Biogas aus Strom und Abgasen - Archaeen unter - now

Biogas aus Strom und Abgasen Archaeen unter Strom
Strom speichern und dabei CO2 binden
Jugend forscht Arbeit
von
Marvin Grotepaß
- Für den Landeswettbewerb ergänzte Fassung -
Abb. 1: Versuchsaufbau
Jugend forscht Arbeit aus dem Jahr 2015 von Marvin Grotepaß
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Rudolf-Harbig-Weg 11, 40764 Langenfeld E-Mail: [email protected] • Tel.: 021 73 / 968 400
Strom speichern und dabei CO2 binden................................................................................. 1
Einleitung ............................................................................................................................... 3
Das Grundprinzip ................................................................................................................... 4
Umsetzung / Apparatur .......................................................................................................... 5
Funktionsweise................................................................................................................... 5
Ergebnis der vorherigen Jugend forscht Arbeit...................................................................... 6
Diesjährige Jugend forscht Arbeit.......................................................................................... 7
neuer Volumensensor ............................................................................................................. 7
Optimierung der Elektroden und Zusatzstoffe ....................................................................... 8
weitere Messungen ................................................................................................................. 9
Messung mit Graphitkathode ............................................................................................... 10
"Berliner Blau - Agar".......................................................................................................... 12
Sauerstoffkonzentration während der Messung ................................................................... 14
Fazit ...................................................................................................................................... 15
Ausblick ............................................................................................................................... 15
Patent .................................................................................................................................... 16
Danksagung .......................................................................................................................... 17
Quellen ................................................................................................................................. 17
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Einleitung
Die Klimaerwärmung und die Energieversorgung bestimmen unsere Zukunft: Fossile
Ressourcen wie Erdöl und Erdgas werden immer knapper, gleichzeitig emittiert ihre Nutzung
riesige Mengen des klimaschädlichen Gases CO2. Zwar wird der Ausbau erneuerbarer
Energien gefördert, jedoch steht man immer wieder vor dem gleichen Problem:
Wie soll die Energie gespeichert werden, wenn sie aus Windkraft oder Photovoltaikanlagen
stammt und andere Energiequellen nicht einfach abgestellt werden können?
Eine Möglichkeit wäre es, die überschüssige Energie zu fernen Verbrauchern zu
transportieren:
In der Nord- und Ostsee werden Offshore-Windparks errichtet, aber auch im Süden braucht
man Strom.
Aktuell sind hierfür gigantische Stromtrassen geplant, die jedoch keiner in seiner Nähe haben
möchte. Besser wäre es Möglichkeiten zu nutzen, die keine neuen Stromtrassen oder
Ähnliches erfordern. Hier bietet sich das Erdgasnetz an: Das Netz ist weit verzweigt und
bietet einen weiteren großen Vorteil, da sich darin die Energie leicht speichern lässt. Allein
das Erdgasnetz enthält ein Fünftel des jährlichen Bruttostrombedarfs von Deutschland.i
Man braucht also eine Möglichkeit Strom in Erdgas (hauptsächlich Methan) umzuwandeln.
Es gibt bereits Unternehmen, welche den überschüssigen Strom zur Wasserstofferzeugung
verwenden. Aus diesem wird dann unter hohem Druck und hoher Temperatur zusammen mit
reinem CO2 Methan erzeugt (Sabatier-Prozess).ii iii ivIn diesen Anlagen werden
Wirkungsgrade von ca. 60% erreicht. Dies ist auf jeden Fall besser, als den überschüssigen
Strom nicht zu nutzen, wenn er durch regenerative Energien ohnehin zur Verfügung steht.
Eine weitere Idee ist Methan biologisch herzustellen. Mit dieser Idee habe ich mich in meiner
Jugend forscht Arbeit aus dem vorigen Jahr beschäftigt und werde dies mit dieser Arbeit
fortsetzen. Im nachfolgenden soll die Arbeit aus dem vorigen Jahr kurz vorgestellt werden.
