Dichte Metallmembranen

Dichte Metallmembranen zur Wasserstoffreinigung

Eine besonders ausgefeilte Technik der Wasserstoffreinigung verwendet dünne dichte Metallmembranen. Viele Metalle sind in der Lage, bei mäßig erhöhten Temperaturen unter Bildung von Metallhydriden mit Wasserstoff zu reagieren. Atomischer Wasserstoff bewegt sich ziemlich leicht um das Metallgitter herum, wodurch Wasserstoff zwischen den beiden Oberflächen dichter Metallschichten hindurchtreten kann, während andere Gase vollständig zurückgehalten werden.

Normalerweise werden Palladiumlegierungen für diese Gastrennungsanwendung bevorzugt, da dünne Schichten der meisten anderen Metalle einer aggressiven Atmosphäre nicht lange genug widerstehen können. Palladium ist jedoch sehr teuer und die industrielle Installation derartiger Membranen erfordert Schichten mit einer Dicke von weniger als 10 µm.

Keramische Hohlfasermembranen als poröse Träger

Andererseits reicht die mechanische Festigkeit von Palladiummembranen, die bis zu 10 mm dünn sind, für die praktische Anwendung nicht aus. Die Lösung für dieses Problem ist die Abscheidung von Palladiumschichten auf porösen Trägern. Bei Arbeitstemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius eignen sich nur anorganische Materialien als mechanisches Trägermaterial. Deswegen wurde am Fraunhofer IGB eine neue Verfahrenstechnologie zur Herstellung von keramischen Hohlfasermembranen implementiert. Diese Membranen haben einen Durchmesser von weniger als 2 mm und Wände, die bis zu 100 μm dünn sind, und bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Keramikmembranen. Ihr Querströmungswiderstand ist geringer als ihr Gewicht und ihr Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist sehr vorteilhaft. So machen sie kompakte Gastrennmodule mit großen Membranflächen möglich. Natürlicherweise stellen diese Hohlfasern sehr geeignetes Trägermaterial für die zuvor genannten Palladiummembranen dar. Deswegen entwickelt das Fraunhofer IGB für diese sehr dünne Metallbeschichtungen.

Dichte Metallmembranen mit hoher Permeationsrate

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer PdAG-beschichteten Hohlfasermembran.
© Fraunhofer IGB
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer PdAG-beschichteten Hohlfasermembran.

Durch stromloses Plattieren haben wir auf asymmetrischen Hohlfasermembranen 4 μm dünne Palladiumbeschichtungen aufgebracht. (1). Diese Metallbeschichtungen verfügen über eine hohe Dichte und ihre Haftung am keramischen Trägermaterial ist hervorragend.

Wenn der Wasserstofftransport durch die Membran aktiviert ist, werden die Durchflüsse nur bei erhöhten Temperaturen technisch akzeptabel. Zum Beispiel wurde bei 430 °C ein Durchfluss von H2 über 10 m3m-2h-1bar-1 gemessen. Die entsprechende N2-Permeationsrate betrug 10 l m-2h-1bar-1, was einen Trennfaktor α (H2/N2) von 1000 ergab.

Publikationen

  • Pan, X.; Kilgus, M.; Goldbach A.
    Low-temperature H2 and N2 transport through thin Pd66Cu34Hx layers
    Catalysis today 104 (2005) 225.
  • V. Gepert, V.; Kilgus, M.; Schiestel, T.; Brunner, H.; Eigenberger, G.; Merten, M.; Zhang, C.X.; Yuan, Z.S.; Liu, N.; Wang, S.; Wang, S.D.
    Ceramics supported capillary Pd membranes for hydrogen separation: potentials and present limitations
    Fuel Cells, 2006. 6(6): p. 472-481.