EP4475988A1 - Funktionalisierte aktivkohle als adsorptionsmittel für die abscheidung von coaus der atmosphärenluft - Google Patents

Funktionalisierte aktivkohle als adsorptionsmittel für die abscheidung von coaus der atmosphärenluft

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EP4475988A1
EP4475988A1 EP23704081.1A EP23704081A EP4475988A1 EP 4475988 A1 EP4475988 A1 EP 4475988A1 EP 23704081 A EP23704081 A EP 23704081A EP 4475988 A1 EP4475988 A1 EP 4475988A1
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EP
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adsorbent
activated carbon
aminotrialkoxysilane
adsorption
air
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EP23704081.1A
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Christine SCHÜTZ
Hartwig SCHNEIDER
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Original Assignee
Volkswagen AG
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    • B01D53/0462—Temperature swing adsorption

Definitions

  • the invention relates to functionalized activated carbon suitable for separating carbon dioxide (CO2) from atmospheric air, its production and its use in a method for separating CO2 from atmospheric air.
  • CO2 carbon dioxide
  • DAC Direct Air Capture
  • a challenge is the development of efficient adsorption materials that have a high CC>2 adsorption capacity and require low energy expenditure for desorption.
  • the thermal properties of the adsorption materials represent an effective lever for the application of DAC technologies on an industrial scale.
  • Adsorption materials are known from US 2013/0095996 A1, US 2017/0239609 A1 and CN 104607073 B1. However, the solutions known from the prior art are still unsatisfactory.
  • Classical adsorption materials include, for example, the metal-organic frameworks (MOFs), the zeolites, amine-functionalized mesoporous materials and polymer-based adsorbers.
  • MOFs metal-organic frameworks
  • zeolites zeolites
  • amine-functionalized mesoporous materials amine-functionalized mesoporous materials
  • polymer-based adsorbers e.g., amine-functionalized mesoporous materials.
  • the invention is based on the object of providing materials that are specifically tailored to the requirements that the industrial separation of CO2 from the Atmospheric air, in particular the Direct Air Capture technology (DAC technology), and in particular is able to combine high adsorption capacity with economic advantages.
  • DAC technology Direct Air Capture technology
  • an adsorbent made of activated carbon which has been functionalized with an aminotrialkoxysilane and is suitable for separating CO2 from the air.
  • Classic adsorption materials such as Metal Organic Frameworks (MOFs), zeolites and polymers, have relatively low thermal conductivity. This circumstance requires significantly more time and energy for heating and cooling. Both have a negative impact on the efficiency of the adsorption materials, especially in the case of DAC technology.
  • MOFs Metal Organic Frameworks
  • zeolites and polymers have relatively low thermal conductivity. This circumstance requires significantly more time and energy for heating and cooling. Both have a negative impact on the efficiency of the adsorption materials, especially in the case of DAC technology.
  • the amine-functionalized adsorbents described here offer an efficient way of combining high adsorption capacity with economic advantages. It has now been found in connection with the invention that this is made possible in particular by adapting the thermal conductivity.
  • the adsorption materials are chosen in such a way that the energy for the desorption and the associated heating and cooling phase is reduced to a minimum.
  • the thermal properties of the adsorption materials also play a decisive role here. This is precisely what the present invention achieves.
  • Activated charcoal within the meaning of the present application is combustible and consists predominantly of carbon, the carbon content preferably being at least 90% by weight, in particular at least 95% by weight, preferably at least 98% by weight.
  • the activated carbon has a porous structure, with the pores being open-pored and interconnected like a sponge.
  • the inner surface is preferably between 300 and 2000 m 2 /g coal.
  • the density of the activated carbon is preferably in the range from 0.2 to 0.6 g/cm 3 .
  • Activated charcoal can be obtained from a variety of sources. In most cases, this is made from plant, animal, mineral or petrochemical substances such as lignite or hard coal. Various types of activated carbon are known in the prior art. Such starting materials as wood, peat, coconut fiber and nut shells are also referred to as biochar. Activated charcoal made from animal material is called animal charcoal. Sugar charcoal is an activated charcoal that is made from glucose or another sugar as a starting material.
