Poröse Kohlefaser:durchlässig, adsorptiv und leitfähig

Die neue poröse Kohlefaser von Toray (oben links, zeigt die hohle zentrale Welle) weist eine kontrollierbare, nano- oder mikroskalige Porenstruktur über die gesamte Faser auf (oben rechts). Diese poröse Struktur trägt dazu bei, das Material zu einem wirksamen Filtermedium zu machen, das als Trägerstruktur von Gastrennmembranen nützlich sein kann. Da Kohlenstoff auch bekannte Adsorptionseigenschaften (sowohl für chemische als auch physikalische Filterung) besitzt und ein effektiver thermischer und elektrischer Leiter ist, kann die poröse Kohlenstofffaser auch in fortschrittlichen Batteriesystemen und Katalysatorträgern verwendet werden, die in der chemischen Verarbeitung verwendet werden. Quelle | Toray Industries Inc.

Mitte November 2019 gab Toray Industries Inc. (Tokio, Japan) bekannt, die weltweit erste poröse Kohlefaser mit einer durchgehenden Porenstruktur im Nano- und/oder Mikrobereich entwickelt zu haben, die innerhalb der nächsten fünf Jahre kommerzialisiert werden soll . Eine potenzielle Anwendung für das Produkt ist insbesondere die Verwendung in der Gastrenntechnologie, die in einer Vielzahl von Industrien zur Abtrennung von Kohlendioxid (CO₂ ), Biogas, Wasserstoff und andere Gase.

Toray berichtet, dass konventionelle Ansätze zur Gastrennung treten bei großen Anlagen auf, die selbst viel Energie verbrauchen und erhebliche CO₂ produzieren Emissionen. Ein neuerer, umweltverträglicherer Ansatz zur Gastrennung verwendet nanoporöse Membranen für die Gasfiltration, die deutlich weniger Energie verbrauchen. Obwohl es vielversprechend ist, sagt Toray, dass dieser Methode bisher die Effizienz und Haltbarkeit fehlt, die für eine groß angelegte Langzeitanwendung erforderlich sind.

Nach Angaben des Unternehmens könnte das neue poröse Kohlefaserprodukt von Toray dazu beitragen, dieses Problem zu lösen – mit Potenzial für den Einsatz bei der Wasserstoffproduktion für Brennstoffzellen –, indem es die Leistung aktueller Gastrennmembranen verbessert und die Membranen dünner, leichter, kompakter und leistungsfähiger macht Hitze, Druck und Chemikalien standhalten.

Poröse Filtermedien

Nano- und mikroporöse Filtermedien sind nicht neu. Aus einer Handvoll Polymere – die meisten davon thermoplastisch – werden sowohl nanoporöse Flachmembranen als auch nanoporöse Fasern hergestellt. Typische Anwendungen sind Hochleistungs-Wasserfilter (für Industrie- und Trinkwasser); Getränke- und Lebensmittelfiltration (zur Verbesserung von Farbe, Geruch oder Geschmack); medizinische Filter (zur Bluttrennung (Apherese) und Blutfiltration (Dialyse)); sowie industrielle Gastrennung (für eine Vielzahl von Industrien und Prozessen, einschließlich Chemie und Petrochemie, Energie, Bergbau, Stahlerzeugung, Medizin, Düngemittelproduktion, Umweltschutz, Elektronik und Luft- und Raumfahrt).

Zu den am häufigsten verwendeten Polymeren für Hochleistungsfiltrationsanwendungen gehören Polyethersulfon (PES), Polysulfon (PSU), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Celluloseacetat (CA). Für anspruchsvollste Filtrationsbedingungen – wie hohe oder niedrige Temperaturen, aggressive Chemikalien oder Anwendungen mit hohem Feststoffanteil – werden auch Keramiken (wie Aluminiumoxid) und Metalle (wie Titandioxid und Edelstahl) verwendet.

Abhängig von den Anforderungen der Anwendung können Filtermedien in mehreren unterschiedlichen Porositätsgraden mit Porengrößen in der Größenordnung von 0,1 Mikrometer für die Mikrofiltration, 0,01 Mikrometer für die Ultrafiltration, 0,001 Mikrometer für die Nanofiltration und 0,0001 Mikrometer für die Umkehrosmose hergestellt werden.

Kritische technische Anforderungen an Hochleistungsfiltermedien sind:gute und breite chemische Beständigkeit, nicht nur gegenüber den zu trennenden Materialien, sondern auch gegenüber Natriumhypochlorit, einem gebräuchlichen Desinfektionsmittel zur Reinigung von Membranen; gute mechanische Festigkeit, da viele Filter hohe Drücke ausüben, um die Trennung von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen zu erzwingen; Durchlässigkeit, um die Filterfunktion bereitzustellen; und geringe Verschmutzung, sodass die Membranen für einen effizienten, funktionalen und langfristigen Betrieb sauber gehalten werden können.