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Das Grundprinzip
Methan aus CO2 und H2 kann auf verschiedenen Wegen gebildet werden:
1. Im Biogasreaktor aus Biomasse:
So genannte Methanbildner sind Archaeen, welche in der Lage sind, aus Wasserstoff
und CO2 Methan zu bildenv. Durch einen mikrobiellen, oxidativen Abbauprozess der
Biomasse, wie z.B. eine Oxidation einer Kohlenstoffverbindung, vereinfacht durch C
dargestellt, wird der dazu notwendige Wasserstoff in Form von H+ und e- dargestellt:
C + 2H2O CO2 + 4e- + 4H+
Dieser wird von den Archaeen zusammen mit CO2 zu CH4 umgesetzt
CO2 + 8 H+ + 8 e- CH4 + 2 H2O
2. In der Technik wird Methan nach dem Sabatierprozess direkt aus Wasserstoff und
CO2 hergestellt.
Der dafür notwendige Wasserstoff (H2) wird durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen.
Dieser Wasserstoff muss dann wieder unter hohem Energieeinsatz (hohem Druck und
hoher Temperatur) erneut gespalten werden, um mit dem CO2 Methan zu bilden.
CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
3. In gewisser Weise ist die von mir verfolgte bioelektrochemische Methanerzeugung
eine Kombination der beiden Methanherstellungen: Als Energiequelle dient nicht
Biomasse sondern elektrischer Strom. Somit ergibt sich folgende Reaktionsgleichung
für die Methanbildung:
CO2 + 8 H+ + 8 e- CH4 + 2 H2O
Die Protonen (H+) und Elektronen (e-) werden durch Teilelektrolyse des Wassers
erzeugt:
2H2O 4 H+ + 4 e- + O2
Vorteilhaft ist dabei, dass keine Edelmetallelektroden wie Platin wie bei der
vollständigen Wasserelektrolyse notwendig sind.
Der Umweg über den molekularen H2 wie im Sabatierprozess ist nicht nötig, da die
Archaeen die an der Anode gebildeten H+-Ionen direkt verwenden können und die
zusätzlich notwendigen Elektronen vermutlich durch kooperierende Bakterien von der
Kathode geliefert bekommen oder sich selbst dort ansiedeln. (Siehe auch meine
Jugend forscht Arbeit vom letzten Jahr, wo ich nachweisen konnte, dass die
Methanbildung auch ohne Elektronentransporter wie Methylenblau funktionierte.)
Bei der Teilelektrolyse des Wassers muss beachtet werden, dass die Archaeen strikte
Anaerobier sind und somit den gleichzeitig entstehenden Sauerstoff nicht vertragen.
Um dieses Problem zu umgehen, wird die Anode von der Kathode mittels einer PEMFolie abgetrennt (PEM = Proton Exchange Membrane = Protonen-AustauschMembrane). Diese Folie ist protonendurchlässig, aber fast sauerstoffundurchlässig.
Das für die Methanbildung noch notwendige CO2 wird von außen kontrolliert
zugeführt.
Möglich wäre es, dieses CO2 aus Biogasanlagen oder Kraftwerken zu beziehen. Im
Gas der Biogasanlage ist auch Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S)
enthalten, die die Archaeen für die Bildung von Aminosäuren brauchen, im Erdgasnetz
stören diese Gase. Man könnte mit den Archaeen also auch das Gas von
Biogasanlagen reinigen und verbessern. Dies ist ein gravierender Vorteil dieses
bioelektrochemischen Verfahrens gegenüber dem technischen Sabbatier-Verfahren,
bei dem hochreines CO2 gebraucht wird.
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Umsetzung / Apparatur
Funktionsweise
Abb. 2: Schema der ablaufenden Reaktion
Wie oben beschrieben, werden mittels Elektrolyse
Protonen bereitgestellt. Die PEM-Folie schirmt die
anaerobenvi Archaeen vom O2 ab. Das CO2 wird als
Gas zugeführt. An der Kathode werden Elektronen
über in Symbiose lebende Bakterien zu den
Archaeen transportiert. Von der Anode kommen die
Protonen. Das entstehende Methan wird nun
entnommen.
Wie man sieht, wird an der Anode H2O
verbraucht und von den Archaeen produziert. In
Summe ist jedoch ein Verbrauch
festzustellen.