  • Gas activation and chemical activation should be mentioned for production and activation.
  • chemical activation manufacturing a mixture of uncharred raw material is treated with chemicals. This is generally done by using dehydrating agents, especially zinc chloride or phosphoric acid, preferably at 500 to 900°C.
  • dehydrating agents especially zinc chloride or phosphoric acid, preferably at 500 to 900°C.
  • Another process is dry distillation, also known as coking, in which the material is heated in an oxygen-free atmosphere and volatile components are driven off at temperatures around 800 °C.
  • the raw activated carbon obtained in this way is then activated by oxidation at 700 to 1000 °C with steam or carbon dioxide, sometimes also with air. During this activation, part of the carbon is converted into carbon monoxide using the water gas process, which creates additional pores and increases the surface area of the carbon.
  • the activated carbon obtained can be used in particular for the production of the adsorbent according to the invention.
  • the adsorbent preferably has an activated carbon content of at least 80% by weight, in particular at least 85% by weight, based on the mass of the entire adsorbent. More preferably, the adsorbent consists of activated carbon and differs from substrates coated only with activated carbon.
  • the adsorption material is described wherein the aminotrialkoxysilane is a (3-aminoalkyl)trialkoxysilane.
  • the aminotrialkoxysilane is a (3-aminoalkyl)triethoxysilane. According to a further preferred embodiment, the aminotrialkoxysilane is a (3-aminopropyl)trialkoxysilane.
  • the aminotrialkoxysilane is a (3-aminopropyl)triethoxysilane.
  • the adsorption material is described, wherein the activated charcoal is designed as an essentially microporous activated charcoal.
  • the porosity is a physically relevant parameter for description.
  • the porosity, or pore fraction is a measure of the pores, and thus the free spaces, in a material. It is the fraction of the volume of the pores over the total volume and takes values between 0 and 1 or as a percentage between 0% and 100%.
  • Empirical measurements of porosity typically determine "accessible void space", the total void space accessible from the surface.
  • the porosity refers to the entire cavity of the activated carbon. According to a further preferred embodiment, the porosity relates to the cavity accessible to gases, in particular CO2.
  • the measurement of the inner surface can be determined here by gas binding, in particular by adsorption of CO2.
  • micropores of no more than 2 nm micropores of no more than 2 nm, mesopores from 2 to 50 nm and macropores of more than 50 nm.
  • the mean diameter of the pores is based on the diameter of a pore, ie the average diametral distance between two points at the pore entrance.
  • Mesopores are the access routes for gases or liquids into the interior of the carbon and are significantly involved in diffusion and mass transport processes in deeper areas of the grain.
  • the activated carbon preferably has an essentially mesoporous structure.
  • substantially mesoporous means activated carbon having a proportion of mesoporous pores based on the total number of pores of at least 50%, more preferably at least 70%.
  • Such an essentially microporous structure has proven to be particularly easy to functionalize and enables the efficient adsorption of CO2.
  • aminotrialkoxysilane was well suited for the functionalization of the microporous structure, as this essentially preserved it.
  • a method of making the adsorbent comprising functionalizing activated carbon with aminotrialkoxysilane in a solvent.
  • the method for producing the adsorbent is described, with an alcohol being used as the solvent.
  • the method for producing the adsorbent is described, with methanol being used as the solvent.
  • a process is preferably described in which an acidic or basic pretreatment takes place before the functionalization with the aminotrialkoxysilane.
  • an acidic or basic pretreatment takes place before the functionalization with the aminotrialkoxysilane.
  • Such an essentially microporous structure has proven to be particularly easy to functionalize and enables the efficient adsorption of CO2.
  • the method described is suitable for functionalizing activated carbon with an essentially microporous structure. Preserving the microporous structure of the activated carbon is particularly important for efficient use in the DAC process. This is achieved by the procedure described here, in particular the use of the aminotrialkoxysilane in a methanol solvent. Other functionalization procedures reduce or destroy the microporous structure of the activated carbon.
