Das Gesamtziel von NaPeMon ist die Entwicklung eines elektrochemischen Verfahrens zur Umwandlung von Monoterpenen des Rohterpentins aus industriellen Reststoffströmen in werthaltige Plattformchemikalien (Carbonylverbindungen) und deren anschließende Umsetzung zu Alkoholverbindungen. Spezifische Ziele dieses Verbundvorhabens sind: a) die Nutzung heimischer, regenerativer Ausgangsstoffe (Rohterpentin aus der Zellstoffindustrie) mit industrierelevanter Verfügbarkeit, b) die elektrochemisch mediierte Periodatspaltung von Monoterpenen in Dicarbonylverbindungen, c) die elektrochemische Reduktion von Carbonylverbindungen, d) die Kopplung der elektrochemischen Periodatregeneration als anodische Halbzellreaktion mit der reduktiven Alkoholsynthese in der kathodischen Halbzelle in einem integrierten Elektrolysesystem ('200% Zelle'), e) die Skalierung des gekoppelten elektrochemischen Prozesses, f) die Vermeidung von Abfällen durch prozessintegrierte Regeneration der Oxidationsäquivalente (elektrochemische Regeneration von Periodat), g) die Bereitstellung attraktiver Plattformchemikalien (Monoterpen-basierte Dicarbonyl-verbindungen und entsprechende Dialkohole) für die chemische Industrie. Ziel des Teilvorhabens von ESy-Labs ist die Skalierung des Prozesses aus dem Labormaßstab in den kg-Maßstab. Neben der Etablierung eines Separationsprozesses soll der Fokus vor allem auf der Etablierung eines kontinuierlichen Reaktorsystems liegen.
Gegenstand des BMWi-Verbundvorhabens 'GreenSoda' ist die Entwicklung und Demonstration eines neues CCU-Konzeptes für die Herstellung der chemischen Grundstoffe Soda (Natriumcarbonat) und Natron (Natriumhydrogencarbonat) auf der Basis von CO2 aus Produktaufbereitungsprozessen, biogenem CO2 und/oder weiteren industriellen Emissionsquellen. Als Natriumquelle wird Natronlauge verwendet, die mittels eines neuen, im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnden und optimierenden, elektrochemischen Verfahrens aus Salzsole hergestellt wird. Zur Bereitstellung der für den Prozess benötigten Elektroenergie und Prozesswärme ist die Nutzung regenerativ erzeugter Energie bzw. Tiefer Geothermie vorgesehen. Somit werden in der Gesamtbilanz CO2-Emissionen, die mit der Herstellung auf konventionellem Wege verbunden sind, weitestgehend vermieden und der Prozess kann perspektivisch als Senke für CO2 dienen. Ein weiteres Ziel besteht darin, die bisher mit der Herstellung unvermeidlich verbundenen Abproduktprobleme zu vermeiden. Die zu entwickelnden Prozessschritte sollen anschließend adaptiert, zusammengeführt und für den Test im Technikumsmaßstab bis auf Ebene TRL 5/6 hochskaliert werden. Die prozesstechnischen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten werden durch energetische, ökonomische und ökologische Bewertungen der einzelnen Verfahrensstufen sowie des Gesamtverfahrens flankiert.