Abb. 3: Foto der Apparatur
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Ergebnis der vorherigen Jugend forscht Arbeit
Im Rahmen meiner vorherigen Jugend forscht Arbeit konnte ich die Funktion des Reaktors
belegen, sowie mittels Gaschromatographie sicherstellen, dass sich wirklich Methan bildete.
Im folgenden Diagramm ist eine Messung dargestellt, die die Methanproduktion in
Abhängigkeit zur Stromversorgung zeigt.
Abb. 4: Abhängigkeit der
Methanproduktion vom
Strom
Nach dem Anschließen
der Apparatur ist etwas
Methan vorhanden, da
das durchströmende CO2
das früher erzeugte
Methan in den Sensor
transportiert.
Anschließend sinkt die
Konzentration, da die
Archaeen ihren
Stoffwechsel vom
Faulschlamm auf das
CO2 und die H+-Ionen
umstellen. Nach dieser
Umstellung, und mit dem Einschalten des Stromes, steigt die Methankonzentration bis der
Strom ausgeschaltet wird. Danach wird ein Maximum erreicht, das konstant gehalten wird.
Nach dem erneuten Ausschalten des Stromes sinkt die CH4-Konzentration wieder. Mit dem
Einschalten steigt die Konzentration wieder an, usw.
Gaschromatographie
Um sicher zu gehen, dass ich in meinem
Reaktor wirklich Methan produziere,
habe ich dies mittels Gaschromatographie
überprüft.
Zum einen habe ich den links
dargestellten, selbstgebauten
Gaschromatographen genutzt
(Aluminiumoxidsäule mit dem
Methansensor als Sensor für CHAbb. 5: Schema des selbstgebauten Gaschromatographen Verbindungen). Außerdem konnte ich
die Methanbildung mit einem Gaschromatographen des Berufskollegs Hilden testen, sodass
ich sicher bin das mein Gasgemisch, bis auf Methan, keine weiteren CH-Verbindungen
enthält, auf die der Methansensor auch reagieren würde.
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Diesjährige Jugend forscht Arbeit
neuer Volumensensor
Um meine Messungen hinsichtlich des der produzierten Methanmenge genauer auswerten zu
können, habe ich den Volumensensor der Jugend forscht Arbeit aus dem letzten Jahr
optimiert:
Abb. 6: Foto des Sensors
Abb. 7: neuer Volumensensor
Hierbei wird das Gas durch eine kleine Öffnung in ein mit Wasser gefülltes Rohr geleitet. Die
einzelnen aufsteigenden Blasen werden durch eine Lichtschranke erfasst.
Signal bei Blasendurchgang
Abb. 8: Signal einer Gasblase
Nebenstehend sieht man im Diagramm
den Spannungsverlauf an der Fotodiode
beim Blasendurchgang. Man sieht dass es
keine Blase
keine Blase
beim Eintritt und Austritt der Blase ein
Maximum gibt. Daher wurde die
Totalrefexion
Lichtschranke so programmiert das nach
der Erkennung einer Blase etwas gewartet
Verdunkelungszeit =Blasendurchmesser/Geschwindigkeit
wird, bis erneut eine Blase registriert
werden kann. In diesem Jahr wurde die
Wobbeln der Blase am unteren Ende
Software des Zählers weiter optimiert um
150
0
20
40
60
80
100
120 Reflexionen, die entstehen wenn eine
Zeit in ca. s/1000
Blase die Lichtschranke nicht mittig
passiert, besser zu berücksichtigen. Dazu
wurde die Lichtschranke besser abgeschirmt, sowie das Signal mittels abgeschirmter Leitung
und Kondensator entstört um empfindlicher Messen zu können. Dadurch können auch die
leichten Lichtverluste durch Reflexionen, die am Rand der Blase entstehen, erkannt und die
Blasen gezählt werden.
