EP4519009A1 - Adsorptionstextil zur adsorption von kohlendioxid, system sowie verwendung eines solchen - Google Patents
Adsorptionstextil zur adsorption von kohlendioxid, system sowie verwendung eines solchenInfo
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Definitions
- the invention relates to an adsorption textile for the adsorption of carbon dioxide (CO2) comprising a core layer, a heat-conducting layer and an adsorber layer, the production of such a textile, a system comprising such a textile, and the use of the textile to obtain CO2.
- 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 input for desorption.
- thermal properties of the adsorption materials represent an effective lever for the application of DAC technologies on an industrial scale.
- Classic adsorption materials include, for example, metal organic frameworks (MOFs), zeolites, amine-functionalized materials and polymer-based adsorbers.
- MOFs metal organic frameworks
- zeolites zeolites
- amine-functionalized materials amine-functionalized materials
- polymer-based adsorbers polymer-based adsorbers.
- the invention is based on the object of providing materials that are specifically tailored to the requirements of the separation of CC ⁇ from the atmospheric air, in particular direct air capture technology (DAC technology), and in particular high adsorption capacity with economical able to combine advantages.
- DAC technology direct air capture technology
- an adsorption textile for adsorbing carbon dioxide comprising: at least one core layer; at least one thermally conductive layer disposed on the at least one core layer; and at least one adsorber layer which is arranged on the at least one thermally conductive layer, wherein the at least one adsorber layer is designed to adsorb and/or desorb carbon dioxide from air.
- the coating shortens the cooling phase and heating phase and results in a lower energy requirement due to the good thermal conductivity compared to the conventional solutions from the prior art.
- the core layer serves as a carrier for the adsorption coating.
- non-metallic textile materials have insufficient thermal conductivity, which means that significantly more time and energy are required for heating and cooling. Both have a negative effect on the efficiency of the adsorption materials. Therefore, according to the invention, the adsorption textile has a thermally conductive coating.
- Classic adsorption materials such as metal organic frameworks (MOFs), zeolites and polymers, have relatively low thermal conductivity. Due to this fact, significantly more time and energy is required for heating and cooling. Both have a negative effect on the efficiency of the adsorption materials, especially in the case of DAC technology.
- the amine-functionalized adsorbents described here offer an efficient way to combine high adsorption capacity with economic advantages. It has now been found in connection with the invention that this is made possible in particular by adjusting the thermal conductivity.
- the adsorption materials are selected in such a way that the energy for desorption and the associated heating and cooling phase is reduced to a minimum.
- the thermal properties of the adsorption materials also play a crucial role. This is precisely what is achieved by the present invention.
- the adsorption textile is described, wherein the at least one core layer comprises a fiber material.
- the adsorption textile is described, wherein the at least one core layer comprises glass fiber.
- Glass fiber has roughly comparable mechanical properties to other fibers such as polymers and carbon fiber.
- the glass fiber can be used in composite materials. In this case it is cheaper and significantly less brittle.
- the high modulus of elasticity is used to improve the mechanical properties of plastics.
- a combination of glass fibers and plastic fibers is described as a possible embodiment in order to optimize the carrier properties of the core layer.
- glass fibers are resistant to aging and weathering, chemically resistant and non-flammable.
- the adsorption textile is described, wherein the at least one core layer comprises plastic fiber.
- Polyester fiber is particularly preferred. However, mixed artificial and natural fiber can also be used. Examples include compositions made of cotton or 80% cotton and 20% polyester.
- the adsorption textile is described, wherein the at least one core layer is designed as a woven fabric, scrim, nonwoven or knitted fabric.
- a fabric is a textile that is created by weaving.
- woven fabrics are made using a loom and consist of numerous threads woven into warp and weft.
- a woven fabric is defined here as a fabric made by interlacing two or more threads at substantially right angles to each other.
- Woven fabrics in the context of the invention can consist of both natural and synthetic fibers and are often made from a mixture of both.
- the adsorption textile is described, wherein the adsorption textile is permeable to gas. According to a preferred embodiment, the adsorption textile is described, wherein the adsorption textile is permeable to air.
- the fibrous structure of the adsorption textile advantageously enables the adsorption textile to be permeable to gas. This allows the adsorption textile to be loaded with carbon dioxide after ambient air is admitted while the air flows through the textile.
- the adsorber layer has at least one amine as adsorber material.
- Polyethyleneimine or corresponding derivatives are particularly preferred. These are particularly suitable as functionalized coatings, as the entanglement of the polymer does not necessarily mean that there is a covalent bond.
- the adsorption textile is described, wherein the adsorption textile comprises a heating-cooling element.
- the core layer is preferably designed as a continuous fiber, with the fiber having interruptions in order to integrate the heating-cooling element in the textile.
- a continuous process is preferably represented by different fiber sections.
- the adsorption textile is described, wherein the heating-cooling element is designed as a Peltier element.
- the temperature difference can preferably be at least 20 K, more preferably at least 40 K and even more preferably at least 70 K and even more preferably at least 100 K.
- the element is preferably designed in multiple stages. Peltier elements are also called thermoelectric coolers.
