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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Gastrennmembranen

Die Abteilung „Gastrennmembranen“ im Institut IEK-1 entwickelt keramische Membranen zur Gasseparation. Dabei haben sich die Entwicklungsschwerpunkte in den letzten Jahren deutlich erweitert.

Waren zunächst Anwendungen in fortschrittlichen, fossil befeuerten Kraftwerken im Fokus (Carbon Capture Technologie), so stehen heute zusätzlich andere energieintensive Industrieprozesse wie z.B. in der Stahl-, Glas- oder Zementindustrie mit im Vordergrund. Weiteres Augenmerk gilt der Effizienzsteigerung in Prozessen der chemischen und petrochemischen Industrie durch die Entwicklung sogenannter Membranreaktoren durch energetisch günstige Prozessintensivierungen.

Gastrennmembrane FoliengiessbankEin Mitarbeiter an der Foliengiessbank

Die Kooperation zwischen Forschung, Universitäten und Industrie wurde kontinuierlich in verschiedenen Drittmittelprojekten weiter ausgebaut. Neben dem bekannten Portfolio Thema „MEM-BRAIN – Gasseparationsmembranen für Energie effiziente Prozesse“ ist hier besonders das Ende 2013 gestartete EC-FP7-Projekt „GREEN-CC“ zu nennen. Dieses Projekt mit 14 Partnern und einem Gesamtvolumen von 8,6 Mio. € wird vom Forschungszentrum Jülich (IEK-1)koordiniert. Hier werden Membranen zur Sauerstoff-Bereitstellung entwickelt zusammen mit europäischer Forschung und Industrie. Auch ein australischer Partner beteiligt sich am Projekt.

Für die jeweilige Trennaufgabe werden am Institut IEK-1 verschiedene keramische Membranen entwickelt. Bei den anorganischen Membrantypen wird unterschieden in dichte ionen- oder mischleitende, und mikroporöse kristalline oder amorphe Membranen.

Bei den ionenleitenden Membranen zur Sauerstoffabtrennung liegt ein Schwerpunkt auf der Entwicklung eines Moduls, das aus skalierbaren Dünnschichtmembranen von 10x10 cm² Abmessung besteht, welche dann zu einem Modul gestapelt werden können.

Gastrennmembrane KomponentenMembrankomponenten

Als Material der Wahl wurden Höchstleistungsmaterialien auf Basis BSCF entwickelt. Im nächsten Schritt wird an Hand dieser Komponenten ein Proof-of-Concept durchgeführt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Membranstabilität unter Beibehaltung der gewünschten funktionellen Eigenschaften. Asymmetrische BSCF bzw. LSCF Membranen werden mit externen Partnern auf ihre Eignung zur Intensivierung chemischer Prozesse untersucht, z.B. in der effizienten Bereitstellung von Sauerstoff für die katalytische Konversion von z.B. Methan zu höheren Kohlenwasserstoffen. Diese Aktivitäten werden konsequent mit externen Partnern ausgebaut.

Bei den Protonen leitenden Membranen, die auf Barium-Ceraten und –Zirkonaten sowie auf Lanthan Wolframaten basieren, wurden Experimente bezüglich Protonentransport, Stabilität und Wasserstoffseparation aus Gasgemischen durchgeführt. Durch die Einführung geeigneter Dotierungen konnten die Leistungsdaten deutlich verbessert werden. So konnte der Wasserstoff-Transport bestimmter Dünnschichtstrukturen um nahezu eine Größenordnung gesteigert werden. Der Einsatz weiterer geeigneter Elemente aus dem Bereich „Seltener Erden“ zur Leistungssteigerung ist ein weiteres Entwicklungsziel.

Gastrennmembrane PulverDotierte Pulver

Membranen auf Basis von Siliziumdioxid zeigen ein hervorragendes H2/CO2- oder H2/N2-Trennverhalten. Durch die Einführung von stabilen mesoporösen ZrO2 Zwischenschichten konnte die Stabilität in feuchten Atmosphären bei gleichzeitig guten Trenneigenschaften verbessert werden. Dieser Typ Membranen wird von der Industrie (Pervatech) zur Pervaporation (z.B. Entwässerung von Alkohol) eingesetzt. Mikroporöse Gastrennmembranen besitzen in der Regel einen gradierten Aufbau, d.h. man fängt mit einem Träger mit relativ großen Poren an und trägt dann sukzessive Schichten mit immer feineren Partikeln auf. Die auf dieser Trägerstruktur abgeschiedene Membranschicht ist nur wenige Nanometer dick. Die folgende Abbildung zeigt den gesamten Aufbau einer gradierten Gasseparationsmembran.

Aufbau einer GasseparationsmembranAufbau einer Gasseparationsmembran

Bezüglich Permeabilität, Selektivität und Stabilität besteht bei allen Membrantypen noch Entwicklungsbedarf. Das IEK-1 befasst sich mit der Entwicklung und Herstellung von neuen Werkstoffen und Membranschichten mittels verschiedener Prozesstechnologien. Neben der reinen Materialentwicklung mit dem Ziel, stabile Funktionsmaterialien bereit zu stellen, betreibt die Abteilung „Gastrennmembranen“ weitere Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Mikrostrukturierung (z.B. zur Gasflussoptimierung) und der Komponentenfertigung (skalierbare Membrankomponenten zum Einsatz in Proof-of-Concept-Modulen).

Projekte

GREEN-CC (Grant 608524) (2015)
Graded membranes for energy efficient new generation carbon capture process

Research Project GREEN-CC

HETMOC (Grant 268165) (2016)
Highly Efficient Tubular Membranes for Oxy-Combustion

HETMOC is a FP7 project funded by the European Union
Efficiency Improvement of Oxygen-Based Combustion.

Research Project HETMOC

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