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Ein Textilfilter ebnet den Weg für eine umweltfreundliche CO2-Abscheidungstechnologie

Das ist der Stoff, aus dem unsere Kleidung gemacht ist.

Ein neues Design für einen Filter könnte helfen, Kohlendioxid aus Rauchgasemissionen und Luft zu entfernen. Sonja Lachs

"Innovation entsteht, wenn zwei Wissenschaftsdisziplinen zusammenkommen, die sich normalerweise nicht überschneiden. Wenn Sie einen Fuß in diesen beiden Welten haben, werden Sie etwas Offensichtliches bemerken - das wird den anderen nicht leicht fallen," Sonja Lachs, ein außerordentlicher Professor für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State, erzählt IEim Interview.

Salmon bezieht sich auf ihre Expertise in Textiltechnik und Biochemie. Kürzlich Salmon und Jialong-Shen, ein Postdoktorand am NC State, hat einen scheinbar einfachen textilbasierten Filter entwickelt, der Kohlendioxid einfangen Emissionen.

Eine umweltfreundliche noch dazu.

Die Forscher wählten ein Stück Baumwollstoff, das für seine vielseitigen Eigenschaften bekannt ist, und ein natürlich vorkommendes Enzym namens Kohlensäureanhydrase zur Herstellung des Gewebes, dessen besondere Eigenschaft darin besteht, einfach Kohlendioxidmoleküle aus einem Gasgemisch zu entfernen.

Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Nachhaltige Verfahrenstechnik Anfang dieses Monats.

Ihre Waffenwahl? Baumwolle

Es ist eine bekannte Tatsache, dass Kohlendioxidgehalt heute gehören zu den höchsten, die in den letzten 800.000 Jahren gesehen wurden. gemäß der National Oceanic and Atmospheric Administration, die fossilen Brennstoffe, die Menschen zur Energiegewinnung verbrennen, sind in erster Linie für die derzeit hohen CO2-Konzentrationen verantwortlich.

"Ich arbeite seit 2005 in diesem Bereich. Damals betrug der weltweite CO2-Ausstoß nur 24 Milliarden Tonnen pro Jahr. Heute sind es mehr als 35 Milliarden Tonnen pro Jahr. Die Menschen sehnen sich nach Energie, und wir werfen sie wegNebenprodukt dieses Energiebedarfs – das ist Kohlendioxid – in der Luft und wird nicht gesammelt. Wir können es weder sehen noch riechen. Es ist für uns sehr unsichtbar, aber es verursacht ein sehr großes Problem für unseren Planeten, und wir brauchen esetwas dagegen zu tun", sagt Salmon.

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Ihre Lösung war der Filter.

"Eine Sache, die wir bereits kennen Baumwolle ist, dass sie Wasser aufnimmt und transportiert und Feuchtigkeit gut", sagt sie.

Baumwolle kann auch verwendet werden, um das Wasser zu einem dünnen Film zu verteilen, wodurch eine sehr hohe Kontaktfläche für das Gas entsteht. „Wenn Kohlendioxid-Gasmoleküle aus Gasgemischen entfernt werden müssen, muss das Molekül mit etwas in Kontakt kommen- daher die große Oberfläche", erklärt Salmon.

Kohlenstoffbindung in unserem Körper?

Die Forscher entschieden sich, ihre Technologie auf einer Reaktion zu modellieren, die in unserem Körper auftritt.

Kohlensäureanhydrase ist ein Enzym, das in allen Geweben von Säugetieren sowie in Pflanzen, Algen und Bakterien reichlich vorkommt. Die Kohlensäureanhydrase hilft bei der Umwandlung von CO2 und Wasser zu Bicarbonat HCO3- und Protonen H+ und wieder zurück.Dieser Prozess ist lebenswichtig und zentral für Atmung, Verdauung und die Regulierung des zellulären pH-Werts.

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Laut den Forschern funktionieren ihre „Textilfilter mit angehängtem Enzym wie eine Mischung aus einem Luftfilter und einem Wasserfilter, die gleichzeitig eine chemische Reaktion ausführen.“

"Es gibt herkömmliche CO2-Abscheidungssysteme arbeiten heute, die in der Öl- und Gasindustrie verwendet werden - zur Reinigung von Methan, meist Erdgas. Wenn Erdgas aus dem Boden entnommen wird, wird es oft mit Kohlendioxid vermischt. Daher hat sich die Technologie zur Trennung von Kohlendioxid aus Gasen bewährtgibt es schon seit Jahrzehnten", erklärt Salmon.

Die meisten früheren Systeme setzten jedoch CO2 wieder in die Atmosphäre frei. Die Idee hinter der Verwendung dieser Filter ist hingegen, das Gas stattdessen einzufangen, aufzufangen und es dann unter die Erde zu leiten oder in wertvolle Produkte umzuwandeln.

„Unsere Technologie verwendet Textilien und Enzyme, um die CO2-Moleküle auf sehr effiziente Weise einzufangen“, sagt Salmon.

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Abscheidung von Kohlendioxid für nützliche Zwecke

Zur Herstellung des Filters wurde das Enzym an einem Stück zweilagigem Baumwollstoff befestigt, indem der Stoff in eine Lösung mit Chitosan getaucht wurde, das wie Klebstoff wirkt. Das Material fängt das Enzym ein, das dann am Stoff haftet,laut Pressemitteilung.

