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04.07.2016

Mineral/Polymer-Membran für die Abtrennung von CO2 entwickelt


Damit weniger klimaschädliches Kohlendioxid in die Umwelt gelangt, soll das Gas gespeichert oder, besser noch, als Rohstoff wiederverwendet werden. Erster Schritt ist eine effektive Abtrennung des CO2 aus der Abluft von Kraftwerken und Industrieanlagen, z.B. durch Membranverfahren. In China wurde jetzt ein Ansatz für eine neuartige Membran entwickelt, die auf einer Matrix aus Schichtmineralen und Polymeren basiert. Wie die Wissenschaftler berichten, dienen die Hohlräume zwischen den mineralischen Schichten als selektive Transportkanäle für CO2.

Nicht nur bei Abgasen, auch für viele technische Verfahren spielt die Abtrennung von CO2 eine Rolle. Um etwa Erdgas oder Biogas für verschiedene technische Anwendungen nutzbar zu machen, muss CO2 als störende saure Verunreinigung entfernt werden. Bei bestimmten Gleichgewichtsreaktionen, etwa der Herstellung von Synthesegas, kann die Entfernung von CO2 aus der Mischung die gewünschte Reaktion "antreiben".

Membrantrennverfahren sind im Kommen, verbrauchen sie doch weniger Energie und sind einfacher als herkömmliche Trenntechniken. Der Schlüssel zum Erfolg sind geeignete poröse Materialien mit hochselektiver Durchlässigkeit. Tonminerale mit einem Schichtaufbau, wie Montmorillonit, sind interessante Kandidaten für die Abtrennung von CO2: Die Räume zwischen den Lagen bilden geradlinige Kanälchen, in denen sich austauschbare Ionen befinden. Über eine Wahl der Ionen kann die Breite der Kanäle gesteuert werden. Zudem tragen die Kanalwände Hydroxylgruppen, die eine hohe Affinität zu CO2-Molekülen haben. Die Konstruktion selektiver Hochgeschwindigkeitstransportkanäle für CO2 hängt allerdings davon ab, dass das Mineral richtig angeordnet vorliegt.

Dies ist dem Team um Zhi Wang und Michael D. Guiver jetzt gelungen. Den Erfolg brachte eine ausgerichtete Einbettung des aluminium- und magnesiumhaltigen Schichtsilikats Montmorillonit in eine Polymermatrix auf einem Substrat: Auf ein poröses Polymersubstrat pfropften die Forscher von der Tianjin University sowie dem Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering in Tianjin (China) zunächst Polyvinylaminsäure-Ketten auf. Zwischen diese senkrecht vom Substrat abstehenden Polymerketten fügten sie dann Nanopartikel aus Montmorillonit ein, dessen Calciumionen sie zuvor durch Natriumionen ersetzt hatten. Mit einem speziellen Kupplungsreagenz wurden die Mineralschichten mit den Polymerketten fest zu einer gemischten Matrix verbunden. Auf diese Weise verbleiben die Schichten - und damit auch deren Kanälchen - parallel zu den Polymerketten ausgerichtet. So entsteht eine ultradünne Membran mit geraden Kanälen, die als Transportwege dienen können.

Die OH-Gruppen an den Kanalwänden wechselwirken mit dem sauren CO2 und erleichtern dessen Transport. Die Durchlässigkeit der Membran für CO2 ist dadurch deutlich höher als für Stickstoff, Methan und Wasserstoff, sodass es aus Gasgemischen abgetrennt werden kann.

—> Originalpublikation

Quelle: Angewandte Chemie




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