Projekt:"Entwicklung keramischer Membranen für die Reinstgaserzeugung und selektive katalytische Oxidation mit Membranreaktoren" (Oxymem)

Zusammenfassung

Im Rahmen des Verbundprojektes werden dichte keramische Membranen entwickelt und erprobt, die eine selektive Abtrennung bzw. Gewinnung von Sauerstoff aus Gasen (vorzugsweise aus Luft) ermöglichen. Für derartige Membranen existiert eine Vielzahl potentieller Anwendungsmöglichkeiten:

• Herstellung von Reinstsauerstoff und Inertgasen, 
• Umsetzung des Sauerstoffs in Membranreaktoren und selektive heterogene Katalyse, 
• Totaloxidation von Abgasen. 

Innerhalb des Verbundprojekts soll der durch Membranzerlegung der Luft gewonnene Sauerstoff für die Totaloxidation von Abgasen bzw. für die NOx-freie (Nach-)Verbrennung eingesetzt werden. Dies hat wesentliche technologische Vorteile:

• kein Eintrag von Luftstickstoff und damit stark verminderte NOx-Emission
• die Zuführung reinen Sauerstoffs ermöglicht eine effektivere Verbrennung
• die Limitierung der Verbrennungstemperaturen (minimaler NOx-Ausstoss) führt zu einem höheren Wirkungsgrad energietechnischer Anlagen
• erhöhter Sauerstoffbedarf führt zu erhöhtem Sauerstoffdurchsatz und damit zur Selbstregulation
• der weite Stabilitätsbereich hinsichtlich der Sauerstoffstöchiometrie (Perowskite, ABO3-y, 0 ≤ y ≤ 0,5) bewirkt den Ausgleich kurzeitiger Partialdruck-Schwankungen durch Abgabe/Aufnahme material-eigenen Sauerstoffs

Hintergrund:

Die selektive Abtrennung des Sauerstoffs beruht auf der Mischleitung des gasdichten keramischen Materials, d. h. Ladungs- bzw. Stofftransport erfolgen durch die simultane Bewegung von Elektronen und Oxidionen. Im Gegensatz zu den in Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) genutzten Festelektrolyten (z. B. Yttria Stabilized Zirconia, YSZ) liegt somit ein innerer Kurzschluss vor. Stoff- und Ladungstransport erfolgen über Platzwechselvorgänge im Kristallgitter, die Mischleitung ist somit an den kristallinen Aufbau und die chemische Zusammensetzung der Keramik gebunden bzw. wird durch diese Faktoren stark beeinflusst.

Bestimmend für den Sauerstoff-Durchsatz durch die gasdichte keramische Membran ist (neben den geometrischen Abmessungen und dem Konzentrationsgradienten) der Diffusionskoeffizient der Oxidionen. Die Bestimmung dieser für die Materialoptimierung wesentlichen Kenngröße erfolgt an der Bauhaus-Universität Weimar mittels einer speziellen computer-gesteuerten Messeinrichtung.

Für einen maximalen Stoffduchsatz muss das zu entwickelnde Material als möglichst dünne und dabei gasdichte Schicht auf einem porösen Träger aufgesintert werden. Die Machbarkeit der technologische Applikation wird durch das Hermsdorfer Institut für Technische Keramik e. V. untersucht. 

Publikationen und Patente:

R. Groschwitz, Ch. Kaps, R. Kriegel, U. Pippardt, R. Sommer, I. Voigt: "Sauerstoffionen- und elektronenleitende Keramikmembran Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung." Europäisches Patent 99124598.6, angemeldet am 10. 12. 99

R. Groschwitz, Ch. Kaps, R. Kriegel, U. Pippardt, R. Sommer, I. Voigt: "Gemischt leitende sauerstoffpermeable Oxidkeramik zur Sauerstofferzeugung und Verfahren zu ihrer Herstellung." Deutsches Patent P 198 26 496.8, angemeldet am 13. 06. 98

R. Kriegel, U. Pippardt, I. Voigt: "Determination of the Oxygen Ion Diffusion Coefficients in Mixed Conductors by the Volumetric Measurement of the Reoxidation Kinetics"; ICIM6-2000, 26.06.00 - 30.06.00, Montpellier, France, angenommen als No. 83