{"id":154476,"date":"2024-12-03T07:05:00","date_gmt":"2024-12-03T06:05:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=154476"},"modified":"2024-11-28T14:18:48","modified_gmt":"2024-11-28T13:18:48","slug":"durchbruch-bei-der-abscheidung-von-heisem-co2-aus-industrieabgasen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/durchbruch-bei-der-abscheidung-von-heisem-co2-aus-industrieabgasen\/","title":{"rendered":"Durchbruch bei der Abscheidung von “hei\u00dfem” CO2 aus Industrieabgasen"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Industrieanlagen, die z.B. Zement oder Stahl herstellen, sto\u00dfen gro\u00dfe Mengen\u00a0Kohlendioxid<\/a>, ein starkes Treibhausgas, aus, aber die Abgase sind zu hei\u00df f\u00fcr moderne Technologien zur CO2<\/sub>-Abscheidung. F\u00fcr die Abk\u00fchlung der Abgase wird viel Energie und Wasser ben\u00f6tigt, was die Einf\u00fchrung der CO2<\/sub>-Abscheidung in einigen der umweltsch\u00e4dlichsten Industrien behindert hat.<\/strong><\/p>\n\n\n

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\u00a9 2024 UC Regents<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Jetzt haben Chemiker der University of California, Berkeley, herausgefunden, dass ein por\u00f6ses Material wie ein Schwamm wirken kann, um CO2<\/sub> bei Temperaturen abzuscheiden, die denen vieler Industrieabgase nahe kommen. Das Material – eine Art metallorganisches Ger\u00fcst (MOF) – wird in einem Artikel beschrieben, der am 15. November in der Printausgabe der Zeitschrift Science<\/em>ver\u00f6ffentlicht wird.<\/p>\n\n\n\n

Die vorherrschende Methode zur Abscheidung von Kohlenstoff aus Kraftwerks- oder Industrieabgasen verwendet fl\u00fcssige Amine, um CO2<\/sub>\u00a0zu absorbieren, aber die Reaktion funktioniert nur bei Temperaturen zwischen 40\u00b0 und 60\u00b0C (100-140 F) effizient. Zement- und Stahlwerke produzieren Abgase mit einer Temperatur von mehr als 200\u00b0C (400\u00b0F), und manche Industrieabgase erreichen sogar 500\u00b0C (930\u00b0F). Neue Materialien, die derzeit erprobt werden, darunter eine Unterklasse von MOFs mit zugesetzten Aminen, brechen bei Temperaturen \u00fcber 150\u00b0C zusammen oder arbeiten weit weniger effizient.<\/a><\/p>\n\n\n

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In der Mitte links ist einer der kristallinen Bausteine eines thermisch stabilen metallorganischen Ger\u00fcsts (MOF), bekannt als ZnH-MFU-4l, das in der Lage ist, das Treibhausgas Kohlendioxid reversibel und selektiv aus einem Gemisch vieler industriell relevanter Gase abzuscheiden. CO2<\/sub> ist links hervorgehoben, neben Stickstoff-, Sauerstoff-, Wasserstoff-, Kohlenmonoxid- und Wassermolek\u00fclen. Das MOF kann CO2<\/sub> \u00fcber viele Zyklen bei 300\u00b0C abscheiden, einer typischen Temperatur der Abgase von Zement- und Stahlwerken. Die Zinkhydridgruppen im MOF binden reversibel die Kohlendioxidmolek\u00fcle und geben sie wieder frei (rechts). Hellblaue, graue, blaue, rote und wei\u00dfe Kugeln stellen Zn-, C-, N-, O- bzw. H-Atome dar. \u00a9 2024 UC Regents<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

“Es ist eine kostspielige Infrastruktur erforderlich, um diese hei\u00dfen Gasstr\u00f6me auf die entsprechenden Temperaturen zu k\u00fchlen, damit die bestehenden Technologien zur Kohlenstoffabscheidung funktionieren”, so Kurtis Carsch, einer der beiden Erstautoren der Studie und Postdoktorand an der UC Berkeley. “Unsere Entdeckung wird die Art und Weise, wie Wissenschaftler \u00fcber Kohlenstoffabscheidung denken, ver\u00e4ndern. Wir haben herausgefunden, dass ein MOF Kohlendioxid bei noch nie dagewesenen Temperaturen abscheiden kann – Temperaturen, die f\u00fcr viele CO2<\/sub>-emittierende Prozesse relevant sind. Das war etwas, was man bisher f\u00fcr ein por\u00f6ses Material nicht f\u00fcr m\u00f6glich gehalten hat.”<\/p>\n\n\n\n

