Experimentelle Untersuchungen und Modellierung der S(IV)-Spezies bei der Absorption von SO2 in meerwasserähnlichen Elektrolytlösungen
Ziel dieser Arbeit war es, die Absorptionskapazität von Meerwassersole als Waschmittel in der Rauchgasentschwefelung zu untersuchen. Dazu wurden Versuche in unterschiedlichen Elektrolytlösungen durchgeführt, um Parameter des Pitzer-Modells zu bestimmen. Mit dem angepassten thermodynamischen Modell kann die Absorptionsfähigkeit verschiedener Elektrolytlösungen, im speziellen Meerwasser und Meerwassersole, vorhergesagt werden. Anhand der Gleichgewichtsdaten aus Absorptionsmessungen in binären Salzsystemen bei 25 °C wurde der Einfluss der verschiedenen Salze auf die Absorptionskapazität herausgearbeitet. Anschließend an die Versuche in den binären Systemen wurden ausgewählte Wechselwirkungsparameter des Pitzer-Modells angepasst, um die thermodynamische Beschreibung der Absorptionskapazität zu verbessern. Die in den binären Systemen angepassten Parameter wurden zu einem Modell zusammengefasst, mit dem die SO2-Absorptionsversuche in den komplexen Systemen Meerwasser und Meerwassersole bei 25 °C beschrieben wurden. Dabei wurde deutlich, dass die binären Parameter alleine die komplexen Systeme nicht beschreiben konnten. Es wurden daher ausgewählte ternäre Wechselwirkungsparameter angepasst, um eine thermodynamische Beschreibung des Absorptionsgleichgewichts in allen untersuchen Elektrolytlösungen zu erzielen. Da sich in industriellen Absorptionsprozessen zumeist Kühlgrenztemperaturen von 40 - 60 °C einstellen, wurde die Güte des thermodynamischen Modells auch in diesem Temperaturbereich untersucht. Dazu wurden sowohl die binären als auch die komplexen Systeme bei 50 °C vermessen und mit dem angepassten Modell beschrieben.
Des Weiteren konnte in dieser Arbeit mittels UV-spektroskopischen Untersuchungen ein Einblick in die Speziesverteilung der Schwefel-(IV)-Spezies in der Flüssigphase gewonnen werden. Weitere Untersuchungen der aufgenommenen Extinktionsspektren ermöglichten eine Ermittlung der Extinktionskoeffizienten aller gelösten Schwefel-(IV)-Spezies in der Flüssigphase. Abschließend wurden Auswertemethoden entwickelt, mit denen die Spezieskonzentrationen in der Flüssigphase UV-spektroskopisch bestimmt werden können, ohne dabei auf eine thermodynamische Berechnung zurückgreifen zu müssen. Mit diesen Verfahren können beispielsweise Oxidations- oder Absorptionskinetiken deutlich genauer untersucht werden.
In this work the absorption capacity of seawater brine is systematically investigated and discussed for the use in flue gas purification processes. Therefore, experiments were performed in various electrolyte solutions to optimize parameters of the pitzer model. With the adjusted thermodynamic model the absorption capacity of different electrolyte solutions, in particular seawater and brined, can be predicted. Based on equilibrium data of absorption experiments in binary salt systems at 298 K, the influence of different salts on the absorption capacity had been determined. Following to the experiments in binary-systems, selected parameters of the pitzer model were adjusted to improve the thermodynamic description of the absorption capacity. These parameters were combined into a model to describe the absorption experiments in the complex seawater and brine systems at 25 °C. It became evident that the use of optimized binary parameters only does not provide a sufficiently accurate description of the complex systems. Therefore, selected ternary interaction parameters were adjusted to achieve a more accurate thermodynamic description of the absorption equilibrium in all investigated electrolyte solutions. Industrial absorption processes run at temperatures of 313 – 333 K, so the quality of the thermodynamic model was also tested in this temperature range. The binary and complex systems were measured at 323 K and described with the fitted model.
Furthermore, an insight into the distribution of the sulfur (IV) species in the liquid phase could be obtained in this work by uv spectroscopic measurements. Investigations of the recorded absorbance spectra allowed a determination of the extinction coefficients of all dissolved sulfur (IV) species. Finally, evaluation methods have been developed with which the species concentrations can be determined in the liquid phase by uv spectroscopy without needing to resort to a thermodynamic calculation.
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