350
transparenter Mittelbereich der Blase
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Optimierung der Elektroden und Zusatzstoffe
Im Rahmen meiner vorherigen Jugend forscht Arbeit konnte ich zeigen, dass Eisen und
dessen Salze eine wichtige Rolle in dem Prozess spielen:
Abb. 9: Messung mit Titanelektroden (eisenfrei) und Eisenzugabe
Eine wichtige Rolle des Eisens ist der Sauerstoffverbrauch bei der Oxidation des Eisens im
Wasser. Die ist auch im obigen Diagramm zu erkennen. Nach Eisenzugabe sinkt der
Sauerstoffgehalt deutlich. Insgesamt ist mit Eisenzusatz eine gute Methanproduktion möglich.
Im diesjährigen Projekt habe ich mich nun mit den Einflüssen weiterer Stoffe befasst.
Zunächst hatte ich jedoch noch ein technisches Problem zu lösen. Wie man oben sieht ist der
Durchfluss nicht sehr konstant und wird auch nur ungefähr gemessen (in 3 mL Schritten).
Dies führt zu Ungenauigkeiten und erschwert die Auswertung. Daher habe ich einen
Volumensensor entwickelt, der präziser messen kann und auch einen geringeren
Betriebsdruck erfordert als der bisherige.
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weitere Messungen
25
1,6
1,4
H2
I
20
1,2
15
1
10
0,8
Konz. CH4
Konz. H2 und I in mA
CH4
0,6
5
0,4
0
0,2
-5
04.01. 12:00
05.01. 00:00
05.01. 12:00
06.01. 00:00
06.01. 12:00
07.01. 00:00
07.01. 12:00
08.01. 00:00
08.01. 12:00
0
09.01. 00:00
Zeit
Abb. 10: Messung mit Nickelkathode
25
1,6
Für die obige
Messung habe ich
1,4
20
eine Nickelektrode
1,2
verwendet, da
15
1
Nickel häufig als
0,8
10
Katalysator für
0,6
Hydrierungen zum
5
Einsatz kommt.
0,4
0
Ich habe daher
0,2
vermutet, dass es
-5
0
07.01. 00:00 07.01. 04:48 07.01. 09:36 07.01. 14:24 07.01. 19:12 08.01. 00:00 08.01. 04:48 08.01. 09:36 08.01. 14:24 08.01. 19:12
für die
Zeit
Methanproduktion
hilfreich sein
kann. Zunächst fällt auf, dass die Kurven (siehe Abb.) teilweise stark schwanken, bzw.
deutliche Peaks zu erkennen sind. Dies liegt daran, dass es während der Messung zu
ungleichmäßigem Durchfluss kam und teilweise spontan Gas
ausgespült wurde.
Des Weiteren sieht man, dass der Wasserstoffanteil sehr hoch ist (bis zu
20%). Es wurden also viele H3O+-Ionen nicht zu Methan verwertet,
sondern an der Kathode zu Wasserstoff reduziert. Weiterhin sieht man,
dass die Methanproduktion anstieg, als die Wasserstoffproduktion
abfiel. Die vorhandene Energie wurde also besser in Methan
umgewandelt. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch der
Abschnitt im orangen Kasten. Dort wurde Methan produziert, aber kein
Wasserstoff. Die Ausbeute war also sehr hoch. Auffällig ist, dass in
Abb. 12:
Methanansammlung
diesem Bereich der Strom stärker schwankt, geändert wurde nichts (es
H2
I
Konz. CH4
Konz. H2 und I in mA
CH4
um Archaeen
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wurde nichts zugegeben oder die Spannung verändert).
Vermutlich wurden die H3O+-Ionen zu einem großen Teil in Methan umgewandelt, sodass für
die Wasserstoffbildung keine H3O+-Ionen mehr zur Verfügung standen. Die schwankende
Stromstärke dürfte mit zeitweise durch u.a. Gas bedeckten Elektroden zusammenhängen. So
konnte ich beim Öffnen der Apparatur sehen, dass sich an der Anode eine dicke
Schlammkruste (teilweise aus Eisenoxid) angelagert hatte, wohingegen die Kathode nicht
oxidiert war (trotzdem Ni2+ in der Lösung nachweisbar (Blaufärbung mit Ammoniak)). Unter
der Annahme, dass die Schlammkruste die Archaeen enthält, wäre ein unregelmäßiger
Stromfluss sinnig:
Die Archaeen produzieren Methan und geben dieses langsam ab. Das Methan setzt sich im
porösen Faulschlamm fest und blockiert so mit der Zeit die Elektrode oder den Protonenfluss
(sowohl zur Kathode als auch zu den Archaeen). Ist genug Methan freigesetzt worden, steigt
es auf und gibt die Elektrode wieder frei. Die Stromstärke steigt sprunghaft an.
