Eigenwillige „Membran“! Nur Kohlendioxid „durchlassen“?

Autor: Mo Zunli und Lv Wenbo

Kürzlich wurde in der neuesten Ausgabe der internationalen Fachzeitschrift „Nature Energy“ über eine neue Membrantechnologie berichtet, die von einem internationalen wissenschaftlichen Forschungsteam entwickelt wurde. Diese kann Feuchtigkeitsunterschiede effektiv nutzen, um Kohlendioxid aus der Luft zu trennen und so dazu beitragen, die durch übermäßige Kohlendioxid-Emissionen verursachten Umweltprobleme zu lösen. Die Entwicklung der Trennmembrantechnologie bietet eine neue Möglichkeit zur Erfassung und Trennung von Kohlendioxid, die der Menschheit helfen kann, das Ziel der Kohlenstoffneutralität so schnell wie möglich zu erreichen.

Membranen sind Materialien mit selektiven Trennfähigkeiten. Da es sich bei den Trennobjekten um Flüssigkeiten und Gase handelt, kann man zwischen Flüssigkeitstrennmembranen und Gastrennmembranen unterscheiden. Leistungsstarke Membranen zur Kohlendioxid-Gastrennung stehen im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung im heutigen Industriebereich. Gastrennmembranen können zum Trennen von Kohlendioxid aus Gasgemischen verwendet werden. Sie lassen selektiv Kohlendioxid durch und beschränken das Ein- und Austreten anderer Gase auf der Grundlage von Faktoren wie Molekülgröße, Form oder Affinität.

Faktoren wie Membranmaterial, Dicke, Porengröße, Druckunterschied, Permeabilität und Selektivität können die Membranleistung beeinflussen. Gemischte Schadstoffgasquellen, die Kohlendioxid enthalten, umfassen häufig Schwefeloxide und Stickoxide. Daher ist es notwendig, Kohlendioxid selektiv aus dem Mischgas abzutrennen, um seinen Emissionsgehalt zu kontrollieren.

Gastrennmembranen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter organische Polymere, anorganische Materialien und gemischte Matrixmaterialien.

Organische Polymermembranen sind kostengünstig und können im großen Maßstab hergestellt werden. Zur Kohlendioxidabtrennung können verschiedene organische Polymermembranen verwendet werden, wie etwa Celluloseacetat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyacrylat, Polyamid usw. Es ist jedoch zu beachten, dass organische Polymermaterialien eine geringe Säurebeständigkeit und eine geringe Selektivität aufweisen, wenn Kohlendioxid in saure Gase eingemischt wird, daher sollte seine Konzentration nicht zu hoch sein. Es eignet sich zur Entfernung und Anreicherung von Kohlendioxid in geringer Konzentration im Gas, das von Erdgas- und Ölfeldern produziert wird.

Anorganische Membranen bestehen aus porösen anorganischen Materialien wie Zeolith-Molekularsieben, Silica-Keramik usw. Anorganische Membranen haben eine bessere thermische Stabilität und eignen sich zur Trennung von Kohlendioxid aus Hochtemperatur-Rauchgas. Kieselsäurekeramikmembranen verwenden normalerweise Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid usw. als Matrix und werden durch Hochtemperatursintern zu Membranen geformt. Keramische Strukturen weisen starke Oberflächen- und Grenzflächeneffekte sowie eine hervorragende Selektivität auf. Zeolith ist ein Erdalkalimetall-Aluminosilikatmineral mit regelmäßigen Poren und wird zur Herstellung von Zeolith-Molekularsiebmembranen verwendet. Zeolithmembranen bieten die Vorteile einer hohen Selektivität, hohen Permeabilität und thermischen Stabilität und sind bei Anwendungen zur Kohlendioxidtrennung von großem Wert. Wenn die von Professor Gu Xuehongs Team an der Nanjing University of Science and Technology entwickelte DD3R-Zeolith-Molekularsiebmembran ein Gemisch aus Kohlendioxid und Methan trennt, kann die Trennselektivität 1172 erreichen, d. h., pro 1172 Kohlendioxidmolekülen passiert nur ein Methanmolekül die Membranschicht.

Bei Mixed-Matrix-Membranen dienen organische Polymere als Matrix und anorganische Komponenten als Füllstoffe. Anorganische Füllstoffe umfassen üblicherweise Metall-organische Gerüste, kovalente organische Gerüste, Kohlenstoffnanoröhren, Graphenoxid usw., die in Form von Nanopartikeln oder Mikropartikeln in der Matrix dispergiert sind, um synergistisch gemischte Matrixmembranen zu bilden.

Gemischte Matrixmembranen kombinieren die Flexibilität organischer Polymere mit den porösen Eigenschaften anorganischer Komponenten und weisen häufig eine hohe Permeabilität und Selektivität bei der Kohlendioxidtrennung auf. Das Team von Professor Li Xueqin von der Shihezi-Universität in Xinjiang integrierte kovalente organische Gerüste in metallorganische Gerüstmaterialien und stellte erfolgreich einen neuen Typ von Verbundmaterial her, das dann in eine Polyetherblock-Polyamidmatrix eingearbeitet wurde, um eine Mischmatrixmembran zur Kohlendioxidabtrennung herzustellen. Im Vergleich zu reinen Polyetherblock-Polyamidmembranen ist die Trennleistung von Mixed-Matrix-Membranen deutlich verbessert. Die Studie ergab, dass das Verbundmaterial mehr Lewis-Basisstellen und offene Metallstellen freilegen kann, wodurch die Selektivität der Mischmatrixmembran für Kohlendioxid erhöht wird.

Im Vergleich zur herkömmlichen Trenntechnologie ist die Trennmembrantechnologie kostengünstig, leicht skalierbar und weist eine relativ niedrige Schwelle auf. Da es sich jedoch um eine junge Technologie handelt, muss die Entwicklung von Kohlendioxid-Trennmembranen in der Industrie noch vorangetrieben werden. Um die CO2-Neutralität mithilfe der „Membran“-Methode zu fördern, muss die Forschung in die tatsächliche Produktion integriert werden.

(Der Autor Mo Zunli ist Professor und Doktorvater an der Northwest Normal University, und Lv Wenbo ist Masterstudent an der Northwest Normal University.)