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Kohlendioxid als Rohstoff Forscher entwickeln Polymer-Membran für die Abtrennung von CO2

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Tobias Hüser

Damit weniger Kohlendioxid in die Umwelt gelangt, soll das Gas als Rohstoff wiederverwendet werden. Erster Schritt ist eine effektive Abtrennung des CO2 aus der Abluft von Industrieanlagen. Vielversprechend scheinen dafür Membranverfahren zu sein. In China wurde jetzt ein Ansatz für eine neuartige Membran entwickelt, die auf einer Matrix aus Schichtmineralen und Polymeren basiert. Die Hohlräume zwischen den mineralischen Schichten dienen dabei als selektive Transportkanäle für CO2.

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Abtrennverfahren von Kohlendioxid mithilfe einer Membran
Abtrennverfahren von Kohlendioxid mithilfe einer Membran
(Bild: Wiley VCH)

Tianjin/China – Nicht nur bei Abgasen, auch für viele technische Verfahren spielt die Abtrennung von CO2 eine Rolle. Um etwa Erdgas oder Biogas für verschiedene technische Anwendungen nutzbar zu machen, muss CO2 als störende saure Verunreinigung entfernt werden. Bei bestimmten Gleichgewichtsreaktionen, etwa der Herstellung von Synthesegas, kann die Entfernung von CO2 aus der Mischung die gewünschte Reaktion „antreiben“.

Membrantrennverfahren sind im Kommen, verbrauchen sie doch weniger Energie und sind einfacher als herkömmliche Trenntechniken. Der Schlüssel zum Erfolg sind geeignete poröse Materialien mit hochselektiver Durchlässigkeit. Tonminerale mit einem Schichtaufbau, wie Montmorillonit, sind interessante Kandidaten für die Abtrennung von CO2: Die Räume zwischen den Lagen bilden geradlinige Kanälchen, in denen sich austauschbare Ionen befinden. Über eine Wahl der Ionen kann die Breite der Kanäle gesteuert werden. Zudem tragen die Kanalwände Hydroxylgruppen (–OH), die eine hohe Affinität zu CO2-Molekülen haben. Die Konstruktion selektiver Hochgeschwindigkeitstransportkanäle für CO2 hängt allerdings davon ab, dass das Mineral richtig angeordnet vorliegt.

Ultradünne Membran mit geraden Kanälen

Dies ist dem Team um Zhi Wang und Michael D. Guiver jetzt gelungen. Den Erfolg brachte eine ausgerichtete Einbettung des aluminium- und magnesiumhaltigen Schichtsilikats Montmorillonit in eine Polymermatrix auf einem Substrat: Auf ein poröses Polymersubstrat pfropften die Forscher von der Tianjin University in China sowie dem Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering in Tianjin zunächst Polyvinylaminsäure-Ketten auf.

Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, fügten sie dann zwischen diese senkrecht vom Substrat abstehenden Polymerketten Nanopartikel aus Montmorillonit ein, dessen Calciumionen sie zuvor durch Natriumionen ersetzt hatten. Mit einem speziellen Kupplungsreagenz wurden die Mineralschichten mit den Polymerketten fest zu einer gemischten Matrix verbunden. Auf diese Weise verbleiben die Schichten – und damit auch deren Kanälchen – parallel zu den Polymerketten ausgerichtet. So entsteht eine ultradünne Membran mit geraden Kanälen, die als Transportwege dienen können.

Die OH-Gruppen an den Kanalwänden wechselwirken mit dem sauren CO2 und erleichtern dessen Transport. Die Durchlässigkeit der Membran für CO2 ist dadurch deutlich höher als für Stickstoff, Methan und Wasserstoff, sodass es aus Gasgemischen abgetrennt werden kann.

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