Der Klimawandel stellt eines der größten Probleme unserer Gesellschaft der nächsten Jahrzehnte dar. Verlässliche Klimaprognosen sind in diesem Zusammenhang von enormer politischer und sozioökonomischer Relevanz. Genaue Vorhersagen sind jedoch derzeit durch ein noch begrenztes Verständnis wichtiger atmosphärischer Parameter, wie zum Beispiel der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre, der Aerosolbelastung, den Zirruswolken und Zirkulationsrückkopplungen in der oberen Troposphäre/unteren Stratosphäre (OTUS) nur sehr eingeschränkt möglich. Insbesondere unser Wissen über die wichtigsten klimarelevanten atmosphärischen Bestandteile wie z.B. der Wasserdampf, Eis- und Aerosolpartikel ist unvollständig.Kürzlich wurden in der OTUS starke Partikelneubildungsereignisse beobachtet, in einer Region, in der Eisbildung und tiefe Konvektion vorherrschen. Es scheint, dass die Region überhalb troposphärischen Wolken ein günstiger Ort für die Bildung neuer Teilchen ist. Der zugrunde liegende Bildungsmechanismus ist jedoch nur sehr qualitativ verstanden. Diese Partikelneubildungsereignisse sind möglicherweise mit der Bildung von kondensierbaren Dämpfen in großer Höhe verbunden und nicht nur mit dem Aufsteigen verschmutzter Luftmassen, die diese enthalten. Partikelneubildung erfordert somit eine Quelle von atmosphärischen Oxidationsmitteln, die die Flüchtigkeit von Vorläufergasen reduzieren, um Partikel im unteren Nanometerbereich durch Gas-zu-Partikel-Umwandlung zu bilden. Diese Oxidationsmittelquelle muss stark genug sein, um mit den durch die bereits vorhandenen Partikel induzierten Kondensationssenken zu konkurrieren.Wir vermuten, dass die Bildung von Eispartikeln durch das Gefrieren von unterkühltem flüssigem Wasser, gefolgt von Wasserkondensation, Quellen von H2O2 oder HOx-Radikalen in der OTUS sind, die zur Partikelneubildung führen Es ist bekannt, dass das Gefrieren wässriger Lösungen elektrische Felder erzeugt (sogenannter Workman-Reynolds-Effekt). In ähnlicher Weise wurde kürzlich gezeigt, dass die bevorzugte Orientierung der Wassermoleküle an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser ein elektrisches Grenzflächenpotential induziert. Solche lokalisierten elektrischen Felder können elektrochemische Prozesse in oder auf den Eispartikeln induzieren, die H2O2 oder HOx produzieren und erheblich zur Oxidationskapazität der Atmosphäre beitragen, wodurch die Bildung neuer Partikel und Wolken und schließlich der Strahlungshaushalt und das Klima der Erde beeinflusst werden. Diese Hypothese wird durch einige sehr aktuelle aktuelle Messungen gestützt.Dieses Projekt hat zum Ziel, diese Oxidationsprozesse zu charakterisieren und quantifizieren.
Das Gesamtziel von NaPeMon ist die Entwicklung eines elektrochemischen Verfahrens zur Umwandlung von Monoterpenen des Rohterpentins aus industriellen Reststoffströmen in werthaltige Plattformchemikalien (Carbonylverbindungen) und deren anschließende Umsetzung zu Alkoholverbindungen. Spezifische Ziele dieses Verbundvorhabens sind: a) die Nutzung heimischer, regenerativer Ausgangsstoffe (Rohterpentin aus der Zellstoffindustrie) mit industrierelevanter Verfügbarkeit, b) die elektrochemisch mediierte Periodatspaltung von Monoterpenen in Dicarbonylverbindungen, c) die elektrochemische Reduktion von Carbonylverbindungen, d) die Kopplung der elektrochemischen Periodatregeneration als anodische Halbzellreaktion mit der reduktiven Alkoholsynthese in der kathodischen Halbzelle in einem integrierten Elektrolysesystem ('200% Zelle'), e) die Skalierung des gekoppelten elektrochemischen Prozesses, f) die Vermeidung von Abfällen durch prozessintegrierte Regeneration der Oxidationsäquivalente (elektrochemische Regeneration von Periodat), g) die Bereitstellung attraktiver Plattformchemikalien (Monoterpen-basierte Dicarbonylverbindungen und entsprechende Dialkohole) für die chemische Industrie. Ziel des Teilvorhabens von Fraunhofer IGB ist die Entwicklung eines reduktiven elektrochemischen Prozesses zur Umsetzung von Monoterpen-basierten Dicarbonylverbindungen in Dialkohole, die als Plattformchemikalien für die Herstellung von Polymeren und Harzen genutzt werden können. Dieser reduktive Prozess soll so flexibel gestaltet werden, dass er mit der oxidativen Spaltung von Periodat in einem elektrochemischen Gesamtprozess gekoppelt werden kann. Die Elektrodenmaterialien und elektrochemischen Prozessparameter werden identifiziert, bewertet und optimiert, unter anderem im Hinblick auf die Robustheit für den Langzeitbetrieb mit komplexen Eduktgemischen.
