Katalytische hybride Lösungsmittelregeneration in Membran-Vakuumverfahren für Direct Air Capture

Kohlenstoff aus der Alltagsluft gewinnen

Direktes Absaugen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre ist eines der Werkzeuge, mit denen Wissenschaftler den Klimawandel bremsen wollen, doch aktuell ist es sehr energieaufwendig. Diese Studie untersucht, wie sich ein bestimmter Typ von Direct‑Air‑Capture‑System deutlich energieeffizienter gestalten lässt, indem sowohl die Flüssigkeit, die CO2 aufnimmt, als auch deren Reinigung und Wiederverwendung neu gedacht werden. Das Ergebnis ist ein System, das sein CO2‑beladenes Lösungsmittel bei niedrigeren Temperaturen und mit deutlich weniger Wärme regenerieren kann, wodurch Direct Air Capture einem großtechnischen, klimarelevanten Einsatz näherkommt.

Warum die Reinigung des Auffangmediums so schwierig ist

Die meisten bestehenden Anlagen, die CO2 aus Gasen entfernen, nutzen Flüssigkeiten, die das Gas chemisch binden. Das Problem ist, dass diese Flüssigkeiten, wenn sie gesättigt sind, auf hohe Temperaturen erhitzt werden müssen, damit sich das CO2 löst und die Flüssigkeit wiederverwendet werden kann. Bei Luft, in der CO2 sehr stark verdünnt vorkommt, wird diese Energierechnung besonders schmerzhaft. Konventionelle Lösungsmittel benötigen außerdem Temperaturen von etwa 120–140 °C zur Erneuerung, was die Ausrüstung belastet und die Lebensdauer der Flüssigkeit verkürzen kann. Das Team dieser Arbeit machte sich daran, diesen „Reinigungs“-Schritt so zu überarbeiten, dass er bei deutlich niedrigeren Temperaturen laufen kann, aber dennoch große Mengen CO2 freisetzt.

Eine schonendere Methode zur Regeneration der Flüssigkeit

Die Forschenden konzentrierten sich auf eine Technik namens Membran‑Vakuumregeneration. Dabei strömt warmes Lösungsmittel an einem Bündel winziger Hohlfasern vorbei. CO2 und ein Teil des Wasserdampfs treten durch die Faserwände in die Niederdruckseite über, während das gereinigte Lösungsmittel zurückbleibt. Durch die sorgfältige Auswahl und Prüfung von drei verschiedenen Membranmodulen identifizierten sie eine Konfiguration, die eine starke CO2‑Abtrennung erlaubte und gleichzeitig den Wasserverlust begrenzte: ein Hohlfaser‑Modul mit sehr dünner Schutzbeschichtung. Dieses Design balanciert, wie leicht CO2 transportiert wird, gegen die Widerstandsfähigkeit der Membran gegen Überflutung mit Flüssigkeit – ein Problem, das sonst die Leistung im Laufe der Zeit verringern kann.

Leistungssteigerung durch intelligente Lösungsmittel und Katalysatoren

Die zweite Innovation liegt sowohl in der Zusammensetzung der Flüssigkeit als auch in den festen Hilfspartikeln, durch die sie geleitet wird. Anstatt auf einen einzigen Bestandteil zu setzen, mischte das Team zwei auf Aminosäuren basierende Salze, Taurinat und Sarcosinat, die attraktiv sind, weil sie wenig flüchtig, schwer zu zersetzen und relativ unbedenklich sind. Durch das Abstimmen ihrer Mischung fanden sie heraus, dass ein Gemisch aus drei Teilen Kaliumtaurinat und einem Teil Kaliumsarcosinat mehr CO2 aus der Luft aufnehmen und dieses bei der Regeneration leichter wieder abgeben konnte. Darüber hinaus fügten sie einen fein entwickelten Feststoffkatalysator hinzu, bestehend aus eisendotierter sulfatisierter Zirkonia, verteilt auf porösem Silica. Wenn das warme Lösungsmittel vor der Membran durch ein Festbett dieser Partikel strömt, beschleunigen die chemischen Stellen auf dem Feststoff das Abtrennen von CO2 aus der Flüssigkeit, erhöhen den CO2‑Durchsatz und ermöglichen, in derselben Zeit mehr Gas abzutrennen.

Den optimalen Punkt für Energieeinsparung finden

In Dutzenden Experimenten passten die Autoren Aufbau und Menge des Katalysators an. Silica erwies sich als bessere Trägersubstanz als Alumina, und ein Verhältnis von eins zu eins zwischen aktivem Material und Silicapartikeln lieferte die beste Leistung: Zu wenig führte zu wenigen aktiven Stellen, zu viel verstopfte Poren. Sie fanden außerdem heraus, dass eine Beladung von etwa neun Prozent Katalysatorgewicht im Festbett nahezu den maximalen Nutzen brachte, bevor zusätzliche Zugaben kaum noch halfen. Mit dem optimierten hybriden Lösungsmittel und Katalysator zusammen in dem Niedertemperatur‑Membransystem, das bei nur 90 °C läuft, sank die Wärmemenge zur Regeneration der Flüssigkeit im Vergleich zu einem häufigen Referenzlösungmittel, Kaliumglycinat, drastisch.

Ein sparsamerer Weg, CO2 aus der Luft zu ziehen

Als alle Teile kombiniert waren – das abgestimmte Hohlfaser‑Modul, das hybride Aminosäure‑Lösungsmittel und der sorgfältig entwickelte Feststoffkatalysator – reduzierte das System den thermischen Energieverbrauch für den Regenerationsschritt um etwa zwei Drittel. Praktisch bedeutete das, dass der Wärmebedarf für den fühlbaren Anteil auf rund 2,6 Gigajoule pro Tonne CO2 sank und auf geschätzte insgesamt 6,5 Gigajoule pro Tonne, wenn weitere Beiträge einbezogen werden, vergleichbar mit bekannten Direct‑Air‑Capture‑Konzepten. Für Nicht‑Expertinnen und Nicht‑Experten ist die Kernbotschaft: Durch gleichzeitiges Optimieren von Flüssigkeit, festem Helfer und Membran‑Layout zeigen die Autorinnen und Autoren einen glaubwürdigen Weg, Direct Air Capture weniger energieintensiv und besser mit niedrigtemperaturigen, erneuerbaren Wärmequellen kompatibel zu machen – und damit seine Aussichten als langfristiges Klimainstrument zu verbessern.

Zitation: Momeni, A., Anisi, H., McQuillan, R.V. et al. Catalytic hybrid solvent regeneration in membrane vacuum processes for direct air capture. Nat Commun 17, 2247 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69542-6

Schlüsselwörter: direct air capture, carbon removal, membrane separation, catalytic regeneration, hybrid solvents