- the method is described, wherein the provision of the at least one thermally conductive layer takes place in one step when the core layer is provided by means of fiber spinning.
- the processes for producing chemical fibers using fiber spinning can be divided into: solution spinning processes, melt spinning processes and dispersion spinning processes.
- the latter are also known as matrix spinning processes.
- Solution spinning is a process for spinning non-fusible polymers by transferring them into solution. A distinction is made between two processes: wet spinning and dry spinning.
- the spinning mass is produced by dissolving the polymer or a derivative of this polymer in a suitable solvent. This spinning mass is pressed through holes in a spinneret. During the wet spinning process, the resulting jets of spinning solution are solidified into filaments by the solvent transferring into the spinning bath.
- the solution usually contains between 5 and 40% by weight, primarily 20 to 25% by weight, of solids. The solvent is recovered during spinning.
- the method is described, wherein the provision of the at least one thermally conductive layer takes place by means of thermal vapor deposition of the core layer with a thermally conductive material.
- a system which has: a chamber and an adsorption textile, wherein the adsorption textile is at least partially arranged within the chamber.
- the system is described, wherein the adsorption textile is at least partially arranged outside the chamber and the adsorption textile comprises at least one heating-cooling element, in particular a Peltier element, which is arranged outside the chamber.
- the use of the system is described comprising the steps of: inlet of ambient air to load the adsorption textile with carbon dioxide and outlet of carbon dioxide-depleted air.
- the system is described, the use of the system further comprising the step: regeneration of the adsorption textile, wherein the carbon dioxide bound to the adsorption textile is released by it.
- a method for capturing CO2 from air using the adsorbent is described, wherein the adsorbent is brought into contract with atmospheric air in an adsorption step.
- the method for separating CO2 from the air using the adsorbent is described, with the CO2 being released in a desorption step.
- the process for separating CO2 from the air using the adsorbent is described, the process being designed as a DAC process.
- the CO2 obtained can now be used further.
- 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 also have a property profile that is specific to the respective application and have a negative CO2 balance over the product life cycle.
- Figure 1 is a schematic representation of the DAC process for separating CO2 from atmospheric air
- Figure 2 shows an adsorption textile according to the invention according to one embodiment
- Figure 3 shows an adsorption textile according to the invention according to another
- Figure 4 shows a block diagram for a method for producing an adsorption textile according to the invention
- Figure 5 shows a system comprising an adsorption textile according to the invention according to one embodiment
- Figure 6 shows a system comprising an adsorption textile according to the invention according to a further embodiment
- Figure 7 shows a block diagram for a use of the adsorption textile according to the invention.
- Figure 8 shows the use of a system with absorption textile according to the invention.
- Figure 1 shows a schematic representation of a DAC process for separating CO2 from atmospheric air.
- the conventional DAC device is designed here as a single unit comprising an adsorbent.
- 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 additional aids or with the help of fans.
- CO2 binds chemically and the CO2-depleted air leaves the system 11.
- This step is completed when the adsorbent according to the invention is completely saturated with CO2.
- the fans are switched off, the inlet valve is closed and the remaining air is removed from the system either through a pressure drop 4 by suction or by introducing steam.
- Regeneration 20 then takes place by heating the system to a certain temperature 3. This now effectively releases the CO2.
- the released CÜ2 is collected and transported out of the system for cleaning, compression or recycling.
- the system should be cooled to ambient conditions.
- FIG. 2 shows an adsorption textile according to the invention according to one embodiment.
- the adsorption textile 30 is suitable for adsorbing carbon dioxide and has a core layer 32.
- This core layer 32 serves as a carrier layer.
- At least one thermally conductive layer 34 is arranged on said core layer 32.
- At least one adsorber layer 36 is arranged on the at least one thermally conductive layer 34. This adsorber layer 36 is designed to adsorb carbon dioxide from air and to desorb it again in a later regeneration cycle. In this way, for example, previously absorbed CO2 can be obtained in the sense of a DAC process and can therefore be obtained in an ecologically advantageous manner.
- Classic adsorption materials can be used for the adsorber layer, which include, for example, metal organic frameworks (MOFs), zeolites, amine-functionalized materials and polymer-based adsorbers.
- MOFs metal organic frameworks
- polyethyleneimines or corresponding derivatives are particularly preferred. These are particularly suitable as functionalized coatings, as the entanglement of the polymer does not necessarily mean that there is a covalent bond.
- the adsorption textile 30 is designed as a woven fabric, scrim, fleece or knitted fabric and comprises a fibrous material. Glass fiber and plastic fiber, in particular polyester fiber, are preferably used.
- a fabric is a textile that is created by weaving.
- woven fabrics are made using a loom and consist of numerous threads woven into warp and weft.
- the fibrous structure of the adsorption textile allows the adsorption textile 30 to be permeable to gas.
- the textile 30 is permeable to air. This enables the adsorption textile 30 to be loaded with carbon dioxide after ambient air has been admitted while the air flows through the textile 30. The carbon dioxide-depleted air can finally be expelled again through a suitable outlet. This in turn is a prerequisite for the appropriate regeneration of the adsorption textile, whereby the carbon dioxide bound to the adsorption textile 30 is released by it.
