Abschnitte
- Der Prozess der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR)
- SCR angewendet auf die Abwasserbehandlung
- Beschreibung des SCR-Prozesses angewendet auf die Abwasserbehandlung
- Fazit
Der Prozess der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR)
Die Emission von Stickoxiden ist sehr gesundheitsschädlich, da sie die Atmungssysteme von Menschen und Tieren beeinträchtigt und aufgrund ihrer sauren Natur potenziell Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachen kann. Darüber hinaus können sie nach der Emission weitere sekundäre Schadstoffe bilden. Die in der Atmosphäre durch diese Verbindungen ausgelösten Reaktionen sind sehr komplex und beinhalten Radikale wie OH und O₃.
Stickoxide (NOx) sind in den Abgasen von Kesseln, Dieselmotoren, Kraftwerken und industriellen Prozessen enthalten, wobei insbesondere folgende Bereiche hervorzuheben sind:
- Energieindustrie: Thermoelektrische und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen.
- Dieselmotoren: Lastkraftwagen, schwere Maschinen und Schiffe.
- Zement- und Metallurgie: Emissionen aus Öfen und Kesseln.
- Chemische und Petrochemische Industrie: NOₓ-Bildung in Raffinerien und Verbrennungsprozessen.
Diese Verbindungen tragen erheblich zur Luftverschmutzung bei und verursachen folgende schädliche Effekte:
- Zerstörung des atmosphärischen O₃
- Beitrag zum Treibhauseffekt
- Bildung von saurem Regen
- Verkehrsbedingte Verschmutzung (Smog)
Selektive Katalytische Reduktion (SCR) ist ein Verfahren zur Umwandlung von Stickoxiden (auch bekannt als NOx) in molekularen Stickstoff (N₂) und Wasser. Dies wird mit Hilfe eines Reduktionsmittels erreicht, üblicherweise Ammoniak (NH₃), (NH₄OH) oder Harnstoff (CO(NH₂)₂), das dem kontaminierten Rauch- oder Abgasstrom zugegeben und mit einem Katalysator umgesetzt wird. Bei Verwendung von Harnstoff entstehen Stickstoff (N₂) und Kohlendioxid (CO₂).
Ein SCR-System besteht im Wesentlichen aus:
- Reduktionsmittel: Ammoniak in Form von NH₄OH oder Harnstoff wird verdampft und mit Luft verdünnt, um direkt über einen Verteiler in den zu behandelnden Gasstrom eingespritzt zu werden.
- Katalytischer Reaktor: Dies ist die Kammer, in der die Reaktion von NOₓ mit dem Katalysator stattfindet. Der Katalysator besteht aus Titansalzen (TiO₂), Wolfram (WO₃) oder Vanadium (V₂O₅). Auch mit Kupfer oder Eisen imprägnierte Zeolithe können verwendet werden.
Funktionsprinzip
Die selektive katalytische Reduktion verwendet ein Reduktionsmittel, meist Ammoniak (NH₃) oder eine Harnstofflösung (NH₂CONH₂), das in Gegenwart eines Katalysators mit Stickoxiden reagiert. Die Hauptchemische Reaktion lautet:
4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O
Folgende Reaktion kann ebenfalls ablaufen:
6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O
Der Prozess ist sehr effizient und erreicht eine Reduktion von bis zu 90 % der in gasförmigen Abwässern vorhandenen NOₓ.
SCR angewendet auf die Abwasserbehandlung
Die selektive katalytische Reduktion (SCR) wird häufig zur Behandlung von Stickoxid-Emissionen eingesetzt und, wenn auch seltener, gibt es auch eine Technologie basierend auf selektiver Katalyse in der Abwasserbehandlung, die zur Zersetzung stickstoffhaltiger und refraktärer organischer Verbindungen verwendet wird.
Im Fall von Abwässern mit hohen NOx-Konzentrationen ist der SCR-Prozess darauf ausgelegt, diese Verbindungen durch Einspritzung von Ammoniak (NH₃) in Gegenwart von überschüssigem Sauerstoff (O₂) und einem geeigneten Katalysator zu reduzieren. Dabei werden NOx in harmlose Verbindungen wie Stickstoff (N₂) und Wasserdampf (H₂O) umgewandelt.