Messung mit Graphitkathode
Abb. 13: Messung mit Graphitkathode
Bei dieser Messung habe ich die Kathode durch ein Graphitstück ersetzt. Außerdem kam der
oben beschriebene Volumensensor zum Einsatz. Im obigen Diagramm sieht man in blau das
Volumen das in 5 Minuten durch die Apparatur gelangt ist. In pink ist das Gesamtvolumen
aufgetragen. Im unteren Diagramm (zeitlich "synchron") sind Wasserstoff- und
Methankonzentration sowie Stromstärke aufgetragen.
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Man sieht zunächst, dass am Anfang Methan ausgeströmt ist, das sich noch in der Apparatur
befand. Im weiteren Verlauf sieht man, dass die Methankonzentration immer wieder mal
schwankt. Interessant ist aber auch die Stromkurve. Diese weißt wie in der Messung mit
Nickelkathode immer wieder kleine Sprünge auf, die häufig ähnlich groß sind (ca. 1mA).
Auch bei dieser Messung war zu beobachten, dass sich mit der Zeit eine Schlammkruste auf
der Anode bildet. Wahrscheinlich ergab sich dann das gleiche Phänomen, wie oben
beschrieben. Die Tatsache, dass nach unterbrochenem Stromfluss ein sehr hoher Strom fließt,
die Stromstärke aber sofort exponentiell abfällt, unterstützt die Vermutung, das dass
entstehende Gas den Stromfluss blockiert.
Weiterhin fällt auf, dass die Methankurve teilweise für einige Zeit abfällt und anschließend
wieder ansteigt. Jedoch wurde der Strom wesentlich früher ausgeschaltet. Entweder handelt es
sich also um einen weiteren Effekt oder das ganze System reagiert extrem träge.
Diese Trägheit erschwert es auch die Zugabe diverser Zusätze auszuwerten. So habe ich
Eisenpulver und Eisen(II)-chlorid zugegeben, da dies nach den Ergebnissen der vorherigen
Arbeit die Methanbildung unterstützte.
Bei der Zugabe der Aktivkohle handelt es sich um einen Katalysator zu dessen Verwendung
mich ein Artikel über Eisenoxidkatalysatoren anregte.vii Daher habe ich ein Gemisch aus
Aktivkohle und AmmoniumeisenII-sulfat ( (NH4+)2 Fe2+ (SO42-)2 ) verwendet das ich erhitzt
habe um Berliner Blau (Fe3+4[Fe2+(CN)-6]3) und gelbes Blutlaugensalz zu erhalten und damit
den Archaeen einen "Elektronentransporter" zur Verfügung zu stellen, da gelbes
Blutlaugensalz ein Redoxsystem ist, das leicht Elektronen abgibt. Die Aktivkohle hat dabei
den Vorteil, dass sie eine extrem große Oberfläche besitzt und das mobile, gelbe
Blutlaugensalz, bzw. die Elektronen somit gut zur Verfügung stehen. Außerdem bietet die
große, raue Oberfläche noch Halt für die Archaeen, damit diese sich besser ansiedeln können.
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"Berliner Blau - Agar"
Da das gelbe Kaliumhexacyanoferrat zusammen mit der Aktivkohle nicht funktionierte, habe
ich mich entschlossen einen Elektronentransporter aus Berliner Blau zu testen. Dazu habe ich
den Faulschlamm zusammen mit Berliner Blau, das ich aus Fe2O3, Fe2Cl und gelbem, sowie
rotem Blutlaugensalz hergestellt habe, in Agar eingegossen. Diese Agarplatte habe ich dann
vor der Kathode befestigt.
