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Kohlenstoffabscheidung mit Nanoröhren
Mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellte Membranen könnten die Energiemenge reduzieren, die zum Abfangen von Kohlendioxidemissionen aus Schornsteinen erforderlich ist, und somit Kosten senken, so ein Unternehmen, das 1 Million US-Dollar von der neuen Agentur für fortschrittliche Forschungsprojekte für Energie, Arpa-e, erhält. die Technologie zu entwickeln.
Das Unternehmen mit Sitz in Hayward, Kalifornien Porifera , behauptet, dass seine Kohlenstoff-Nanoröhren-Membranen eine Milliarde bis drei Milliarden Tonnen Kohlendioxid pro Jahr abfangen und 10 Milliarden US-Dollar pro Jahr im Vergleich zur bestehenden CO2-Abscheidungstechnologie einsparen könnten. Derzeit befinde sich die Arbeit jedoch noch in einem frühen Stadium, sagt Olgica Bakajin, Chief Technology Officer von Porifera. Sie rechnet damit, dass es noch ein Jahr dauern wird, bis der erste Prototyp fertig ist.
Das Unternehmen hofft, einige besondere Eigenschaften von Nanoröhren nutzen zu können, um Kohlendioxid abzufangen. Membranen zum Auffangen von CO2 aus Schornsteinen müssen zwei Eigenschaften haben. Sie müssen selektiv sein und Kohlendioxid durchlassen und nicht die anderen Abgase. Dabei entsteht ein konzentrierter Kohlendioxidstrom, der komprimiert und gespeichert werden kann. Die Membranen müssen außerdem eine hohe Permeabilität aufweisen, damit CO2 ungehindert passieren kann, um die zum Pumpen erforderliche Energie zu minimieren.
Carbon-Nanotube-Membranen eignen sich besonders gut für diese zweite Eigenschaft. Gase können sich extrem schnell durch das Innere von Nanoröhren bewegen – 100-mal so schnell wie durch herkömmliche Membranmaterialien, so Experimente, die Bakajin am Lawrence Livermore National Laboratory leitete. Diese Ergebnisse wurden 2006 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Dadurch würden Membranen auf Basis von Nanoröhren deutlich weniger Energie benötigen als herkömmliche Membranen.
Die Herausforderung bei Carbon-Nanotube-Membranen besteht darin, Kohlendioxid selektiv zu transportieren und nicht die anderen Gase in einem Schornstein. Dies sei besonders schwierig, weil Stickstoff, der Hauptbestandteil des Rauchgases, viele Eigenschaften habe, die CO2 sehr ähnlich sind, sagt Karl Johnson , Professor für Chemie- und Erdöltechnik an der University of Pittsburgh. Ein Ansatz zur Auswahl des Kohlendioxids besteht darin, Verbindungen an die Enden der Kohlenstoffnanoröhren zu binden, die Kohlendioxid chemisch anziehen, aber keine anderen Gase. Das Anziehen des CO2 würde zu hohen Konzentrationen davon in der Nähe der Membran führen, wodurch die Menge an Kohlendioxid, die im Verhältnis zu Stickstoff und anderen Rauchgasen transportiert wird, erhöht wird. Das Anbringen dieser Verbindungen sei besonders einfach, weil die Enden der Nanoröhren offene Stellen für die Bindung mit solchen Molekülen haben, sagt Bakajin.
Bakajin sagt, dass dies mit konventionelleren Membranmaterialien versucht wurde, aber das Hinzufügen von Verbindungen zum Anziehen von Kohlendioxid verringert die Permeabilität dieser Membranen so weit, dass sie nicht mehr praktikabel sind. Die außergewöhnlich hohe Permeabilität von Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnte bei diesem Problem helfen. Wir haben viel Durchlässigkeit zu verlieren, sagt sie. Wenn die Permeabilität so stark sinkt wie bei anderen Membranmaterialien, geht es uns immer noch gut.
Sie sagt, das Unternehmen habe mehrere vielversprechende Kandidaten für die Modifizierung der Nanoröhren identifiziert, sagt jedoch, dass die Details proprietär seien. Neben der Auswahl einer davon, sagt sie, arbeite das Unternehmen auch daran, wie die Carbon-Nanotube-Membranen am besten hergestellt werden können, einschließlich der Entscheidung, welches Material verwendet werden soll, um die Nanotubes zusammenzubinden und als Trägermaterial zu dienen. Einige haben Vorteile bei der Herstellung, andere sind strukturell besser, andere widerstandsfähiger gegen raue Umgebungen, sagt sie. Je mehr wir es tun, desto mehr denken wir an neue Dinge, die wir ausprobieren können.
Bruce Hinds , ein Chemieprofessor an der University of Kentucky, der auch die hohe Permeabilität von Nanoröhrenmembranen nachgewiesen hat, ist nicht davon überzeugt, dass die Kohlenstoffabscheidung die beste Anwendung für diese Membranen ist, teilweise wegen der Herausforderung, Kohlenstoffnanoröhrenmembranen selektiv für Kohlenstoff zu machen Dioxid. Er beginnt mit pharmazeutischen Anwendungen – etwa der Verwendung der Membranen zur Abgabe von Medikamenten oder zur Trennung von Chemikalien während der Medikamentenherstellung. Diese erfordern keine Großserienfertigung, was gut ist, da die Großserienfertigung der Membranen noch nicht demonstriert wurde. Die Arzneimittelanwendungen erzielen auch höhere Preise, was teurere Materialien ermöglicht.
Porifera verfolgt auch andere potenzielle Anwendungen. Es vor kurzem angekündigt Finanzierung von DARPA, dem Forschungs- und Entwicklungsbüro des US-Verteidigungsministeriums, zur Herstellung tragbarer Entsalzungsanlagen für Soldaten. Kohlenstoff-Nanoröhrchen können Flüssigkeiten 1000-mal schneller transportieren als herkömmliche Membranen. Neben der Einsparung von Energie ermöglicht ein solch schneller Transport den Einsatz viel kleinerer Membranen, die sich besser für tragbare Geräte eignen.