Jahresbericht 2007 - Leibniz-Institut für Katalyse

Themenleiter:
Dr. Manfred Noack
Tel.: (030) 6392 - 4337
Fax: (030) 6392 - 4454
manfred.noack@
catalysis.de
Struktureinheit des
Si-Sodaliths
Membranprozesse Membranprozesse
Entwicklung engporiger Zeolith-
Membranen für die H 2 -Abtrennung
und von L2N-Strukturen für die
CO 2 - Sequestrierung
Zielsetzung
Entwicklung neuer anorganischer Membranen für die Stofftrennung
und den Einsatz im Membranreaktor. Angesichts der Suche nach
umweltfreundlichen Antriebskonzepten kommt der Wasserstoffgewinnung
zunehmende Bedeutung zu. Zeolith- Membranen aus
Sechsringstrukturen sind zur größenselektiven Abtrennung der
kleinen Wasserstoffmoleküle aus Gemischen mit größeren Gasen
wie N , CH , CO oder Kohlenwasserstoffen geeignet. Ein anderer
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Schwerpunkt des Klimaschutzes ist die CO -Sequestrierung bei
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der Verbrennung fossiler Energieträger. Es gibt das Konzept der
Verbrennung mit reinem Sauerstoff, der über Perowskit-Membranen
aus Luft gewonnen wird und mit CO -haltigem Spülgas der
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Verbrennung zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist die Entwicklung
von CO -beständigen Membranen des L2N-Typs erforderlich. Die
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neuen Materialien sind umfassend zu charakterisieren und es sind
technisch verwertbare Anwendungskonzepte vorzuschlagen und zu
erproben.
Ergebnisse
Sechsring-Zeolithe haben einen Porendurchmesser von 0,28 nm, so
dass Moleküle wie H , He, H O oder NH die kleinen Hohlräume
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erreichen können. Technische Gasgemische enthalten stets
Wasserspuren, daher sind reine SiO -Strukturen mit ausgeprägter
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Hydrophobizität wie SOD, SGT, DOH oder MTN geeignet. Die
Synthese erfolgt mit Templatmolekülen, die nach der Synthese
thermisch zerstört werden müssen. Die Auswahl der Template
bestimmt die Struktur, die Temperatur und Dauer des Templatabbaus.
Es wurde eine Reihe von SOD-Kristallen mit verschiedenen Templaten
präpariert, die Detemplatisierung optimiert und anschließend H - und 2
He-Isothermen im Tieftemperaturbereich gemessen. Nur templatfreie
Kristalle zeigen den erwarteten Langmuir-Isothermenverlauf.
Dagegen zeigen Kristalle mit Templatresten eine aktivierte Adsorption
mit inversem Temperaturverhalten. Die adsorptive Speicherkapazität
für H ist gering. Erst wenn die kontinuierliche H -Permeation an
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SOD-Membranen gelingt, werden diese technisch interessant.
Literatur
[1] S. Münzer, M. Noack, J. Caro, P. Behrens: Hydrogen and helium
adsorption on allsilica Sodalite, Deutsche Zeolith Tagung, März 2008, Halle/
Saale.
[2] M. Noack, P. Kölsch, A. Dittmar, M. Stöhr, G. Georgi, M. Schneider, U.
Dingerdissen, A. Feldhoff, J. Caro, Microp. Mesop. Mat. 102, 2007, 1-20.
Präparation und Charakterisierung von L2N-Strukturen
L2N-Strukturen sind Perowskite auf Basis von La-Nickelaten. Sie
weisen eine hohe CO -Beständigkeit auf, doch ist die O -Permeanz
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gering. Durch Dotierung mit redoxaktiven Übergangsmetallkationen
kann der Sauerstoffionentransport erhöht werden. Es wurden dotierte
L2N-Kristalle nach der Citrat,- Nitrat,- und der Festkörpermethode
mit verschiedenen Konzentrationen an Dotierkationen präpariert. Zur
Charakterisierung sind die Phasenreinheit, die thermodynamische
Beständigkeit bei variabler Temperatur und O -Konzentration und
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die O -Permeanz zu bestimmen. Wegen der Vielzahl der Proben
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waren schnelle Untersuchungsmethoden erforderlich, um die
Membranerzeugung und Eindichtung im Hochtemperaturreaktor
auf ausgewählte Proben zu reduzieren. Es wurden elektrische
Meßmethoden installiert:
• Festelektrolytanalytik für Perowskitpulver zur
thermodynamischen Stabilität
• Vierpunktmessung der Leitfähigkeit für gesinterte
Presslinge mit Aussagen zur Relaxation
• Impedanzspektroskopie an gesinterten Presslingen
zum Einfluss der Oberflächen-Volumenleitung und
dem Einfluss der Korngrenzen.
Diese Methoden sollen mit Permeationsmessungen korreliert
werden. Dazu ist eine methodische Entwicklung vor der stofflichen
Bewertung der Messergebnisse erforderlich. Zusätzlich erfolgten
umfangreiche Arbeiten zur chemischen und mechanischen
Verträglichkeit verschiedener Materialkombinationen unter
Hochtemperaturbedingungen.
Literatur
[1] J. Caro, C. Hamel, B. Hoting, P. Kölsch, B. Langanke, K. Nassauer, M.
Noack, T. Schiestel, M. Schroeder, J. C. Buyn, A. Seidel-Morgenstern, E. Tsotsas,
H. Wang, S. Werth, Chem. Ing. Techn. 2007, 831-843.
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Plattenreaktor
bis 1000°C
Impedanzmeßzelle
bis 1000°C