Entwicklung und Charakterisierung eines metallischen Substrats für ...

Einleitung
branen aus ökologischer Sicht unbedenklicher.
In der vorliegenden Arbeit werden grundlegende Versuche zur Beurteilung des Potentials
von Membranen zur Rauchgasdekarbonisierung und zur Brenngasdekarbonisierung durchgeführt.
Der Schwerpunkt liegt hierbei auf mikroporösen keramischen Membranen, die auf
einer metallischen Trägerstruktur abgeschieden werden. Es werden aber auch Polymermembranen
berücksichtigt. Keramische Membranen bieten gegenüber den Polymermembranen
eine höhere thermische und chemische Stabilität [10, S. 3]. Polymermembranen
hingegen werden schon kommerziell zur Gastrennung eingesetzt [11], können in großen
Flächen defektarm hergestellt werden und sind gegenüber keramischen Membranen kostengünstiger
[12, S. 468].
Im experimentellen Teil dieser Arbeit werden stahlgestützte Substrate für keramische
Membranen entwickelt. Es handelt sich also um eine Kompositmembran, da verschiedene
Werkstoffe eingesetzt werden. Metallische Substrate besitzen eine bessere mechanische
Stabilität als keramische Substrate. Des Weiteren können Verbindungstechniken, wie
Schweißen oder Löten eingesetzt werden. Um eine gute Durchströmbarkeit zu erzielen,
wird ein gradierter Aufbau der Membran gewählt, d. h. die Trägerstruktur besteht aus
Zwischenschichten mit abnehmender Porengröße. Da sehr feine Metallpulver aufgrund ihrer
Oxidationsneigung schwer zu handhaben sind, werden neben einer Zwischenschicht
aus Stahlpulver auch keramische Zwischenschichten eingesetzt. So werden die Vorzüge
von metallischen und keramischen Materialien kombiniert.
Als Substratmaterial kommen hochlegierte Stähle zum Einsatz (1.4404, 1.4845 und
1.4841), die sich u. a. bereits in der Flüssigkeitsfiltration und für Dieselpartikelfilter
bewährt haben. Aus diesem Grund ist die kommerzielle Verfügbarkeit geeigneter Ausganspulver
gegeben. Das Substrat wird mit einer Stahlzwischenschicht beschichtet (1.4404
oder 1.4845). Die keramische zweite Zwischenschichten ist aus TiO2 oder aus vollstabilisiertem
Zirkoniumdioxid (8YSZ), die eine gute hydrothermale Stabilität erwarten lassen.
Die ersten beiden Zwischenschichten werden mittels Nasspulverspritzen aufgebracht.
Die dritte Zwischenschicht aus mesoporösen γ-Al2O3 wird mittels der Sol-Gel-Technik
aufgebracht. γ-Al2O3 wird standardmäßig als mesoporöse Zwischenschicht für keramische
mikroporöse Membranen eingesetzt und die Sol-Gel-Technik ist für dieses Material
für eine mesoporöse Struktur optimiert. Auf dieser stufenweise gradierten Trägerstruktur
werden die eigentlichen Gastrennmembranen aus metallhaltigem SiO2, TiO2 und ZrO2,
bzw. Mischungen dieser Materialien ebenfalls über das Sol-Gel-Verfahren aufgebracht. Der
Fokus der Arbeit liegt aber nicht auf den Sol-Gel-Beschichtungen, sondern auf der Herstellung
und Charakterisierung des Substrats mit den ersten beiden Zwischenschichten. Diese
müssen eine ausreichende Qualität aufweisen, um eine defektarme Sol-Gel-Beschichtung
zu ermöglichen.
In der Arbeit von F. Hauler [13], welche in enger Abstimmung parallel zu der vorliegenden
Dissertation entstand, wurden die Sol-Gel-Beschichtungen für metallgestützte
Substrate optimiert.
Der zweite Schwerpunkt der Arbeit ist die Auslagerung unter realen Rauchgasdekarbonisierungsbedingungen
im Kraftwerk. Hierfür wurde im EnBW Rheinhafendampfkraftwerk
RDK 7 ein Membranprüfstand aufgebaut und für maximal 1600 h mit Keramik-
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