- Figure 4 shows a block diagram for a method for producing an adsorption textile 30 according to the invention.
- the at least one core layer 32 is first provided S32.
- a provision S34 of the at least one thermally conductive layer 34 on the at least one core layer 32 is followed by a provision S34 of the at least one thermally conductive layer 34 on the at least one core layer 32.
- a further step is then a provision S36 of the at least one adsorber layer 36 on the at least one thermally conductive layer 34.
- the provision S34 of the at least one thermally conductive layer 34 can be done in one step already when providing S32 of the core layer 32 by means of fiber spinning.
- the at least one thermally conductive layer 34 is provided by thermal vapor deposition of the core layer 32 with a thermally conductive material.
- the fiber is vaporized with thermally conductive material, in particular precious metals, copper, silver, gold, electroplating, alloys, graphite and/or DLC can be used.
- thermally conductive material in particular precious metals, copper, silver, gold, electroplating, alloys, graphite and/or DLC can be used.
- the use of fibers as carriers for the adsorption coating creates a high surface area, with the disadvantage that both glass fibers and plastic fibers have insufficient thermal conductivity. Time- and energy-consuming heating and cooling has a negative impact on the efficiency of the adsorption process. Therefore, the invention described here, which combines the fiber-containing core layer with a thermally conductive coating, is particularly advantageous.
- Figure 5 shows a system comprising an adsorption textile 30 according to the invention according to one embodiment.
- the system has a chamber 40 and an adsorption textile 30, whereby the adsorption textile 30 is only partially arranged within the chamber 40.
- the adsorption textile 30 is at least partially arranged outside the chamber 40.
- the adsorption textile 30 can thus comprise at least one heating-cooling element 38, in particular a Peltier element, which is arranged outside the chamber 40. This enables selective and efficient heating and cooling, whereby in particular the heat-conducting coating can be used thermally efficiently to introduce thermal energy into the chamber and to dissipate it again.
- Figure 6 shows a system comprising an adsorption textile 30 according to the invention according to a further embodiment.
- the system has chamber 40 here.
- the chamber 40 has a first side 42 with an inlet 43.
- the chamber 40 has a second side 44 with an outlet 45.
- Ambient air 50 can be introduced into the chamber through the inlet 43 of the first side 42 to bind to the adsorption textile 30.
- FIG. 7 shows a block diagram for using the adsorption textile 30 according to the invention.
- ambient air S62 is first introduced in order to load the adsorption textile 30 with carbon dioxide S63.
- Carbon dioxide-depleted air is released from the system via the outlet.
- the regeneration S66 of the adsorption textile 30 takes place, with the carbon dioxide bound to the adsorption textile 30 being released by it. Due to the special structure of the adsorption textile 30, the desorption cycles can be selected to be very short, in the range of minutes, whereby only the surface is heated and the fiber is not yet heated. This is particularly advantageous in terms of energy, as the heating-cooling phases can be reduced.
- Figure 8 shows a representation of the use of a system with an adsorption textile 30 according to the invention.
- the chamber 40 has a first side 42 with an inlet 43, with ambient air 50 being introduced into the chamber through the inlet 43 of the first side 42 in order to bind to the adsorption textile 30.
- the fibrous structure of the adsorption textile 30 allows the adsorption textile 30 to be permeable to gas.
- the textile 30 is permeable to air. This enables the adsorption textile 30 to be loaded with carbon dioxide after ambient air has been admitted while the air flows through the textile 30.
- the chamber 40 has a second side 44 with an outlet 45.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Adsorptionstextil (30) zur Adsorption von CO2 aufweisend wenigstens eine Kernschicht (32) sowie wenigstens eine wärmeleitfähige Schicht (34), welche auf der wenigstens einen Kernschicht (32) angeordnet ist sowie wenigstens eine Adsorberschicht (36), welche auf der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht (34) angeordnet ist. Die wenigstens eine Adsorberschicht (36) ausgebildet ist, CO2 aus der Luft zu absorbieren und/oder zu desorbieren. Ferner wird ein Herstellungsverfahren für ein solches Textils als auch ein System umfassend ein solches Textil und dessen Verwendung beschrieben. Die Erfindung ermöglicht die ökologische effiziente Gewinnung von CO2.
Description
Beschreibung
Adsorptionstextil zur Adsorption von Kohlendioxid, System sowie Verwendung eines solchen
Die Erfindung betrifft ein Adsorptionstextil zur Adsorption von Kohlendioxid (CO2) umfassend eine Kernschicht, eine wärmeleitende Schicht und eine Adsorberschicht, die Herstellung eines solchen Textils, ein System umfassend ein solches Textil, sowie die Verwendung des Textils zu Gewinnung von CO2.
Die Notwendigkeit, den durch Treibhausgasemissionen verursachten globalen Klimawandel zu verlangsamen, ist 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 thermische Eigenschaften der Adsorptionsmaterialien stellen dabei einen effektiven Stellhebel zur Anwendung von DAC-Technologien im industriellen Maßstab dar.