Die Entfernung von NO₃⁻ und NO₂⁻ (Denitrifikation) ist in Industrie- und kommunalen Abwässern mit überschüssigen Nitraten und Nitriten notwendig, da diese Eutrophierung im Einleitungsgewässer verursachen können. Hierfür wird die heterogene katalytische Reduktion eingesetzt, bei der ein Katalysator (meist basierend auf Metallen wie Platin, Palladium oder Kupfer) die Reduktion von Nitraten zu molekularem Stickstoff (N₂) erleichtert und die Bildung von Ammoniak (NH₃) vermeidet, welches ein weiterer zu vermeidender Schadstoff im Einleitungswasser ist.
- Hauptchemische Reaktion: NO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂O
Wasserstoff (H₂) als Reduktionsmittel oder auch Ameisensäure bzw. Essigsäure können ebenfalls verwendet werden.
Vorteile
- Hohe Effizienz bei der Entfernung von Nitraten und Nitriten.
- Erzeugt keine gefährlichen Sekundärabfälle.
- Schneller und stabiler Prozess im Vergleich zu biologischen Behandlungen.
- Kann in Kombination mit anderen Verfahren wie Filtration und Adsorption angewendet werden.
Nachteile
- Erfordert spezifische Katalysatoren, die kostspielig sein können.
- Abhängigkeit von kontrollierten pH- und Temperaturbedingungen.
- Kosten für das Reduktionsmittel (H₂, Säuren oder Peroxide).
- Mögliche Deaktivierung des Katalysators im Laufe der Zeit durch Verschmutzung oder Verunreinigung.
Entfernung persistenter organischer Schadstoffe (POPs) und neuartiger Kontaminanten
Einige Abwässer enthalten Verbindungen, die mit konventionellen biologischen Verfahren schwer abbaubar sind, wie solche aus der Pharmaindustrie, Pestizide, Phenole und Farbstoffe. Die selektive katalytische Oxidation (ähnlich dem SCR-Prozess) verwendet metallische Katalysatoren und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) oder Ozon (O₃) zur Zersetzung dieser Stoffe.
Beschreibung des SCR-Prozesses angewendet auf die Abwasserbehandlung
Ein Abwasserbehandlungsprozess mittels selektiver katalytischer Reduktion besteht aus folgenden Stufen:
Vorbehandlung des Abwassers
Bestehend aus:
- Vorläufige Feststoffabscheidung durch Siebung oder Filtration.
- pH-Anpassung (6,5 – 8,5) mit Lauge oder Säure.
- Temperaturkontrolle (10 – 50 ºC) mittels Wärmetauscher, falls erforderlich.
Einspritzung des Reduktionsmittels
Folgende werden verwendet:
- Wasserstoff (H₂) für metallische Katalysatoren wie Platin oder Palladium.
- Ameisensäure (HCOOH) oder Essigsäure (CH₃COOH), verwendet mit Kupfer- oder Silberkatalysatoren.
- Kohlenhydrate oder Ethanol, verwendet in Prozessen mit Biokatalysatoren.
Katalytischer Reaktor
Im katalytischen Reaktor reagieren Nitrate (NO₃⁻) und Nitrite (NO₂⁻) mit dem Reduktionsmittel in Gegenwart eines Katalysators, dessen Funktion es ist, die Umwandlung der Stickstoffverbindungen in molekularen Stickstoff (N₂) zu beschleunigen, der in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Übliche Katalysatormaterialien:
- Edelmetalle: Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh).
- Übergangsmetalle: Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Silber (Ag).
- Keramische Träger: Titandioxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zeolithe.
Hauptreaktionen:
NO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂O
NO₂⁻ + H₂ → N₂ + H₂O
Produktabscheidung und Endfiltration
Nach der katalytischen Behandlung können kolloidale Produkte oder Niederschläge entstehen, die durch folgende Verfahren entfernt werden können:
- Sand- oder Aktivkohlefilter
- Zentrifugen oder Absetzbecken
Abwasserbehandlung mit NOx und SO₂
Abwässer, die Nitrate (NO₃) und Schwefeldioxid (SO₂) enthalten, können durch selektive katalytische Reduktion behandelt werden. Diese Technologie liefert hervorragende Ergebnisse bei der Reduktion von NO₃- und SO₂-Konzentrationen, zwei häufigen Schadstoffen in Abwässern aus dem Agrarsektor und verschiedenen Industriezweigen.
