Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGBIonische Flüssigkeiten (Ionic Liquids) sind salzartige Verbindungen, die bei Temperaturen unter 100 °C flüssig sind. Die vielfältigen Möglichkeiten, verschiedene Anionen und Kationen miteinander zu kombinieren, bietet das Potenzial, ihre Eigenschaften anwendungsspezifisch maßzuschneidern.
So konnte gezeigt werden, dass ionische Flüssigkeiten Gase unterschiedlich stark absorbieren. Während N2 und H2 nur in geringem Maße aufgenommen werden, wird bei anderen Gasen wie CO2 eine stärkere Absorption beobachtet. Dieser Unterschied kann für die selektive Abtrennung einzelner Gase aus Gasgemischen genutzt werden. So ist es denkbar, für die Aufbereitung von Verbrennungsgasen aus Kohle- und Gaskraftwerken anstelle der üblichen Aminlösungen in Absorbern ionische Flüssigkeiten einzusetzen.
Um die Eignung ionischer Flüssigkeiten für die Gasabsorption einschätzen zu können, haben wir zur Untersuchung der Struktur-Eigenschaftsbeziehung ein breites Kombinationsspektrum unterschiedlicher Anionen und Kationen getestet. Mithilfe der Druckabfallmethode wurde die Gasaufnahmefähigkeit für Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Methan und Kohlenstoffmonoxid in unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten bestimmt.
Die höchste Gaslöslichkeit in allen ionischen Flüssigkeiten konnten wir für Kohlenstoffdioxid, gefolgt von Methan, nachweisen. Stickstoff und Kohlenstoffmonoxid lösen sich in nur sehr geringen Mengen in den untersuchten ionischen Flüssigkeiten. Aus den ermittelten Daten kann für die Physisorption von CO2, N2 und CH4 in ionischen Flüssigkeiten eine lineare Abhängigkeit zwischen der reziproken molaren Masse und der Henry-Konstante, einem Maß für die Gasaufnahmefähigkeit, abgeleitet werden [1]. Dabei steht eine kleine Henry-Konstante für eine hohe Absorptionsfähigkeit pro Mol ionischer Flüssigkeit. Bild 1 zeigt dieses Modell am Beispiel von CO2 bei 60 °C.
Daneben konnte eine chemische Wechselwirkung zwischen imidazoliumhaltigen ionischen Flüssigkeiten mit einem basischen Anion und Kohlenstoffdioxid nachgewiesen werden. Dies führt zu deutlich höheren Beladungskapazitäten [2]. Die Basizität des Anions hat dabei einen erheblichen Einfluss auf die Absorptionsfähigkeit. Kleine pKB-Werte führen tendenziell zu kleinen Henry-Konstanten und gleichzeitig zu hohen Absorptionsraten in den ionischen Flüssigkeiten (bis zu 75 g CO2 je kg ionische Flüssigkeit). Die CO2-Aufnahmefähigkeit imidazoliumhaltiger ionischer Flüssigkeiten mit basischem Anion liegt damit in einer ähnlichen Größenordnung wie bei den derzeit etablierten Aminlösungen für die Gaswäsche. Im Gegensatz zu den Aminen sind ionische Flüssigkeiten durch ihren geringen Dampfdruck aber nicht flüchtig.
Diese Ergebnisse zeigen das große Potenzial ionischer Flüssigkeiten für die Gasaufbereitung durch die selektive Aufnahme von Kohlenstoffdioxid. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, ionische Flüssigkeiten über Kapillarkräfte in porösen Trägerstrukturen zu immobilisieren und sie anschließend als flüssige Membran zu verwenden (Bild 3), die aufgrund des geringen Dampfdrucks der ionischen Flüssigkeiten langzeitstabil sind.
