Ultradünne Pd-Membranen als Basis für effiziente Reaktions- und Transportprozesse
Motivation
Im Rahmen des beantragten Projektes „Ultradünne Pd-Membranen als Basis für effiziente Reaktions- und Transportprozesse“ sollen ultradünne Pd-Schichten als Membranen auf porösen keramischen Trägern abgeschieden werden. Aufgrund der angestrebten dünnen Schichten im zwei- bis niedrigen dreistelligen Nanometer-Bereich wird ein sehr hoher Wasserstoff-Fluss erwartet und gleichzeitig der zur Herstellung der Membranschichten benötigte Edelmetall-Gehalt drastisch reduziert. Daher wird trotz eines Edelmetalleinsatzes eine sehr kostengünstige Membran angestrebt, die neben der hohen Wasserstoffreinheit gleichzeitig hohe Flüsse verspricht. Aufgrund des Einsatzes von Pd und Pd-Legierungen können diese Membranen neben den angestrebten reinen Membran-Transportprozessen auch mit katalytisch unterstützten Folgereaktionen, welche unter Nutzung von Wasserstoff verlaufen, verknüpft werden. Aufgrund der katalytischen Eigenschaften des Edelmetalls und der erwarteten hohen Druck- und Temperaturstabilität aufgrund des keramischen Trägers rücken viele mögliche, direkt an die Elektrolyse gekoppelte Folgereaktionen (z.B. Methansynthese, Methanolsynthese unter Nutzung von Kohlenstoffdioxid) in den Fokus. Somit werden die Bereiche Elektrolyse und katalytische Folgereaktionen durch den Einsatz einer katalytisch aktiven Membran direkt miteinander verbunden. Elektrolysen mit hohen Drücken sind in der Gesamtprozessbetrachtung unter Einbeziehung der angestrebten katalytischen Folgereaktionen, die eben unter erhöhtem Druck ablaufen, wirtschaftlich von Vorteil, da ein zwischenzeitlicher notwendiger Verdichtungsschritt, der bis zu 20 % des Strombedarfs der Elektrolyse benötigt, entfallen kann.
Ziele und Vorgehen
Im Projekt geht es um die Synthese ultradünner Edelmetallmembranen auf keramischen Trägern. Die Träger sollen Kapillarform besitzen, da man sich im Vergleich zu monolithischen Membranträgern eine erhöhte Fläche pro Volumen sowie eine erhöhte Druckstabilität erwartet. Diese Träger müssen optimiert hergestellt werden. Die Membranen werden nach der Synthese entsprechend ihrer Permeationseigenschaften charakterisiert. Später sollen sie prozessseitig direkt an eine Hochdruckelektrolyse angeschlossen werden, um den hergestellten Wasserstoff aufreinigen (trocknen) zu können, gleichzeitig aber auch in eine direkt angeschlossene chemische Synthese eindosieren zu können. Aufgrund des Einsatzes von Pd und Pd-Legierungen (binäre und ternäre Systeme) als Membranmaterial, welches gleichzeitig auch katalytisch aktiv ist, können diese Membranen neben den angestrebten reinen Membran-Transportprozessen auch direkt angeschlossene Folgereaktionen, welche unter Nutzung von Wasserstoff und Kohlendioxid verlaufen (z.B. Methanisierung, Methanolsynthese), katalytisch unterstützen. Somit werden die Bereiche Elektrolyse und katalytische Folgereaktionen durch den Einsatz einer katalytisch aktiven Membran direkt miteinander verbunden, was sich in einer deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades äußern sollte. Um die Folgereaktionen untersuchen zu können, werden im Projekt Membraneindichtungsvarianten entwickelt und in einen Reaktor übertragen. Es sollen optimale verfahrenstechnische Parameter für den Membranreaktorbetrieb gefunden werden. Weiterhin werden Skalierungsoptionen (z.B. Membransynthese, Membrangeometrien, Reaktoren inkl. Eindichtung) untersucht. Am Ende des Projektes werden die erreichten Ziele kritisch mit stat-of-the-art-Prozessen verglichen. Die Ziele lassen sich mit den folgenden Schlagworten zusammenfassen: Trägerentwicklung, Membranfertigung, Katalytische Untersuchungen, Anlagen- und Dichtungskonzept, Skalierungsoptionen, industrielle Umsetzbarkeit und Bewertung.
Innovationen und Perspektiven
Das Vorhaben wird einen signifikanten Beitrag leisten, um Membranprozesse noch effektiver zu gestalten, da im Gegensatz zu monolithischen Geometrien im vorliegenden Projekt Kapillarmembranen adressiert werden. Gleichzeitig sollen trotz des Einsatzes von Edelmetall kostengünstige, aber sehr leistungsfähige Membranen synthetisiert werden. Aus den erwarteten Resultaten lassen sich viele mögliche Szenarien für künftige Einsätze dieser Membranen (reine Membrantrennung, Anwendungen im Membranreaktor für chemische Reaktionen) ableiten. Das Projekt soll Daten und Lösungsstrategien für zukunftsorientierte Trennprozesse mit definiert einstellbaren Membraneigenschaften, unter Berücksichtigung verarbeitungstechnischer Aspekte, ökonomischer und ökologischer Fragestellungen und einem klaren verfahrenstechnischen Anwendungsbezug liefern.