Abb. 14: schematischer Aufbau der
Apparatur "Berliner Blau - Agar"
Abb. 15: Reaktionen im Redoxsystem Berliner Blau
Die Elektronen von der Eisenkathode reduzieren ein Fe3+ des Berliner Blau - Komplexes.
Über die CN-Bindungen wird das Elektron durch Reduktion und Oxidation der Eisenionen an
die Archaeen weitergegeben. Der Vorteil bei der Verwendung des Berliner Blaus ist das es
sich um ein Redoxsystem handelt, das sehr leicht Elektronen aufnehmen und abgeben kann.
Außerdem ist der Übergang der Elektronen von der Elektrode auf den Berliner Blau Komplex
und dann auf die Archaeen wesentlich besser möglich als ein direkter Elektronenübergang
von der Elektrode auf die Archaeen. Dies liegt daran, dass die Archaeen offenbar kaum an der
Kathode halten (siehe vorherige Messungen).
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7
6
35
30
Methan
Strom
25
4
20
3
15
2
10
1
5
I in mA
Konz. Methan
Spannung
5
0
01.03.2015 16:48
0
01.03.2015 21:36
02.03.2015 02:24
02.03.2015 07:12
02.03.2015 12:00
02.03.2015 16:48
02.03.2015 21:36
Zeit
Abb. 16: Messung mit "Berliner Blau Agar"
Zunächst fällt auf, dass deutlich höhere Methankonzentrationen erzielt wurden als bei den
vorherigen Versuchen. Außerdem sieht man, dass die Methanproduktion stoßweise stattfindet,
bzw. das Methan stoßweise aus der Apparatur in den Sensor gelangt. Weiterhin fällt auf, dass
die Stromstärke deutlich über der, der vorherigen Versuche liegt.
Die erhöhte Stromstärke und die erhöhte Stromstärke könnten ein Indiz dafür sein, dass das
Berliner Blau als Redoxsystem wie oben beschrieben funktioniert und die Elektronen gut
übertragen kann.
Interessant ist aber auch das stoßweise Abgeben von Methan:
Entweder wird das Methan nur stoßweise produziert oder nur stoßweise abgegeben. Gegen
eine stoßweise Produktion spricht, dass sich die Stromstärke nicht entsprechend abrupt
geändert hat oder die Spannung abrupt verändert wurde.
Vermutlich wurde das Methan stoßweise abgeben: Die
Archaeen, die sich im Agar befinden produzieren Methan.
Dieses Methan sammelt sich um die Archaeen und kann erst
durch die Agarstruktur durchdringen, sobald der Druck hoch
genug ist. Außerdem führt diese "Absperrung" der Archaeen
durch das Methan dazu, dass sie immer stärker von Elektronenund Protonenquelle abgeschirmt sind. Steigt das Methan auf,
können die Archaeen wieder "auf Höchstleistung arbeiten".
Abb. 17: Methanblasen im
Agar
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Sauerstoffkonzentration während der Messung
Abb. 18: Sauerstoffkonzentration während der Messung
Im obigen Diagramm sieht man die Sauerstoffkonzentration am Sensor der näher an der
Sauerstoff bildenden Elektrode sitzt, im zweiten Diagramm die Sauerstoffkonzentration des
Sensor der weiter von der Sauerstoff bildenden Elektrode entfernt ist.
Es fällt auf, dass die Sauerstoffkonzentration bei Sensor 1 zunächst ansteigt und dann
konstant verläuft. Dies liegt daran, dass zu Beginn der Messung sauerstoffarmer Faulschlamm
in der Apparatur ist. Zu Beginn der Messung gelangt Sauerstoff von der Anode zu den
Archaeen (Diffusion durch PEM-Folie). Außerdem gelangt Sauerstoff durch Diffusion durch
die Kunststoffwand der Zelle zu dem Faulschlamm. Dadurch beginnen die Mikroorganismen
diesen zum Stoffwechsel zu verwenden und halten insgesamt die Sauerstoffkonzentration
konstant niedrig.
Bei Sensor 2 in der Nähe der Kathode sieht man, dass die Sauerstoffkonzentration so gering
ist, dass die Messgenauigkeit des Sensors an seine Grenzen geht. Die Sauerstoffkonzentration
ist dort praktisch null, man misst nur noch ein Rauschen.
