Microtubes made of carbon nanotube hybrid materials for CO$_{2}$ separation

• Hybride Hohlfasern auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen zur CO$_{2}$-Adsorption

Keller, Laura; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Lively, Ryan P. (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Trotz politischer Anstrengungen steigt der globale CO2-Ausstoß weiter an. Die Abtrennung und Speicherung von Kohlenstoffdioxid ist eine unerlässliche Maßnahme um die Erderwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen. Adsorptionsprozesse eignen sich gut um CO2 aus Rauchgasen oder aus der Luft abzutrennen. Tubuläre Adsorber können dabei vorteilhaft gegenüber konventionellen Festbett-Adsorberkolonnen sein. Bisher bestanden diese Hohlfaseradsorber aus einer Polymermatrix mit verschiedenen, eingebetteten Adsorbermaterialien. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde diese Polymermatrix durch Hohlfasern aus Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNT) ersetzt. Im Vergleich zu vielen Polymeren sind CNTs thermisch und chemisch stabiler, haben eine größere spezifische Oberfläche und eine höhere thermische Leitfähigkeit. Verschiedene Hohlfasern auf CNT-Basis wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, charakterisiert und im Hinblick auf ihre Eignung als Adsorber untersucht. Reine CNT-Hohlfasern und hybride Hohlfasern mit eingebetteten Silikapartikeln wurden mit einem polymeren Amin imprägniert. Beide Fasertypen zeigten eine ähnliche CO2-Adsorptionskapazität. Die Regenerierung mittels Temperaturwechsel führte zu vielversprechenden Arbeitskapazitäten. Weiterhin wurden hybride Hohlfasern aus CNTs und Zeolithen hergestellt. Diese zeigten eine hohe CO2-Adsorptionskapazität und sind mittels Druck- und Temperaturwechsel regenerierbar. Die Druckwechseladsorption wurde mit einem neu entworfenen Modul erprobt, welches eine isotherme Prozessführung ermöglicht. Da die CNTs und somit die hybriden Hohlfasern elektrisch leitfähig sind, können diese durch Anlegen elektrischen Stroms direkt und lokal aufgeheizt werden. Dadurch verkürzt sich ein Temperaturwechselzyklus von Stunden auf Minuten. Modulexperimente mit einem Faserbündel belegten die Anwendbarkeit der CNT-Zeolith Hohlfasern für die Elektrowechseladsorption. Die zudem durchgeführte Modellierung resultierte in vielversprechenden CO2-Reinheiten und -Ausbeuten. Hohlfasern auf CNT-Basis mit eingebetteten CO2-adsorbierenden Materialien sind eine gute Möglichkeit um CO2 aus Rauchgasen oder der Luft abzutrennen. Sie sind sowohl für die Druckwechsel- als auch die Temperaturwechseladsorption geeignet, wie die mit den Modulen erzielten Resultate unterstreichen. Vielfältige Adsorptionsprobleme können mit den in dieser Arbeit entwickelten hybriden Hohlfasern gelöst werden. Somit wurde eine Plattform geschaffen, die eine Vielzahl von Gastrennaufgaben und Prozessarten bedienen kann.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik [416110]