  • the method for producing the adsorbent is described, the aminotrialkoxysilane being present in an amount of less than 2% by weight, preferably less than 1% by weight, more preferably less than 0.5% by weight, based on the amount of solvent used. Under the further process conditions, such an amount of aminotrialkoxysilane is found to be optimal for the required functionalization.
  • a method for separating CC 1 from air using the adsorbent is described, wherein the adsorbent is brought into contact with atmospheric air in an adsorption step.
  • the method for separating CO2 from the air using the adsorbent is described, the adsorbent being released in a desorption step.
  • the method for separating CO2 from the air using the adsorbent is described, the method being designed as a DAC method.
  • the CO2 obtained can now be reused.
  • the use of renewable raw materials is an effective lever for improving the overall CO2 balance of vehicles.
  • sustainable polymer solutions are becoming increasingly important in the automotive industry based on the life cycle analysis of motor vehicles.
  • the CO2 obtained using the functionalized adsorption material using the DAC process can be used in particular for synthesis purposes.
  • Thermoplastic polymers based on bound CO2 not only have the properties of easy processing, in the form of forming processes, but also a property profile specified for the respective application and have a negative CO2 balance over the product life cycle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a DAC process for separating CO2 from atmospheric air.
  • the DAC device is configured as a single unit comprising the activated carbon adsorbent of the invention functionalized with an aminotrialkoxysilane.
  • the adsorption (10) and desorption or regeneration (20) can take place one after the other.
  • the system With adsorption 10, the system is opened in the first step and atmospheric air flows in without any further aids or with the help of fans. At ambient temperature, CO2 chemically binds to the CC>2 depleted air and exits the system 11. This step is complete when the sorbent of the invention is fully saturated with CO2. In the next step, the fans are switched off, the inlet valve is closed and the residual air is guided out of the system either through a pressure drop 4 by suction or the introduction of steam.
  • the regeneration 20 then takes place by heating the system to a specific temperature 3.
  • the adsorbent according to the invention made from activated carbon which has been functionalized with an aminotrialkoxysilane now effectively releases the CO2.
  • the released CO2 is collected and transported out of the system for cleaning, compression or recycling. To start another cycle, the system should be cooled to ambient conditions.
  • a 0.25% by weight solution of aminotrialkoxysilane (APTM) in methanol is prepared. Then so much activated carbon is added that it just barely completely covered with solution. The solution is then stirred until the methanol has completely evaporated.
  • APTM aminotrialkoxysilane
  • Such an essentially microporous structure has proven to be particularly easy to functionalize and enables the efficient adsorption of CO2.
  • the method described is suitable for functionalizing activated carbon with an essentially microporous structure. Preserving the microporous structure of the activated carbon is particularly important for efficient use in the DAC process. This is achieved by the procedure described here, in particular the use of the aminotrialkoxysilane in a methanol solvent. Other functionalization procedures reduce or destroy the microporous structure of the activated carbon.

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Abstract

Die Erfindung betrifft funktionalisierte Aktivkohle geeignet für die Abscheidung von CO2 aus der Atmosphärenluft, deren Herstellung, sowie deren Verwendung in einem Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus der Luft. Die Aktivkohle ist mit einem Aminopropyltrialkoxysilan funktionalisiert.

Description

Beschreibung
Funktionalisierte Aktivkohle als Adsorptionsmittel für die Abscheidung von CO2 aus der Atmosphärenluft
Die Erfindung betrifft funktionalisierte Aktivkohle geeignet für die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Atmosphärenluft, deren Herstellung, sowie deren Verwendung in einem Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus der Atmosphärenluft.
