Sauerstoffleitende Perowskit-Kapillarmembranen

Durch eine kosteneffiziente und ressourcenschonende Kombination aus Plasma- und Membranprozess kann CO2 in O2 und CO aufgespalten werden, welches als Ausgansprodukt für die Synthese von Plattformchemikalien wie Methan, Methanol oder Formaldehyd genutzt werden kann.

Der Schwerpunkt der Arbeiten am IGB liegt auf der Entwicklung einer geeigneten Membran, die einerseits effizient Sauerstoff abtrennen und andererseits im Plasma eingesetzt werden kann. Hierzu wurde ein gemischtleitendes keramisches Material (LawCaxCoyFezO3-δ; LCCF) zur Herstellung der Membranen ausgewählt, das in der Literatur bereits als CO2-tolerant beschrieben wurde. Mittels eines etablierten Nassspinprozesses und anschließendem Sintern konnten erstmals Gas dichte LCCF-Kapillaren reproduzierbar hergestellt werden, die sowohl CO2-stabil (>200 h) als auch für die Abtrennung von Sauerstoff geeignet sind (O2-Permeanz von 1,0 ml min-1 cm-2 bei 900 °C). Durch Optimierung der Korngrenzen in der Membran (Abb. 1) und durch ein Aufrauen der inneren und äußeren Oberfläche der Membran (Abb. 2) konnte die Sauerstoff-Permeanz der Membran deutlich verbessert werden [1, 2]. Des Weiteren weisen die vom Fraunhofer IGB hergestellten Kapillaren eine sehr gute thermische Stabilität und eine gute Sauerstoffpermeanz (2,3 mL min-1 cm-2) im CO2-Plasma auf (Abb. 3) [3]. Solche Kapillaren wurden bisher in der Literatur noch nicht beschrieben.

Durch die guten Ergebnisse wird in naher Zukunft an der Optimierung der Abtrennleistung durch Erhöhung der Trennfläche im Plasma gearbeitet. Dies soll durch eine Erhöhung der Anzahl der eingebauten Membranen erfolgen. Des Weiteren sollen mögliche Reaktionspartner des CO, wie z.B. H2, direkt in das Plasma eingeleitet werden.

Publikationen

  1. F. Buck, A. Feldhoff, J. Caro, Thomas Schiestel, Permeation improvement of LCCF hollow fiber membranes by spinning and sintering optimization, Separation and Purification Technology, 259 (2021) 118023. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.118023.
  2. F. Buck, O. Bunjaku, J. Caro, T. Schiestel, High-flux CO2-stable oxygen transport hollow fiber membranes through surface engineering, Journal of the European Ceramic Society, 42/4 (2022) 1537-1547. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.11.040.
  3. F. Buck, K. Wiegers, A. Schulz, T.Schiestel, Effect of plasma atmosphere on the oxygen transport of mixed ionic and electronic conducting hollow fiber membranes, Journal of Industrial and Engineering Chemistry 104 (2021) 1-7. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.08.044.
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