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Selbstreinigende Zelle holt CO₂ aus Meerwasser
Saubere Elektroden ohne Waschpause: Ein elektrochemisches Verfahren kann gelöstes CO₂ aus Meerwasser freisetzen und dabei mineralische Ablagerungen auf seinen Elektroden weitgehend selbst wieder entfernen. Im Labor beseitigte der nächste saure Prozessschritt 86 Prozent der zuvor entstandenen Beläge. Gleichzeitig blieb die elektrochemische Energieintensität über vier Zyklen konstant.
Ann Arbor (U.S.A.). Die Ozeane speichern einen großen Teil des vom Menschen freigesetzten Kohlendioxids. Das bremst zwar den Anstieg des CO₂-Gehalts der Atmosphäre, verschiebt aber zugleich die Chemie des Meerwassers und trägt zur Ozeanversauerung bei. Deshalb wird erforscht, ob sich gelöstes CO₂ direkt aus Meerwasser entfernen und anschließend nutzen oder dauerhaft speichern lässt.
Ein zentrales Problem solcher elektrochemischen Verfahren sind mineralische Beläge auf den Elektroden. Wenn der pH-Wert des Wassers stark angehoben wird, können vor allem calcium- und magnesiumhaltige Verbindungen ausfallen und die Oberflächen bedecken. Das behindert den Betrieb und kann zusätzliche Reinigungsstopps nötig machen.
Forscher der University of Michigan (U-M) um Rohini Bala Chandran haben nun eine reversible Durchflusszelle getestet, die diese Ablagerungen im laufenden Prozess wieder abbauen soll. Die veröffentlichte Studie ist ein Laborversuch mit künstlichem Meerwasser und damit noch kein Nachweis für einen dauerhaften Betrieb im offenen Ozean.
Die Zelle besteht aus zwei Flüssigkeitskammern, die durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind. In einer Kammer fließt Meerwasser, in der anderen eine redoxaktive Salzlösung. Wasserstoff und diese Salzlösung dienen als chemische Kreislaufmedien, mit denen das Team den pH-Wert des Meerwassers abwechselnd stark senkt und wieder erhöht.
Während der Ansäuerung sinkt der pH-Wert auf etwa 4. Dadurch wird gelöster anorganischer Kohlenstoff in Richtung CO₂ verschoben. Das angesäuerte Wasser wird anschließend in eine evakuierte Kammer gesprüht, sodass Kohlendioxid ausgast und aufgefangen werden kann. Danach kehrt die Zelle ihre Polarität um und hebt den pH-Wert auf etwa 10,7 an. Dabei wird Wasserstoff zurückgebildet und die redoxaktive Salzlösung regeneriert.
Für einen späteren Einsatz wäre vorgesehen, das behandelte Wasser anschließend wieder mit der Atmosphäre ins Gleichgewicht kommen zu lassen. Es könnte dabei neues CO₂ aufnehmen und sich wieder einem natürlichen pH-Wert um 8,1 annähern. Die Studie untersucht jedoch zunächst nur die Funktionsweise der Zelle unter kontrollierten Laborbedingungen.
Gerade der starke basische Schritt führt zu Ablagerungen. Nach dieser Phase waren in den Versuchen 25 bis 42 Prozent der Elektrodenoberfläche mit magnesium- und calciumhaltigen Niederschlägen bedeckt. Beim anschließenden sauren Schritt sank die bedeckte Fläche auf rund sieben Prozent. Insgesamt entfernte der Prozess damit 86 Prozent der Verschmutzung, ohne eine separate Säurewäsche oder eine Reinigungspause.
Entscheidend ist, dass diese Selbstreinigung nicht nur optisch wirkte. Über vier aufeinanderfolgende Säure- und Basenzyklen blieb die elektrochemische Energieintensität konstant. Damit zeigt der Versuchsaufbau, dass die reversible Prozessführung eine der typischen Folgen von Elektrodenfouling zumindest über mehrere Zyklen begrenzen kann.
Die Forscher haben außerdem den Transport der redoxaktiven Salzteilchen zur Elektrode verbessert. Dafür versahen sie den serpentinenförmigen Strömungskanal mit einem Millimeter dicken Rippen, die in einem Winkel von 30 Grad in den Kanal ragen. Laut Studie verringerte diese Geometrie die Konzentrationsgrenzschicht um bis zu 35 Prozent.