Poröse Kohlefaser

Dass Kohlefaser als nanoporöses Filtermedium verwendet werden kann, ist in vielerlei Hinsicht attraktiv. Erstens wird Aktivkohle – eine Form von Kohle mit einem kleinen Volumen winziger Löcher, die verwendet wird, um die verfügbare Oberfläche für Adsorption und/oder chemische Reaktionen zu vergrößern – seit langem als eine Komponente in einer Reihe von Filtersystemen mit geringerer Leistung verwendet. Mit dem reichlichen Vorrat an leeren Orbitalen der Atomkohle und der vergrößerten Oberfläche von Aktivkohle kann das Material ein wirksames Medium sein, um eine Vielzahl von Wirkstoffen einzufangen und zu binden (adsorbieren). Da Aktivkohle im Wesentlichen fest ist, beschränkt sich ihre Permeationsfunktion leider meistens auf die Oberfläche des Substrats, und ihre Filterfunktion ist hauptsächlich physikalisch (nicht chemisch), was die Arten und Größen von Substanzen, die effektiv abgetrennt werden können, einschränkt.

Im Fall von Torays poröser Kohlefaser – oder Pulvern, die durch das Mahlen solcher Fasern hergestellt werden – sind die Poren durch die gesamte Struktur hindurch durchgehend, was bedeutet, dass Produkte aus dem Material sowohl physikalisch als auch chemisch filtern können. Durch die Nutzung der Adsorptionseigenschaften von atomarem Kohlenstoff kann sich die nanoporöse Kohlefaser als nützlich für Elektrodenmaterialien und Katalysatorträger in Hochleistungsbatterien erweisen. Darüber hinaus ist Kohlenstoff in all seinen festen Formen sowohl ein guter Wärmeleiter als auch ein guter elektrischer Leiter – Eigenschaften, die sich bei bestimmten Anwendungen als nützlich erweisen könnten.

Toray berichtet, dass sowohl die Porengröße (Mikro- bis Nano-Niveau) als auch die Querschnittsform der Poren in seinem Produkt kontrollierbar sind, unabhängig davon, ob sie eine „feste“ poröse Faser oder eine hohle poröse Faser (mit einem zentralen Schaft entlang der Länge von die Faser). Bisher konnte Toray sowohl „große“ als auch „kleine“ Poren erzeugen (obwohl keine Angaben zu den tatsächlichen Porengrößen gemacht wurden). Da Kohlefaser bereits karbonisiert und graphitiert wurde, ist sie chemisch stabil und sehr steif und fest – Eigenschaften, die auch bei der Herstellung stärkerer, kompakterer Gastrennmembranen genutzt werden können.

Berichten zufolge hat das Unternehmen bei der Entwicklung des neuen Produkts auf drei interne Kompetenzbereiche zurückgegriffen:Polymere, Kohlefasern und Trennmembran-/Wasserfiltrationstechnologien.

Am 11. Dezember 2019 veranstaltete Toray eine Zeremonie zum Durchschneiden des Bandes, um sein neues F&E-Innovationszentrum für die Zukunft zu eröffnen. Die aus zwei Gebäuden bestehende Anlage auf dem Gelände des Shiga-Werks des Unternehmens in Otsu, Japan, wo das Unternehmen 1926 seinen Betrieb aufnahm, wird als globales Hauptquartier für eine Reihe strategischer Initiativen, einschließlich poröser Kohlefasern, durch die Einbeziehung akademischer Einrichtungen und der Industrie dienen Partner aus den verschiedensten Bereichen. Toray berichtet, dass das Unternehmen bereits mit mehreren Partnern zusammenarbeitet, um die Expertise der einzelnen Organisationen besser zu nutzen, um die Kommerzialisierung fortschrittlicher Gastrennmembranen voranzutreiben, um wirtschaftliche und umweltfreundliche Methoden zur Erdgas- und Biogasreinigung und Wasserstoffproduktion für Brennstoffzellen zu unterstützen, die Elektrofahrzeuge antreiben und Gebäude. Das Team hat nach eigenen Angaben ein Konzept für eine neue Art von Gastrennmembran entwickelt, die widerstandsfähiger gegen Hitze, Chemikalien und Druck ist. Durch die Kombination der porösen Kohlefaser von Toray als Trägerschicht und Partnertechnologie für die Gastrennschichten soll das vorgeschlagene Vierschichtsystem in der Lage sein, Erdgas (Schicht A), Biogas (Schicht B), Wasserstoff (Schicht C .) abzuscheiden und zu reinigen ) und Propylen (Schicht D).

Das Unternehmen berichtet auch, dass es die Forschung an diesem neuen Material fortsetzt, um das Kohlenstoffrecycling zu fördern, die Wasserstoffenergieerzeugung zu erschließen und den ökologischen Fußabdruck der Industrie zu verringern. Es ist ein Teil der Konzern-Nachhaltigkeitsvision von Toray, bis 2050 durch Beiträge zu Umwelt-, Ressourcenmanagement- und Energiefragen zur Verwirklichung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft beizutragen.