Innovative Membranen zur CO2-Abtrennung

Verfahrenstechnik und Kochen sind sich nicht unähnlich – denn häufig funktioniert die Verfahrenstechnik quasi wie eine Küche im ganz großen Maßstab. Und tatsächlich kochen die meisten der Institutsmitglieder der Anlagen- und Verfahrenstechnik in der heimischen Küche sehr gern. In beiden Fällen ist die Beschäftigung eine Komposition aus der Wahl der Zutaten und ihrer Abstimmung, der Reihenfolge und Art der Arbeitsschritte, dem Schneiden, Hacken, Mischen und Verrühren. Ob erhitzt und wenn ja, wie und wie lange – alles Entscheidungen und Abläufe, die ihnen in der Verfahrenstechnik wiederbegegnen und in ihrer Variationspalette großen Einfluss auf Stoffe und ihre Eigenschaften haben. Wenn Prof. Dr. Tim Schubert und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Tobias Wolf von den Membranen sprechen, an deren Entwicklung sie gerade arbeiten, fallen dann auch mal Analogien wie „Pfannkuchen backen“.

CO2 ist vielfältig wiederverwertbar

Technisch hergestellte Membranen sind mitunter hauchzarte Folien, deren wesentliche Eigenschaft darin besteht, bestimmte Stoffe zu filtern oder anzureichern. Wie zum Beispiel CO2. Denn statt Kohlendioxid nur als klimaschädlichen Abfall zu diskutieren, kann man damit durchaus noch sinnvolle Dinge anstellen. Zum Beispiel eignet sich CO2 als Dünger für Algen, also zur Herstellung von Biomasse. Man kann außerdem die Überschussenergie bei den Erneuerbaren Energien nutzen, um reaktionsträges CO2 mittels Wasserstoff zu reaktivieren und daraus synthetische Treibstoffe sowie Grundstoffe der chemischen Industrie zu produzieren. Nicht unerheblich ist außerdem das Biogas-Potenzial. Dazu müssen weiterhin effektive Verfahren entwickelt werden, um Biogas aufzubereiten, dabei von Kohlenstoffdioxid sowie von Giftstoffen zu reinigen und dann beispielsweise in ein Gasnetz einspeisen zu können.

Carbon-Nanotubes als Bindemittel

Alles unter der Voraussetzung, dass sich die Membrantechnik auch ökonomisch rechnet. Genau das ist bisher aber für diese Anwendung nicht der Fall und wird deshalb von der Industrie nicht genutzt: Die bereits entwickelten Polymermembranen können zwar CO2 anreichern, sind dabei aber sehr ineffektiv, da man zu große Membranflächen benötigt.Tim Schubert ist Professor für Partikeltechnologie und hat Carbon-Nanotubes, also Kohlenstoff-Nanoröhrchen, im Fokus seines Forschungsprojekts GG-CO2. Diese netzartigen, gerollten Hohlfasern reichern bevorzugt CO2 auf ihrer Oberfläche an, während andere Gase kaum oder gar nicht durchdringen. Dadurch ließe sich der Nutzen der Membran deutlich steigern: Der Verfahrenstechniker erwartet, dass die innovative Folie auf viel kleinerer Fläche mehr CO2 anreichert und damit ökonomisch interessanter wird als bei der bisherigen Membrantechnologie.

Scheren statt zermalmen

Die Carbon Nanotubes sollen also jetzt die entscheidende Zutat bei der Herstellung einer Polymermembran werden. „Entscheidend dabei ist, dass die Tubes möglichst fein verteilt werden, damit sich keine Agglomerate bilden, und dadurch mikroskopische Löcher in der Membran“, erklärt Schubert. Und hier kommt die Verfahrenstechnik ins Spiel. Zwar könne man in einer angereicherten Dispersion die Tubes fein verteilen, das hat aber nicht automatisch zur Folge, dass dieses engmaschige Netz auch nach der Membranherstellung bestehen bleibt. „Die Mechanik spielt eine ebenso große Rolle wie die Chemie, also die Wahl der Stoffe. Wir müssen möglichst starke Scherwirkungen aufbringen, Agglomerate entschlaufen, ohne dabei die Partikel zu zermalmen.“

Als Küchenanalogie wäre ein Stabmixer auf den ersten Blick das Werkzeug der Wahl, um einen Feststoff in einer Flüssigkeit zu verteilen. Doch dieses vergleichsweise brachiale Vorgehen hat den Nachteil, dass die Tubes zu klein gehäckselt werden und damit ihre Separationsfunktion verlieren. Also testen Tim Schubert und Tobias Wolf in den Laboren am Campus Deutz verschiedene kraftvolle und doch schonende Behandlungsverfahren, wie beispielsweise mit einem sogenannten Dreiwalzwerk (siehe Seite 19). Gleichzeitig experimentieren sie an der Viskosität der Dispersionen, da auch deren Dick- oder Dünnflüssigkeit Einfluss auf die Membran hat.

Fünf Jahre bis zur Marktreife

Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, neben den TH-Professoren Dr. Gerhard Braun und Dr. Stéphan Barbe und der FutureCarbon GmbH sind auch zwei griechische Projektpartner an Bord: das Institut Demokritos und die Firma Advise. Wenn sich die Forschungsergebnisse erwartungsgemäß entwickeln, schätzt Schubert, kann in gut fünf Jahren die Carbon-Nanotubes-Membran in der Industrie eingesetzt werden. Wenn alles klappt. Wenn nicht, dann hat der promovierte Materialwissenschaftler zumindest einen Plan B in der Tasche: „Wir lernen durch das Projekt viel über neue Stoffsysteme, die nicht nur für die Membrantechnologie interessant sind. Man kann mit Carbon Nanotubes auch elektrisch leitfähige Klebstoffe entwickeln. Jeder Forscher plant immer zwei, drei Ersatzanwendungsfelder mit ein, das ist normal und ehrlich gesagt auch sinnvoll.“