Thermische Effekte auf den Gastransport in katalytischen Membranen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jorg Thöming
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529979486

Diffusionseffekte im Kontinuumsbereich werden durch die Navier-Stokes-Gleichungen, die auf messbaren Gaseigenschaften beruhen, gut beschrieben. In Meso- und Mikroporen hingegen steuern Wandeffekte die Gasströme und damit oft auch katalytische Reaktionen. Unter verdünnten Bedingungen, d. h. in kleinen Poren, kommen zusätzliche thermische Massentransporteffekte ins Spiel, wie z. B. thermische Transpiration, Soret-Diffusion und Dufour-Leitung, die als zusätzlicher Knudsen-Pump-Effekt (KPE) zusammengefasst werden könnten. Wir stellen die Hypothese auf, dass der KPE, der mit den Temperaturunterschieden zunimmt, einen erheblichen Einfluss auf heterogene katalytische Reaktionen haben kann. Bei katalytischen porösen Materialien werden solche Temperaturunterschiede durch mehrere Parameter bestimmt, nämlich die Reaktionswärme, die Wärmeleitfähigkeit des Festkörpers und die geometrischen Abmessungen. Bei der Modellierung von Reaktoren wurde der KPE jedoch meist ignoriert oder in seltenen Fällen erwähnt und dann vernachlässigt. Überraschenderweise gibt es unseres Wissens nach keine experimentelle Studie, die ein Parameter-Screening oder eine Quantifizierung des KPE für katalytische Reaktionen zeigt. Andererseits wird dieser temperaturgesteuerte Pumpeffekt in verschiedenen Anwendungen wie Gaschromatographie, Gastrennung und anderen mikrofluidischen Anwendungen genutzt, um ein Gas mit einer Pumpe ohne bewegliche Teile zu pumpen. In diesem Projekt wollen wir untersuchen, ob die Beschränkungen des Stofftransfers in katalytischen Reaktoren durch einen zusätzlichen temperaturgradientengetriebenen Massenfluss (KPE), z.B. in katalytischen Membranen, reduziert werden können. Für einen Temperaturgradienten von 80 K/cm wurde gezeigt, dass die Auswirkungen des KPE auf den Stofftransport in einem mesoporösen System in der gleichen Größenordnung liegen wie die der effektiven Diffusionskoeffizienten von Spezies bei einer Knudsen-Zahl (die das Verhältnis der mittleren freien Weglänge von Molekülen zur charakteristischen Porengröße ist) um 0,2.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Irina Martin Graur; Professor Frédéric Topin