Jenseits der Stickstofferzeugung: Durchbrüche bei Kohlenstoffmolekularsieben in der fortgeschrittenen Trenntechnik und Katalyse

Wann Kohlenstoffmolekularsiebe Wenn Kohlenstoffmolekularsiebe (CMS) erwähnt werden, verbinden die meisten sie zunächst mit der Druckwechseladsorption (PSA) zur Stickstoffgewinnung. Dank verbesserter Herstellungsverfahren erweitern sich die Anwendungsbereiche dieses Materials jedoch stetig. Ausgestattet mit einer gut entwickelten Porenstruktur, einer gleichmäßigen Porengrößenverteilung und exzellenter thermischer Stabilität erweisen sich Kohlenstoffmolekularsiebe als unersetzlich in anspruchsvollen Bereichen wie der CO₂-Abscheidung, der Wasserstoffreinigung, der petrochemischen Trennung und der katalytischen Umwandlung. Sie entwickeln sich zu einem Schlüsselmaterial für die Modernisierung der kohlenstoffarmen Industrie und der High-End-Fertigung.

Angetrieben von den Zielen der Klimaneutralität („Dual Carbon“) haben sich CO₂-Abscheidung und -Trennung zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt entwickelt. Kohlenstoffmolekularsiebe (CMS) eignen sich als feste Adsorptionsmittel hervorragend zur CO₂-Trennung. Ihre mikroporöse Struktur ermöglicht die präzise molekulare Siebung von CO₂ aus Gasen wie CH₄ und H₂, wodurch sie sich besonders für die Erdgasreinigung und die Kohleflözgasabtrennung eignen. Im Vergleich zur herkömmlichen Aminabsorption ist die CMS-Adsorptionsmethode nicht korrosiv, frei von Sekundärverschmutzung und energieeffizienter. Sie kann CO₂-Emissionen aus Industrieabgasen effektiv reduzieren und zur Klimaneutralität beitragen. Studien haben gezeigt, dass durch Modifizierungsverfahren (z. B. Einführung einer hierarchischen Porenstruktur und Anpassung des Mikroporenvolumens) die CO₂-Adsorptionskapazität und der Trennfaktor von Kohlenstoffmolekularsieben deutlich verbessert werden können, wodurch sich ihre Anwendungsbereiche im Bereich der CO₂-Abscheidung weiter ausdehnen.

Als Kern der sauberen Energie stellt Wasserstoff in seinem Reinigungsprozess extrem hohe Anforderungen an Trennmaterialien. Kohlenstoffmolekularsiebe können dank ihrer Fähigkeit zur Porengrößenregulierung im Sub-Ångström-Bereich H₂ effizient von Verunreinigungsgasen wie CH₄ und CO₂ trennen. Neuartige Kohlenstoffmolekularsiebe erreichen eine präzise Porengrößenkontrolle im 0,1-Ångström-Bereich durch Technologien wie die Aktivierung mittels CO₂-Konzentrationsgradienten und doppelt vernetztes Polyimid. Ihre H₂/CH₄-Selektivität liegt bei 3807–6538 mit einer deutlich verbesserten H₂-Permeabilität, und der Energieverbrauch für die Trennung beträgt nur ein Drittel bis ein Fünftel des Verbrauchs herkömmlicher Destillationsverfahren. Dies senkt die Kosten der Wasserstoffreinigung erheblich und fördert die Industrialisierung der Wasserstoffenergie.

In der Petrochemie haben Kohlenstoffmolekularsiebe die branchenweite Herausforderung der Olefin-Paraffin-Trennung gelöst. Propylen und Propan sowie Ethylen und Ethan unterscheiden sich nur geringfügig in ihrer Molekülgröße, was bei herkömmlichen Trennverfahren zu hohem Energieverbrauch und geringer Effizienz führt. Neuartige Kohlenstoffmolekularsiebe bilden durch präzise Pyrolyse-Umlagerungs-Synergietechnologie eine einheitliche mikroporöse Struktur mit einem C₃H₆/C₃H₈-Adsorptionsverhältnis von über 100. Einige ihrer Leistungskennzahlen haben die Robeson-Obergrenze überschritten und ermöglichen so die effiziente Trennung der genannten Gaspaare. Dies verbessert die Reinheit und Ausbeute petrochemischer Produkte und reduziert den Energieverbrauch in der Produktion.

Kohlenstoffmolekularsiebe weisen auch als Katalysatoren oder Katalysatorträger einzigartige Vorteile auf. Bei der Biomasseumwandlung ermöglichen sie die vollständige Umwandlung von Cellulose, Hemicellulose und Lignin, wodurch die Entstehung großer Mengen säurehaltiger Abfallrückstände vermieden und Umweltbelastung sowie Verkokungsprobleme reduziert werden. Ihre reichhaltige mikroporöse Struktur bietet ausreichend katalytisch aktive Zentren; durch die Beladung mit metallischen aktiven Zentren können sie in Reaktionen wie Hydrierung und Dehydrierung eingesetzt werden, wodurch die Funktionen der Molekularsiebung und Katalyse vereint und die Entwicklung umweltfreundlicher chemischer Prozesse vorangetrieben wird.

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