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Selektive CO2-Bindung

Neue Materialien filtern CO2 effektiv aus nassen Industrieabgasen

Aktuell genutzte CO2-Absorptionsmittel sind bei feuchten Abgasen, die häufig bei Kraftwerken und Industrieanlagen auftreten, nicht effektiv. Nun wurden 35 metallorganische Gerüstverbindungen mit einer selektiven CO2-Bindung identifiziert, die auch aus nassen Abgasen CO2 herausfiltern können.

Lausanne (Schweiz). In den letzten Jahren hat die Wissenschaft angesichts der stetig zunehmenden CO2-Konzentration in der Atmosphäre und der nicht geringer werdenden Emissionen vermehrt an Lösungen gearbeitet, um das klimaschädliche Gas aus der Luft herauszufiltern. Entstanden ist dabei unter anderem das SUN-to-Liquid-Projekt, das mithilfe von Solarenergie aus Wasser und CO2 Kerosin erzeugt. Neue Katalysatoren ermöglichen es überdies CO2 als Rohstoff für die Graphen-Produktion und die Methanol-Produktion zu nutzen. Außerdem wurde kürzlich eine Batterie vorgestellt, die bei ihrem Ladevorgang CO2 aus der Luft absorbiert und die als Filtersystem in Industrieanlagen eingesetzt werden könnte.

Die Abscheidung von CO2 aus der Luft und aus Industrieabgasen funktioniert bisher allerdings nur dann effektiv, wenn das CO2 als trockenes Gas auftritt. Sobald die Abgase große Anteile von Wasserdampf enthalten, was bei den meisten Kraftwerken und Industrieanlagen der Fall ist, sinkt die Effektivität herkömmlicher CO2-Absorptionsmittel deutlich. Ausgelöst wird dies dadurch, dass sowohl das Wasser als auch CO2 an den gleichen Bindungsstellen andocken. Eine Trocknung der Abgase vor der Filterung ist zwar technisch möglich und erhöht die Effektivität der bisher eingesetzten CO2-Absorptionsmittel deutlich, wird aber aus wirtschaftlichen Gründen kaum durchgeführt.

Mehr als 300.000 metallorganischen Gerüstverbindungen untersucht

Wissenschaftler der Polytechnischen Hochschule Lausanne und der Oregon State University haben aus diesem Grund nach Materialien gesucht, die es ermöglichen CO2 auch aus feuchten Abgasen herauszufiltern. Laut der im Fachmagazin Nature veröffentlichten Studie untersuchten sie dafür mit einer Computersimulation das Absorptionsverhalten von mehr als 300.000 metallorganischen Gerüstverbindungen (Metal Organic Frameworks, MOF), um eine Struktur zu finden, deren Bindungsstellen nicht zugleich Wasser und CO2 ansprechen.

Selektive CO2-Bindung bei 35 Materialien gefunden

Die Wissenschaftler um Peter Boyd konnten dabei 35 Materialien identifizieren, die eine selektive CO2-Bindung besitzen. Laut den Wissenschaftlern „eignen sich diese MOFs optimal für die Filterung nasser Abgase, weil sie zwei getrennte Bindungsstellen in ihrer Struktur haben – eine für Wasser und eine andere für CO2.“ Wasser und CO2 konkurrieren also nicht wie bei aktuell genutzten CO2-Absorptionsmittel um die gleichen Bindungsstellen.

Um die Ergebnisse der Computersimulation zu verifizieren, überprüfen die Wissenschaftler die Effektivität der metallorganischen Gerüstverbindungen, Al-PyrMOF und Al-PMOF im Labor. Dazu setzten sie die Materialien einer Abgasmischung aus CO2 und Stickstoff mit einem hohen Wasserdampfanteil aus. Die Ergebnisse des Praxistests entsprachen der Simulation und beide MOFs erzielten bei feuchten Abgasen deutlich bessere Ergebnisse als gängige CO2-Absorptionsmittel wie Aktivkohle oder Zeolit 13X.

Laut den Studienautoren „hatte die Feuchtigkeit im Abgas nur einen minimalen Einfluss auf die Einfangkapazität von Al-PMOF, beim Al-PyrMOF nahm die Absorptionsfähigkeit sogar zu.“ Auch das mehrmalige Recycling der Filtermaterialien reduzierte die hohe Effektivität der CO2-Aufnahme nicht. Die Forscher konstatieren daher, dass „die Materialien Chancen für eine effektivere und günstigere Abgasreinigung bieten.“ Außerdem erklären sie, dass das virtuelle Auswahlverfahren auch genutzt werden kann, um Absorber für andere Gase zu finden. Eine Folgestudie soll nun untersuchen, welche der 35 neu identifizierten metallorganischen Verbindungen sich am besten für die industrielle Nutzung eignet.

Nature: 10.1038/s41586-019-1798-7

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