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Kunstharz wird durch chemischen Umbau zum effizienten CO₂-Filter
Kleine Änderung, großer Effekt: Ein handelsübliches Kunstharz kann nach einer chemischen Behandlung bei Versuchen mit trockener Luft rund 75 Prozent mehr CO₂ binden als zuvor. Zugleich widersteht es Sauerstoff besser. Das Verfahren könnte die direkte CO₂-Abscheidung aus der Atmosphäre verbessern, muss sich aber erst im größeren Maßstab bewähren.
Atlanta (U.S.A.). Kohlendioxid aus normaler Umgebungsluft herauszufiltern, ist schwierig: CO₂ macht darin nur etwa 0,04 Prozent aus. Anlagen zur direkten Luftabscheidung müssen deshalb große Luftmengen durch geeignete Materialien leiten. Solche Filter sollen möglichst viel CO₂ binden und nach dem Erhitzen wieder abgeben, ohne rasch an Wirkung zu verlieren.
Oft kommen dafür poröse Kunstharze mit Amin-Gruppen zum Einsatz. Diese chemischen Fangstellen können CO₂-Moleküle festhalten, sind aber nur begrenzt vorhanden. Außerdem altern die Materialien, weil Sauerstoff ihre aktiven Bestandteile allmählich schädigt. Deshalb suchen Wissenschaftler nach einer Möglichkeit, vorhandene Filterstoffe aufzuwerten, statt sie vollständig neu zu entwickeln.
Forscher des Unternehmens CarbonCapture Inc. um Dr. Omid Ghaffari Nik haben nun untersucht, wie sich ein handelsübliches Aminharz mit einer einzigen chemischen Behandlung leistungsfähiger und haltbarer machen lässt. Die Versuche erfolgten im Labor.
Als Ausgangsmaterial diente das bereits für die Luftabscheidung genutzte Kunstharz Lewatit VP OC 1065. Das Team tränkte die Kunststoffkügelchen mit der kleinen Ringverbindung Azetidin und etwas Säure. Anschließend wurde die Mischung zwei Tage lang erwärmt. Dabei öffneten sich die Molekülringe, sodass auf dem Harz verzweigte Ketten aus Polypropylenimin wuchsen.
Diese Polymerketten besitzen zusätzliche Amin-Gruppen und damit weitere Stellen, an denen das Treibhausgas anhaften kann. Die Forscher mussten den vorhandenen Filter also nicht ersetzen, sondern ergänzten seine Oberfläche um chemische Fangarme. Ob sich diese Änderung auszahlt, prüften sie unter verschiedenen Versuchsbedingungen.
Bei trockener Luft mit 400 CO₂-Molekülen pro Million Luftmoleküle und 30 Grad Celsius nahm das behandelte Harz 1,54 Millimol CO₂ pro Gramm auf. Das waren ungefähr 75 Prozent mehr als beim unbehandelten Material. Auch in einem simulierten Industrieabgas mit 15 Prozent CO₂ lag die Aufnahme um mehr als 50 Prozent höher und erreichte 3,34 Millimol pro Gramm.
„Eine wirtschaftlich tragfähige direkte CO₂-Abscheidung aus der Luft erfordert erhebliche Verbesserungen bei der Entwicklung und Leistungsfähigkeit fester Sorptionsmaterialien“, erklärt Prof. Christopher W. Jones vom Georgia Institute of Technology (Georgia Tech).
Wasser in der Luft kann die CO₂-Aufnahme solcher Harze verändern. Deshalb untersuchten die Forscher nicht nur trockene, sondern auch feuchte Gasgemische bei unterschiedlichen Temperaturen. In feuchter Luft erreichte das aufgerüstete Harz bei 25 Grad Celsius eine Aufnahmekapazität von rund 2,5 Millimol CO₂ pro Gramm, bei minus fünf Grad sogar etwa 3,0 Millimol.
Im untersuchten Temperaturbereich von minus 20 bis plus 25 Grad Celsius schnitt die veränderte Variante unter feuchten Bedingungen stets besser ab als die ursprüngliche. Allerdings zeigte sich eine Grenze: Bei sehr niedrigen Temperaturen und trockener Luft verschwand dieser Vorteil. Die erzielbare Verbesserung hängt somit deutlich von den Umgebungsbedingungen ab.