Helium-Abtrennung mittels anorganischer Membranen
Energieeffizientere Gewinnung von Helium durch neue Membranen
Helium (He) wird als Schutzgas in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet. Beispielsweise wird Helium bei der Herstellung von Silizium-Wafern für die Mikroelektronik, die Photovoltaik oder auch die Mikrosystemtechnik eingesetzt. Viele analytische Geräte wie Gaschromatographen benötigen ebenfalls Helium. Helium ist kein seltenes Element auf der Erde, es kommt jedoch immer nur in geringen Konzentrationen vor. Zurzeit wird es ausschließlich aus Erdgas gewonnen. Bei der Förderung von Erdgas enthalten Quellen üblicherweise He-Konzentrationen um 0,1 – 0,3 Volumen-%. Nur wenige Quellen weltweit weisen höhere Konzentrationen auf. Andere derzeit nutzbare Helium-Quellen existieren nicht.
Die Gewinnung von Helium erfolgt durch Verflüssigung des Erdgases. Mit zunehmender Herstellung von Flüssigerdgas stieg die Zahl der nutzbaren Helium-Quellen. Dennoch wird eine Vielzahl von Erdgasquellen mit geringen Helium-Konzentrationen auf Grund des hohen Energiebedarfs zur Verflüssigung nicht genutzt. Membranen könnten mit erheblich geringerem Energieaufwand das Helium aus dem Erdgas und anderen Gasgemischen abtrennen und anreichern. Es gibt einige wenige Polymermembranen, die dazu genutzt werden können. Die Selektivität und der Stofftransport der Membranen sind jedoch begrenzt und die mechanische Stabilität gegenüber hohem Druck sowie die chemische Stabilität gegenüber Kohlenwasserstoffen oder Schwefelverbindungen sind gering.
Im Projekt Helios sollen deshalb anorganische Membranen (aus Zeolithen und Kohlenstoff) synthetisiert und untersucht werden. Diese sollen einerseits chemisch und thermisch stabil sein, andererseits eine deutlich höhere Selektivität aufweisen. Mit den neuen Membrantypen öffnet sich neben der Helium-Gewinnung auch das Anwendungsfeld der Helium-Rückgewinnung aus analytischen Geräten. Dies wird im Vorhaben beispielhaft für die Gaschromatographie untersucht.
Das Vorgehen zur Membranherstellung erfolgt im Projekt entlang der Wertschöpfungskette beginnend bei der Trägerherstellung, der Trägertestung über die Membranentwicklung und deren anwendungsnahe Charakterisierungsmöglichkeiten. Das Vorhaben ermöglicht zukunftsorientierte Trennprozesse unter Verwendung einer keramischen Membran mit hoher He-Durchlässigkeit und Selektivität. Durch Verwendung einer solchen Membran könnten kostenintensive Trennoperationen, wie bspw. die kryogene Gastrennung, durch energieeffiziente und ressourcenschonende Membranverfahren abgelöst werden.
