Stick­oxi­de (NOx) in der Indus­trie

Umwelt- und Kli­ma­schutz ist immer mehr Men­schen wich­tig. In den zurück­lie­gen­den Jah­ren galt die Auf­merk­sam­keit dabei vor allem dem als „Kli­ma­kil­ler“ in Ver­ruf gera­te­nen Koh­len­di­oxid sowie dem Fein­staub. Aktu­ell sind die Stick­oxi­de welt­weit Mit­tel­punkt der öffent­li­chen Debat­te.

Defi­ni­ti­on Stick­oxi­de

Stick­oxi­de, auch Stick­stoff­oxi­de reprä­sen­tie­ren eine Grup­pe von che­mi­schen Ver­bin­dun­gen, die aus Stick­stoff und Sauer­stoff bestehen. Dabei geht es in ers­ter Linie um Stick­stoff­mon­oxid (NO) und Stick­stoff­di­oxid (NO2); die bei­den Sub­stan­zen wer­den auch als NOx bezeich­net. Stick­stoff­mon­oxid (NO) ist eine farb­lo­se, bio­ak­ti­ve Sub­stanz, die im Kör­per unter ande­rem als Boten­stoff genutzt wird. Es hat erwei­tern­de Wir­kung auf Blut­ge­fä­ße und wird daher in Kar­dio­lo­gie und Herz­chir­ur­gie sowie zur Behand­lung von Lun­gen­hoch­druck bei Neu­ge­bo­re­nen ein­ge­setzt. NO kann in der Atmo­sphä­re leicht zu NO2 oxi­diert wer­den. Stick­stoff­di­oxid (NO2) ist ein rot­brau­nes, stark gif­ti­ges, ste­chend rie­chen­des Gas, das bei Tem­pe­ra­tu­ren über 200 °C wie­der­um in Stick­stoff­mon­oxid und Sauer­stoff zer­fällt. Es bil­det mit Was­ser Säu­re und führt zu der Ent­ste­hung von sau­ren Regen; bei­de Stick­oxi­de tra­gen außer­dem mit zur Ent­ste­hung von Som­mer­smog mit bei. Die Gesund­heit von Mensch und Tier wird durch die Sub­stan­zen gefähr­det. Denn Stick­oxi­de – ins­be­son­de­re Stick­stoff­di­oxid – rei­zen und schä­di­gen die Schleim­häu­te der Atem­we­ge sowie der Augen und beein­träch­ti­gen die Lun­gen­funk­ti­on. Das Ein­at­men die­ser nitro­sen Gase in hohen Kon­zen­tra­tio­nen ist höchst gefähr­lich; es kann unter ande­rem eine Atem­not und ein Lun­gen­ödem ver­ur­sa­chen.

Ent­ste­hung der Stick­oxi­de

NOx wer­den haupt­sätz­lich durch die Oxi­da­ti­on von Stick­stoff wäh­rend ver­schie­de­nen Ver­bren­nungs­pro­zes­sen gebil­det. Man unter­schei­det zwi­schen drei Bil­dungs­me­cha­nis­men.

Das soge­nann­te ther­mi­sche NOx ent­steht bei rela­tiv hohen Tem­pe­ra­tu­ren (über 1300 °C) aus dem Stick­stoff und dem Sauer­stoff der Ver­bren­nungs­luft. Brenn­stoff-NOx (eng­lisch: fuel-NOx) bil­det sich aus im Brenn­stoff che­misch gebun­de­nem Stick­stoff schon ab Tem­pe­ra­tu­ren von 800°C. Die­se kom­ple­xen che­mi­schen Pro­zes­se kön­nen durch die Reak­ti­ons­be­din­gun­gen stark beein­flusst wer­den. Dabei ist es unter ande­rem auch mög­lich, dass Stick­stoff unter der Ein­wir­kung von Brenn­stoff­ra­di­ka­len (CHx) in der Flam­men­front zu Stick­oxid, dem soge­nann­ten promp­ten NOx, umge­setzt wird. Bei nor­ma­len Ver­bren­nungs­pro­zes­sen besteht das NOx zu 95% aus NO, NO2 bil­det sich haupt­sätz­lich im Anschluss der Ver­bren­nung mit dem Sauer­stoff der Atmo­sphä­re. Bei ungüns­ti­ger Pro­zess­füh­rung aber kann auch Distick­stoff­mon­oxid (N2O) ent­ste­hen, bes­ser bekannt als Lach­gas. Die­se Sub­stanz wird z.B. in der Medi­zin als Nar­ko­se­mit­tel sowie in der Lebens­mit­tel­in­dus­trie als Treib­gas ver­wen­det. Lach­gas gilt vor allem als ein Treib­haus­gas, deren Aus­wir­kung 298-mal so hoch wie CO2 ist.

Mecha­nis­men der NOx Bil­dung in Kor­re­la­ti­on mit betrof­fe­nen Aba­te­ments & Pro­zes­sen in Halb­lei­ter­indus­trie

Stick­oxi­de im Fokus der Umwelt­po­li­tik

Aus die­sem Grun­de gel­ten für NOx schon heu­te stren­ge Grenz­wer­te in vie­len Län­dern der Erde. Welt­weit bemü­hen sich Regie­run­gen und Behör­den, die Frei­set­zung die­ser Luft­schad­stof­fe wei­ter ein­zu­schrän­ken. Als eine der Haupt­quel­len für Stick­oxi­de in der Atmo­sphä­re gel­ten Abga­se, die bei der Ver­bren­nung fos­si­ler Brenn­stof­fe, wie Koh­le oder Öl, ent­ste­hen. Ein nicht unwe­sent­li­cher Anteil die­ser Luft­ver­schmut­zung wird durch den Ver­kehr ver­ur­sacht (ca. 40 % der gesam­ten Emis­sio­nen). Die orts­fes­ten Ver­schmut­zungs­quel­len, deren Emis­si­ons­an­teil ca. 30 % aus­macht sind vor allem Kraft­wer­ke, Abfall­ver­bren­nungs­an­la­gen, Glas- und Zement­her­stel­lung und Erd­öl­raf­fi­ne­rie. Und nicht nur bei Ver­bren­nungs­pro­zes­sen, son­dern auch beim Arbei­ten mit Sal­pe­ter­säu­re kön­nen Stick­oxi­de frei­ge­setzt wer­den. Zusätz­lich nimmt die Rele­vanz von der Land­wirt­schaft als NOx-Emis­si­ons­quel­le zu (ca. 10%).