Die Behandlungsanlage ähnelt der für die NOx-Behandlung beschriebenen, jedoch muss die Anwesenheit von SO₂ berücksichtigt werden, da Verbindungen wie H₂SO₄ und (NH₄)₂SO₄ entstehen können. Diese Verbindungen können aufgrund ihrer hohen Korrosivität problematisch für Anlagen sein und den katalytischen Prozess beeinträchtigen, da sie das Katalysatorbett verstopfen können.
Reduktion von Schwefeldioxid (SO₂) zu Schwefel (S):
Während des SO₂-Reduktionsprozesses wird Schwefeldioxid in elementaren Schwefel oder andere weniger gefährliche Schwefelverbindungen umgewandelt.
- Der typische katalytische Reduktionsprozess wandelt SO₂ in elementaren Schwefel um.
- Der Katalysator erleichtert die Reduktion, und Basismetalle wie Nickel oder Kupfer können verwendet werden.
- Temperatur und Reaktantenkonzentration müssen kontrolliert werden, um die Bildung unerwünschter Verbindungen wie Schwefelsäure (H₂SO₄) zu vermeiden.
Vorteile
- Hohe Effizienz. Es handelt sich um einen effizienten Prozess mit einer Reinigungsleistung von >90 %.
- Selektive und kontrollierte Reaktionen. Es ist möglich, NO₃- und SO₂-Konzentrationen zu reduzieren, ohne andere im Abwasser vorhandene Verbindungen wesentlich zu beeinflussen.
- Rückgewinnung wertvoller Produkte: Der gewonnene Schwefel kann zurückgewonnen und in anderen industriellen Prozessen verwendet werden.
Nachteile
* Betriebskosten: Betriebs- und Wartungskosten können aufgrund des Einsatzes spezifischer Katalysatoren und Reagenzien hoch sein.
* Katalysatorwechsel: Katalysatoren verlieren mit der Zeit ihre Wirksamkeit und müssen möglicherweise regeneriert oder ersetzt werden.
* Prozesskontrolle: Strenge Kontrolle von Temperatur, pH-Wert und Reaktantenkonzentration ist erforderlich, um die erwartete SCR-Effizienz zu erreichen.
Fazit
Die Anwesenheit von NOx in gasförmigen Emissionen und Abwässern muss behandelt werden, um das Gesundheitsrisiko zu eliminieren und gesetzliche Grenzwerte einzuhalten.
Ein großer Teil der NOx-Emissionen in die Atmosphäre stammt aus industriellen Prozessen und der Energieerzeugung.
Selektive Katalytische Reduktion (SCR) ist ein effizientes Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) in Industrieemissionen durch Einsatz eines Katalysators und eines Reduktionsmittels wie Harnstoff oder NH₃. Mit dieser Behandlung werden NOx in Stickstoff und Wasserdampf umgewandelt, wodurch die Umweltbelastung minimiert wird.
Obwohl diese Technologie vor allem für die Behandlung gasförmiger Emissionen bekannt ist, wird sie auch häufig zur Reduktion von NOx und schwer abbaubaren organischen Verbindungen in Abwässern eingesetzt. Dieses System integriert eine Reihe fortschrittlicher Technologien, darunter katalytische Reaktoren, Dosiersysteme, Misch- und Filteranlagen sowie Überwachungssensoren. Eine ordnungsgemäße Integration ermöglicht eine effiziente Entfernung stickstoffhaltiger und organischer Schadstoffe.
Im Fall der Reduktion von Nitrat (NO₃⁻) und Nitrit (NO₂⁻) wandelt SCR Stickstoffverbindungen in molekularen Stickstoff (N₂) um, verhindert deren Anreicherung im Wasser und vermeidet Umweltprobleme wie Eutrophierung.
Bei Anwesenheit von SO₂ ist bei der Prozessgestaltung Vorsicht geboten, um Verstopfungen und Schäden an der Anlage durch mögliche Bildung von H₂SO₄ oder (NH₄)₂SO₄ zu verhindern. Es müssen geeignete Katalysatoren und eine strenge Kontrolle der Betriebsbedingungen gewährleistet sein.
Literatur und Quellen
Selective Catalytic Reduction (SCR) | Condorchem Enviro Solutions
Selective Catalytic Reduction _ AcademiaLab
NOx | Selective Catalytic Reduction (SCR) | NOx Emission Treatment | Condorchem Enviro Solutions