In der US 2018 / 0214 822 A1 wird ein DAC Verfahren beschrieben. Aus der US 2013 / 0 095 996 A1, der US 2017 / 0239609 A1 und der CN 104 607 073 B1 sind Adsorptionsmaterialien bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind allerdings immer noch nicht zufriedenstellend.
Bekannt sind klassische Adsorptionsmaterialien, welche beispielsweise die Metal Organic Frameworks (MOFs), Zeolithen, aminfunktionalisierte Materialien sowie polymerbasierte Adsorber umfassen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Materialien bereitzustellen, die spezifisch auf die Erfordernisse zugeschnitten sind, welche die Abscheidung von CC^ 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 Erfindung.
Gemäß einem Aspekt wird ein Adsorptionstextil zur Adsorption von Kohlendioxid beschrieben aufweisend: wenigstens eine Kernschicht; wenigstens eine wärmeleitfähige Schicht, welche auf der wenigstens einen Kernschicht angeordnet ist; und wenigstens einer Adsorberschicht, welche auf der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Adsorberschicht ausgebildet ist, Kohlendioxid aus Luft zu adsorbieren und/oder zu desorbieren.
Insbesondere kommt es zu einer Verkürzung der Abkühlphase und Aufheizphase durch die Beschichtung zu einem geringeren Energiebedarf aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit verglichen zu den herkömmlichen Lösungen aus dem Stand der Technik.
Ein Textil ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein flexibles Material, das durch die Schaffung eines ineinandergreifenden Bündels von Garnen oder Fäden hergestellt wird, die durch Spinnen von Rohfasern, entweder aus natürlichen oder synthetischen Quellen, zu langen und gedrehten Längen hergestellt werden. Textilien werden dann durch Weben, Stricken, Häkeln, Knüpfen, Occhi, Filzen, Kleben oder Flechten dieser Fäden gebildet.
Die Kernschicht dient im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als Träger für die Adsorptionsbeschichtung. Jedoch weisen nicht-metallische textile Materialien eine unzureichende Wärmeleitfähigkeit auf, womit deutlich mehr Zeit und Energie zum Heizen und Kühlen benötigt wird. Beides wirkt sich negativ auf die Effizienz der Adsorbtionsmaterialien aus. Daher weist das Adsorptionstextil erfindungsgemäß eine wärmeleitfähige Beschichtung auf.
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 dazugehörige 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.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei die wenigstens eine Kernschicht ein Fasermaterial umfasst.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei die wenigstens eine Kernschicht Glasfaser umfasst.
Glasfaser hat in etwa vergleichbare mechanische Eigenschaften wie andere Fasern wie Polymere und Kohlefaser. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Glasfaser in Verbundwerkstoffen verwendet werden. In diesem Fall ist sie billiger und deutlich weniger spröde. Das hohe Elastizitätsmodul nutzt man, um die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen zu verbessern. Insbesondere wird als mögliche Ausführungsform eine Kombination von Glasfasern und Kunststofffasern beschrieben, um die Trägereigenschaften der Kernschicht zu optimieren.
Vorteilhaft an der Verwendung von Glasfasern ist, dass diese alterungsbeständig und witterungsbeständig, chemisch resistent und unbrennbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei die wenigstens eine Kernschicht Kunststofffaser umfasst.
Besonders bevorzugt ist dabei Polyesterfaser. Allerdings kann auch gemischt künstliche und natürliche Faser verwendet werden. Beispielhaft sind Zusammensetzungen aus Baumwolle oder 80 % Baumwolle und 20 % Polyester.
Eine Möglichkeit, um eine große Oberfläche und damit auch eine gute CO2-Aufnahmekapazität zu generieren, ist die Nutzung von Fasern als Träger für die Adsorptionsbeschichtung. Jedoch
weisen sowohl Glasfasern als auch Kunststofffasern unzureichende 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. Daher ist die hier beschriebene Ausführungsform gemäß der Erfindung, welche sowohl eine faserhaltige Kernschicht als auch eine wärmeleitfähige Beschichtung aufweist, besonders vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei die wenigstens eine Kernschicht als Gewebe, Gelege, Vlies oder Gestrick ausgebildet ist.
Als Gewebe wird im Zusammenhang mit der Erfindung ein Textil bezeichnet, das durch Weben entsteht. Gewebte Stoffe werden beispielsweise mit einem Webstuhl hergestellt und bestehen aus zahlreichen Fäden, die in Kette und Schuss gewebt werden. Ein gewebter Stoff wird hier als ein Stoff, der durch Verflechten von zwei oder mehr Fäden in einem im wesentlich rechten Winkel zueinander hergestellt wird. Gewebte Stoffe können im Zusammenhang mit der Erfindung sowohl aus natürlichen als auch aus synthetischen Fasern bestehen und werden oft aus einer Mischung aus beidem hergestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei das Adsorptionstextil durchlässig für Gas ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei das Adsorptionstextil durchlässig für Luft ist.
