Filter für „nasse“ Abgase

Selektiv für CO2: Forscher haben Materialen identifiziert, die Kohlendioxid selbst aus nassen Abgasen effektiv binden können. Das könnte die CO2-Abscheidung aus den Emissionen von Industrie und Kraftwerken künftig günstiger und wirksamer machen, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature“ berichten. Denn bisher eingesetzte Filtermaterialien sind in Gegenwart von Wasserdampf oft ineffektiv.

Angesichts der immer weiter steigenden CO2-Emissionen wird es immer dringender, die Klimaschutzmaßnahmen durch gezielte Technologien zur CO2-Abscheidung und Speicherung (CCS) zu unterstützen. Spezielle Absorptionsmittel ermöglichen es, das Treibhausgas gezielt aus dem Abgasstrom von Kraftwerken oder Fabriken oder aus der Luft herauszufiltern. Das abgetrennte CO2 kann dann in Kraftstoffe wie Methanol oder in Kohlenstoff umgewandelt oder im Untergrund gespeichert werden.

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOF) ähneln in ihrer chemischen Struktur oft Käfigen oder Netzen, die Gastmoleküle aufnehmen können. Deshalb sind sie gut als Absorber geeignet. © NIST

Wasser und CO2 in Konkurrenz

Doch die Abscheidung von CO2 aus Abgasen hat bisher ein Problem: Die meisten Absorptionsmittel funktionieren nur bei trockenen Gasen gut. Sobald die Abgase auch Wasserdampf enthalten, wie bei Industrie- und Kraftwerksabgasen meist der Fall, sinkt die Effektivität der CO2-Filter rapide ab. Der Grund: Das Wasser in den Abgasen konkurriert mit dem CO2 um die gleichen Bindungsstellen. Zwar kann man Abgase vor der Filterung trocknen, das aber macht die ganze Abscheidung sehr teuer und damit wirtschaftlich kaum durchzusetzen.

Deshalb haben Forscher um Peter Boyd von der Polytechnischen Hochschule Lausanne gezielt nach Materialien gesucht, die CO2 auch in Gegenwart von Wasser effektiv binden. Für ihre Studie testeten sie mithilfe eines Computermodells das Absorptionsverhalten von 325.000 metallorganischen Gerüstverbindungen (Metal Organic Frameworks, MOF). Anhand dieser Tests wollten sie Verbindungen identifizieren, deren Struktur spezifische, nicht für Wasser passende Bindungsstellen für CO2 aufweist.

Selektive Bindung

Sie wurden fündig: Boyd und sein Team identifizierten 35 Materialien mit selektiver CO2-Bindung. „Diese MOFs eignen sich optimal für die Filterung nasser Abgase, weil sie zwei getrennte Bindungsstellen in ihrer Struktur haben – eine für Wasser und eine andere für CO2“, erklärt Boyds Kollege Kyriakos Stylianou. „Dadurch stehen Wasser und CO2 nicht miteinander in Konkurrenz.“

Wie effektiv diese neuen Absorber in der Praxis sind, testeten die Forscher an zwei dieser metallorganischen Gerüstverbindungen, Al-PyrMOF und Al-PMOF. Sie synthetisierten diese Materialien im Labor und setzten sie im Experiment einer wasserhaltigen Abgasmischung aus CO2 und Stickstoff (N2) aus.

Besser als gängige Absorber

Das Ergebnis: Wie erhofft trennten die beiden Verbindungen das CO2 auch aus dem nassen Abgas ab – und dies deutlich effektiver als gängige CO2-Filter wie Zeolit 13X oder Aktivkohle. „Die Feuchtigkeit im Abgas hatte nur einen minimalen Einfluss auf die Einfangkapazität von Al-PMOF, beim Al-PyrMOF nahm die Absorptionsfähigkeit sogar zu“, berichten die Forscher. Selbst das wiederholte Recycling dieser Absorber führte nicht zu einer Verschlechterung ihrer CO2-Aufnahme.

Nach Ansicht von Boyd und seinem Team eröffnen diese Materialien damit die Chance, die Abgasreinigung effektiver und günstiger zu machen. Auch Absorber für andere Gase könnten durch das von ihnen angewendete virtuelle Auswahlverfahren gefunden werden. Im nächsten Schritt wollen Boyd und sein Team nun untersuchen, wie gut sich die neu identifizierten metallorganischen Verbindungen auch in großem Maßstab erzeugen und einsetzen lassen. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1798-7)

Quelle: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Oregon State University