Sauerstoff aus der Luft für industrielle Zwecke gewinnen
Reinen Sauerstoff braucht man in vielen industriellen Reaktionen, die Effizienz seiner Abtrennung aus der Luft ist jedoch begrenzt. Reinen Sauerstoff erhält man üblicherweise durch Membranabtrennung aus der Luft. Er ist eine Voraussetzung für viele industriell relevante Prozesse. Die Effizienz des Trennprozesses selbst ist derzeit aufgrund der geringen Durchlässigkeit dicker Sauerstofftransportmembranen begrenzt. Überdies steht keine Technologie zur Verfügung, mit der stabile dünne Sauerstofftransportmembranen herzustellen sind. Die Wissenschaft rief deshalb das von der EU finanzierte Projekt NASA-OTM ("Nanostructured surface activated ultra-thin oxygen transport membrane") ins Leben, um die derzeitigen Einschränkungen zu überwinden. Schwerpunkt waren gezielte energiebezogene Anwendungen: eine dient der Senkung von Emissionen aus Kraftwerken für fossile Brennstoffe und zwei wandeln Methan in nützliche Produkte um. Im Oxyfuel-Verbrennungsprozess wird fossiler Brennstoff in nahezu reinem Sauerstoff verbrannt. Er produziert Dampf und nahezu reines Kohlendioxid (CO2), das zur effizienten CO2-Abscheidung und Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) auf einfache Weise abzutrennen ist. Man nutzte die oxidative Kupplung von Methan (Oxidative Coupling of Methane, OCM) und die Andrussow-Reaktion (AR) zur Produktion industriell nutzbarer Chemikalien aus Methan. Die Wissenschaftler untersuchten zwei verschiedene Klassen keramischer Materialien auf Basis struktureller Unterschiede: Perowskite und Fluorite. Erstere haben eine hohe Permeabilität, aber nur begrenzte Stabilität und sind für Oxyfuel-Anwendung geeignet. Letztere warten mit geringer Permeabilität auf, verfügen aber über eine hohe Stabilität für OCM- und AR-Anwendungen. Eine Optimierung der Porosität der porösen Träger für ultradünne Perovskit-Membranen (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d (BSCF)) minimierte die Diffusionsbarrieren und ergab die bislang höchste Durchlässigkeit. In Hinsicht auf die Senkung der Kosten der Erzeugung reinen Sauerstoffs bei der Oxyfuel-CCS ist dies besonders vielversprechend. Die katalytische Oberflächenaktivierung in Fluoritmembranen erhöhte die Reaktionskinetik bzw. den Oberflächenaustausch und ergab eine sehr hohe Ausbeute der OCM-Reaktion. In der AR-Anwendung waren die Fluoritmembranen aufgrund der in dem Katalyseprozess erzeugten unerwünschten Nebenprodukte weniger erfolgreich. Hier bedarf es weiterer Untersuchungen. Beide Materialklassen wurden mittels des Magnetron-Sputterverfahrens (MS) mit Erfolg als ultradünne Filme aufgebracht. Die Durchlässigkeit der Perowskit (La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-d (LSCF)) enthaltenden Schicht war begrenzt. Die Wissenschaftler demonstrierten jedoch mit metallischen Trägerschichten und Fluoritzwischenschichten (Cer-Gadolinium-Oxid (CGO)) eine höhere Permeabilität. Die funktionelle Beschaffenheit dieser vielversprechenden Architektur rechtfertigt durchaus zusätzliche Untersuchungen. NASA-OTM entwickelte zukunftsträchtige Sauerstofftransportmembranen auf Keramikbasis zur Abscheidung reinen Sauerstoffs aus der Luft. Entwicklung und Optimierung des komplexen Transportverhaltens dieser mehrschichtigen Membranverbünde versprechen beträchtliche Senkungen der CO2-Emissionen bei fossil befeuerten Kraftwerken.