Die faserartige Struktur des Adsorptionstextils ermöglicht vorteilhafterweise, dass das Adsorptionstextil durchlässig für Gas ist. Dies ermöglicht, dass nach Einlass von Umgebungsluft, das Adsorptionstextil mit Kohlenstoffdioxid beladen werden kann, während die Luft durch das Textil strömt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Adsorberschicht wenigstens ein Amin als Adsorbermaterial auf. Besonders bevorzugt sind dabei Polyethylenimin oder entsprechende Derivate. Diese eignen sich besonders gut als funktionalisierte Beschichtung, da durch das Verknäueln des Polymers nicht zwingend eine kovalente Anbindung vorliegen muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei das Adsorptionstextil ein Heiz-Kühlelement umfasst.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei das Adsorptionstextil ein Heiz-Kühlelement umfasst, wobei das Heiz-Kühlelement mit der
wärmeleitfähigen Beschichtung verbunden ist, wobei das Textil an dieser Stelle keine Adsorberschicht aufweist. Mit anderen Worten ist das Textil an dieser Stelle frei von einer Adsorberschicht.
Dies hat den Vorteil, dass das Adsorptionstextil wenigstens teilweise außerhalb der Kammer angeordnet werden kann, wobei das wenigstens eine Heiz-Kühlelement, insbesondere das Peltier-Element, außerhalb der Kammer angeordnet werden kann. Hierdurch wird, wie weiter unten beschrieben, eine selektive und effiziente Aufheizung und Abkühlung ermöglicht.
Bevorzugt ist die Kernschicht als Endlosfaser ausgebildet, wobei die Faser Unterbrechungen aufweist, um das Heiz-Kühlelement in dem Textil zu integrieren. Bevorzugt wird ein kontinuierlicher Prozess durch verschiedene Faserabschnitte abgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorptionstextil beschrieben, wobei das Heiz-Kühlelement als Peltier-Element ausgebildet ist.
Peltier-Elemente sind thermoelektrische Wärmepumpen. Das bedeutet, dass durch die Zuführung elektrischer Energie Wärme entgegen ihres natürlichen Gefälles transportiert werden kann. So ist es möglich, mit diesen Bauteilen, je nach Anwendungsfall, zu kühlen oder zu heizen. Dieses Verhalten wird durch die Stromrichtung definiert. Dabei wird der Umgebung auf einer Seite Wärme entzogen, zur anderen Seite des Elements transportiert und dort über die Fläche abgegeben.
Dabei kann der Temperaturunterschied bevorzugt wenigstens 20 K, weiter bevorzugt wenigstens 40 K und noch weiter bevorzugt wenigstens 70 K betragen und noch weiter bevorzugt wenigstens 100 K betragen. Bevorzugt ist das Element mehrstufig ausgebildet. Peltier-Elemente werden auch als thermoelektrische Kühler bezeichnet.
Im Falle der vorliegenden Erfindung ist ein Peltier-Element besonders bevorzugt, da dieses bevorzugt dort eingesetzt werden kann, wo eine Kühlung mit geringem Temperaturunterschied, präziser Regelung und dynamischem Verhalten notwendig ist. Dies ist im vorliegenden Fall gegeben
Peltier-Elemente sind besonders bevorzugt, da diese gut in das Textil integriert werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Adsorptionstextils beschrieben, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- Bereitstellen wenigstens einer Kernschicht; - Bereitstellen wenigstens einer wärmeieifähigen Schicht auf der wenigstens einen Kernschicht;
- Bereitstellen wenigstens einer Adsorberschicht auf der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei das Bereitstellen der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht einschrittig bereits beim Bereitstellen der Kernschicht mittels Faserspinnen erfolgt.
Die Verfahren zum Erzeugen von Chemiefasern mittels Faserspinnen können unterteilt werden in: Lösungsspinnverfahren, Schmelzspinnverfahren sowie Dispersionsspinnverfahren. Letztere werden auch als Matrixspinnverfahren bezeichnet. Lösungsspinnen ist ein Verfahren zum Erspinnen nicht schmelzbarer Polymere, die dazu in Lösung überführt werden. Dabei werden zwei Verfahren unterschieden: das Nassspinn- und das Trockenspinnverfahren.
