Umwelt- und Verfahrenstechnik

Anwendungsbereiche

Keramische Membranen für die Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung in verschiedenen Geometrien.
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Keramische Membranen für die Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung in verschiedenen Geometrien.

Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung

 

Die Wasserreinhaltung insbesondere durch Abwasserreinigung ist ein zentrales Anliegen des Umweltschutzes. Hierbei konzentriert sich das Fraunhofer IKTS auf chemie- und biologiefreie Verfahren sowie integrierte Reaktorsysteme für die Behandlung von Ab- und Prozesswässern. Mit Hilfe von keramischen Membranen oder elektrochemischen und photokatalytischen Oxidationsverfahren lassen sich so Trinkwasser, kommunale und industrielle Prozesswässer, Bergbauwässer oder Geothermie-Tiefenwässer aufbereiten.

Einsetzen von sauerstoffselektiven Membranen in einen Sauerstoffgenerator.
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Einsetzen von sauerstoffselektiven Membranen in einen Sauerstoffgenerator.

Sauerstoffgewinnung und -nutzung

 

In vielen Verbrennungs- und Oxidationsprozessen kann die Effizienz durch die Zuführung von Sauerstoff gesteigert werden. Um Sauerstoff kostengünstig zu gewinnen, entwickelt das Fraunhofer IKTS sauerstoffselektive Membranen und darauf aufbauend Sauerstoffgeneratoren. Durch den höheren Wirkungsgrad in der Verbrennung verringert sich der Verbrauch an fossilen Energieträgern und somit die CO2-Emission. Im Oxycoal- bzw. Oxyfuel-Verfahren lässt sich durch Verbrennung mit einem O2/CO2-Gemisch an Stelle von Luft ein reines CO2-Abgas erzeugen, das entweder stofflich genutzt (CCU – Carbon Capture and Use) oder durch Sequestrierung (CCS – Carbon Capture and Storage) unschädlich gemacht werden kann. Darüber hinaus arbeitet das Fraunhofer IKTS an selbstverdichtenden Verbrennungsprozessen unter Verwendung von Sauerstoffspeichern.

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Offenzellige Schaumkeramiken zur Abwasserbehandlung und Abgasreinigung.
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Keramikgeträgerte Katalysatoren zur industriellen Abgasreinigung.

Abgasnachbehandlung und Gasaufbereitung

 

Viele technische Prozesse erzeugen Gasgemische, die gesundheits- und umweltschädliche Feinstaubpartikel und gasförmige Schadkomponenten enthalten. Für die Heißgasentstaubung und Partikelfiltration bietet das Fraunhofer IKTS offenporige, zellulare keramische Formkörper und Membranen an. Nanoporöse Membranen erlauben beispielsweise die Abtrennung von Einzelkomponenten aus Gasgemischen. Einen weiteren Schwerpunkt bilden keramische Katalysatorträger und Katalysatoren für die Abgasreinigung. Als Alternative zu Edelmetallen weisen keramische Katalysatoren eine höhere thermische Stabilität auf. Außerdem tolerieren sie übliche, für Edelmetalle kritische Katalysatorgifte, wesentlich besser.

CO2-Reduktion

 

Verschiedene Strategien zur Vermeidung (CDA) sowie Nutzung und Speicherung (CCU) von CO2 bieten ein beachtliches Potenzial, um die festgelegten Klimaziele zu erreichen. Keramikbasierte Technologien zur Elektrolyse, CO2-Abtrennung und Synthese höherwertiger Produkte (Fischer-Tropsch) können hierbei einen entscheidenden Beitrag leisten. Insbesondere in CO2-intensiven Industriezweigen wie der Stahlindustrie kann eine deutliche Reduzierung der Emissionen um bis zu 95 % erreicht werden, indem zur Reduktion von Eisenoxid Wasserstoff eingesetzt wird, der durch einen hocheffizienten Festoxidelektrolyseprozess erzeugt wird. Ein weiterer Ansatz zur Senkung von CO2-Emissionen besteht in der Optimierung von industriellen Verbrennungs- und Oxidationsprozessen. Hier kann durch die Zuführung von Sauerstoff der Verbrauch an fossilen Energieträgern und somit der CO2-Ausstoß reduziert werden. Um Sauerstoff kostengünstig zu gewinnen, entwickelt das Fraunhofer IKTS sauerstoffselektive Membranen und Sauerstoffgeneratoren.

Katalysator‐ und Reaktorprüfstände.
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Katalysator‐ und Reaktorprüfstände.

