PALLADIUM-MEMBRANEN ZUR H -ABTRENNUNG AUS HEISSEN ... · 50 Jahresbericht 2017/18 Dr. Hannes...
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50 Jahresbericht 2017/18 Dr. Hannes Richter, Dr. Norman Reger-Wagner, Dr. Adrian Simon, Janine Hercher Kontakt Norman Reger-Wagner • Telefon +49 36601 9301-5025 • [email protected] Ausgangssituation und Motivation Trennprozesse unter Nutzung von Membranen sind energie- und ressourcenschonend, weshalb sie immer mehr im industri- ellen Umfeld an Bedeutung gewinnen. Membranen werden beispielsweise genutzt, um Gasmoleküle voneinander zu tren- nen. Die Größe der Gasmoleküle liegt dabei unterhalb 1 nm, was besondere Anforderungen an die Membranschicht stellt: Sie sollte frei von Defekten sein und eine hohe Permeanz bei gleichzeitig hoher Permselektivität aufweisen. Aktuelle Entwicklungen am Fraunhofer IKTS In Abhängigkeit von der Trennaufgabe werden am Fraunhofer IKTS verschiedenste Materialien für Membranen eingesetzt. Insbesondere die Abtrennung von Wasserstoff aus einem heißen, feuchten Prozessgas stellt sehr hohe Anforderungen an die Membran in Hinblick auf thermische und chemische Stabilität, aber auch an die Membrangüte. Diese Trennaufgabe erfüllen Palladiummembranen hervorragend, da Palladium nur für Wasserstoff permeabel ist. Diese Membranen werden am IKTS über eine neuartige nasschemische Syntheseroute auf poröse, keramische Substrate aufgebracht. Mit diesem Verfahren lassen sich sehr dünne und dichte Membranschichten realisieren, die beachtliche Selektivitäten ermöglichen. Bild 1 zeigt eine raster- elektronenmikroskopische Aufnahme einer Palladiummembran, die sich auf einem keramischen Substrat befindet. Die Dicke der Palladiumschicht beträgt ca. 200 nm und erscheint im REM als weiße Schicht. Die Charakterisierung der Membran erfolgte zunächst unter Beaufschlagung von verschiedenen Einzelgasen. Dabei zeigte sie eine ideale Permselektivität von H 2 /N 2 > 150. Der überaus geringe SF 6 -Fluss lässt auf wenige bis keine De- fekte in der Membran schließen. Die sehr hohe Wasserstoff- permeanz aufgrund der geringen Schichtdicke erweitert zudem die Anwendungsmöglichkeiten bei tieferen Temperaturen. 1 Unbeschichtetes Einkanal- rohr (links) und beschichtete Innenseite (rechts). 2 Automatisierter Gaspermea- tionsmessstand. 3 REM-Bild einer Palladium- membran (weiß) auf einem keramischen Substrat. Einzelgasmessungen an einer Palladiummembran 1 PALLADIUM-MEMBRANEN ZUR H 2 -ABTRENNUNG AUS HEISSEN, FEUCHTEN PROZESSGASEN UMWELT- UND VERFAHRENSTECHNIK 3 2 500 nm
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50 Jahresbericht 2017/18
Dr. Hannes Richter, Dr. Norman Reger-Wagner, Dr. Adr ian S imon, Janine Hercher
Kontakt Norman Reger-Wagner • Telefon +49 36601 9301-5025 • [email protected]
Ausgangssituation und Motivation
Trennprozesse unter Nutzung von Membranen sind energie-
und ressourcenschonend, weshalb sie immer mehr im industri-
ellen Umfeld an Bedeutung gewinnen. Membranen werden
beispielsweise genutzt, um Gasmoleküle voneinander zu tren-
nen. Die Größe der Gasmoleküle liegt dabei unterhalb 1 nm,
was besondere Anforderungen an die Membranschicht stellt:
Sie sollte frei von Defekten sein und eine hohe Permeanz bei
gleichzeitig hoher Permselektivität aufweisen.
Aktuelle Entwicklungen am Fraunhofer IKTS
In Abhängigkeit von der Trennaufgabe werden am Fraunhofer
IKTS verschiedenste Materialien für Membranen eingesetzt.
Insbesondere die Abtrennung von Wasserstoff aus einem heißen,
feuchten Prozessgas stellt sehr hohe Anforderungen an die
Membran in Hinblick auf thermische und chemische Stabilität,
aber auch an die Membrangüte. Diese Trennaufgabe erfüllen
Palladiummembranen hervorragend, da Palladium nur für
Wasserstoff permeabel ist. Diese Membranen werden am IKTS
über eine neuartige nasschemische Syntheseroute auf poröse,
keramische Substrate aufgebracht. Mit diesem Verfahren lassen
sich sehr dünne und dichte Membranschichten realisieren, die
beachtliche Selektivitäten ermöglichen. Bild 1 zeigt eine raster-
elektronenmikroskopische Aufnahme einer Palladiummembran,
die sich auf einem keramischen Substrat befindet. Die Dicke der
Palladiumschicht beträgt ca. 200 nm und erscheint im REM als
weiße Schicht. Die Charakterisierung der Membran erfolgte
zunächst unter Beaufschlagung von verschiedenen Einzelgasen.
Dabei zeigte sie eine ideale Permselektivität von H2/N2 > 150.
Der überaus geringe SF6-Fluss lässt auf wenige bis keine De-
fekte in der Membran schließen. Die sehr hohe Wasserstoff-
permeanz aufgrund der geringen Schichtdicke erweitert zudem
die Anwendungsmöglichkeiten bei tieferen Temperaturen.
1 Unbeschichtetes Einkanal-
rohr (links) und beschichtete
Innenseite (rechts).
2 Automatisierter Gaspermea-
tionsmessstand.
3 REM-Bild einer Palladium-
membran (weiß) auf einem
keramischen Substrat.
Einzelgasmessungen an einer Palladiummembran
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PALLADIUM-MEMBRANEN ZUR H2-ABTRENNUNG AUS HEISSEN, FEUCHTEN PROZESSGASEN
U M W E L T- U N D V E R F A H R E N S T E C H N I K
32 500 nm
