Verkapselung von Metallen in Kohlenstoff-Partikeln

Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Herstellung von Biokohle aus pflanzlicher Biomasse. Dabei sollen von den Pflanzen aus dem Boden aufgenommene und daher in den Pflanzenteilen enthaltene Schwermetalle in der Biokohle eingebunden werden. Die Biokohle wird abschließend einer Behandlung unterzogen, wodurch die Reaktivität, also die Neigung der Kohle und der Schwermetalle mit anderen Verbindungen chemisch zu reagieren, herabgesetzt werden soll. Durch diese Verkapselung soll eine vor Umwelteinflüssen sichere Lagerung des Endprodukts in unterirdischen Lagerstätten ermöglicht werden. Dabei werden gleich zwei wichtige Umweltaspekte adressiert. Zunächst dient das Projekt der Aufbereitung von mit Schwermetallen belasteten Böden, die beispielsweise durch die historische Metallgewinnung lokal eine erhöhte Schwermetallbelastung aufweisen. Diese stehen daher nicht für die landwirtschaftliche Nutzung zur Verfügung. Sie können aber durch den Anbau von Pflanzen, die diese Stoffe gemeinsam mit Nährstoffen aufnehmen, nach und nach dekontaminiert werden. Damit es nicht zu weiterer Umweltbelastung kommt, muss bei der Entsorgung der Pflanzen nach der Ernte sichergestellt werden, dass die Schwermetalle nicht erneut in die Umwelt gelangen. Dazu soll die Biomasse in Biokohle umgewandelt werden und diese samt den enthaltenen Schwermetallen auf die unterirdische Einlagerung durch nachfolgende Verkapselung vorbereitet werden. Der zweite wichtige Umweltaspekt liegt in der Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre. Die Endlagerung der aus diesen Pflanzenteilen hergestellten Biokohle führt zu einer negativen CO2 - Bilanz. Das über die Photosynthese von den Pflanzen aufgenommene CO2 wird nicht zum Beispiel durch die Nutzung als Brennstoff wieder freigesetzt, sondern so viel wie möglich des darin enthaltenen Kohlenstoffs soll im Sinne des Carbon Capture and Storage (CCS) dem Kreislauf in der Atmosphäre dauerhaft entzogen werden. Somit wird dieses Projekt auch einen positiven Beitrag zum Kampf gegen den Klimawandel leisten.

PROMETHEIA untersuchte, wie Biomasse von kontaminierten Flächen in stabiles Biokohle-Material umgewandelt werden kann, das für die langfristige Speicherung von Kohlenstoff und die Immobilisierung von Schwermetallen geeignet ist. Das Projekt behandelte damit eine wichtige Umweltfrage: Kontaminierte Flächen sind häufig nicht für die Lebensmittelproduktion geeignet, können aber potenziell für den Anbau von Biomasse genutzt werden, die Kohlendioxid aus der Atmosphäre bindet und gleichzeitig zur Sanierung belasteter Flächen beitragen kann. Im Mittelpunkt stand ein dreistufiges thermochemisches Konzept. Zunächst wird kontaminierte Biomasse durch Pyrolyse in Biokohle und teerhaltige Gase umgewandelt. Danach wird die Biokohle teilweise vergast, um eine aktivierte poröse Struktur zu erzeugen, wobei Schwermetallverbindungen möglichst in der festen Phase verbleiben sollen. Im dritten Schritt werden Teerbestandteile auf der Oberfläche der aktivierten Biokohle umgesetzt, sodass eine koksartige Schicht entsteht. Diese Schicht soll die Reaktivität der Biokohle verringern und ihre Umweltstabilität bei einer späteren Lagerung verbessern. Das Projekt kombinierte Literaturauswertung, experimentelle Arbeiten, Reaktorentwicklung, fortgeschrittene Materialcharakterisierung und die Zusammenarbeit zwischen der TU Wien, der Schlesischen Technischen Universität und der Universität Ljubljana. Zunächst wurden Festbettversuche zur Auswahl geeigneter Prozessbedingungen durchgeführt. Anschliessend wurde die BIOTA-Wirbelschichtanlage an der TU Wien in Betrieb genommen und für realitätsnähere Pyrolyse- und Vergasungsversuche verwendet. Untersucht wurden unter anderem der Einfluss der Biomasseart, Temperatur, Vergasungsatmosphäre, Reaktionszeit und Reaktortyp auf Teerbildung, Synthesegaszusammensetzung, Porenentwicklung und Schwermetallrückhalt. Die erhaltenen Biokohlen und aktivierten Biokohlen wurden mit Methoden wie Elementaranalyse, BET-Oberflächen- und Porositätsmessungen, SEM, FTIR, XPS, Raman-Spektroskopie, TGA und ICP-OES charakterisiert. Die Ergebnisse verbessern das Verständnis dafür, wie kontaminierte Biomasse in funktionelle Kohlenstoffmaterialien umgewandelt werden kann und wie Prozessbedingungen den Schwermetallrückhalt, die Kohlenstoffstabilität, die Teerumwandlung sowie Adsorptions- und katalytische Eigenschaften beeinflussen. PROMETHEIA führte zu mehreren wissenschaftlichen Publikationen, eingereichten Manuskripten und Konferenzbeiträgen, die eine zukünftige Umweltbewertung der Prozesskette unterstützen. Insgesamt schuf das Projekt eine solide wissenschaftliche Grundlage für weitere Arbeiten zu negativen Emissionstechnologien, zirkulärem Kohlenstoffmanagement, der Verwertung kontaminierter Biomasse und der sicheren Speicherung von Kohlenstoff und Schwermetallen in passivierter Biokohle.