SPP 1570: Poröse Medien mit definierter Porenstruktur in der Verfahrenstechnik - Modellierung, Anwendungen, Synthese
Chemie
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Poröse Medien sind in der Verfahrenstechnik allgegenwärtig, z. B. als Katalysatorträger, Adsorbentien, Isoliermaterial, Membranen oder in Chromatografiesäulen. Aus Simulationen ist wohlbekannt, dass die Eigenschaften der Materialien durch Optimierung der Porenstruktur entsprechend gegebener Kriterien deutlich verbessert werden können. Erst in den letzten Jahren wurde durch neue Synthesemethoden eine gezielte Herstellung definierter Porenstrukturen möglich. Durch Zusammenarbeit zwischen Verfahrenstechnikern und Chemikern sollen die neuen Möglichkeiten für die Verfahrenstechnik genutzt werden. Die für die jeweiligen Anwendungen optimal geeigneten porösen Medien sollen in enger Zusammenarbeit mit auf den jeweiligen Gebieten arbeitenden Synthesechemikern hergestellt und getestet werden. Im Detail sollen folgende Ziele erreicht werden: (1) Porenmodelle sollen erstellt werden, die vertiefte Einsichten in Vorgänge innerhalb der Poren liefern. Das können z. B. Netzwerkmodelle, aus Röntgendaten revers rekonstruierte Strukturen (z. B. für amorphe Medien) oder auch wohldefinierte kristalline Strukturen auf der Basis kristallografischer Daten sein. (2) Die Transportvorgänge in den Poren sollen durch geeignete Multikomponentendiffusionsmodelle, Wärmeleitungsgleichungen und/oder molekulare Methoden (Monte Carlo, Molekulardynamik, Dichtefunktionaltheorie) beschrieben werden. Die sich daraus ergebenden Resultate werden für die Lösung von Optimierungsproblemen genutzt. (3) Die Porenstrukturen sollen hinsichtlich der für die jeweiligen Anwendungen relevanten Kriterien optimiert werden. (4) Die optimalen Porenstrukturen sollen in enger Zusammenarbeit mit einschlägig bekannten Synthesechemikern hergestellt werden. (5) Neue hochauflösende bildgebende Verfahren (Magnetic Resonance Imaging) sollen, insbesondere für Trocknungsvorgänge und Dreiphasenreaktionen, die Flüssigkeitsverteilung in den Poren unmittelbar sichtbar machen. (6) Die hergestellten porösen Medien sollen dann in den jeweiligen verfahrenstechnischen Anwendungen eingesetzt werden und ihre verbesserten Eigenschaften im Experiment beweisen. Einige Anwendungen sollen durch neue Synthesemöglichkeiten erst wirtschaftlich zugänglich werden (z. B. großtechnische Anwendung von Mikroreaktoren). (7) Als Gesamtziel wird ein rationales Design der Porenstruktur mit detaillierter Einsicht in die molekularen Vorgänge in den Poren, gefolgt von einer gezielten Synthese der optimalen Porenstruktur angestrebt.