Die Notwendigkeit, den durch Treibhausgasemissionen verursachten globalen Klimawandel zu verlangsamen, ist sehr dringlich. Vor allem der Anstieg der atmosphärischen CC>2-Werte muss nachhaltig vermieden werden. Neben der Vermeidung und der Reduzierung von CO2 sind Technologien zum Adsorbieren von CO2 aus der Umgebungsluft, bekannt. Insbesondere ist das „Direct Air Capture“ (DAC) geeignet, um durch „negative Kohlenstoffemissionen“ den Anteil an CO2 in der Atmosphärenluft zu reduzieren. Durch die Entwicklung von geeigneten Adsorptionsmaterialien soll eine effiziente und energetisch sinnvolle CC>2-Abscheidung ermöglicht werden.
Eine Herausforderung dabei ist, die Entwicklung von effizienten Adsorptionsmaterialien, die eine hohe CC>2-Adsorptionskapazität aufweisen und einen geringen Energieaufwand für die Desorption benötigen. Insbesondere thermischen Eigenschaften der Adsorptionsmaterialien stellen dabei einen effektiven Stellhebel zur Anwendung von DAC-Technologien im industriellen Maßstab dar.
Aus der US 2013/0095996 A1 , der US 2017/0239609 A1 und der CN 104607073 B1 sind Adsorptionsmaterialien bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind allerdings immer noch nicht zufriedenstellend.
Bekannt sind klassische Adsorptionsmaterialien, welche beispielsweise den Metal Organic frameworks (MOFs), den Zeolithen, aminfunktionalisierte mesoporöse Materialien sowie polymerbasierte Adsorber.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Materialien bereitzustellen, die spezifisch auf die Erfordernisse zugeschnitten sind, welche die industrielle Abscheidung von CO2 aus der Atmosphärenluft, insbesondere die Direct Air Capture-Technologie (DAC-Technologie), stellt und dabei insbesondere hohe Adsorptionskapazität mit ökonomischen Vorteilen zu kombinieren vermag.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Adsorptionsmittel aus Aktivkohle beschrieben, welche mit einem Aminotrialkoxysilan funktionalisiert wurde und geeignet ist, CO2 aus der Luft abzuscheiden.
Klassische Adsorptionsmaterialien, beispielsweise die Metal Organic Frameworks (MOFs), Zeolithe sowie Polymere, weisen eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Durch diesen Umstand wird deutlich mehr Zeit und Energie zum Heizen und Kühlen benötigt. Beides wirkt sich negativ auf die Effizienz der Adsorptionsmaterialien aus, insbesondere im Falle der DAC- Technologie.
Die hier beschriebenen aminfunktionalisierten Adsorptionsmittel bieten demgegenüber eine effiziente Möglichkeit, eine hohe Adsorptionskapazität mit ökonomischen Vorteilen zu kombinieren. Es wurde nun im Zusammenhang mit der Erfindung gefunden, dass dies insbesondere durch die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit ermöglicht wird. Um die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid aus der Luft energetisch effizient zu gestalten, ist es wichtig, dass die Adsorptionsmaterialien so gewählt werden, dass für die Desorption und die dazugehörigen Aufheiz- und Abkühlphase die Energie auf ein Minimum reduziert wird. Dabei spielen auch die thermischen Eigenschaften der Adsorptionsmaterialien eine entscheidende Rolle. Eben dies wird durch die vorliegende Erfindung erreicht.
Aktivkohle im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist brennbar und besteht überwiegend aus Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoffanteil bevorzugt bei wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere bei wenigsten 95 Gew.-%, vorzugsweise bei wenigsten 98 Gew.-%, liegt. Die Aktivkohle weist eine poröse Struktur auf, wobei die Poren offenporig und wie bei einem Schwamm untereinander verbunden sind. Die innere Oberfläche beträgt bevorzugt zwischen 300 und 2000 m2/g Kohle. Die Dichte der Aktivkohle liegt bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 0,6 g/cm3.