Chemie und Elektrochemie

 

Stofftrennungen mit langlebigen keramischen Membranen sind energieeffizient und damit oft wirtschaftlicher als thermische Trenntechniken, Extraktions- und Adsorptionsverfahren, die in der chemischen Verfahrenstechnik häufig eingesetzt werden. Mit Membranen reduziert sich der Einsatz von Chemikalien zur Regenerierung von Adsorbenzien oder Extraktionsmitteln. In der Reaktionstechnik lassen sich mit keramischen Membranen Edukte gezielt dosieren und Produkte entfernen. Hier befasst sich das Fraunhofer IKTS mit katalytisch aktiven Membranen und kombiniert diese mit Katalysatoren im Membranreaktor bzw. Membrankontaktor.

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Simulation des Stoff- und Wärmetransports in einem Membranmodul.

Alternative Kraftstoffe

 

Flüssige Kraftstoffe werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und einfachen Speicherung kurz- und mittelfristig ihre Bedeutung für die Mobilität behalten. Das Fraunhofer IKTS zeigt Wege auf, Erdöl als Basis der Kraftstoffherstellung abzulösen und alternative kohlenstoffhaltige Rohstoffe und Verbindungen zu nutzen. Dazu gehören Katalysatorsysteme sowie verfahrenstechnische Prozesse und Anlagen für die Kraft- und Wertstoffherstellung mit Hilfe von chemischen Synthesen wie beispielsweise der Fischer-Tropsch-Synthese und unter Einbeziehung von Wasserstofftechnologien. Mit einer leistungsfähigen Modellierung und Simulation werden neue reaktionstechnische Konzepte entworfen und angeboten.

Wertstoffrückgewinnung

 

Die Wertstoffrückgewinnung aus Abwässern und flüssigen Prozessmedien und deren Bereitstellung für den Wirtschaftskreislauf tragen maßgeblich zum effizienten Umgang mit Ressourcen bei. Das Fraunhofer IKTS bildet die gesamte nasschemische Prozesskette vom Aufschluss aus Feststoffen über die Anreicherung durch membrangestützte Extraktionsverfahren bis hin zum Zielprodukt ab. Dabei kommen bevorzugt elektrochemische Prozesse aber auch Verfahrenskombinationen zum Einsatz. Umfangreiche Erfahrungen bestehen in der Gewinnung von Selten-Erd-Konzentraten aus sekundären Rohstoffquellen, in der Reindarstellung verschiedener Selten-Erd-Verbindungen sowie in der Gewinnung von Sonder- und Edelmetallen aus Schrotten oder Haldenmaterial. Eine nicht konventionelle Ressource stellen thermale Tiefenwässer dar, aus denen sich standortabhängig viele wichtige Rohstoffe extrahieren lassen.

Tomographiereaktor zur Bewertung von Misch- und Rührprozessen.
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Tomographiereaktor zur Bewertung von Misch- und Rührprozessen.

Biotechnologische Prozesse

 

Das Fraunhofer IKTS liefert eine breite Palette an verfahrenstechnischen Lösungen für Bioenergietechnologien wie Desintegrations-, Misch- und Rührprozesse, um unter anderem auch lignocellulosehaltige Substrate für die Biogaserzeugung einsetzen zu können. Die Aufbereitung von Biogas wird mittels adsorptiven und Membranverfahren für die Methananreicherung, Biogastrocknung, Nährstoffrückgewinnung und Prozesswasseraufbereitung optimiert. Bei der Herstellung von Bioethanol setzt das IKTS bei der Verzuckerung, Entwässerung oder Substrataufbereitung auf organophile Pervaporations- und Ultrafiltrationsmembranen. Viele dieser äußerst effizienten Verfahren können auch auf andere biotechnologische Gewinnungs- und Aufbereitungsprozesse übertragen werden.

Landwirtschaft

 

Aspekte wie Ressourceneffizienz, Effektivität von Antibiotika, Nachhaltigkeit der Bodeneigenschaften oder Grundwasserqualität gewinnen heute in der Landwirtschaft an Bedeutung.

Die Basis für eine nachhaltige Art des Wirtschaftens liegt in der Behandlung und Nutzung von biomasse- und nährstoffhaltigen Reststoffen, die in der Landwirtschaft als Koppelprodukte entstehen. Diese werden so aufbereitet, dass sie als Dünger, Wasser und Energie wieder in den Produktionskreislauf eingeführt werden können. Dabei werden Stoffkreisläufe nicht isoliert betrachtet, sondern die komplexen Zusammenhänge werden mit Hilfe von Sensorsystemen automatisiert erfasst und analysiert, um die Produktivität durch optimierte Abläufe zu steigern und gleichzeitig Nachhaltigkeit zu erreichen. Das Fraunhofer IKTS bietet hierfür keramische Membranen, Filter, Adsorbenzien, Katalysatoren, Sensoren und Energiespeicher an.