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.

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].

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.

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.

• 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