Beim Lösungsspinnen erzeugt man die Spinnmasse, indem das Polymer oder ein Derivat dieses Polymers in einem geeigneten Lösemittel gelöst wird. Diese Spinnmasse wird durch Bohrungen einer Spinndüse gepresst. Die dabei entstehenden Spinnlösungsstrahlen werden beim Nasspinnverfahren durch Übertritt des Lösungsmittels in das Spinnbad zu Filamenten verfestigt. Die Lösung enthält meist zwischen 5 und 40 Gew.-%, vornehmlich 20 bis 25 Gew.-% Feststoff. Das Lösungsmittel wird beim Spinnen wiedergewonnen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei das Bereitstellen der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht mittels thermischer Bedampfung der Kernschicht mit einem wärmeleitfähigen Werkstoff erfolgt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System beschrieben, welches aufweist: eine Kammer, sowie ein Adsorptionstextil, wobei das Adsorptionstextil wenigstens teilweise innerhalb der Kammer angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das System beschrieben, wobei das Adsorptionstextil wenigstens teilweise außerhalb der Kammer angeordnet ist und das Adsorptionstextil wenigstens ein Heiz-Kühlelement, insbesondere ein Peltier-Element, umfasst, welches außerhalb der Kammer angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung des Systems beschrieben umfassend die Schritte: Einlass von Umgebungsluft, um das Adsorptionstextil mit Kohlenstoffdioxid zu beladen, und Auslass von Kohlendioxid-verarmter Luft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das System beschrieben, wobei die Verwendung des Systems ferner den Schritt umfasst: Regeneration des Adsorptionstextils , wobei das an das Adsorptionstextil gebundene Kohlenstoffdioxid von diesem freigesetzt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus Luft unter Verwendung des Adsorptionsmittels beschrieben, wobei das Adsorptionsmittel in einem Adsorptionsschritt mit atmosphärischer Luft in Kontrakt gebracht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus der Luft unter Verwendung des Adsorptionsmittels beschrieben, wobei das CO2 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 eine schematische Darstellung des DAC-Verfahrens zur Abscheidung von CO2 aus der Atmosphärenluft;
Figur 2 ein Adsorptionstextil gemäß der Erfindung gemäß einer Ausführungsform;
Figur 3 ein Adsorptionstextil gemäß der Erfindung gemäß einer weiteren
Ausführungsform;
Figur 4 ein Blockdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung eines Adsorptionstextils gemäß der Erfindung;
Figur 5 ein System umfassend ein Adsorptionstextil gemäß der Erfindung gemäß einer Ausführungsform;
Figur 6 ein System umfassend ein Adsorptionstextil gemäß der Erfindung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 7 ein Blockdiagramm für eine Verwendung des Adsorptionstextils gemäß der Erfindung und
Figur 8 eine Darstellung der Verwendung eines Systems mit Absoptionstextil gemäß der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines DAC-Verfahrens zur Abscheidung von CO2 aus der Atmosphärenluft.
Die herkömmliche DAC-Vorrichtung ist hier als eine einzige Einheit umfassend ein Adsorptionsmittel ausgebildet. Die Adsorption 10 und Desorption beziehungsweise 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 und die CO2 verarmte Luft verlässt das System 11. Dieser Schritt ist abgeschlossen, wenn das erfindungsgemäße Adsorptionsmittel 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 hinausgeführt.
Anschließend erfolgt die Regeneration 20, indem das System auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird 3. Das setzt nun das CO2 wirksam frei. Das freigesetzte CÜ2wird 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.
Figur 2 zeigt ein Adsorptionstextil gemäß der Erfindung gemäß einer Ausführungsform. Das Adsorptionstextil 30 ist geeignet zur Adsorption von Kohlendioxid und weist eine Kernschicht 32. Diese Kernschicht 32 dient dabei als Trägerschicht.
Ferner ist wenigstens eine wärmeleitfähige Schicht 34 auf der genannten Kernschicht 32 angeordnet. Auf der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht 34 ist wenigstens eine Adsorberschicht 36 angeordnet. Diese Adsorberschicht 36 ist ausgebildet, Kohlendioxid aus Luft zu adsorbieren und bei einem späteren Regenerationszyklus, wieder zu desorbieren. Hierdurch kann beispielswiese im Sinne eines DAC-Verfahrens zuvor absorbiertes CO2 erhalten werden und damit ökologisch vorteilhaft gewonnen werden.
Für die Adsorberschicht können klassische Adsorptionsmaterialien verwendet werden, welche beispielsweise den Metal Organic Frameworks (MOFs), Zeolithen, aminfunktionalisierte Materialien sowie polymerbasierte Adsorber umfassen. Besonders bevorzugt sind allerdings Polyethylenimine oder entsprechende Derivate. Diese eignen sich besonders gut als funktionalisierte Beschichtung, da durch das Verknäueln des Polymers nicht zwingend eine kovalente Anbindung vorliegen muss.
Das Adsorptionstextil 30 ist als Gewebe, Gelege, Vlies oder Gestrick ausgebildet und umfasst ein faserhaltiges Material. Bevorzugt wird dabei Glasfaser und Kunststofffaser, insbesondere Polyesterfaser verwendet. Als Gewebe wird im Zusammenhang mit der Erfindung ein Textil bezeichnet, das durch Weben entsteht. Gewebte Stoffe werden beispielsweise mit einem Webstuhl hergestellt und bestehen aus zahlreichen Fäden, die in Kette und Schuss gewebt werden. Die faserartige Struktur des Adsorptionstextils ermöglicht, dass das Adsorptionstextil 30 durchlässig für Gas ist. Insbesondere ist das Textil 30 dabei durchlässig für Luft. Dies ermöglicht, dass nach Einlass von Umgebungsluft, das Adsorptionstextil 30 mit Kohlenstoffdioxid beladen werden kann, während die Luft durch das Textil 30 strömt. Die an Kohlendioxid verarmte Luft kann schließlich durch einen geeigneten Auslass wieder ausgestoßen werden. Dies ist wiederum Voraussetzung für die geeignete Regeneration des Adsorptionstextils, wobei das an das Adsorptionstextil 30 gebundene Kohlenstoffdioxid von diesem freigesetzt wird.
