Forscher der North Carolina State University fanden heraus, dass sie Kohlendioxid aus Luft und Gasgemischen mit vielversprechenden Raten filtern können, indem sie einen neuen Filter auf Textilbasis vorschlagen, der Baumwollgewebe und ein Enzym namens Kohlensäureanhydrase kombiniert – eines der Werkzeuge der Natur zur Beschleunigung chemischer Reaktionen.
Die Ergebnisse der ersten Labortests stellen einen Fortschritt bei der Entwicklung einer möglichen neuen Technologie zur Kohlenstoffabscheidung dar, die die Kohlendioxidemissionen von Biomasse-, Kohle- oder Erdgaskraftwerken verringern könnte. Der Filter müsste zwar noch erheblich vergrößert werden, doch die Forscher sind der Ansicht, dass ihr Entwurf diesen Schritt im Vergleich zu anderen vorgeschlagenen Lösungen erleichtern würde.
“Mit dieser Technologie wollen wir die Kohlendioxidemissionen an der Quelle stoppen, und Kraftwerke sind derzeit die Hauptquelle für Kohlendioxidemissionen”, sagte der Hauptautor der Studie, Jialong Shen, Postdoktorand am NC State. “Wir glauben, dass der Hauptvorteil unserer Methode im Vergleich zu ähnlich ausgerichteten Forschungen darin besteht, dass unsere Methode leicht auf herkömmliche Textilproduktionsanlagen übertragen werden kann.”
Im Mittelpunkt des Entwurfs des Forschungsteams für den vorgeschlagenen chemischen Filter auf Textilbasis steht das natürlich vorkommende Enzym Karbonatanhydrase, das eine Reaktion beschleunigen kann, bei der sich Kohlendioxid und Wasser in Bikarbonat verwandeln, eine Verbindung, die in Backpulver enthalten ist. Das Enzym spielt eine wichtige Rolle im menschlichen Körper: Es hilft beim Transport von Kohlendioxid, damit es ausgeatmet werden kann.
“Wir haben uns dieses wunderbare Enzym für unser Verfahren ausgeliehen, um die Aufnahme von Kohlendioxid in einer wässrigen Lösung zu beschleunigen”, sagte Shen.
Zur Herstellung des Filters befestigten die Forscher das Enzym an einem zweilagigen Baumwollstoff, indem sie den Stoff in eine Lösung tauchten, die ein Material namens Chitosan enthielt, das wie ein Klebstoff wirkt. Das Chitosan schließt das Enzym physikalisch ein, so dass es an dem Stoff haften bleibt.
Anschließend führten die Forscher eine Reihe von Experimenten durch, um festzustellen, wie gut ihr Filter Kohlendioxid aus einem Luftgemisch aus Kohlendioxid und Stickstoff abscheiden würde, das die von Kraftwerken emittierten Mengen simuliert. Sie rollten das Gewebe zu einer Spirale auf, so dass es in ein Rohr geschoben werden konnte. Sie drückten das Gas zusammen mit einer Lösung auf Wasserbasis durch das Rohr. Als das Kohlendioxid mit dem Wasser in der Lösung und dem Enzym reagierte, verwandelte es sich in Bikarbonat und tropfte den Filter und das Rohr hinunter. Dann fingen sie die Bikarbonatlösung auf und leiteten sie nach draußen.
Wenn sie Luft mit einer Geschwindigkeit von 4 Litern pro Minute durch den Filter drückten, konnten sie 52,3 % des Kohlendioxids mit einem einfach gestapelten Filter und 81,7 % mit einem doppelt gestapelten Filter herausziehen. Die Ergebnisse sind zwar vielversprechend, doch muss der Filter noch mit den schnelleren Luftdurchsätzen getestet werden, die in kommerziellen Kraftwerken verwendet werden. Zum Vergleich: In einem groß angelegten Betrieb müssten mehr als 10 Millionen Liter Rauchgas pro Minute verarbeitet werden. Die Forscher arbeiten mit Kollegen zusammen, um Tests in größerem Maßstab durchzuführen und ihre Technologie mit anderen vergleichbaren Technologien zu vergleichen, die derzeit untersucht werden.
“Es ist eine Geschichte, die noch im Gange ist, aber wir haben einige wirklich aufregende erste Ergebnisse”, sagte Sonja Salmon, Mitautorin der Studie und außerordentliche Professorin für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der NC State. “Wir haben sehr bedeutende Fortschritte gemacht.”
Neben der Kohlenstoffabsorptionsrate der Filter wurde auch getestet, wie gut der Filter nach fünf Wasch-, Trocknungs- und Lagerungszyklen funktionieren würde. Sie fanden heraus, dass er ein hohes Leistungsniveau beibehalten kann.
“Das Enzym kann über einen sehr langen Zeitraum bei niedrigeren Temperaturen aufbewahrt werden und ist dann sehr langlebig”, so Shen. “Das Gewebe bietet dem Enzym physische Unterstützung und Struktur, während es gleichzeitig eine große Oberfläche für die Reaktion mit dem Kohlendioxid bietet.
Das Einfangen des Kohlendioxids ist nur ein Teil des Prozesses – sie arbeiten auch an dem Problem, wie die Flüssigkeit nach dem Verlassen des Filters recycelt werden kann, sowie an dem Prozess, das Bikarbonat wieder in Kohlendioxid zu verwandeln, damit es gelagert und entsorgt oder für andere kommerzielle Zwecke verwendet werden kann.
“Wir wollen die Wasserlösung, die wir mit dem Filter verwenden, regenerieren, damit wir sie immer wieder verwenden können”, sagte Salmon. “An diesem Teil des Prozesses muss noch gearbeitet werden, um die Regenerationsenergie des Lösungsmittels so gering wie möglich zu halten.”
Die Forscher sagen, dass neue Technologien zur Kohlendioxidabscheidung benötigt werden, die weniger Energie benötigen als die bestehenden kommerziellen Technologien zur Kohlendioxidabscheidung, von denen einige nur dazu dienen, Kohlendioxid zu filtern und wieder in die Atmosphäre abzugeben. Sie hoffen, dass ihr Kohlenstoffabscheidungssystem dazu beitragen könnte, die Kosten zu senken und so die Akzeptanz zu fördern.
“Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Kohlendioxid abzuscheiden”, sagte Shen. “Der derzeitige Standard im kommerziellen Bereich verwendet eine Reaktion, die so schnell und robust ist und das Kohlendioxid so gut bindet, dass man es nicht so einfach wieder herausbekommen kann. Man muss sehr hohe Temperaturen verwenden, was einen hohen Energieverbrauch bedeutet. Das macht den Prozess teurer.”
Die Studie “Carbonic Anhydrase Immobilized on Textile Structured Packing Using Chitosan Entrapment for CO2 Capture” wurde online in ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlicht. Zu den Co-Autoren gehörte Yue Yuan, die in Salmons Team promoviert hat. Die Studie wurde vom NC State und von der Alliance for Sustainable Energy, dem Verwaltungs- und Betreiberunternehmen des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums, im Rahmen eines vom Bioenergy Technologies Office (BETO) finanzierten Projekts als Zusammenarbeit zwischen dem NREL, dem NC State und dem Center for Applied Energy Research der University of Kentucky unter Verwendung von Enzymen von Novozymes unterstützt.
Datum: Juni 6, 2022
Quelle: North Carolina State University
Journal Reference:
- Jialong Shen, Yue Yuan, Sonja Salmon. Carbonic Anhydrase Immobilized on Textile Structured Packing Using Chitosan Entrapment for CO2 Capture. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2022; DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c02545