Sauerstoffleitende Perowskitkapillarmembranen

Die Abtrennung von Sauerstoff aus der Luft ist für viele großtechnische Prozesse von wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung. Um das in Erdgas enthaltene Methan als Grundstoff für die chemische Industrie nutzen zu können, muss es teilweise zu Synthesegas (Synthesegas), einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, oxidiert werden. Bisher war es vor allem die Bereitstellung von reinem Sauerstoff mittels Kryogen-Luftzerlegung, die die Kosten für die industrielle Herstellung von Synthesegas in die Höhe getrieben haben. In den letzten Jahren sind zunehmend gemischte leitende Perowskite als Membranmaterialien für die selektive Trennung von Sauerstoff aus Luft-Gas-Gemischen in den Fokus gerückt.

Sauerstoffleitende Kapillaren

Um die besonderen Materialeigenschaften von Perowskiten mit einer effektiven spezifischen Membranoberfläche zu verbinden, haben wir am Fraunhofer IGB sauerstoffleitende Perovskit-Kapillarmembranen entwickelt. Im Vergleich zu herkömmlichen Geometrien (Scheiben, Rohre, Mehrkanalelemente) haben diese Membranen die größte Packungsdichte (Abscheidungsfläche pro Volumen) und einen extrem geringen Materialverbrauch.

Durch ein Nassspinnverfahren mit anschließender Sinterung werden die Perovskit-Kapillaren mit einem Außendurchmesser von 750 μm bis 3 mm und Wandstärken von 80 bis 300 μm im Technikumsmaßstab hergestellt (Abb. 1). Gasdichte Kapillaren aus dem Perowskit-Material BaCoxFeyZrzO3-δ zeigen bei Temperaturen von 950 °C eine Sauerstoffpermeation von bis zu 10 ml min-1 cm-2 und eine ausgezeichnete Selektivität (Trennfaktor O2/N2 > 10.000) [1].

Typische Geometrie einer Perowskit-Hohlfasermembran.
© Fraunhofer IGB
Abb. 1: Typische Geometrie einer Perowskit-Hohlfasermembran. Außendurchmesser: 900 μm, Innendurchmesser: 600 μm, Länge: 30 cm.
 12-Faser-Schwimmkopfmodul.
© Fraunhofer IGB
Abb. 2: 12-Faser-Schwimmkopfmodul.

Anwendungen

Mithilfe von Persowskit-Hohlfasermembranen mit Sauerstoff angereicherte Luft.
© Fraunhofer IGB
Mithilfe von Persowskit-Hohlfasermembranen mit Sauerstoff angereicherte Luft.

Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie hat das Fraunhofer IGB diese Membranen für verschiedene Anwendungen getestet. Die Kapillaren können zur Erzeugung von extrem reinem Sauerstoff zur partiellen Oxidation von Methan (POM) verwendet werden. Die Spaltung von Wasser, gekoppelt mit der POM unter Verwendung dieser Membranen, erleichtert die gleichzeitige Produktion von reinem Wasserstoff und Synthesegas.

Ausblick

In Zukunft können Perowskit-Kapillarmembranen auch in der Energiewirtschaft zur effizienten Nutzung von Primärenergieträgern mittels sauerstoffhaltiger Luft eingesetzt werden. Mithilfe von Sauerstoff-Trennmembranen ließen sich auch »Kohlendioxid-freie Kraftwerke« konstruieren, wie sie vor dem Hintergrund des Klimaschutzes gefordert werden. In diesen Anlagen wird das bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehende Kohlendioxid nicht in die Luft abgeleitet, sondern eingefangen und dauerhaft entsorgt (CO2-Sequestrierung): Wird die Verbrennung mit reinem Sauerstoff statt mit Luft durchgeführt, würde dies das nachfolgende Trennung von CO2 vereinfachen.

Publikationen

  • Schiestel, T.; Kilgus, M.; Peter, S.; Caspary, K. J.; Wang, H.; Caro, J. (2005) Hollow fibre perovskite membranes for oxygen separation, J. Mem. Sci. 258 (1-2): 1-4
  • Liang, F. et al. (2010) High-purity oxygen production from air using perovskite hollow fiber membranes, Ind. Eng. Chem. Res. 49(19): 9377-9384
  • Wang, H. et al. (2009) Oxygen selective ceramic hollow fiber membranes for partial oxidation of methane, AIChE Journal, 55(10): 2657-2664
  • Jiang, H.; Wang, H.; Werth, S.; Schiestel, T.; Caro, J. (2008) Simultaneous production of hydrogen and synthesis gas by combining water splitting with partial oxidation of methane in a hollow-fiber membrane reactor, Angew. Chem. Int. Ed. 47/48: 9341-9344
  • Jiang, H. et al. (2009) Direct decomposition of nitrous oxide to nitrogen by in situ oxygen removal with a perovskite membrane, Angew. Chem. Int. Ed. 48(16): 2983-2986

Referenzprojekte

PiCK –

Plasma-induzierte CO2-Konversion

Das Kopernikus-Satellitenprojekt PiCK entwickelt einen neuartigen Prozess, um regenerativ erzeugte elektrische Energie zur Nutzung von klimaschädlichem CO2 als Kohlenstoffquelle einzusetzen. Durch eine Kombination von Plasma- und Membranprozess soll CO2 in O2 und CO aufgespalten werden, welches als Ausgangsprodukt für die Synthese von Plattformchemikalien und chemischen Energiespeichern, beispielsweise Methanol, dient. Im Rahmen des Projekts wurden am IGB erstmals gasdichte keramische Kapillaren hergestellt, die sowohl CO2-stabil als auch für die Abtrennung von Sauerstoff aus einem Plasma geeignet sind.

Laufzeit: Februar 2017 – Februar 2020