Entwicklung planarer Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ-Membranmodule zur Sauerstoffabtrennung und Analyse ihres Transportverhaltens

Sauerstofftransportmembranen (OTMs) stellen eine vielversprechende Alternative zu energieintensiven Prozessen wie z. B. der kryogenen Luftzerlegung zur Sauerstofferzeugung dar. Hierbei sind vor allem keramische, mischleitende Membranen mit sowohl elektronischer als auch ionischer Leitfähigkeit (MIEC) von Interesse. Diese transportieren bei hohen Temperaturen und Partialdruckgradienten Sauerstoff über Leerstellen durch das Kristallgitter, was ohne Leckagen zu einer hundertprozentigen Selektivität führt. Als Membranmaterial werden aufgrund der hohen Leitfähigkeit meist Perowskite verwendet. Hierbei zeigt das auch in dieser Arbeit verwendete Perowskit Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-s (BSCF) die bisher höchste Sauerstoffpermeation. In Bezug auf eine technische Umsetzung existieren verschiedene Designund Betriebskonzepte, wobei der Sauerstofftransport je nach Bauweise durch eine Vielzahl verschiedener Mechanismen bestimmt wird. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Modellierung des Sauerstofftransports durch eine geträgerte Membran. Hierbei werden Ansätze für einzelne Transportmechanismen wie Festkörperdiffusion, Oberflächenaustausch sowie der Transport in der Gasphase und dem Träger zu einem Gesamtmodell kombiniert. In Bezug auf den Oberflächenaustausch wird ein Korrekturfaktor eingeführt, welcher die reale Topographie der Membranoberflächen berücksichtigt. Die Verifizierung dieses Ansatzes erfolgte durch Permeationsmessungen von geträgerten Proben verschiedener Membranschichtdicken (8 - 400 µm) und zeigt eine gute Übereinstimmung. Die hierbei zur Modellierung notwendigen charakteristischen Kennwerte (Porosität, Tortuosität, spez. Oberfläche) wurden mittels Röntgencomputertomographie bestimmt. Insgesamt ermöglicht das Gesamtmodell die Beschreibung experimenteller Ergebnisse mit einer Abweichung von nur 7%. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Erprobung eines vollständig keramischen Membranmoduls. Die Herstellung planarer Verbunde (Ø 20 mm) bestehend aus Membran- (ca. 25 µm dick) und Trägerschicht (ca. 1,4 mm) erfolgt mittels sequentiellem Folienguss und Lamination. Eine Anpassung der Sinterung ermöglicht auch die Fertigung von Proben mit einer Fläche von 110 x 110 cm² und bestätigt so die Skalierbarkeit des Verfahrens. Die Abdichtung der Verbund-Umfangsseite erfolgte durch Auftragung einer keramischen Randschicht. Die hierzu entwickelte BSCF-Paste wurde hinsichtlich maximaler Gründichte optimiert, was nach der Sinterung zu einer gasdichten, rissfreien Schicht mit geringer Porosität (ca. 5%) führt. Die gasdichte Fügung zwischen Rohr und Verbund wurde mittels Garnieren und Sintern unter Belastung erreicht. Als Fügematerial wurde eine foliengegossene Membranfolie (Gründicke ca. 60 µm) verwendet, was zu einer hohen mechanischen Stabilität und Dichtigkeit der Anbindung führt. Die Messung der Sauerstoffpermeation eines derartigen Membranmoduls im 3-End Betrieb unter variierten Bedingungen wurde mit Referenzproben verglichen. Hierbei sind die Ergebnisse der Modul- und Referenzproben sowie des aufgestellten Modells konsistent. Der viskose Gastransport im Träger wurde als limitierender Faktor identifiziert. Zukünftige Forschung und Entwicklung muss sich daher zunächst auf die Optimierung der Trägermikrostruktur konzentrieren.