Neue Polymermembrantechnologie verbessert die Effizienz der Kohlendioxidabscheidung

Forscher haben eine neue Membrantechnologie entwickelt, die eine effizientere Entfernung von Kohlendioxid (CO2) aus Mischgasen, wie Emissionen von Kraftwerken, ermöglicht.

„Um die Leistungsfähigkeit unserer neuen Membranen zu demonstrieren, haben wir uns Mischungen aus CO2 und Stickstoff angesehen, da CO2/Stickstoffdioxid-Mischungen im Zusammenhang mit der Reduzierung der Treibhausgasemissionen von Kraftwerken besonders relevant sind“, sagt Rich Spontak, Mitautor von ein Papier über die Arbeit. „Und wir haben gezeigt, dass wir die Selektivität von Membranen zur Entfernung von CO2 erheblich verbessern können, während wir gleichzeitig eine relativ hohe CO2-Durchlässigkeit beibehalten.“

„Wir haben uns auch Mischungen aus CO2 und Methan angesehen, was für die Erdgasindustrie wichtig ist“, sagt Spontak, der ein angesehener Professor für chemische und biomolekulare Technik und Professor für Materialwissenschaft und -technik an der North Carolina State University ist. „Darüber hinaus können diese CO2-Filtermembranen in jeder Situation eingesetzt werden, in der CO2 aus Mischgasen entfernt werden muss – sei es eine biomedizinische Anwendung oder das Auswaschen von CO2 aus der Luft in einem U-Boot.“

Membranen sind eine attraktive Technologie zur Entfernung von CO2 aus Mischgasen, da sie nicht viel Platz einnehmen, in einer Vielzahl von Größen hergestellt werden können und leicht ausgetauscht werden können. Die andere Technologie, die häufig zur CO2-Entfernung verwendet wird, ist die chemische Absorption, bei der gemischte Gase durch eine Säule geleitet werden, die ein flüssiges Amin enthält, das CO2 aus dem Gas entfernt. Absorptionstechnologien haben jedoch einen deutlich größeren Fußabdruck, und flüssige Amine neigen dazu, giftig und korrosiv zu sein.

Diese Membranfilter arbeiten, indem sie CO2 schneller durch die Membran passieren lassen als die anderen Bestandteile im Mischgas. Dadurch hat das auf der anderen Seite der Membran austretende Gas einen höheren CO2-Anteil als das in die Membran eintretende Gas. Indem Sie das Gas auffangen, das aus der Membran austritt, fangen Sie mehr CO2 auf als die anderen Gasbestandteile.

Eine seit langem bestehende Herausforderung für solche Membranen war ein Kompromiss zwischen Permeabilität und Selektivität. Je höher die Permeabilität, desto schneller können Sie Gas durch die Membran bewegen. Aber wenn die Permeabilität steigt, sinkt die Selektivität – was bedeutet, dass auch Stickstoff oder andere Bestandteile die Membran schnell passieren – wodurch das Verhältnis von CO2 zu anderen Gasen in der Mischung verringert wird. Mit anderen Worten, wenn die Selektivität nachlässt, binden Sie relativ weniger CO2.

Das Forschungsteam aus den USA und Norwegen ging dieses Problem an, indem es chemisch aktive Polymerketten, die sowohl hydrophil als auch CO2-phil sind, auf der Oberfläche bestehender Membranen wachsen ließ. Dies erhöht die CO2-Selektivität und verursacht eine relativ geringe Verringerung der Permeabilität.

„Kurz gesagt, wir haben bei geringer Änderung der Permeabilität gezeigt, dass wir die Selektivität um das etwa 150-fache steigern können“, sagt Marius Sandru, Mitautor der Veröffentlichung und leitender Forschungswissenschaftler bei SINTEF Industry, einem unabhängigen Forschungsunternehmen Organisation in Norwegen. „Also fangen wir im Vergleich zu den anderen Arten in Gasgemischen viel mehr CO2 ein.“

Eine weitere Herausforderung für CO2-Membranfilter waren die Kosten. Je effektiver bisherige Membrantechnologien waren, desto teurer waren sie tendenziell.

„Weil wir eine kommerziell nutzbare Technologie schaffen wollten, begann unsere Technologie mit Membranen, die bereits weit verbreitet sind“, sagt Spontak. „Wir haben dann die Oberfläche dieser Membranen konstruiert, um die Selektivität zu verbessern. Und obwohl dies die Kosten erhöht, glauben wir, dass die modifizierten Membranen immer noch kostengünstig sein werden.“

„Unsere nächsten Schritte bestehen darin, zu sehen, inwieweit die von uns hier entwickelten Techniken auf andere Polymere angewendet werden könnten, um vergleichbare oder sogar überlegene Ergebnisse zu erzielen, und den Nanofabrikationsprozess hochzuskalieren“, sagt Sandru. „Ehrlich gesagt, obwohl die Ergebnisse hier geradezu aufregend waren, haben wir noch nicht versucht, diesen Modifikationsprozess zu optimieren. Unser Papier berichtet über Proof-of-Concept-Ergebnisse.“

Die Forscher interessieren sich auch für die Erforschung anderer Anwendungen, etwa ob die neue Membrantechnologie in biomedizinischen Beatmungsgeräten oder Filtergeräten im Aquakultursektor eingesetzt werden könnte.

Die Forscher sagen, dass sie bereit sind, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um diese Fragen oder Möglichkeiten zu untersuchen, um zur Eindämmung des globalen Klimawandels und zur Verbesserung der Gerätefunktion beizutragen.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.