Natürliches organisches Material (NOM) ist die Triebfeder für viele biogeochemische Prozesse in Böden und Grundwässern. Diese herausragende Rolle resultiert nicht nur aus dessen Eigenschaft als Elektronendonor sondern insbesondere auch durch die Fähigkeit Elektronen aufzunehmen und zu speichern (Redoxpuffer) sowie Redoxprozesse zwischen anderen redoxsensitiven Spezies zu vermitteln und zu beschleunigen (Mediator). Obwohl NOM in Böden und Grundwässern zu einem erheblichen Teil in sorbierter Form vorliegt, wurde der Einfluss von Redoxzustand und Redoxeigenschaften auf die Sorption von NOM bisher nicht detailliert untersucht und umgekehrt auch nicht der Einfluss von Sorption auf dessen Redoxzustand. Wir postulieren, dass die Redoxeigenschaften von adsorbiertem NOM sich signifikannt unterscheiden von gelöstem NOM aufgrund von Fraktionierungsvorgängen und Konformationsänderungen. Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten zielen darauf ab, diese Prozesse im Detail zu untersuchen um somit eine Grundlage zu schaffen für ein mechanistisches Verständnis wie Sorptionsprozesse die biogeochemischen Funktionen in natürlichen wässrigen Systemen steuern. Da Sorption die mobilen und immobilen Fraktionen von NOM in diesen Systemen bestimmt, sind die Resultate auch relevant für die Beurteilung der Rolle von NOM für Transport und Transformation von Schadstoffen und mikrobiellen Atmungsprozessen. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts möchten wir konkret folgende Kernfragen bearbeiten:- Wie verändert Sorption an natürliche Oberflächen per se (d.h. ohne Elektronentransfer mit dem Sorbens) die Redoxeigenschaften von NOM (Elektronenakzeptor/-donor Kapazität, EH-Werte und -Verteilung, Elektronenmediator-Eigenschaften) - Wie beeinflusst der Redoxzustand von NOM dessen Sorptionsverhalten? - Wie beeinflusst Elektronentransfer zwischen Sorbens und NOM dessen Redoxeigenschaften? - Welchen Einfluss haben Materialeigenschaften von NOM (Herkunft, Aromatizität, Säure/Base Eigenschaften etc.) auf Sorptions- und Redoxprozesse? Hierzu werden wir im Labor mit Hilfe von Batchversuchen unter umweltrelevanten Bedingungen systematisch den Einfluss von Sorptionsprozessen an unterschiedliche natürliche Oberflächen auf die Redoxeigenschaften verschiedenartiger NOM-Proben und Chinon-Modellverbindungen untersuchen und dabei neuartige und sensitive elektrochemische Methoden anwenden. Da NOM-Überzüge auf Mineralien praktisch in allen natürlichen Systemen vorhanden sind erwarten wir uns von den Forschungsergebnissen einen wesentlichen Erkenntnisgewinn im Hinblick auf ein quantitatives Verständnis von Redoxprozessen in natürlichen heterogenen Systemen. Die Resultate sollen somit die Grundlage bilden für eine Weiterentwicklung quantitativer Modelle zur Beschreibung biogeochemischer Prozesse an der Mineral-Wasser Grenzfläche unter natürlichen Bedingungen.