Zum Vergleich: Mit Sauerstoff gesättigtes Wasser enthält bei 20 °C 9,1 mg Sauerstoff pro
Liter.
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Fazit
Durch die Verwendung des in Agar eingegossen Faulschlamms in Kombination mit dem
Berliner Blau scheint das System bereits deutlich schneller auf Änderungen zu reagieren als
früher. Außerdem werden durch dieses Redoxsystem die Elektronen deutlich besser
übertragen und die Methanausbeute ist höher.
Problematisch ist allerdings noch, dass das Methan nur stoßweise abgegeben wird.
Ausblick
Für die weitere Entwicklung des Projektes möchte ich zunächst erreichen, dass das Methan
kontinuierlich abgeben wird. Da die Ursache für die unregelmäßige Methanabgabe offenbar
darin liegt, dass der Agar das Methan nicht ausreichend durchlässt, soll dieser
gasdurchlässiger werden. Zunächst werde ich demnächst mit einer dünneren Agarschicht
arbeiten, sodass zumindest zu den Seiten hin ein besserer Gasaustausch gewährleistet ist.
Weiterhin werde ich testen, ob sich das Problem durch ein Perforieren der Agarschicht mit
einem Nagelbrett lösen lässt. Außerdem ist geplant Siedesteinchen mit in den Agar zugeben,
da diese die Bildung der Gasblasen erleichtern.
Ein weiteres Problem, das ich angehen möchte ich ist der Sauerstoff. Die PEM-Folie schirmt
diesen zwar prinzipiell ab, aber etwas Sauerstoff kann trotzdem durch PEM-Folie und die
Kunststoffwand der Zelle diffundieren. Dies zeigt sich häufig zu Beginn der Messungen in
Form von Verzögerungen bei der Methanproduktion. Um dieses Problem zu lösen, soll die
Apparatur künftig in eine Aluminiumfolie eingewickelt werden, welche den Sauerstoff
praktisch völlig abhält. Um den von der Anode zur Kathode diffundieren Sauerstoff
einzudämmen, soll dieser an der Anode möglichst nicht einfach abgeleitet, sondern verbraucht
werden. Das wäre zum Beispiel mittels Bakterien möglich, welche Sauerstoff für Ihren
Stoffwechsel benötigen und dabei Kohlenwasserstoffe aus dem Faulschlamm umsetzen. Das
entstehende CO2 käme dann sogar noch den Archaeen zugute. Alternativ könnte der
Sauerstoff chemisch verbraucht werden, z.B. mittels Natriumsulfit:
Natriumsulfit: O2 + 2 SO322 SO42alternativ wäre Natriumsulfid möglich: S2- + 2 O2 SO42oder als weitere Alternative das Schwefeldioxid: O2 + 2 SO2 + 2 H2O 4 H+ + 2 SO42Die Problematik bei der chemischen Lösung ist jedoch, dass Natriumsulfit und Natriumsulfid
die an der Anode gebildeten Protonen (→Säure) für die Bildung der leichtflüchtigen Säuren
z.B. H2S und H2SO3 → H2O + SO2 verbrauchen. Bei der Oxidation von Schwefeldioxid zu
Sulfat würden zwar Protonen entstehen, doch könnten diese zusätzlichen Protonen nicht ohne
weiteres für die Methanproduktion genutzt werden, da die "zugehörigen" Elektronen an der
Kathode fehlen und das Medium um die Archaeen immer saurer wird.
Insgesamt bietet sich also eher die biologische Sauerstoffbindung an, z.B. nach folgendem
Aufbau:
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An der Kathode befindet sich eine dünne
Agarschicht, in der die Archaeen
zusammen mit Siedesteinchen (s.o.)
eingebettet sind. Zwischen dieser Schicht
und der PEM-Folie wird eine zweite
Agarschicht eingebracht. In diese sind
Bakterien, welche für Ihren Stoffwechsel
bevorzugt Sauerstoff verwenden,
zusammen mit Faulschlamm (als
Nährmedium eingegossen). Diese
"Schutzschicht" gegen den
eindiffundierenden Sauerstoff wurde
bisher so nicht benötigt, da die
Archaeenschicht dick genug war. Bei einer
sehr dünnen Archaeenschicht (<1cm) wird
Abb. 19: geplanter Aufbau für weitere Messungen
diese Schutzschicht aber benötigt, da sonst
der Sauerstoff zu viele Archaeen erreichen würde. Zunächst soll also die oben abgebildete
Apparatur getestet werden, um genauer zu ermitteln welchen Sauerstoffschutz die Archaeen
benötigen und wie die Archaeen optimal auf der Kathode fixiert werden können.
