CO2-Isothermen von Chitosan-Aerogelbeads

Abstract

Offenporige Aerogelbeads aus nachhaltigen Quellen wie Chitosan vereinen entscheidende Eigenschaften für die selektive CO2-Adsorption. Ein Mischbett aus Aerogelbeads mit Makroporen und interne Mesoporen gewährleistet einen effizienten Stofftransport. Primäre Amingruppen chemisorbieren selektiv CO2. Die Chitosan-Aerogelstruktur besteht aus 15 nm breiten Fibrillen, die ein offenes zelluläres Netzwerk mit 50 nm durchmessenden Zellen darstellen. Die spezifische Oberfläche beträgt 240 m2/g nach der BET-Methode, und die Volumenporosität liegt bei über 90 %. Die CO2-Isotherme von Chitosan-Aerogelbeads zeigt bei 0 °C einen konvexen Anstieg, der bei 30 kPa in einen linearen Abschnitt übergeht. Die Adsorptionskapazität beträgt bei 100 kPa 1 mmol/g. Die Desorptionsisotherme bildet eine Hysterese über den gesamten Druckbereich mit einer maximalen Verzögerung von 30 kPa, siehe Abbildung 1a. Die gemessene CO2-Isotherme setzt sich aus individuellen Chemisorptions- und Physisorptionsisothermen zusammen. Aufgrund des niedrigen Adsorptivdrucks (0 bis 0,03 Relativdruck) wird ein linearer Verlauf der Physisorptionsisotherme angenommen. Die Annahme, dass die Chemisorptionsplätze bei niedrigem Adsorptivdruck gesättigt sind, erlaubt die Separation der aufgenommenen Adsorptionsisotherme in individuelle Chemisorptions- und Physisorptionsisothermen. Die Teilisotherme der Chemisorptionsreaktion ähnelt einer Langmuir-Isotherme, wobei die Adsorptionskonstante mit 0,6 kPa-1 und die Adsorptionskapazität für Chemisorption mit 0,4 mmol/g durch Linearisierung bestimmt werden. Somit entfallen 40 % der CO2-Adsorptionskapazität von Chitosan-Aerogelbeads bei 0 °C und 100 kPa auf Chemisorptions- und 60 % auf Physisorptionsreaktionen. Die Anwendung von Chitosan-Aerogelbeads zur direkten CO2-Separation aus der Luft erscheint unwahrscheinlich. Dennoch könnte eine Anwendung zur CO2-Separation von konzentrierten Punktquellen bei einer Adsorptionskapazität von 0,45 mmol/g bei 20 kPa CO2 realisierbar sein.