“Unsere Arbeit bewegt sich weg von der vorherrschenden Untersuchung von Kohlenstoffabscheidungssystemen auf Aminbasis und zeigt einen neuen Mechanismus f\u00fcr die Kohlenstoffabscheidung in einem MOF, der den Betrieb bei hohen Temperaturen erm\u00f6glicht”, sagte die UC Berkeley-Absolventin und Mitautorin Rachel Rohde.<\/p>\n\n\n\n

Wie alle MOFs besteht das Material aus einer por\u00f6sen, kristallinen Anordnung von Metallionen und organischen Verbindungselementen mit einer inneren Fl\u00e4che, die etwa sechs Fu\u00dfballfeldern pro Essl\u00f6ffel entspricht – eine riesige Fl\u00e4che f\u00fcr die Adsorption von Gasen.<\/p>\n\n\n\n

“Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur verf\u00fcgen MOFs \u00fcber eine hohe Dichte an Stellen, an denen CO2<\/sub>unter geeigneten Bedingungen gebunden und wieder abgegeben werden kann”, so Carsch.<\/p>\n\n\n\n

Unter simulierten Bedingungen haben die Forscher gezeigt, dass dieser neue MOF-Typ hei\u00dfes CO2<\/sub> in Konzentrationen abscheiden kann, die den Abgasen von Zement- und Stahlwerken entsprechen, die im Durchschnitt 20 bis 30 % CO2<\/sub> enthalten, sowie weniger konzentrierte Emissionen von Erdgaskraftwerken, die etwa 4 % CO2<\/sub> enthalten.<\/p>\n\n\n\n

Die Entfernung von CO2<\/sub> aus Industrie- und Kraftwerksemissionen, um es anschlie\u00dfend entweder unterirdisch zu lagern oder zur Herstellung von Kraftstoffen oder anderen wertsch\u00f6pfenden Chemikalien zu verwenden, ist eine Schl\u00fcsselstrategie zur Reduzierung der Treibhausgase, die die Erde erw\u00e4rmen und das Klima weltweit ver\u00e4ndern. W\u00e4hrend erneuerbare Energiequellen den Bedarf an CO2<\/sub>-emittierenden, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken bereits verringern, ist es schwieriger, Industrieanlagen, die intensiv auf fossile Brennstoffe zur\u00fcckgreifen, nachhaltig zu gestalten, weshalb die Rauchgasabscheidung von entscheidender Bedeutung ist.<\/p>\n\n\n\n

“Wir m\u00fcssen anfangen, \u00fcber die CO2<\/sub>-Emissionen von Industrien wie der Stahl- und Zementherstellung nachzudenken, die sich nur schwer dekarbonisieren lassen, weil sie wahrscheinlich auch dann noch CO2<\/sub> aussto\u00dfen werden, wenn sich unsere Energieinfrastruktur st\u00e4rker auf erneuerbare Energien verlagert”, so Rohde.<\/p>\n\n\n\n

Wechsel von Aminen zu Metallhydriden<\/h3>\n\n\n\n

Rohde und Carsch forschen im Labor von Jeffrey Long, Professor f\u00fcr Chemie, Chemie- und Biomolekulartechnik sowie f\u00fcr Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley. Long forscht seit mehr als einem Jahrzehnt an CO2<\/sub>-adsorbierenden MOFs. Sein Labor hat 2015 ein vielversprechendes Material entwickelt, das von Longs Start-up-Unternehmen Mosaic Materials weiterentwickelt wurde, das 2022 von dem Energietechnikunternehmen Baker Hughes \u00fcbernommen wurde. Dieses Material enth\u00e4lt Amine, die das CO2<\/sub> abscheiden; Varianten der n\u00e4chsten Generation werden als Alternativen zu w\u00e4ssrigen Aminen f\u00fcr die CO2<\/sub>-Abscheidung in Pilotanlagen und als M\u00f6glichkeit zur direkten Abscheidung von CO2<\/sub> aus der Umgebungsluft getestet.<\/p>\n\n\n\n

