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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Gastrennmembranen

Das Institut IEK-1 entwickelt keramische Membranen zur Abtrennung des Treibhausgases CO2, das anschließend zur Verminderung schädlicher Emissionen eingelagert werden soll.

Diese neue Technologie heißt „Carbon capture and storage“ oder  CCS-Technologie.

Keramische Membranen zur Abtrennung des Treibhausgases CO2 Messapparatur zur Bestimmung der Sauerstoffpermeation

Das Institut IEK-1 beschäftigt sich in diesem Forschungsbereich mit der Entwicklung anorganischer Membranen zur Gasseparation. Diese sollen für verschiedene fossile Kraftwerkskonzepte die Trennung der technisch relevanten Gase O2/N2, CO2/H2 und CO2/N2 ermöglichen, um einen möglichst reinen, von den Restgasen abgetrennten Strom des Klimagases CO2 zu erreichen, das anschließend unterirdisch eingelagert werden soll. Membranverfahren haben gegenüber den konventionellen Abtrennverfahren den Vorteil, dass bei der Abtrennung deutlich geringere Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden müssen als z.B. bei einer chemischen Gaswäsche. Das macht sie insbesondere für Anwendungen im Kraftwerk interessant.

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

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.

Für die Herstellung von mikroporösen Schichten wird seit 2005 ein Reinraum der Klasse 1000 betrieben. Da die Membranen Partikel und Schichtdicken aufweisen, die sich im Nanometerbereich bewegen, muss unter möglichst staubfreien Bedingungen gearbeitet werden. Die oftmals Millimeter oder Mikrometer großen Staubpartikel würden ansonsten große Löcher in den Schichten verursachen und die Membran bereits bei der nasschemischen oder physikalischen Gasphasenabscheidung der Schicht zerstören.

Die Herstellung der dünnen Schichten erfolgt hierbei unter Reinraumbedingungen beispielsweise über die Sol-Gel-Route mit verschiedenen Herstellmethoden wie Spin Coating oder Tauchbeschichtung oder z. B. Vakuumschlickerguss.

Reinraumbedingungen - Spin CoatingHerstellung dünner Schichten mittels Spin Coating im Reinraum

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 darauf auf, wodurch der Gradient in der Porosität bis hin zu Poren im nm Bereich entsteht. Die auf dieser Trägerstruktur abgeschiedene Membranschicht ist nur wenige Nanometer dick. Die folgende Abbildung zeigt den gesamten Aufbau einer Gasseparationsmembran.

Aufbau einer GasseparationsmembranDie Abbildung zeigt den gesamten Aufbau einer Gasseparationsmembran

BeschichtungsverfahrenSauerstofftrennmembran hergestellt über Folienguss.

Querschliff durch - SauerstofftrennmembranQuerschliff durch eine Sauerstofftrennmembran

Neben den gezeigten mikroporösen Gastrennmembranen werden auch deutlich dickere, aber dichte sauerstoffionenleitende Membranen entwickelt. Die Schichtdicke beträgt hierbei etwa 10-50 µm, was der Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Für diese Membranschichten werden in der Regel Beschichtungsverfahren wie das Siebdrucken, Vakuumschlickergießen oder auch das Foliengießen verwendet.

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