Bevorzugt wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Stoff mit einem Kohlenstoffanteil von wenigstens 90%, einer innen Oberfläche von 300 und 2000 m2/g sowie einer Dichte in einem Bereich von 0,2 bis 0,6 g/cm3 als „Aktivkohle“ bezeichnet. Aktivkohle kann aus verschiedenen Quellen gewonnen werden. Zumeist wird diese aus pflanzlichen, tierischen, mineralischen oder petrochemischen Stoffen wie Braun-, Steinkohle hergestellt. Es sind im Stand der Technik verschiedene Arten von Aktivkohle bekannt. Solche Ausgangsmaterialien wie Holz, Torf, Kokosfaser und Nussschalen wird auch als Pflanzenkohle bezeichnet. Als Tierkohle wird Aktivkohle bezeichnet, die aus tierischem Material hergestellt wird. Mit Zuckerkohle wird eine Aktivkohle bezeichnet, die aus Glucose oder einem anderen Zucker als Ausgangsprodukt hergestellt wird.
Für die Herstellung und Aktivierung sind die Gasaktivierung und die chemische Aktivierung zu nennen. Bei der Herstellung mit chemischer Aktivierung wird ein Gemisch von unverkohltem Ausgangsmaterial mit Chemikalien behandelt. Dies geschieht im Allgemeinen durch Verwendung mit Dehydratisierungsmitteln, insbesondere Zinkchlorid oder Phosphorsäure, bei vorzugsweise 500 bis 900 °C. Ein anderes Verfahren ist die trockene Destillation, auch Verkokung, bei der das Material in einer sauerstofffreien Atmosphäre erhitzt und flüchtige Bestandteile bei Temperaturen um die 800 °C ausgetrieben werden. Die so erhaltene Rohaktivkohle wird anschließend oxidativ aktiviert bei 700 bis 1000 °C mit Wasserdampf oder Kohlendioxid, zum Teil auch mit Luft. Bei dieser Aktivierung wird ein Teil des Kohlenstoffs nach dem Wassergasverfahren in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt, wodurch zusätzliche Poren entstehen und die Oberfläche der Kohle vergrößert wird.
Die gewonnene Aktivkohle kann insbesondere zur Herstellung des erfindungsgemäßen Adsorptionsmittels eingesetzt werden.
Bevorzugt weist das Adsorptionsmittel wenigstens einen Aktivkohlegehalt von 80 Gew.-%, insbesondere mindestens 85 Gew.-%, bezogen auf die Masse des gesamten Adsorptionsmittel, auf. Weiter bevorzugt besteht das Adsorptionsmittel aus Aktivkohle und unterscheidet sich von Substraten, die nur mit Aktivkohle beschichtet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionsmaterial beschrieben, wobei das Aminotrialkoxysilan ein (3-Aminoalkyl)trialkoxysilan ist.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Aminotrialkoxysilan ein (3- Aminoalkyl)triethoxysilan. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Aminotrialkoxysilan ein (3- Aminopropyl)trialkoxysilan.
Gemäß einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Aminotrialkoxysilan ein (3- Aminopropyl)triethoxysilan.
Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Adsorptionsmaterial beschrieben, wobei die Aktivkohle als im Wesentlichen mikroporöse Aktivkohle ausgebildet ist.
Die Porosität ist ein physikalisch relevanter Parameter zur Beschreibung. Die Porosität, oder Porenanteil, ist ein Maß für die Poren, und damit die freien Räume, in einem Material. Es ist der Bruchteil des Volumens der Poren über das Gesamtvolumen und nimmt Werte zwischen 0 und 1 oder als Prozentsatz zwischen 0 % und 100 % an. Bei empirischen Messungen der Porosität wird in der Regel der "zugängliche Hohlraum" bestimmt, der gesamte von der Oberfläche her zugängliche Hohlraum.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bezieht sich die Porosität auf den gesamten Hohlraum der Aktivkohle. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform bezieht sich die Porosität auf den für Gase, insbesondere CO2 zugänglichen Hohlraum. Die Messung der inneren Oberfläche kann hier durch Gasbindung bestimmt werden, insbesondere durch Adsorption von CO2.
Bezüglich der Porosität, gemäß deren mittleren Durchmessers, wird eine Einteilung in Klassen vorgenommen: Mikroporen von nicht mehr als 2 nm, Mesoporen von 2 bis 50 nm und Makroporen von über 50 nm.
