Kohlenstoff integrierte Zeolithmembranen (CiZM): Defektblockierung durch Kohlenstoff für hochselektive und thermisch stabile Membranen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Malte Kaspereit; Dr.-Ing. Hannes Richter; Professor Dr. Wilhelm Schwieger
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265847141

Zeolithmembranen bieten potentiell sehr vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der chemischen Industrie. Neuerdings besteht auch ein enormes Potential für die Anwendung von Zeolithe-Membranen in industriellen Gastrennprozessen. Zeolithmembranen mit LTA, BEA, FAU, MOR, FER und CHA Netzwerkstruktur sind aufgrund ihrer interessanten Porenstruktur inzwischen sehr intensive untersucht. Trotz dieser beeindruckenden Arbeiten hat noch keine Zeolithmembran Eingang in eine Anwendung gefunden, wenn man von den Pervaporationsprozessen absieht.Eine ideale Zeolithmembran besteht aus zwei Komponenten: einer möglichst dichten, aber dünnen Zeolithschicht, die die Trennaufgabe übernimmt, und einer Trägerstruktur, die dem System Stabilität verleiht ohne die Trenn- und Transportverhalten wesentlich zu beeinflussen. Die Dicke und Homogenität der polykristallinen Zeolithschicht steht in direktem Zusammenhang mit den Membrankenngrößen Fluss und Selektivität. Die Zielvorstellung ist es, eine extrem dünne Trennschicht mit vernachlässigbar kleinen interkristallinen Defekten auf einen makroporösem Träger zu realisieren, um hohe Produktivitäten und Selektivitäten zu erreichen. Die Realisierung möglichst defektfreier Zeolithmembranen gestaltet sich schwierig, da diese aus verwachsenen polykristallinen Kristallschichten bestehen. Die Bildung von interkristallinen Poren (Risse, Fehlstellen) durch z.B. das unvollständige Verwachsen der Kristalle mit ähnlichen Oberflächenladungen oder durch die unterschiede in der thermischen Ausdehnung von Zeolithkristallen und Träger kann nicht immer vermieden werden. Diese interkristallinen Poren müssen vermieden oder reduziert werden, um den Transport ausschließlich durch die intrakristallinen Mikroporen zu gewährleisten. Ähnlich wie Zeolithe, sind Kohlenstoffmolekularsiebe (CMS), hergestellt durch Pyrolyse organischer Prekursoren thermisch stabil und mikroporös. Auch kleine organische Komponenten wie Benzen wurden schon als Kohlenstoffprekursor zur Herstellung von mikroporösem Material verwendet. Die chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) gefolgt von einem thermischen Behandlungsschritt wurde bereits oft für die Herstellung mikroporöser Kohlenstoffschichten verwendet. Bisher ist es nicht gelungen einen kontinuierlichen Kohlenstofffilm mit gleichmäßigen Poren herzustellen. Daher schlagen wir einen neuen Weg zu einer vollständig mikroporösen Membran vor, dadurch, dass flexible Kohlenstoffnanostrukturen in die interkristallinen Defekte der Zeolithmembranen eingebracht werden. Entsprechend dem vorgeschlagenen Weg im Antrag, ist das gleichmäßige Zeolithporennetzwerk die vorherrschende Struktur der Membran und der Kohlenstoff füllt die unterschiedlichen Defekte. Dieses Blockieren der Defekte ist sehr vielseitig anwendbar und führt zu 'Kohlenstoff integrierten Zeolithmembranen (CiZM)'.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen