Ein Graphen-Filter zur Kohlenstoffabscheidung

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Illustration du filtre en graphène pour le captage du dioxyde de carbone. Crédit

Illustration du filtre en graphène pour le captage du dioxyde de carbone. Crédit : KV Agrawal, EPFL

Chemie-Ingenieure der EPFL haben einen Graphen-Filter zur Kohlenstoffabscheidung entwickelt. Der Wirkungsgrad ist höher als bei kommerziell verfügbaren Abscheidungstechnologien, und die Kosten für die Kohlenstoffabscheidung können gesenkt werden.

Eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung ist das Kohlendioxid, das in großen Mengen in die Atmosphäre freigesetzt wird, vor allem bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe und bei der Herstellung von Stahl und Zement. Als Reaktion darauf haben Wissenschaftler ein Verfahren getestet, mit dem das freigesetzte Kohlendioxid aufgefangen, zu einem Speicherort transportiert und dort deponiert werden kann, wo es nicht in die Atmosphäre gelangt.

Das Problem ist, dass die Abscheidung von Kohlenstoff aus Kraftwerken und Industrieemissionen nicht sehr wirtschaftlich ist. Der Hauptgrund ist, dass das freigesetzte Kohlendioxid nicht in seinem reinen Zustand emittiert wird. Es wird mit Stickstoff und anderen Gasen gemischt. Die Abscheidung aus den Industrieemissionen erfordert zusätzlichen Energieverbrauch und erhöht somit die Rechnung.

Wissenschaftler haben versucht, einen energieeffizienten Filter zur Kohlendioxidabscheidung zu entwickeln. Ähnlich wie eine "Membran" kann diese Technologie Kohlendioxid aus einem Gasgemisch extrahieren, bevor es gespeichert oder in nützliche Chemikalien umgewandelt wird. "Die Leistung aktueller Filter für die Abscheidung von Kohlendioxid ist jedoch durch die grundlegenden Eigenschaften der derzeit verfügbaren Materialien begrenzt", erklärt Professor Kumar Varoon Agrawal von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL (EPFL Valais Wallis).

Heute leitet Kumar Varoon Agrawal ein Team von Chemieingenieuren, um den dünnsten Filter der Welt aus Graphen zu entwickeln, dem berühmten innovativen Material, das 2010 den Nobelpreis für Physik erhielt. Doch der Graphen-Filter ist nicht nur der dünnste der Welt, er kann auch Kohlendioxid aus einem Gasgemisch, wie es in Industrieabgasen vorkommt, mit einer Effizienz und Geschwindigkeit abscheiden, die die der neuesten Filter übertrifft. Die Arbeit ist in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

"Unser Ansatz war einfach", sagt Kumar Varoon Agrawal, "wir haben Löcher in der Größe von Kohlendioxid in Graphen gemacht, die es dem Kohlendioxid erlauben zu zirkulieren, während sie andere Gase wie Stickstoff blockieren, die größer sind als Kohlendioxid." Das Ergebnis ist eine hohe Kohlendioxid-Abscheidungsleistung.

Zum Vergleich: Aktuelle Filter müssen mehr als 1.000 Gaspermeationseinheiten (GPUs) aufweisen, während ihre Kohlenstoffabscheidungsspezifität, die als Kohlendioxid/Stickstoff-Trennfaktor bezeichnet wird, größer als 20 sein muss. Die von den EPFL-Wissenschaftlern entwickelten Membranen haben eine mehr als zehnmal höhere Kohlendioxid-Durchlässigkeit als 11.800 GPUs, ihr Trennfaktor beträgt 22,5.

"Wir schätzen, dass diese Technologie die Kosten für die Kohlendioxidabscheidung auf fast 30 Dollar pro Tonne Kohlendioxid senken wird, im Gegensatz zu kommerziellen Verfahren, die zwei- bis viermal so viel kosten", fügt Kumar Varoon Agrawal hinzu. Sein Team arbeitet nun an der Erweiterung des Prozesses, indem es im Rahmen eines von der Schweizer Regierung und der Schweizer Industrie finanzierten Projekts einen Demonstrator für eine Pilotanlage entwickelt, die 10 kg Kohlendioxid pro Tag abscheiden kann.


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