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

Keller, Laura; Lively, Ryan P.; Wessling, Matthias

doi:39385

Microtubes made of carbon nanotube hybrid materials for CO$_{2}$ separation = Hybride Hohlfasern auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen zur CO$_{2}$-Adsorption

Keller, Laura^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Laura Keller

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (viii, 174 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Lively, Ryan P. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-03-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-05127
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/789300/files/789300.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CO2 capture (frei) ; carbon nanotubes (frei) ; electrical swing adsorption (frei) ; hybrid materials (frei) ; pressure (frei) ; tubular sorbents (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Despite political efforts, carbon dioxide emissions continue to increase on a global scale. Among the many discussed measures to combat climate change, carbon capture receives considerable attention as a technological cornerstone to limit anthropogenic warming to 1.5 °C. Adsorption is a promising means for CO2 separation from flue gases or the air. Tubular sorbents aim to overcome drawbacks of conventional packed bed adsorption columns such as high pressure drops or channeling and dead-spacing. So far, they are made of a polymeric matrix that is enhanced with different highly sorbing materials. In this thesis, hollow fibers made of carbon nanotubes (CNT) replace the polymeric matrix. Compared to many polymers, CNTs are thermally and chemically more stable, offer a higher specific surface area, and are thermally more conductive. Different hollow fibers were developed, characterized, and examined with respect to their aptitude as solid sorbents. Pure CNT microtubes and hybrid microtubes with embedded silica particles were impregnated with a polymeric amine. Both fiber types showed similar CO2 uptake capacities. Regeneration through temperature swing was feasible and yielded promising working capacities. The formation of a polymeric, gastight layer on the shell side was successful, which enables isothermal operation with these fibers in the future. Furthermore, hybrid microtubes containing CNTs and zeolites were produced. These exhibited high CO2 uptakes and regenerability through both pressure and temperature swing. Pressure swing adsorption was tested with a prototype module capable of isothermal operation. Since the fibers are conductive, temperature swing can be implemented by using the Joule effect: the fibers are directly heated through an applied electrical current. Thus, the cycle times for a TSA process can be reduced from several hours to several minutes. Experiments with a prototype module revealed the applicability of the CNT-zeolite microtubes for an electrical swing adsorption process. Additional modeling proved promising CO2 purities and recoveries for such a process. CNT microtubes enhanced with CO2 sorbing materials are a favorable possibility to capture CO2 from flue gases or the air. The results obtained with prototype modules emphasize their aptitude for both pressure and temperature / electrical swing adsorption processes. They can be specifically tailored to any sorption task by using new material combinations and adopted for any sorption process with its specific requirements. With this thesis, a platform that can serve a multitude of gas separation challenges was created.

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