Allerdings sind diese MOFs, wie auch andere por\u00f6se Adsorbentien, bei den hohen Temperaturen, die in vielen Rauchgasen herrschen, unwirksam, so Carsch.<\/p>\n\n\n\n

Adsorbentien auf Aminbasis, wie die von Long entwickelten, stehen seit Jahrzehnten im Mittelpunkt der Forschung zur Kohlenstoffabscheidung. Das von Rohde, Carsch, Long und ihren Kollegen untersuchte MOF weist stattdessen Poren auf, die mit Zinkhydridstellen ausgestattet sind, die ebenfalls CO2<\/sub> binden. Diese Stellen erwiesen sich als erstaunlich stabil, so Rohde.<\/p>\n\n\n\n

“Molekulare Metallhydride k\u00f6nnen reaktiv sein und haben eine geringe Stabilit\u00e4t”, so Rohde. “Dieses Material ist sehr stabil und kann 90 % oder mehr des CO2<\/sub> binden, mit dem es in Ber\u00fchrung kommt, was f\u00fcr die Abscheidung an einer Punktquelle wirklich notwendig ist. Die CO2<\/sub>-Kapazit\u00e4t ist vergleichbar mit der von MOFs mit Aminbeschichtung, allerdings bei viel h\u00f6heren Temperaturen.<\/p>\n\n\n\n

Sobald das MOF mit CO2<\/sub> gef\u00fcllt ist, kann das CO2<\/sub> entfernt bzw. desorbiert werden, indem der CO2<\/sub>-Partialdruck gesenkt wird, entweder durch Sp\u00fclen mit einem anderen Gas oder durch Anlegen eines Vakuums. Das MOF kann dann f\u00fcr einen weiteren Adsorptionszyklus wiederverwendet werden.<\/p>\n\n\n\n

“Da die Entropie es beg\u00fcnstigt, dass Molek\u00fcle wieCO2<\/sub> mit steigender Temperatur immer mehr in der Gasphase verbleiben, wurde es allgemein f\u00fcr unm\u00f6glich gehalten, solche Molek\u00fcle mit einem por\u00f6sen Feststoff bei Temperaturen \u00fcber 200 \u00b0C einzufangen”, so Long. “Diese Arbeit zeigt, dass mit der richtigen Funktionalit\u00e4t – in diesem Fall Zinkhydridstellen – eine schnelle, reversible CO2<\/sub>-Abscheidung mit hoher Kapazit\u00e4t bei hohen Temperaturen wie 300 C m\u00f6glich ist.<\/p>\n\n\n\n

Rohde, Long und ihre Kollegen erforschen Varianten dieser Metallhydrid-MOF, um zu sehen, welche anderen Gase sie adsorbieren k\u00f6nnen, und auch Modifikationen, die es diesen Materialien erm\u00f6glichen, noch mehr CO2<\/sub> zu adsorbieren.<\/p>\n\n\n\n

“Wir k\u00f6nnen uns gl\u00fccklich sch\u00e4tzen, dass wir diese Entdeckung gemacht haben, die neue Wege in der Trennungswissenschaft er\u00f6ffnet hat, die sich auf die Entwicklung funktioneller Adsorbentien konzentriert, die bei hohen Temperaturen arbeiten k\u00f6nnen”, sagte Carsch, der eine Fakult\u00e4tsstelle im Fachbereich Chemie an der University of Texas in Austin angenommen hat. “Es gibt eine enorme Anzahl von M\u00f6glichkeiten, wie wir das Metallion und den Linker in MOFs abstimmen k\u00f6nnen, so dass es m\u00f6glich sein k\u00f6nnte, solche Adsorbentien f\u00fcr andere Hochtemperatur-Gastrennverfahren, die f\u00fcr die Industrie und die Nachhaltigkeit relevant sind, rationell zu gestalten.”<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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