Als mittlerer Durchmesser der Poren wird in diesem Zusammenhang auf den Durchmesser einer Pore abgestellt, also den gemittelten diametralen Abstand zweier Punkte am Poreneingang.
Mesoporen sind die Zugangswege für Gase oder Flüssigkeiten in das Innere der Kohlen und wesentlich an Diffusions- und Stofftransportvorgängen in tieferliegende Bereiche des Korns beteiligt.
Bevorzugt weist die Aktivkohle eine im Wesentlichen mesoporöse Struktur auf. Als „im Wesentlichen mesoporös“ wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Aktivkohle mit einem Anteil von mesoporösen Poren bezogen auf die Gesamtanzahl von Poren von wenigstens 50 % bezeichnet, weiter bevorzugt von wenigstens 70 %.
Ein solche im Wesentlichen mikroporöse Struktur hat sich als besonders gut funktionalisierbar gezeigt und ermöglicht die effiziente Adsorption von CO2. Insbesondere war Aminotrialkoxysilan gut für Funktionalisierung der mikroporösen Struktur geeignet, da diese hierdurch im Wesentlichen erhalten blieb.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittel, wobei das Verfahren die Funktionalisierung von Aktivkohle mit Aminotrialkoxysilan in einem Lösungsmittel umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittels beschrieben, wobei als Lösungsmittel ein Alkohol verwendet wird. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittels beschrieben, wobei als Lösungsmittel Methanol verwendet wird.
Bevorzugt wird ein Verfahren beschrieben, wobei vor der Funktionalisierung mit dem Aminotrialkoxysilan eine saure oder basische Vorbehandlung stattfindet. Hierdurch können die Vorteile der Funktionalisierung noch besser genutzt werden. Funktionalisierung und Vorbehandlung sind damit aufeinander abgestimmt.
Eine solche im Wesentlichen mikroporöse Struktur hat sich als besonders gut funktionalisierbar gezeigt und ermöglicht die effiziente Adsorption von CO2. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren geeignet, um Aktivkohle mit im Wesentlichen mikroporöser Struktur zu funktionalisieren. Dabei ist insbesondere der Erhalt der mikroporösen Struktur der Aktivkohle für die effiziente Verwendung im DAC Verfahren wichtig. Dies wird durch die hier beschriebene Verfahrensführung, insbesondere die Verwendung des Aminotrialkoxysilan in einem Methanol Lösungsmittel erreicht. Andere Verfahrensführungen der Funktionalisierung verminderten oder zerstören die mikroporöse Struktur der Aktivkohle.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittels beschrieben, wobei das Aminotrialkoxysilan in einer Menge von weniger als 2 Gew.-%, bevorzugt weniger als 1 Gew-%, weiter bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-% bezogen auf die Menge an Lösungsmittel eingesetzt wird. Eine solche Menge an Aminotrialkoxysilan zeigt sich unter den weiteren Prozessbedingungen als optimal für die erforderliche Funktionalisierung.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Abscheidung von CC^aus der Luft unter Verwendung des Adsorptionsmittels beschrieben, wobei das Adsorptionsmittel in einem Adsorptionsschritt mit atmosphärischer Luft in Kontrakt gebracht wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus der Luft unter Verwendung des Adsorptionsmittels beschrieben, wobei das Adsorptionsmittel in einem Desorptionsschritt freigesetzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus der Luft unter Verwendung des Adsorptionsmittels beschrieben, wobei das Verfahren als DAC- Verfahren ausgebildet ist.
Das gewonnene CO2 kann nun weiterverwendet werden. Zur Verbesserung der Gesamt-CO2- Bilanz von Fahrzeugen ist der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen ein effektiver Stellhebel. Nachhaltige Polymerlösungen besitzen in diesem Zuge eine immer stärkere Bedeutung in der Automobilindustrie anhand der Lebenszyklusanalyse von Kraftfahrzeugen.
