Kohlenstoffbasierte Membranen

Gruppe

Thüringer Forschergruppe »Membranreaktor«

Verschiedene Ausführungen kohlenstoffbasierter Membranen, die durch die Forschergruppe für die Wasserabtrennung weiterentwickelt werden.

Sauerstoffleitende Membranen.

Bei der chemischen Synthese fallen Stoffgemische an, die in einem zweiten, nachfolgenden Verfahrensschritt getrennt werden. Diese Trennverfahren sind in der Regel zeit- und energieaufwendiger als die Synthese selbst. Die häufigsten Stofftrennverfahren in der Chemie sind thermische Verfahren wie die Destillation, Extraktion oder Adsorption. Eine Stofftrennung durch Membranverfahren hingegen ist energetisch deutlich günstiger als thermische Trennverfahren.

Während der Synthese werden hohe Anforderungen an die chemische und thermische Stabilität der eingesetzten Materialien gestellt. Mit der Verwendung von keramischen Membranen sollte es in Zukunft möglich sein, Stofftrennung und Synthese in einem Reaktor zu koppeln.

Die Membran kann dabei zur Dosierung von Ausgangsstoffen oder zur Abtrennung von Produkten oder Nebenprodukten eingesetzt werden, um das chemische Gleichgewicht zu verschieben und damit die Ausbeute zu erhöhen. Membranen können aber auch selbst katalytisch aktiv sein oder mit einem Katalysator beschichtet werden. So wird es möglich, reaktive Zwischenprodukte zu isolieren und bei gleichgewichtslimitierten Reaktionen höhere Ausbeuten zu erreichen. Auf dem Gebiet der Energiewandlung und -speicherung sind Membranreaktoren in Form von Batterien und Brennstoffzellen bekannt. Auch hier sind der selektive Transport und die Transportgeschwindigkeit in der Membran und die katalytische Umsetzung an der Membranoberfläche (Elektrode) leistungsbestimmend.

Die Bedeutung von Membranreaktoren haben die Chemieindustrie, der Chemieanlagenbau und die Membranhersteller erkannt. Das Fraunhofer IKTS ist gemeinsam mit der Rauschert Kloster Veilsdorf GmbH (Südthüringen) Partner im EU-Projekt DEMCAMER (http://www.demcamer.org), in dem Membranreaktorkonzepte für die die autotherme Reformierung, die Wasser-Gas-Shift-Reaktion, die Fischer-Tropsch-Synthese und die oxidative Kopplung von Methan entwickelt werden. Darüber hinaus hat das Fraunhofer IKTS in den zurückliegenden zwei Jahren im Auftrag der Thüringer Fa. MUW-SCREENTEC GmbH (Erfurt) einen Labormembranreaktor zur Methanisierung (CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O) entwickelt, bei dem Wasser über die Membran entfernt und damit der Umsatz zu Methan erhöht wird. Diese Projekte belegen zwar eindrucksvoll das Potential von Membranreaktoren, gleichzeitig zeigen sie aber auch, dass die Stabilität und Selektivität der Membranen in der Reaktion häufig noch nicht ausreichen. Überdies kommt es bei der Beschichtung und thermischen Fixierung des Katalysators leicht zu ungewollten Wechselwirkungen zwischen der Membranschicht und dem Katalysator, die entweder die Membrantrenneigenschaften oder die katalytische Aktivität herabsetzen. Genau hier soll diese Forschergruppe ansetzen. Ziel ist es, im Rahmen von Grundlagenuntersuchungen stabile, hoch wirksame Membranen für den selektiven Transport von Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und Natrium zu entwickeln, diese mit Katalysatoren für die Partialoxidation, Oxidative Dehydrierung und Dehydratisierung zu kombinieren und im Labor zu testen (Tabelle 1).

Inhaltliche Ausrichtung der Forschergruppe »Membranreaktor« (PTG: power-to-gas, PTL: power-to liquid, GTL: gas-to-liquid, AMTEC: alkali-metal thermal to electric converter).

  Membranreaktoren für die chemische Stoffsynthese Membranreaktoren für die Energiewandlung
Verfahren PTG – Methanisierung
PTL – Methanolsynthese
GTL – Syngas
Thermoelektrische Generatoren (AMTEC)
Membran O2-Membranen
H2O-Membranen
H2-Membranen
Na-Ionen-leitende Membranen
Funktionswerkstoffe Katalysatoren (metallisch, keramisch) Oberflächenfunktionalisierung

Damit werden die Voraussetzungen für künftige Verbundprojekte auf Thüringer, nationaler und EU-Ebene zur Membranreaktorentwicklung bis in den Pilotmaßstab erheblich verbessert. Zahlreiche Thüringer Industriepartner unterstützen deshalb die Forschergruppe in einem Industriebeirat.

Die Forschergruppe »Membranreaktor« ist in der Regionalen Forschungs- und Innovationsstrategie für intelligente Spezialisierung für Thüringen (RIS3 Thüringen) thematisch dem Wachstums- und Forschungsfeld »Nachhaltige Energie und Ressourcenverwendung« zugeordnet. Mit den gewählten Themen adressiert die Forschergruppe erneuerbare und effiziente Energieversorgungssysteme und -komponenten (Leitziel 1) sowie neue Materialien, Technologien und Verfahren für die Steigerung der Ressourceneffizienz, zur Schaffung geschlossener Stoffkreisläufe und für ein nachhaltiges Design (Leitziel 3).

Die Forschergruppe setzt sich aus insgesamt acht Mitarbeitern aus den technischen und wissenschaftlichen Bereichen zusammen. Die zwei thematischen Schwerpunkte »Katalyse und Membranen« erfordern eine wissenschaftliche Führung der Forschergruppe durch zwei promovierte Experten (Gruppenleiter), wobei die Gesamtkoordination der Gruppe durch Dr. Norman Reger-Wagner erfolgt.

Dieses Projekt wird gefördert durch