Ein Forschungsteam hat eine Technologie entwickelt, mit der sich Kühlmittel – ein Treibhausgas mit einer 1.300-mal stärkeren Wirkung als Kohlendioxid – mithilfe schwierig zu handhabender Industrieabfälle zersetzen lassen.
Das Team von Dr. Ryi Shin-kun am Hydrogen Convergence Materials Lab des Korea Institute of Energy Research (KIER) hat erfolgreich einen Katalysator aus Industrieabfällen entwickelt, die als „Rotschlamm“ bekannt sind und ein Nebenprodukt der Aluminiumproduktion sind. Dieser Katalysator kann das Kühlmittel HFC-134a, das häufig in Haushaltsgeräten wie Klimaanlagen und Kühlschränken verwendet wird, mit einer Effizienz von 99 % zersetzen.
Die Studie ist veröffentlicht im Zeitschrift für Industrie- und Ingenieurchemie.
Rotschlamm ist ein industrielles Nebenprodukt, das bei der Gewinnung von Aluminiumoxid aus dem Mineral Bauxit übrig bleibt. Er enthält Oxide von Eisen, Aluminium, Silizium und anderen Elementen, die ihm eine rote Farbe verleihen. Jährlich werden mehr als 200.000 Tonnen produziert.
HFC-134a ist eine Verbindung aus der HFC-Reihe (Fluorkohlenwasserstoffe), die als Ersatz für herkömmliche Kühlmittel wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HCFC) entwickelt wurde. Es wird hauptsächlich als Kühlmittel in Kühlschränken und Klimaanlagen verwendet. HFC-134a hat ein 1.300-mal höheres Treibhauspotenzial (GWP) als Kohlendioxid.
Bei der Herstellung von 1 Tonne Aluminium entstehen als Nebenprodukt etwa 1 bis 1,5 Tonnen Rotschlamm. Derzeit wird der Großteil des Rotschlamms auf Mülldeponien oder in Seen entsorgt. Aufgrund seiner hohen Alkalität und seines Schwermetallgehalts verursacht Rotschlamm erhebliche Boden- und Wasserverschmutzungsprobleme.
Das in Klimaanlagen und Kühlsystemen verwendete Kältemittel HFC-134a wird inzwischen von Abgasbehandlungsunternehmen gemäß den geltenden Gesetzen verarbeitet. Es wird hauptsächlich durch Verbrennungs- und Plasmamethoden behandelt. Bei der Verbrennung entstehen jedoch sekundäre Schadstoffe wie Stickoxide, und die Hochtemperaturzersetzung mithilfe von Plasma erfordert erhebliche Energie- und Gerätekosten. Darüber hinaus nimmt die Effizienz mit zunehmender Reaktorgröße ab. Daher besteht Bedarf an einer Technologie, mit der Kältemittel bei niedrigen Temperaturen und minimaler Schadstoffbildung stabil eliminiert werden können.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte das Forschungsteam eine katalytische Zersetzungstechnologie, die im Vergleich zu Verbrennungs- und Plasmamethoden bei niedrigeren Temperaturen arbeiten kann. Sie konzentrierten sich auf die Tatsache, dass die verschiedenen Metallkomponenten im Rotschlamm, wie Eisen und Aluminium, interagieren und einen leistungsstarken und stabilen Katalysator für die Kältemittelzersetzung bilden können.
Rotschlamm besteht zu über 50 % aus Eisen und Aluminium. Diese beiden Stoffe werden als wichtige Katalysatoren für die Zersetzung von HFC-134a eingesetzt.
Rotschlamm hat eine poröse Struktur mit einer großen Oberfläche pro Masseneinheit und hoher thermischer Stabilität, sodass die Reaktanten effizient fließen können und der physikalische und chemische Abbau des Katalysators verhindert wird. Darüber hinaus schafft er eine optimale Umgebung für Grenzflächenphänomene wie Adsorption und Elektromigration, die für katalytische Reaktionen wesentlich sind, und verbessert so die Haltbarkeit und Aktivität des Katalysators.
Um die Zersetzungsleistung weiter zu verbessern, verwendete das Forschungsteam ein einfaches Wärmebehandlungsverfahren, um Wechselwirkungen zwischen den Komponenten Calcium (Ca), Silizium (Si) und Aluminium (Al) hervorzurufen. Dadurch entstand ein Verbundwerkstoff aus Tricalciumaluminat (C3A) und Gehlenit (C2S). Diese Materialien, die zur Erhöhung der Festigkeit von Zement verwendet werden, stärken die Bindung der Katalysatorpartikel und vergrößern die Reaktionsoberfläche, wodurch die Zersetzungsleistung verbessert wird.
Darüber hinaus reagiert der bei der Zersetzung von HFC-134a entstehende Fluorwasserstoff (HF) mit Calciumoxid (CaO) zu Calciumfluorid (CaF2). Chemisch stabiles Calciumfluorid bildet einen dünnen Film auf der Katalysatoroberfläche und wirkt als Schutzschild, um die Deaktivierung zu verhindern und den Katalysator zu schützen.
Der vom Forschungsteam entwickelte Katalysator zeigte eine hervorragende Leistung bei der Zersetzung von Kühlmitteln und hielt 100 Stunden lang eine hohe Zersetzungsrate von über 99 % aufrecht. Darüber hinaus kann er durch einfache Trocknungs- und Mahlprozesse im Labormaßstab mit einer Rate von 1 kg pro Stunde hergestellt werden, was ihn für die Massenproduktion im großen Maßstab geeignet macht. Insbesondere da er durch Recycling von Industrieabfällen hergestellt wird, fallen keine Rohstoffkosten an und er kann die Abfallentsorgungskosten senken und potenziell zusätzliche Einnahmen generieren.
Dr. Ryi Shin-kun, der Forschungsleiter, erklärte: „Rotschlamm ist eine stark alkalische Substanz, die schwere Umweltverschmutzung verursachen kann, wenn sie in die Umgebung gelangt. Bisher gab es jedoch keine geeigneten Technologien, um ihn zu verarbeiten und zu recyceln. Die entwickelte Technologie zur Herstellung von Katalysatoren recycelt nicht nur Abfälle, um die Umweltverschmutzung zu reduzieren, sondern zersetzt auch Kühlmittel, die einen starken Treibhauseffekt haben, effektiv und mit hervorragender Leistung.“
Mehr Informationen:
In-Heon Kwak et al, Hydrolyse von HFC-134a mit einem Rotschlamm-Katalysator zur Wiederverwendung eines Industrieabfalls, Zeitschrift für Industrie- und Ingenieurchemie (2024). DOI: 10.1016/j.jiec.2024.02.013