Das unter Verwendung des funktionalisierten Adsorptionsmaterials mittels DAC Verfahren gewonnene CO2 kann insbesondere zu Synthesezwecken verwendet werden.
Thermoplastische Polymere auf Basis von gebundenem CO2 besitzen neben den Eigenschaften der leichten Verarbeitbarkeit, in Form von Umformungsprozessen, auch ein auf die jeweilige Anwendung spezifiziertes Eigenschaftsprofil und besitzen über den Produktlebenszyklus eine negative CO2-Bilanz.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigt: Figur 1 Schematische Darstellung einer Ausführungsform des DAC-Verfahrens zur
Abscheidung von CC^ aus der Atmosphärenluft mittels Adsoption an dem erfindungsgemäßen Adsoprtionsmittel
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines DAC-Verfahrens zur Abscheidung von CO2 aus der Atmosphärenluft.
Die DAC-Vorrichtung ist hier als eine einzige Einheit umfassend das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel aus Aktivkohle, welche mit einem Aminotrialkoxysilan funktionalisiert wurde, ausgebildet. Die Adsorption (10) und Desorption bzw. Regeneration (20) können nacheinander erfolgen.
Bei der Adsorption 10 wird das System im ersten Schritt geöffnet und Atmosphärenluft strömt ohne weitere Hilfsmittel oder mit Hilfe von Lüftern ein. Bei Umgebungstemperatur bindet CO2 chemisch an die CC>2-verarmte Luft und verlässt das System 11. Dieser Schritt ist abgeschlossen, wenn das erfindungsgemäße Sorptionsmittel vollständig mit CO2 gesättigt ist. Im nächsten Schritt werden die Ventilatoren abgeschaltet, das Einlassventil geschlossen und die Restluft wahlweise durch einen Druckabfall 4 durch Absaugen oder Einbringen von Dampf aus dem System geführt.
Anschließend erfolgt die Regeneration 20, indem das System auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird 3. Das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel aus Aktivkohle, welche mit einem Aminotrialkoxysilan funktionalisiert wurde, setzt nun das CO2 wirksam frei. Das freigesetzte CO2 wird gesammelt und zur Reinigung, Komprimierung oder Verwertung aus dem System transportiert. Um einen weiteren Zyklus zu starten, sollte das System auf Umgebungsbedingungen abgekühlt werden.
Sowohl während der Adsorption 10 als auch während der Desorption 20 wird elektrische Energie für den Betrieb der Anlage eingespeist 2, 5.
Die im oben beschriebenen DAC Verfahren eingesetzte funktionalisierte Aktivkohle wird folgendermaßen erhalten:
Es wird eine 0,25 Gew.-% Lösung von Aminotrialkoxysilan (APTM) in Methanol hergestellt. Anschließend wird so viel aktivierte Aktivkohle hinzugegeben, dass diese gerade noch vollständig mit Lösung bedeckt ist. Anschließend wird die Lösung gerührt, solange bis das Methanol vollständig verdampft ist.
Eine solche im Wesentlichen mikroporöse Struktur hat sich als besonders gut funktionalisierbar gezeigt und ermöglicht die effiziente Adsorption von CO2. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren geeignet, um Aktivkohle mit im Wesentlichen mikroporöser Struktur zu funktionalisieren. Dabei ist insbesondere der Erhalt der mikroporösen Struktur der Aktivkohle für die effiziente Verwendung im DAC Verfahren wichtig. Dies wird durch die hier beschriebene Verfahrensführung, insbesondere die Verwendung des Aminotrialkoxysilan in einem Methanol Lösungsmittel erreicht. Andere Verfahrensführungen der Funktionalisierung verminderten oder zerstören die mikroporöse Struktur der Aktivkohle.