Patent
Die vorliegende Arbeit oder Teile daraus, sollen eventuell bis zum Landeswettbewerb
patentiert werden. Daher bitte ich darum die Arbeit bis zum Landeswettbewerb am
23.03.2015 nicht zu veröffentlichen oder an Personen weiterzugeben, die nicht der Jury des
Landeswettbewerbes NRW von Jugend forscht angehören.
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Danksagung
Da mir dieses Projekt sehr viel Freude bereitet, bedanke ich mich herzlich bei allen, die dies
unterstützt haben.
Zuerst möchte ich mich vor allem bei meinen Eltern bedanken, die mich zu den vielen
Besorgungen begleiteten und in Allem unterstützten.
Ein besonderer Dank gilt der Firma BlueSens, mit den Herren Dr. Müller und Wiltfang, die
mir den Methansensor, den Wasserstoffsensor und den Durchflusssensor zur Verfügung
stellten, ohne die ein Nachweis von Methan und Wasserstoff für mich sehr schwierig
geworden wäre.
Ebenfalls gilt der Firma Pyroscience ein großer Dank für das Ausleihen von zwei
Sauerstoffsensoren.
Ebenso möchte ich mich bei dem Bergisch Rheinischen Wasserverband für die
unkomplizierte Überlassung von Faulschlamm aus der Kläranlage Langenfeld-Monheim
bedanken.
Auch besonders bedanken möchte ich mich bei Herrn Dr. Schuhmacher für das Sponsoring
der PEM-Folie durch 3M.
Ebenso danke ich Stud. Chem. Arne Hüneke, der mich mit Tipps und Hilfe in der Chemie AG
unterstützte.
Ein großer Dank geht ebenfalls an meinen Betreuer Herrn Dr. Enßlin, der mich bei diesem
Projekt mit viel Engagement und Diskussionsbeiträgen unterstützt hat. Auch bedanken
möchte ich mich bei Frau Dr. Dickenscheid Simon, die zusammen mit Herrn Dr. Enßlin die
wöchentliche Chemie-AG betreut, in der ich an meinem Projekt gearbeitet habe.
Quellen
i
http://www.lokalkompass.de/ennepetal/politik/der-groesste-energiespeicher-in-deutschland-ist-das-erdgasnetzsamt-seinen-gasspeichern-waehrend-das-stromnetz-in-deutschland-mit-allen-pumpspeichern-nur-004terawattstunden-twh-elektrische-energie-aufnehmen-kann-haben-die-erdgasspeicher-eine-kapazitaet-von-220twh-thermischer-energie-in-form-von-gas-in-flexiblen-gaskraftwerken-lassen-sich-daraus-wiederum-etwa-120twh-strom-gewinnen-was-knapp-einem-fuenftel-des-jaehrlichen-bruttostrombedarfs-entsprichtm1077224,209048.html 2015-03-08
ii http://www.bine.info/newsuebersicht/news/strom-speichern-und-dabei-co2-binden/ 2013-01-16
iii http://de.wikipedia.org/wiki/Sabatier-Prozess
14.01.2013 09:35.
iv http://www.solar-fuel.net
14.01.2013 9:36
v http://de.wikipedia.org/wiki/Archaeen
14.01.2013 9:38
vi
http://de.wikipedia.org/wiki/Archaeen
14.01.2013 9:38
vii
http://www.laborpraxis.vogel.de/index.cfm?pid=7534&pk=442528&fk=707554&op=1&type=article#1
14.01.2015 22:04
Jugend forscht Arbeit aus dem Jahr 2015 von Marvin Grotepaß
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