Figur 3 zeigt ein Adsorptionstextil 30 gemäß der Erfindung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Adsorptionstextil 30 gemäß dieser Ausführungsform weist ein Heiz- Kühlelement 38 auf. Das Heiz-Kühlelement 38 ist dabei insbesondere ein Peltier-Element. Also ein thermoelektrisches Element. Das Textil weist an dieser Stelle keine Adsorberschicht auf. Mit anderen Worten ist das Textil an dieser Stelle frei von einer Adsorberschicht, wobei dies den Vorteil zeigt, dass das Adsorptionstextil wenigstens teilweise außerhalb der Kammer angeordnet werden kann, womit auch das wenigstens eine Heiz-Kühlelement, insbesondere das Peltier-Element, außerhalb der Kammer angeordnet werden kann.
Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung eines Adsorptionstextils 30 gemäß der Erfindung. Gemäß diesem Verfahren zur Herstellung eines Adsorptionstextils 30 findet zunächst ein Bereitstellen S32 der wenigstens einen Kernschicht 32 statt. Hierauf folgt ein Bereitstellen S34 der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht 34 auf der wenigstens einen Kernschicht 32. Als weiterer Schritt erfolgt dann ein Bereitstellen S36 der wenigstens einen Adsorberschicht 36 auf der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht 34. Das Bereitstellen S34 der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht 34 kann einschrittig bereits beim Bereitstellen S32 der Kernschicht 32 mittels Faserspinnen erfolgen.
Bevorzugt ist allerdings, dass das Bereitstellen der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht 34 mittels thermischer Bedampfung der Kernschicht 32 mit einem wärmeleitfähigen Werkstoff erfolgt. Zur Beschichtung wird die Faser, mit thermisch leitfähigem Werkstoff bedampf, wobei insbesondere Edelmetalle, Kupfer, Silber, Gold, Galvanik, Legierungen, Grafit und/oder DLC
verwendet werden können. Die Nutzung von Fasern als Träger für die Adsorptionsbeschichtung erzeugt eine hohe Oberfläche, wobei sich nachteilig auswirkt, dass sowohl Glasfasern als auch Kunststofffasern unzureichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zeit- und energieaufwändiges Heizen und Kühlen wirkt sich negativ auf die Effizienz des Adsorbtionsprozesses aus. Daher ist die hier beschriebene Erfindung, welche die faserhaltige Kernschicht mit einer wärmeleitfähigen Beschichtung kombiniert, besonders vorteilhaft.
Figur 5 zeigt ein System umfassend ein Adsorptionstextil 30 gemäß der Erfindung gemäß einer Ausführungsform. Das System weist eine Kammer 40 sowie ein Adsorptionstextil 30 auf, wobei das Adsorptionstextil 30 nur teilweise innerhalb der Kammer 40 angeordnet ist. Das Adsorptionstextil 30 ist wenigstens teilweise außerhalb der Kammer 40 angeordnet. Damit kann das Adsorptionstextil 30 wenigstens ein Heiz-Kühlelement 38, insbesondere ein Peltier- Element, umfassen, welches außerhalb der Kammer 40 angeordnet ist. Hierdurch wird selektive und effiziente Aufheizung und Abkühlung ermöglicht, wobei insbesondere die wärmeleitende Beschichtung thermisch effizient dazu genutzt werden kann, Wärmenergie in die Kammer einzubringen sowie aus dieser wieder abzuleiten.
Figur 6 zeigt ein System umfassend ein Adsorptionstextil 30 gemäß der Erfindung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das System weist hier die Kammer 40 auf. Die Kammer 40 weist eine erste Seite 42 mit einem Einlass 43 auf. Ferner weist die Kammer 40 eine zweite Seite 44 mit einen Auslass 45 auf. Umgebungsluft 50 kann durch den Einlass 43 der ersten Seite 42 in die Kammer eingebracht werden, um an das Adsorptionstextil 30 zu binden.
Figur 7 zeigt ein Blockdiagramm für eine Verwendung des Adsorptionstextils 30 gemäß der Erfindung. Bei der Verwendung des Systems findet zunächst ein Einlass von Umgebungsluft S62 statt, um das Adsorptionstextil 30 mit Kohlenstoffdioxid zu beladen S63. Über den Auslass wird von Kohlendioxid-verarmte Luft aus dem System entlassen. In einem weiteren Schritt findet die Regeneration S66 des Adsorptionstextils 30 statt, wobei das an das Adsorptionstextil 30 gebundene Kohlenstoffdioxid von diesem frei gesetzt wird. Aufgrund der besonderen Struktur des Adsorptionstextils 30 können die Desorptionszyklen sehr kurz im Minutenbereich gewählt werden, wobei nur die Oberfläche erwärmt und die Faser noch nicht aufgeheizt wird. Dies ist energetisch besonders günstig, da sich die Aufheiz-Abkühlphasen dadurch reduzieren lassen.