Bezugszeichenliste
Atmosphärenluft
Elektrizitätseintrag Adsorption
Wärmeintrag
Druckabfall
Elektrizitätseintrag Regeneration
Adsorptionsphase
Austrag von an CO2 verarmter Luft
Austrag von reinem CO2
Wasseraustrag
Regenerationsphase

Claims

Patentansprüche Adsorptionsmittel aus Aktivkohle, welche mit einem Aminotrialkoxysilan funktionalisiert wurde, zur Abscheidung von CC^aus der Luft. Adsorptionsmaterial gemäß Anspruch 1, wobei das Aminotrialkoxysilan ein (3- Aminopropyl)triethoxysilan ist. Adsorptionsmaterial gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Aktivkohle als im Wesentlichen mikroporöse Aktivkohle ausgebildet ist. Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittels gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren die Funktionalisierung von Aktivkohle mit Aminotrialkoxysilan in einem Lösungsmittel umfasst. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei vor der Funktionalisierung mit dem Aminotrialkoxysilan eine saure oder basische Vorbehandlung stattfindet. Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittels gemäß dem vorhergehenden Anspruch 4 oder 5, wobei als Lösungsmittel ein Alkohol, bevorzugt Methanol, verwendet wird. Verfahren zur Herstellung des Adsorptionsmittels gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, wobei das Aminotrialkoxysilan in einer Menge von weniger als 2 Gew.-%, bevorzugt weniger als 1 Gew-%, weiter bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-% bezogen auf die Menge an Lösungsmittel eingesetzt wird. Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus der Luft unter Verwendung des Adsorptionsmittels gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das Adsorptionsmittel in einem Adsorptionsschritt (10) mit atmosphärischer Luft in Kontakt gebracht wird. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Adsorptionsmittel in einem Desorptionsschritt (20) freigesetzt wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden beiden Ansprüche 8 oder 9, wobei das Verfahren als DAC-Verfahren ausgebildet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7767004B2 (en) 2005-03-11 2010-08-03 University Of Ottawa Functionalized adsorbent for removal of acid gases and use thereof
US9457340B2 (en) 2011-10-06 2016-10-04 Basf Corporation Methods of applying a sorbent coating on a substrate, a support, and/or a substrate coated with a support
ES2436856B1 (es) * 2012-05-31 2014-09-29 Instalaciones Inabensa, S.A. Carbón mesoestructurado funcionalizado con grupos amino, método de síntesis y aplicación en captura de CO2
CN103143333A (zh) 2013-03-13 2013-06-12 河海大学 一种活性炭吸附剂的改性方法及其应用
JP2016041985A (ja) 2014-08-14 2016-03-31 富士通株式会社 吸着式ヒートポンプ用吸着剤、及びその製造方法、並びに吸着式ヒートポンプ
CN107073384B (zh) 2014-09-12 2020-07-31 庄信万丰股份有限公司 用于交通工具的乘客舱室中的空气的二氧化碳去除的系统和方法
CN104607073B (zh) 2014-12-26 2016-11-16 清华大学 一种用于从含有co2的溶液中解吸co2的膜及其制备方法
FR3061708B1 (fr) * 2017-01-06 2021-10-22 Commissariat Energie Atomique Procede de preparation de materiaux hybrides cœur-coquille
KR102071820B1 (ko) * 2019-04-02 2020-01-30 한국철도기술연구원 항균 및 항바이러스 기능이 부여된 활성 탄소 섬유의 제조방법
WO2020254208A1 (en) 2019-06-21 2020-12-24 Climeworks Ag Adsorber structure for gas separation processes
CN111559745A (zh) * 2019-11-15 2020-08-21 湖南城市学院 一种吸附co2的固体材料go的制备与改性方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SAARONI MUHAMMAD ZUBAIR ABDUL WAHAB ET AL: "CO2 Adsorption Using 3-Triethoxysilylpropylamine (APTES)-Modified Commercial Rice Husk Activated Carbon", 6TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ENVIRONMENT (ICENV2018): EMPOWERING ENVIRONMENT AND SUSTAINABLE ENGINEERING NEXUS THROUGH GREEN TECHNOLOGY, vol. 2124, 23 July 2019 (2019-07-23), pages 1 - 7, XP093379826, DOI: 10.1063/1.5117089 *

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