Forschung aktuell
Die Membrantechnologie ist hervorragend geeignet, um CO2 energieeffizient aus Biogas zu entfernen. Anorganische Membranen sind aufgrund ihrer hohen Stabilität und Permeationseigenschaften geeignete Kandidaten für diese Trennaufgabe. So haben beispielsweise Zeolithmembranen besondere Eigenschaften, wie eine intrinsische Molekularsiebkapazität: d. h. sie können verschieden große Moleküle trennen. Außerdem besitzen sie die Fähigkeit zur bevorzugten Adsorption bestimmter Gaskomponenten. Zur Herstellung von Membranen, die CO2 von Biogas (CH4) trennen, wurden Chabasit (CHA)-Zeolithe ausgewählt. Die Porengröße im CHA-Gerüsttyp ähnelt der von CH4-Molekülen, ist aber größer als die von CO2. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden CHA-Membranen hohen Flusses mit einem hohen Si/Al-Verhältnis (SSZ-13) zur CO2/CH4-Trennung hergestellt.
Als Träger der Zeolithmembranen wurden asymmetrisch poröse, keramische Träger aus Al2O3 in Einkanalrohrgeometrie (10 mm Außendurchmesser, 7 mm Innendurchmesser, 200 nm Porengröße in der Trennschicht, Membran-oberfläche von ~17 cm2) verwendet (Bild oben).
Um die Trenneigenschaften der Membran zu prüfen, wurde die Permeation von Einzelgasen (Graphik mitte) und die komplexere Permeation von Mischgasen (Graphik unten) gemessen. Die Einzelgaspermeation von SSZ-13-Membranen wurde bei Raumtemperatur (hier dominiert die Adsorption als Trennverfahren) und bei 150 °C (Diffusion) analysiert. In beiden Fällen hatte CO2 die höchste Permeanz der getesteten Gase. Die ideale CO2/CH4-Permselektivität reichte bis zu 112 bei einer sehr hohen CO2-Permeanz von etwa 11 m3/(m2hbar).
Bei den Mischgas-Permeationsmessungen wurde ein Gasgemisch aus jeweils 50 Vol.-% CO2 und CH4 bei zwei unterschiedlichen Feeddrücken unter Raumtemperatur betrachtet. Bei einem Feeddruck von 2,55 bar wurde eine hohe CO2-Permeanz von ~ 5 m3/(m2hbar) ermittelt. Die Permeanz von CH4 lag bei etwa 0,033 m3/(m2hbar). Folglich wurde eine ausgezeichnete CO2/CH4-Selektivität von > 150 erreicht. Eine Erhöhung des Feeddrucks auf 6,05 bar führte zu einer Verringerung der CO2-Permeanz auf ~ 2,5 m3/(m2hbar) und eine Erhöhung der Permeanz von CH4 auf ~ 0,045 m3/(m2hbar). Die CO2/CH4-Selektivität der SSZ-13-Membran sank also, wies aber dennoch einen sehr guten Wert von ~57 auf.
Die Messungen zeigen, dass die neuartigen Zeolithmembranen ausgezeichnete Trennleistungen erbringen – sowohl bezüglich der CO2/ CH4-Selektivität als auch der CO2-Permeanz. Diese Membranen bieten damit erstmalig die Möglichkeit, hoch konzentriertes CO2 aus Biogas energieeffizient in nur einer einzigen Membranstufe abzutrennen. Als nächster Schritt ist nun die Hochskalierung der Membranen bei gleichbleibender Trennleistung mit Partnern aus der Industrie geplant.
Wir danken der Europäischen Union für die finanzielle Unterstützung durch das Projekt »INNOMEM« (FKZ: 862330–INNOMEM–H2O2–NMBP–TO–IND–2010–2020/ H2O2–NMBP–HUBS–2019).