Figur 8 zeigt eine Darstellung der Verwendung eines Systems mit einem Adsoptionstextil 30 gemäß der Erfindung. Bei der Verwendung des Systems findet zunächst ein Einlass von Umgebungsluft statt, um das Adsorptionstextil 30 mit Kohlenstoffdioxid zu beladen. Die Kammer
40 weist hierfür eine erste Seite 42 mit einem Einlass 43 auf, wobei Umgebungsluft 50 durch den Einlass 43 der ersten Seite 42 in die Kammer eingebracht werden, um an das Adsorptionstextil 30 zu binden. Die faserartige Struktur des Adsorptionstextils 30 ermöglicht, dass das Adsorptionstextil 30 durchlässig für Gas ist. Insbesondere ist das Textil 30 dabei durchlässig für Luft. Dies ermöglicht, dass nach Einlass von Umgebungsluft, das Adsorptionstextil 30 mit Kohlenstoffdioxid beladen werden kann, während die Luft durch das Textil 30 strömt. Darüber hinaus weist die Kammer 40 eine zweite Seite 44 mit einem Auslass 45 auf. Über den Auslass 45 wird von Kohlendioxid-verarmte Luft aus dem System entlassen. In einem weiteren Schritt findet die Regeneration des Adsorptionstextils 30 statt, wobei das an das Adsorptionstextil 30 gebundene Kohlenstoffdioxid von diesem freigesetzt wird und über einen CC>2-Auslass 52 gesammelt wird.
Bezugszeichenliste
1 Atmosphärenluft
2 Elektrizitätseintrag Adsorption
3 Wärmeintrag
4 Druckabfall
5 Elektrizitätseintrag Regeneration
10 Adsorptionsphase
11 Austrag von an CO2 verarmter Luft
12 Austrag von reinem CO2
13 Wasseraustrag
20 Regenerationsphase
30 Adsorptionstextil
32 Kernschicht
34 wärmleitfähige Schicht
36 Adsorberschicht
38 Heizkühl-Element
40 Kammer
42 erste Seite
43 Einlass
44 zweite Seite
45 Auslass
50 Gas
S32 Bereitstellen wenigstens einer Kernschicht
S34 Bereitstellen wenigstens einer wärmeleitfähigen Schicht 1
S36 Bereitstellen wenigstens einer Adsorberschicht
562 Lufteinlass
563 Beladen des Adsoptionstextils
564 Luftauslass
S66 CC>2-Auslass und Regeneration
Claims
1. Adsorptionstextil (30) zur Adsorption von Kohlendioxid aufweisend: wenigstens eine Kernschicht (32); wenigstens eine wärmeleitfähige Schicht (34), welche auf der wenigstens einen Kernschicht (32) angeordnet ist; und wenigstens eine Adsorberschicht (36), welche auf der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht (34) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Adsorberschicht (36) ausgebildet ist, Kohlendioxid aus Luft zu absorbieren und/oder zu desorbieren.
2. Adsorptionstextil (30) gemäß Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Kernschicht (32) als Gewebe, Gelege, Vlies oder Gestrick ausgebildet ist.
3. Adsorptionstextil (30) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die wenigstens eine Kernschicht (32) Glasfaser und/oder Kunststofffaser, insbesondere Polyesterfaser, umfasst.
4. Adsorptionstextil (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Adsorptionstextil (30) durchlässig für Gas, insbesondere für Luft, ist.
5. Adsorptionstextil (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Adsorptionstextil (30) ein Heiz-Kühlelement (38), insbesondere ein Peltier-Element, umfasst.
6. Verfahren zur Herstellung eines Adsorptionstextils (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Bereitstellen (S32) wenigstens einer Kernschicht (32);
Bereitstellen (S34) wenigstens einer wärmeleitfähigen Schicht (34) auf der wenigstens einen Kernschicht (32);
Bereitstellen (S36) wenigstens einer Adsorberschicht (36) auf der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht (34).
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Bereitstellen (S34) der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht (34) einschrittig bereits beim Bereitstellen (S32) der Kernschicht (32) mittels Faserspinnen erfolgt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Bereitstellen der wenigstens einen wärmeleitfähigen Schicht (34) mittels thermischer Bedampfung der Kernschicht (32) mit einem wärmeleitfähigen Werkstoff erfolgt.
9. System aufweisend eine Kammer (40) sowie ein Adsorptionstextil (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Adsorptionstextil (30) wenigstens teilweise innerhalb der Kammer (40) angeordnet ist.
10. System gemäß Anspruch 9, wobei das Adsorptionstextil (30) wenigstens teilweise außerhalb der Kammer (40) angeordnet ist; und das Adsorptionstextil (30) wenigstens ein Heiz-Kühlelement (38), insbesondere ein Peltier-Element umfasst, welches außerhalb der Kammer (40) angeordnet ist.
11. Verwendung eines Systems gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Verwendung des Systems die Schritte umfasst:
Einlass von Umgebungsluft (S62), um das Adsorptionstextil (30) mit Kohlenstoffdioxid zu beladen (S63);
Auslass (S64) von Kohlendioxid-verarmter Luft.
12. Verwendung eines Systems gemäß Anspruch 11 , wobei die Verwendung des Systems die ferner den Schritt umfasst:
Regeneration (S66) des Adsorptionstextils (30), wobei das an das Adsorptionstextil (30) gebundene Kohlenstoffdioxid von diesem freigesetzt wird.
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