Entwicklung und Charakterisierung eines metallischen Substrats für ...

Grundlagen
höheren Temperaturen der aktivierte Gastransport. Unterscheidet sich die Molekülgröße
kaum (wie bei CO2 und N2) istüber den aktivierten Gastransport keine Trennung bzw.
nur eine geringe Trennung der Gase zu erzielen.
Gastrennung kann in engen Mesoporen auch durch kapillare Kondensation oder mehrschichtige
Oberflächenadsorption beeinflusst werden. Dabei kondensiert eine Komponente
des Gasgemischs in den Poren. Auf der Permeatseite geht es wieder über in den
gasförmigen Zustand. Dadurch wird der Gastransport anderer Gaskomponenten behindert
(siehe Abb. 2.6 d)) [54]. Leichter kondensierbare Gase (z. B. NH3, H2O) permeieren
dann besser durch die Membran als Permanentgase (z. B. H2, N2). Dieser Mechanismus
ist vor allem bei feuchten Rauchgasen zu beachten.
Mikroporöse anorganische Membranen
Mikroporöse anorganische Membranen weisen eine asymmetrische Membranstruktur auf.
Als Substrate können poröse Keramiken, wie z. B. Al2O3, TiO2 oder ZrO2 oder poröse
Metalle, wie z. B. Stähle, verwendet werden [62]. Bevor die eigentliche mikroporöse Gastrennmembran
aufgebracht werden kann, muss die Porengröße durch mindestens eine mesoporöse
Zwischenschicht angepasst werden. Bekannte Beispiele von mikroporösen anorganischen
Membran sind amorphes SiO2, TiO2, ZrO2 und SiC [63, S. 512]. Eine Gastrennung
mit hohen Selektivität wurde bisher für Membranen erzielt, die auf SiO2 oder SiC
basieren. TiO2 und ZrO2 wurden bisher vor allem für die Flüssigkeitsfiltration und die
Pervaporation eingesetzt.
Um meso- und mikroporöse Schichten herzustellen, eignet sich das Sol-Gel-Verfahren. Es
besteht aus vier Schritten: der Sol-Synthese, der Beschichtung, der Trocknung und der
Wärmebehandlung. Ein Skizze der einzelnen Prozessschritte ist in Abb. 2.8 gegeben.
Sol-Synthese Bei der Sol-Synthese reagiert ein Prekursor mit Wasser und es kommt
zu einer anorganischen Polymerisation. Als Prekursor werden metallische Salze oder metallorganische
Verbindungen (z. B. Alkoxide: M(OR)n mit M: Metallion, n: Wertigkeit des
Metallions und R: CmH2m+1) verwendet. Die Polymerisation beinhaltet die Hydrolyse und
die Kondensation des Prekursors. Bei der Hydrolyse eines Alkoxids wird die (OR)-Gruppe
mit einer (OH)-Gruppe ersetzt (Gleichung 2.8 [64, S. 43]). Die Kondensation erfolgt durch
Oxolation (Gleichung 2.9 [64, S. 44]).
M−OR+H2O ↔ M−OH + R−OH (2.8)
M−OH + M−OX ↔ M−O−M+x−OH (2.9)
Die Sol-Synthese unterteilt sich in die kolloidale Route und die Polymerroute. Die kolloidale
Route wird verwendet, um mesoporöse Strukturen herzustellen. In diesem Fall
wird eine überstöchiometrische Menge an Wasser zugegeben. Dadurch werden alle Alkoxide
hydrolysiert und kondensieren zu dreidimensionalen Partikeln mit einer Hülle aus
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