Neuer Filter auf Baumwollgewebebasis von NCSU zeigt vielversprechende Wirkung als CO2-Entferner

Veröffentlichungsdatum: 3. Juni 2022

Forscher der North Carolina State University haben herausgefunden, dass sie mithilfe eines neuen Textilfilters, der Baumwollgewebe und ein Enzym namens Carboanhydrase kombiniert – ein natürliches Mittel zur Beschleunigung chemischer Reaktionen – Kohlendioxid mit vielversprechenden Raten aus Luft- und Gasgemischen filtern können.

Der Ergebnisse aus ersten Labortests stellen einen Fortschritt in der Entwicklung einer möglichen neuen Kohlenstoffabscheidungstechnologie dar, die den Kohlendioxidausstoß von Biomasse-, Kohle- oder Erdgaskraftwerken reduzieren könnte. Und obwohl die Größe des Filters erheblich vergrößert werden müsste, glauben die Forscher, dass ihr Design diesen Schritt im Vergleich zu anderen vorgeschlagenen Lösungen erleichtern würde.

„Mit dieser Technologie wollen wir den Kohlendioxidausstoß an der Quelle stoppen, und Kraftwerke sind derzeit die Hauptquelle des Kohlendioxidausstoßes“, sagte der Hauptautor der Studie. Jialong Shen, Postdoktorand an der NC State. „Wir glauben, dass der Hauptvorteil unserer Methode im Vergleich zu ähnlich ausgerichteter Forschung darin liegt, dass unsere Methode mithilfe herkömmlicher Textilproduktionsanlagen problemlos hochskaliert werden kann.“

Das Herzstück des Entwurfs des Forschungsteams für einen vorgeschlagenen textilbasierten chemischen Filter ist das natürlich vorkommende Enzym Carboanhydrase, das eine Reaktion beschleunigen kann, bei der Kohlendioxid und Wasser in Bicarbonat umgewandelt werden, eine Verbindung in Backpulver. Das Enzym spielt im menschlichen Körper eine wichtige Rolle: Es hilft beim Transport von Kohlendioxid, damit es ausgeatmet werden kann.

„Wir haben dieses wunderbare Enzym in unserem Prozess übernommen, um die Kohlendioxidaufnahme in einer wässrigen Lösung zu beschleunigen“, sagte Shen.

Um den Filter herzustellen, befestigten die Forscher das Enzym an einem zweilagigen Baumwollgewebe, indem sie das Gewebe in eine Lösung tauchten, die ein Material namens Chitosan enthielt, das wie ein Klebstoff wirkt. Das Chitosan fängt das Enzym physisch ein, so dass es am Gewebe haften bleibt.

Anschließend führten die Forscher eine Reihe von Experimenten durch, um herauszufinden, wie gut ihr Filter Kohlendioxid aus einem Luftgemisch aus Kohlendioxid und Stickstoff abscheidet. Dabei simulierten sie die von Kraftwerken ausgestoßenen Werte. Sie rollten den Stoff spiralförmig auf, sodass er in ein Rohr geschoben werden konnte. Sie drückten das Gas zusammen mit einer wasserbasierten Lösung durch das Rohr. Als das Kohlendioxid mit dem Wasser in der Lösung und dem Enzym reagierte, verwandelte es sich in Bikarbonat und tropfte den Filter und das Rohr hinunter. Dann fingen sie die Bikarbonatlösung auf und leiteten sie nach draußen.

Wenn sie Luft mit einer Geschwindigkeit von 4 Litern pro Minute durch den Filter drückten, konnten sie mit einem einfach gestapelten Filter 52,31 TP3T Kohlendioxid und mit einem doppelschichtigen Filter 81,71 TP3T Kohlendioxid herausfiltern. Die Ergebnisse sind zwar vielversprechend, aber sie müssen den Filter noch mit den schnelleren Luftströmungsraten testen, die in kommerziellen Kraftwerken verwendet werden. Zum Vergleich: Ein vollskaliger Betrieb müsste mehr als 10 Millionen Liter Rauchgas pro Minute verarbeiten. Die Forscher arbeiten mit Partnern zusammen, um Tests in größerem Maßstab durchzuführen und ihre Technologie mit anderen vergleichbaren Technologien zu vergleichen, die derzeit untersucht werden.

„Die Geschichte ist noch nicht abgeschlossen, aber wir haben einige wirklich spannende erste Ergebnisse erhalten“, sagte der Co-Autor der Studie Sonja Salmon, außerordentlicher Professor für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State. „Wir haben sehr große Fortschritte gemacht.“

Sie prüften nicht nur die Kohlenstoffabscheidungsrate der Filter, sondern auch, wie gut der Filter nach fünf Wasch-, Trocken- und Lagerzyklen funktionierte. Sie stellten fest, dass er sein hohes Leistungsniveau beibehalten konnte.

„Das Enzym kann sehr lange bei niedriger Temperatur aufbewahrt werden und ist haltbar“, sagte Shen. „Der Stoff bietet ihm physischen Halt und Struktur und gleichzeitig eine große Oberfläche, auf der es mit dem Kohlendioxid reagieren kann.“

Das Auffangen des Kohlendioxids ist nur ein Teil des Prozesses. Außerdem wird an der Frage gearbeitet, wie die Flüssigkeit nach dem Verlassen des Filters recycelt werden kann. Außerdem wird an einem Prozess gearbeitet, bei dem das Bikarbonat wieder in Kohlendioxid umgewandelt wird, damit es gelagert und entsorgt oder für andere gewerbliche Zwecke verwendet werden kann.

„Wir möchten die Wasserlösung, die wir mit dem Filter verwenden, regenerieren, damit wir sie immer wieder verwenden können“, sagte Salmon. „Dieser Aspekt des Prozesses erfordert noch mehr Arbeit, um den Energieaufwand für die Regeneration des Lösungsmittels so gering wie möglich zu halten.“

Die Forscher meinen, dass neue Technologien zur Kohlenstoffabscheidung erforderlich seien, die weniger Energie verbrauchen würden als die bereits kommerziell erhältlichen Kohlenstoffabscheidungstechnologien, von denen einige nur dazu dienen, Kohlendioxid zu filtern und wieder in die Atmosphäre freizusetzen. Sie hoffen, dass ihr Kohlenstoffabscheidungssystem dazu beitragen könnte, die Kosten zu senken und so die Akzeptanz zu steigern.

„Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Kohlendioxid abzuscheiden“, sagte Shen. „Der derzeitige Standard im kommerziellen Bereich verwendet eine Reaktion, die so schnell und robust ist und das Kohlendioxid so gut bindet, dass man es nicht so leicht herausbekommt. Man muss sehr hohe Temperaturen verwenden, was einen hohen Energieverbrauch bedeutet. Das macht den Prozess teurer.“

Die Studie „Carbonsäureanhydrase immobilisiert auf strukturierter Textilpackung unter Verwendung von Chitosan-Einschluss für CO₂ Capture“ war online veröffentlicht in ACS Nachhaltige Chemie und Technik. Zu den Co-Autoren gehörte Yue Yuan, die ihren Ph.D. in Salmons Team abschloss. Die Studie wurde von der NC State und der Alliance for Sustainable Energy, dem Verwaltungs- und Betreibervertragspartner des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums, durch ein vom Bioenergy Technologies Office (BETO) finanziertes Projekt unterstützt, das eine Zusammenarbeit zwischen dem NREL, der NC State und dem Center for Applied Energy Research der University of Kentucky darstellt und Enzyme von Novozymes verwendet.

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire