Een onderzoeker van de Missouri University of Science and Technology en haar team ontwikkelen technologie die astronauten kan beschermen tegen de opbouw van kooldioxide tijdens de vlucht en aan boord van het internationale ruimtestation.

Dr. Fateme Rezaei, assistent-professor chemische en biochemische technologie bij Missouri S&T, en het team heeft "robuuste structuren" ontwikkeld in mechanisch sterke configuraties die vergelijkbaar zijn met poeders bij het adsorberen van CO2. Hun bevindingen werden gerapporteerd in de American Chemical Society's Toegepaste materialen en interfaces publicaties in september 2016 en februari 2017.

Naast het beschermen van astronauten, de technologie kan de betrouwbaarheid en efficiëntie van de huidige CO2-verwijderingssystemen verbeteren. Het werk kan ook leiden tot de ontwikkeling van kosteneffectieve en energiezuinige adsorbenssystemen voor de zuivering van andere gasstromen. Industriële gasscheidingsprocessen omvatten aardgaszuivering, olefine/paraffine scheiding en waterstofgas scheiding.

In de in september gepubliceerde studie Het team van Rezaei maakte 3D-geprinte 13X en 5A zeolietmonolieten met nieuwe structuren - honingraten in gearceerde patronen - om CO2 uit de lucht op te vangen. ("13X" en "5A" zijn handelsnamen van twee soorten zeolietmaterialen.)

Resultaten gaven aan dat 3D-geprinte monolieten met hoge zeolietladingen adsorptiemogelijkheden vertonen die vergelijkbaar zijn met die van poedersorbentia, ze zegt. De adsorptiecapaciteiten van 5A en 13X monolieten waren 1,59 en 1,60 millimol per gram, respectievelijk, met behulp van 5, 000 ppm (0,5 procent) CO2 in stikstof bij kamertemperatuur.

De experimenten laten een relatief snelle dynamiek zien voor monolithische structuren, zegt Rezaei. De bedrukte zeolietmonolieten vertonen een goede mechanische stabiliteit die uiteindelijk slijtage- en stofproblemen kan voorkomen die zich voordoen bij traditionele verpakkingssystemen voor pellets en parels.

"De 3D-printtechniek biedt een alternatief, kosteneffectieve en gemakkelijke benadering om gestructureerde adsorbentia te fabriceren met afstembare structurele, chemische en mechanische eigenschappen voor gebruik in gasscheidingsprocessen, " ze zegt.

In de in februari gepubliceerde studie het team maakte vervolgens andere soorten CO2-adsorberende monolieten met dezelfde 3D-printmethode. De monolieten werden vervaardigd met behulp van door silica gedragen aminen (aminosilica). Deze klasse materialen heeft veelbelovende prestaties laten zien bij het afvangen van CO2 uit gasstromen. Zoals zeolieten, 3D-geprinte aminosilica-adsorbentia vertoonden vergelijkbare adsorberende eigenschappen als hun poederanalogen.

De hoeveelheid CO2 die door elke honingraat wordt verwijderd, hangt af van zijn "adsorptiecapaciteit, "Rezaei zegt, wat wordt gedefinieerd als een millimol CO2 per kilogram van het adsorbens. De verwijdering van kooldioxide door de monoliet is een cyclisch proces, wat betekent dat zodra het is geadsorbeerd en de monoliet verzadigd is, het moet worden verwarmd om de geadsorbeerde CO2 te verwijderen om de volgende cyclus te starten.

Deze benaderingen zijn zeer schaalbaar in vergelijking met kralen of pellets, zegt Rezaei.

Voor de PEI- en TEPA-aminopolymeren, directe extrusie van de voorgefabriceerde materialen tot een monoliet bleek de beste manier om deze adsorbentia te formuleren. Voor APS, post-functionalisatie van een kale silica monoliet was een werkbare strategie voor hun formulering.

"Er moet meer worden gedaan om de pasta- en drukomstandigheden voor deze klasse materialen verder te optimaliseren, " zegt Rezaei. "Over het algemeen op basis van onze bevindingen, de 3D-printtechniek lijkt een veelbelovende methode om op amine gebaseerde adsorbentia om te vormen tot praktische contactoren, zoals monolieten die eenvoudig kunnen worden toegepast op grootschalige gasscheidingsprocessen."