Neue Technologie für Polymermembranen verbessert Effizienz der CO2-Abscheidung

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

“Um die Leistungsfähigkeit unserer neuen Membranen zu demonstrieren, haben wir Gemische aus CO2 und Stickstoff untersucht, da CO2/Stickstoffdioxid-Gemische im Zusammenhang mit der Verringerung der Treibhausgasemissionen von Kraftwerken besonders relevant sind”, sagt Rich Spontak, Mitverfasser eines Papiers 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 auch Mischungen von CO2 und Methan untersucht, was für die Erdgasindustrie von Bedeutung ist”, sagt Spontak, der ein Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering und Professor of Materials Science & Engineering an der North Carolina State University ist. “Darüber hinaus können diese CO2-Filtermembranen überall dort eingesetzt werden, wo CO2 aus gemischten Gasen entfernt werden muss – sei es in der Biomedizin oder bei der Reinigung von CO2 aus der Luft in einem U-Boot.

Membranen sind eine attraktive Technologie zur Entfernung von CO2 aus Gasgemischen, da sie wenig Platz benötigen, in einer Vielzahl von Größen hergestellt werden können und leicht austauschbar sind. Die andere Technologie, die häufig zur CO2-Entfernung eingesetzt wird, ist die chemische Absorption, bei der gemischte Gase durch eine Säule geleitet werden, die ein flüssiges Amin enthält, das das CO2 aus dem Gas entfernt. Absorptionstechnologien haben jedoch einen wesentlich größeren Platzbedarf, und flüssige Amine sind in der Regel giftig und korrosiv.

Diese Membranfilter funktionieren, indem sie CO2 schneller durch die Membran lassen als die anderen Bestandteile des Gasgemischs. Folglich hat das Gas, das auf der anderen Seite der Membran austritt, einen höheren CO2-Anteil als das Gas, das in die Membran eintritt. Indem man das aus der Membran austretende Gas auffängt, fängt man mehr CO2 auf als von den anderen Gasbestandteilen.

Eine langjährige Herausforderung für solche Membranen war der Kompromiss zwischen Durchlässigkeit und Selektivität. Je höher die Permeabilität ist, desto schneller kann das Gas durch die Membran geleitet werden. Mit zunehmender Permeabilität sinkt jedoch die Selektivität, d. h. Stickstoff oder andere Bestandteile passieren die Membran ebenfalls schnell, wodurch sich das Verhältnis von CO2 zu anderen Gasen im Gemisch verringert. Mit anderen Worten: Wenn die Selektivität sinkt, wird relativ weniger CO2 abgeschieden.

Das Forscherteam 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 führt zu einer relativ geringen Verringerung der Durchlässigkeit.

“Kurz gesagt, wir haben gezeigt, dass wir die Selektivität bei geringer Veränderung der Durchlässigkeit um das 150-fache erhöhen können”, sagt Marius Sandru, Mitautor der Studie und leitender Wissenschaftler bei SINTEF Industry, einer unabhängigen Forschungsorganisation in Norwegen. “Wir fangen also viel mehr CO2 ab, im Vergleich zu den anderen Spezies in Gasgemischen.

Eine weitere Herausforderung für CO2-Membranfilter sind die Kosten. Je effektiver frühere Membrantechnologien waren, desto teurer waren sie in der Regel auch.

“Da wir eine Technologie entwickeln wollten, die kommerziell rentabel ist, begann unsere Technologie mit Membranen, die bereits weit verbreitet sind”, sagt Spontak. “Wir haben dann die Oberfläche dieser Membranen bearbeitet, um die Selektivität zu verbessern. Das erhöht zwar die Kosten, aber wir glauben, dass die modifizierten Membranen immer noch kosteneffizient sein werden.”

“Unsere nächsten Schritte bestehen darin, herauszufinden, inwieweit die hier entwickelten Techniken auf andere Polymere angewendet werden können, um vergleichbare oder sogar bessere Ergebnisse zu erzielen, und den Nanofabrikationsprozess zu erweitern”, sagt Sandru. “Ehrlich gesagt haben wir noch nicht versucht, den Modifizierungsprozess zu optimieren, auch wenn die Ergebnisse hier sehr aufregend sind. Unsere Arbeit zeigt Proof-of-Concept-Ergebnisse”.

Die Forscher sind auch daran interessiert, andere Anwendungen zu erforschen, z. B. ob die neue Membrantechnologie in biomedizinischen Beatmungsgeräten oder Filtrationsgeräten in der Aquakultur eingesetzt werden könnte.

Die Forscher sagen, sie seien offen für die Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie, um diese Fragen oder Möglichkeiten zu erforschen, die zur Eindämmung des globalen Klimawandels und zur Verbesserung der Gerätefunktion beitragen.

Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Mitverfasser waren Wade Ingram, ein ehemaliger Doktorand am NC State, Eugenia Sandru und Per Stenstad von SINTEF Industry sowie Jing Deng und Liyuan Deng von der Norwegian University of Science & Technology.

Die Arbeit wurde mit Unterstützung des norwegischen Forschungsrats, der UEFSCDI Rumänien, der National Science Foundation unter der Förderungsnummer ECCS-2025064 und der Kraton Corporation durchgeführt.

Datum: April 1, 2022
Quelle: North Carolina State University


Journal Reference:

  1. Marius Sandru, Eugenia M. Sandru, Wade F. Ingram, Jing Deng, Per M. Stenstad, Liyuan Deng, Richard J. Spontak. An integrated materials approach to ultrapermeable and ultraselective CO 2 polymer membranesScience, 2022; 376 (6588): 90 DOI: 10.1126/science.abj9351

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