Die spezifische Oberfläche von Aktivkohle auf Basis von Rohkohle der südafrikanischen University of the Witwatersrand erreicht 1925 m²/g

de.wedoany.com-Bericht: Forschungen der School of Chemical and Metallurgical Engineering der University of the Witwatersrand (Wits) zeigen, dass südafrikanische Kohle neben ihrer Nutzung als Brennstoff auch Potenzial als Rohstoff für Aktivkohle mit hoher spezifischer Oberfläche und porösen Kohlenstoff, Gasspeicheradsorbentien, Elektrodenmaterialien für die Energiespeicherung sowie Kohlenstoff-Keramik-Verbundwerkstoffe bietet.

Professor Samson Bada, leitender Forscher an der Fakultät, erklärte, das Team habe aus drei südafrikanischen kohlebasierten Materialien Aktivkohle mit einer spezifischen Oberfläche nach Brunauer, Emmett und Teller (BET) von etwa 1485 m²/g bis 1925 m²/g hergestellt. Davon entfielen auf Kohleschlamm (coal slurry) etwa 1485 m²/g, auf Abfallkohle (discard coal) 1826 m²/g und auf Rohkohle (run-of-mine, RoM) 1925 m²/g. Bada wies darauf hin, dass dieselbe Studie auch potenzielle Anwendungen von Aktivkohle mit hoher spezifischer Oberfläche in der Wasseraufbereitung, der Farbstoffentfernung, der Luft- und Gasreinigung, der Flüssig- und Gasphasentrennung, der Metallgewinnung und der Gasspeicherung identifiziert habe.

Das Team demonstrierte experimentell eine Gasspeicheranwendung: Kohlebasierte Aktivkohle adsorbierte bis zu 162,7 cm³/g Methan, wobei die Methanadsorptionsmenge mit steigender spezifischer Oberfläche zunahm. Kürzlich erzielte stickstoffdotierter nanoporöser Kohlenstoff, hergestellt aus südafrikanischer Rohkohle (RoM coal), als Superkondensator-Elektrode eine spezifische Kapazität von 169 Farad pro Gramm (farads a gram) und eine Energiedichte von 23,5 Wattstunden pro Kilogramm (watt-hours a kilogramme).

Bada zufolge sind diese Laborergebnisse vielversprechend für Anwendungen, die eine schnelle Energiespeicherung und -freisetzung erfordern, doch bevor ein Vergleich mit kommerziellen Bauteilen möglich sei, müssten vollständige Zellen entwickelt und der Maßstab erweitert werden. Er ergänzte, das Team habe auch kohlebasierte Keramiken und Strukturverbundwerkstoffe entwickelt; diese Arbeiten würden von der Laboroptimierung zur Prototypen- und Pilotmaßstabsvalidierung voranschreiten.

Neben den Forschungsergebnissen der University of the Witwatersrand wies Bada darauf hin, dass internationale Studien ein breiteres Spektrum kohlebasierter Produkte gezeigt hätten, darunter Kohlenstofffasern und Kohlenstoffschäume. Diese Produkte würden in den USA für die Herstellung von Automobilkarosserien verwendet, was Südafrika künftige potenzielle Chancen eröffne; allerdings seien diese Produkte noch nicht durch lokale Forschung an der University of the Witwatersrand validiert worden.

Die emeritierte Professorin Rosemary Falcon, Direktorin der Kohle-Interessenvertretungsorganisation FFF Carbon, wies darauf hin, dass Kohle neben der Stromerzeugung noch andere häufig übersehene Anwendungen habe. Sie erklärte, dass der Kohlenstoff in der Kohle neben Wasserstoff für die Reduktion von Eisen sowie von Metallen wie Mangan, Silizium und Aluminium unerlässlich sei. Tumi Kgomo, Vorsitzender von FFF Carbon, ergänzte, dass auch Solar-Photovoltaikzellen aus kohlebasierten Materialien hergestellt würden, da Kohle im Siliziumschmelzprozess verwendet werde.

Paul den Hoed, ehrenamtlicher Senior Lecturer an der School of Chemical and Metallurgical Engineering der University of the Witwatersrand, ergänzte, dass der Kohlenstoff in der Kohle gleichermaßen unverzichtbar sei, da er als Reduktionsmittel für Metalloxide wie Chrom dienen könne; aufgrund ihrer Position im Ellingham-Diagramm könnten diese Oxide nicht mit Wasserstoff reduziert werden. Daher empfahl den Hoed, Kohle höherer Qualität für metallurgische Zwecke zu reservieren, während Kohle niedrigerer Qualität für die Stromerzeugung in Kesseln vom Typ fluidisierte zirkulierende Wirbelschicht (fluidised circulation bed) sowie für andere wertvolle Anwendungen genutzt werden sollte.

Bada zufolge zeigen Schreibtischstudien der University of the Witwatersrand, dass internationale Fortschritte bei Produkten wie kohlebasierten Kohlenstofffasern und Baumaterialien bereits nützliche und profitable Wege aufgezeigt hätten, die Südafrika bewerten und anpassen könne. Er warnte jedoch, dass es entscheidend sei, nicht zu versuchen, alle möglichen kohlebasierten Produkte gleichzeitig zu kommerzialisieren, sondern einige wenige Produkte zu identifizieren, bei denen südafrikanische Kohle oder Kohleabfälle technische und wirtschaftliche Vorteile böten.

Nach Abschluss dieser Auswahl sollten die „vielversprechendsten" Technologien, so sagte er, im Pilotmaßstab demonstriert und anschließend nach Abschluss technoökonomischer und Lebenszyklusbewertungen mit Fertigungspartnern marktorientiert aufgebaut werden. Darüber hinaus betonte er die Notwendigkeit einer stärkeren Zusammenarbeit zwischen Universitäten, der Kohleindustrie, Produktherstellern und der Regierung.