Reak­tio­nen aus der Indus­trie

Gene­rell nimmt die NOx-belas­tung seit Jah­ren ab; so war in Deutsch­land nach Anga­ben des Umwelt­bun­des­am­tes von 1990 bis 2016 ein Rück­gang der NOx-Emis­sio­nen um 58% von 2,892 auf 1,217 Mil­lio­nen Ton­nen zu ver­zeich­nen. Den­noch wird der­zeit über eine wei­te­re Ver­schär­fung der Grenz­wer­te dis­ku­tiert, um den Aus­stoß von Stick­oxi­den wei­ter zu ver­rin­gern. Bei­spiel­haft wer­den die von EU in BREF (Bes­te-Ver­füg­ba­re-Tech­nik) Refe­renz­do­ku­men­ten ver­öf­fent­lich­ten Anfor­de­run­gen an NOx-Emis­sio­nen für mit Erd­gas befeu­er­te Groß­feue­rungs­an­la­gen stren­ger und sol­len bis 2021 unter 30 mg/Nm3 (Tages­mit­tel­wert bei 3% O2) lie­gen. Der aktu­el­le Grenz­wert (13. BIm­SchV) beträgt 100 mg/Nm3. Die Indus­trie beob­ach­tet sol­che Debat­ten auf­merk­sam, und stellt sich dar­auf ein – denn nied­ri­ge­re Grenz­wer­te wer­den in Zukunft nicht nur bei­spiels­wei­se die Kraft­werks­tech­nik, son­dern auch High­tech-Bran­chen wie die Halb­lei­ter­indus­trie tan­gie­ren. Denn selbst in „sau­be­ren“ Indus­trie­zwei­gen wer­den Stick­oxi­de frei­ge­setzt.

Nm3 … Norm­ku­bik­me­ter, eine Volu­men­ein­heit für Gase mit Bezug auf defi­nier­te Umge­bungs­be­din­gun­gen.

Stick­oxi­de aus Rein­räu­men

Umwelt und Gesund­heit zu schüt­zen, ist von Anbe­ginn ein Anlie­gen der High­tech-Indus­trien gewe­sen. Jedes Unter­neh­men ach­tet kon­ti­nu­ier­lich dar­auf, sei­ne Pro­zes­se wei­ter zu ver­bes­sern, sobald dies mög­lich und not­wen­dig wird. So hat die Bran­che in jüngs­ter Ver­gan­gen­heit, unter­stützt durch moder­ne Ent­sor­gungs­tech­nik, bei­spiels­wei­se die Frei­set­zung von kli­ma­schäd­li­chen Sub­stan­zen been­det. Heu­te arbei­ten die Umwelt­spe­zia­lis­ten der DAS EE GmbH an Lösun­gen, die es gestat­ten, in Zukunft auch die Stick­oxi­de aus den Abga­sen der Fabri­ken zu min­dern. Stick­stoff wird all­ge­mein als Schutz­gas ein­ge­setzt, weil er unter nor­ma­len Bedin­gun­gen außer­or­dent­lich reak­ti­ons­trä­ge ist – doch bei hohen Tem­pe­ra­tu­ren kann dar­aus ther­mi­sches NOx ent­ste­hen. Wie in der Abbil­dung 1 dar­ge­stellt, betrifft das vor allem sol­che Point-of-Use Ver­bren­nungs­an­la­gen, wel­che für die Besei­ti­gung von per­flu­o­rier­ten Koh­len­was­ser­stof­fen nach Ätz­pro­zes­sen ein­ge­setzt wer­den. Die im Reak­tor für die Zer­set­zung von PFCs erfor­der­li­chen Tem­pe­ra­tu­ren begüns­ti­gen als Neben­ef­fekt die NOx-Ent­ste­hung. In der Halb­lei­ter­indus­trie wer­den Stick­stoff­ver­bin­dun­gen zudem bei­spiels­wei­se für das Abschei­den von Nitridschich­ten benö­tigt. Für die Bil­dung von Oxi­ni­tridschich­ten in CVD-Pro­zes­sen wird nor­ma­ler­wei­se Lach­gas ver­wen­det. Nicht nur in der Mikro­elek­tronik­fer­ti­gung, son­dern auch bei der Pro­duk­ti­on von Dünn­schicht-Bild­schir­men und Dünn­schicht-Solar­zel­len wird Stick­stoff­trif­luo­rid (NF3) zum Rei­ni­gen von CVD-Kam­mern ein­ge­setzt, und Ammo­ni­ak (NH3) auch bei der Her­stel­lung von kris­tal­li­nen Sili­zi­um-Solar­zel­len. Die nichtre­agier­ten Res­te von erwähn­ten stick­stoff­hal­ti­gen Ver­bin­dun­gen wer­den in der Regel zusam­men mit ande­ren Pro­zess­ga­sen ther­misch ent­sorgt und gel­ten dem­entspre­chend als Quel­le der Stick­oxid­emis­sio­nen, die nach Brenn­stoff-NOx Mecha­nis­mus ent­ste­hen.

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