Sauerstoffleitende Perowskit-Kapillarmembranen

Die Abtrennung von Sauerstoff aus Luft ist für viele großtechnische Prozesse von wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung. In den letzten Jahren sind zunehmend gemischte leitende Perowskite als Membranmaterialien für die selektive Trennung von Sauerstoff aus Gasgemischen in den Fokus gerückt.

Um die besonderen Materialeigenschaften von Perowskiten mit einer effektiven spezifischen Membranoberfläche zu verbinden, haben wir am Fraunhofer IGB sauerstoffleitende Perowskit-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 können Perowskit-Kapillaren mit Außendurchmessern von 750 μm bis 3 mm und Wandstärken von 80 bis 300 μm im Technikumsmaßstab hergestellt werden (Abb. 1, 2). So zeigen z.B. Gas dichte Kapillaren aus dem Perowskit-Material BaCoxFeyZrzO3-δ 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 [2, 3]. Die Kapillaren können z.B. zur Erzeugung von Sauerstoff angereicherter Luft (Abb. 3) oder auch extrem reinem Sauerstoff und 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.



Perowskit-Hohlfasermembran
© Fraunhofer IGB
Typische Geometrie einer Perowskit-Hohlfasermembran. Außendurchmesser: 900 μm, Innendurchmesser: 600 μm, Länge: 30 cm.
12-Faser-Schwimmkopfmodul
© Fraunhofer IGB
12-Faser-Schwimmkopfmodul
Gewinnung von Sauerstoff angereicherter Luft mittels Perowskit-Hohlfasermembranen
© Fraunhofer IGB
Gewinnung von Sauerstoff angereicherter Luft mittels Perowskit-Hohlfasermembranen

Publikationen

  1. Schiestel, T., Kilgus, M., Peter, S., Caspary, K. J., Wang, H., & Caro, J. (2005). Hollow fibre perovskite membranes for oxygen separation. Journal of Membrane Science, 258(1), 1-4. doi:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2005.03.035.
  2. Jiang, H., Cao, Z., Schirrmeister, S., Schiestel, T., & Caro, J. (2010). A Coupling Strategy to Produce Hydrogen and Ethylene in a Membrane Reactor. Angewandte Chemie International Edition, 49(33), 5656-5660. doi:https://doi.org/10.1002/anie.201000664.
  3. Jiang, H., Wang, H., Liang, F., Werth, S., Schiestel, T., & Caro, J. (2009). Direct Decomposition of Nitrous Oxide to Nitrogen by In Situ Oxygen Removal with a Perovskite Membrane. Angewandte Chemie International Edition, 48(16), 2983-2986. doi:https://doi.org/10.1002/anie.200804582.