mit KHCO3. Die aufgetragene Linie entspricht der Löslichkeit von KHCO3, linke Ordinate, in einer K2CO3-Lösung bei 293 K. Der berechnete und experimentell bestätigte (offene Kreise) CO2-Partialdruck ist als gestrichelte Linie, rechte Ordinate, dargestellt. Der Auftragung kann entnommen werden, dass mit einer K2CO3-Konzentration von > 40 g/1, KHCO3 unterhalb einer CO2-Konzentration von 140000 Pa aus der Lösung ausfällt. Die CO2-Absorp- tion aus Rauchgasen in eine K2CO3-Lösung und Fällung des absorbierten CO2 als KHCO3 ist ab einer Konzentration von K2CO3 > 40 g möglich. Die Absorption von CO2 aus der Luft, mit einer CO2-Konzentration von etwa 400 ppm, und Fällung als KHCO3 ist ab einer K2CO3-Kon- zentration von 560 g/1 zu beobachten.

Figur 12 zeigt die experimentell bestimmten Massentransferraten für die Aufnahme von CO2 in eine KHCCh/IGCCh-Lösung bei 323 K. Als CO2-Absorptionspromotor wurde das Kaliumsalz der Pipecolinsäure in einer Konzentration von 2 mol/1 zugegeben. Die K2CO3-Konzentra- tion wurde während der Messzeit stufenweise von 138,25 g/kg auf 542,5 g/kg erhöht. KHCO3 wurde ebenfalls in einem Konzentrationsbereich von 0 bis 440 g/kg portionsweise hinzugefügt. Die Bestimmung der CCh-Aufnahmerate erfolgte so entlang der KHCCL-Sättigungsgrenze bei zunehmender K2CO3-Konzentration. Die CCL-Aufnahmerate sinkt mit zunehmender K2CO3- Konzentration und bei Zugabe von KHCO3 bis zum Erreichen der Sättigungsgrenze. Die CO2- Massentransferrate ist mit einem Durchschnittswert von 0,08 mol/s m ² bar zur großtechnischen Verwendung einer Packungskolonne ausreichend.

Figur 13 zeigt die Strom/Spannungskennlinie der Elektrolyse einer 1 molalen KOH-Lösung mit Hilfe des in Figur 1 skizzierten Aufbaues. Der Anoden- und Kationenraum sind durch eine kationenselektive Membran getrennt. Die Elektrolyse der KOH-Lösung benötigt eine Zellspannung von etwa 1,8 V. Ein zusätzlicher Spannungsabfall an der kationenselektiven Membran ist nicht zu beobachten.

Die Figur 14 ermöglicht den direkten Vergleich der im Labor gemessenen Strom/Spannungs- kennlinien für eine 1 molale KOH im Anoden- und Kathodenraum (vgl. Figur 13) in Analogie zu der Elektrolyse einer 1 molalen KHCOs-Lösung im Anoden- und einer 0,5 molalen K2CO3- Lösung im Kathodenraum. Der zusätzliche Spannungsabfall an der kationenselektiven Membran, der zur Freisetzung des CO2 benötigt wird, ist durch den pH-Wertunterschied in der Anodenkammer und Kathodenkammer gegeben, der sich aus dem beladenen und unbeladenen Ab- sorbens ergibt. Je nach Konzentration variiert dieser für KHCO3 zwischen pH = 7,8 - 8 in der Anodenkammer und für K2CO3 zwischen pH= 11,5 und 13,5. Bei einer Konzentration von 1 mol/kg KHCO3 in der Anodenkammer, pH = 7,9 und 0,5 mol/kg K2CO3 in der Kathodenkammer, pH = 11,7, ergibt sich unter Anwendung der Nernst’ sehen Gleichung, ein zusätzlicher Spannungsabfall von theoretisch = 0,22 V. Dies entspricht einem AG = 22 kJ pro mol CO2 Dies entspricht in etwa dem thermodynamischen Minimum. Die elektrolytische Freisetzung des CO2 aus einer KHCO3 Lösung unter Bildung von K2CO3 stellt somit die energetisch effektivste Form der Freisetzung von absorbiertem CO2 dar. Die Labormessungen bestätigen mit einer Zellspannung von etwas über 2 V die obigen theoretischen Betrachtungen. Figur 15 zeigt die Strom/Spannungskurve einer 0,5 molalen K2SO4 Lösung, pH = 7,4 in der Anodenkammer und einer 1 molalen K^CCh-Lösung, pH = 11,8, in der Kathodenkammer. Der direkte Vergleich der Strom/Spannungskurven mit der zuvor diskutierten Elektrolyse einer KHCOs^COs-Lösung bestätigt, dass die höhere pH-Wert Differenz zwischen der Anoden- und Kathodenkammer in einer höheren experimentell beobachteten Elektrolysenspannung von etwa 0.2 V resultiert. Die Elektrolyse einer K2SO4 Lösung entspricht dem in der Figur 7 vorgestellten Verfahren.

In de Figur 16 ist die Strom/Spannungskennlinie der Elektrolyse in einem Dreikammersystem entsprechend der Figur 5 dargestellt. In der Anodenkammer befindet sich eine ein molale KOH Lösung mit einem pH = 14. In der Zwischenkammer als auch in der Kathodenkammer befinden sich die gleiche Lösung entsprecht einer Zusammensetzung von: KHCO3 5 Gew.-% + K2CO3 5 Gew.-% mit einem pH = 9,5. Der Figur kann im Vergleich zur Figur 13 entnommen werden, dass durch die Verwendung der bipolaren Membran eine zusätzliche Elektrolysenspannung von etwa 0,5 V erforderlich ist. Theoretisch ergibt sich ein Membranpotential von 0,27 V.