Dann wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um zu sehen, wie effizient der Filter Kohlendioxid von einer Mischung aus Kohlendioxid und Stickstoff trennen würde, wobei Werte simuliert wurden, die denen von Kraftwerken entsprachen.

Der Stoff wurde zu einer Spirale gerollt und in ein Rohr geschoben. Die Forscher drückten das Gas zusammen mit einer Lösung auf Wasserbasis durch das Rohr. Als das CO2 mit dem Wasser und dem Enzym in der Lösung reagierte, wurde es zu Bicarbonatund tropfte den Filter und das Rohr hinunter. Dann fingen sie die Bikarbonatlösung auf und leiteten sie hinaus. Sie könnte dann verwendet werden, um mehr Energie zu erzeugen oder mit Kalzium zu reagieren, um Kalkstein zu bilden.

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Als die Forscher Luft mit einer Geschwindigkeit von vier Litern pro Minute durch den Filter drückten, konnten sie 52,3 Prozent des Kohlendioxids mit einem einfach gestapelten Filter und 81,7 Prozent mit einem doppelt gestapelten Filter herausziehen.

Übersetzen in reale Anwendungen

Obwohl die ersten Ergebnisse aufregend sind, muss der Filter noch mit den schnelleren Luftdurchflussraten in kommerziellen Kraftwerken getestet werden.Ein vollwertiges Filtersystem müsste mehr als 10 Millionen Liter Rauchgas pro Minute verarbeiten.

„Um dieses riesige Problem [Kohlenstoffemissionen] anzugehen, waren wir uns sicher, dass die Technologie [die, an der sie arbeiten] sehr schnell skaliert werden muss“, erzählt Shen IE.

Während mehrere CO2-Abscheidungstechnologien auf komplexen Materialien beruhen, entschieden sich Salmon und Shen für Baumwolle, die leicht verfügbar ist und wiederholte Wasch-, Trocknungs- und Lagerzyklen überstehen kann. „Unsere Technologie kann mithilfe der bestehenden Textilherstellungsinfrastruktur leicht erweitert werden“, sagtShen.

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Die Forscher betrachten bereits reale Anwendungen - Kraftwerke. "Das Problem mit derzeit verwendete Technologien ist, dass es viel Energie erfordert, das Lösungsmittel zu regenerieren, was teuer ist“, sagt Shen. Das Team beabsichtigt, Lösungsmittel mit geringer Regenerationsenergie zu verwenden, eine „kostengünstige Methode, die im großen Maßstab eingesetzt werden kann.“

Ihre Forschung orientierte sich an aktueller Technologie. „Das Schöne an unserem Design – dem Filter – ist, dass es in bestehende Anlagen in Kraftwerken eingesetzt werden könnte“, sagt Salmon.

Kann der modifizierte Stoff eines Tages getragen werden? Könnte ein Hemd im Kampf helfen?Klimawandel?

„Das ist futuristischer“, sagt Salmon. „Unsere Technologie hilft dabei, die Gasmoleküle einzufangen, die irgendwo gespeichert werden müssen. Unser System ist also für etwas Stationäres gedacht. Leider ist es nichts, was man auf die Rückseite kleben könntevon Ihrem Auto oder tragen Sie es gerade jetzt. Aber auch hier wird es mit Innovationen neue Möglichkeiten geben, über die Verwendung nachzudenken ", fügt sie hinzu.

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Nächster in der Pipeline

Das Projekt wurde gefördert von der US-Energieministerium, durch eine Zusammenarbeit mit Dr. Min Zhang am Nationales Labor für erneuerbare Energien und Dr. Jesse Thompson am Zentrum für angewandte Energieforschung der Universität von Kentucky. Sie wurden unterstützt von Novozyme, der Enzyme für die Arbeit lieferte.

"Zusammen mit unseren Mitarbeitern haben wir eine Skalierung durchgeführt, und hoffentlich wird es später in diesem Jahr eine Veröffentlichung über diese Arbeit geben. Offen gesagt, wir denken, dass die Technologie bereits gut genug funktioniert, um darüber nachzudenken, sie auf einem einzusetzengrößeren Maßstab. Aber das bedeutet, Partnerschaften mit kommerziellen Möglichkeiten zu haben. Wir fangen jetzt an, mit Leuten darüber zu sprechen und freuen uns darauf, Fortschritte zu machen", sagt Salmon.

In den letzten Jahren wurden viele Konzepte zur Bekämpfung des Klimawandels entwickelt. Viele davon kommen jedoch nicht über das Proof-of-Concept-Stadium hinaus.

Lachs sagt das Energiestrafe könnte etwas damit zu tun haben.

"Jedes System zur Kohlenstoffabscheidung benötigt Energie. Weil Sie darum kämpfen, Gasmoleküle aus der Luft zu holen und sie in eine konzentriertere Form zu bringen, und das widerspricht den Naturgesetzen der Thermodynamik. Sie müssen also bezahleneine Energiestrafe dafür", sagt Salmon. Mit anderen Worten, Sie müssen etwas Energie aufwenden, um die Technologie zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung zu betreiben.

Die Höhe dieser Energiestrafe war bisher ein limitierender Faktor.

„Es gibt auch die Wahrnehmung, dass wir CO2 kostenlos weggeworfen haben und jetzt dafür bezahlen müssen – das stellt ein Hindernis dar. Aber die Menschen müssen verstehen, dass unser Planet in Schwierigkeiten ist, wenn wir nicht dafür bezahlen.“fügt Lachs hinzu.

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