Ausgangssituation
Für die industrielle Gastrennung haben sich verschiedene Verfahren etabliert. Membranverfahren mit Polymermembranen bieten insbesondere Vorteile wie geringe Energiekosten, schnelle Installation und einfache Skalierbarkeit. Während beispielsweise für die Abtrennung von Kohlendioxid aus Biogas (CO2/CH4-Trennung) kommerzielle Polymermembranen mit einer sehr guten Trennleistung erhältlich sind, stellt die selektive Trennung von Methan und Stickstoff mittels Polymermembranen eine große Herausforderung dar. Die Abtrennung von Stickstoff aus Methanquellen besitzt jedoch wirtschaftliche Relevanz im Bereich der Energiegewinnung (Erdgas, Deponiegas). Bisher ist ein mehrstufiger Trennprozess notwendig, welcher mit steigendem Stickstoffgehalt im Gasgemisch aufwendiger wird. Um die Prozesskosten deutlich zu senken, sind neue Polymermembranen mit einer hohen CH4/N2-Selektivität gefragt.
Projektziel
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer Hybridpolymermembran mit einer hohen Methan-Stickstoff-Trennleistung, welche sich durch hohe CH4/N2-Selektivitäts- und CH4-Permeabilitätswerte auszeichnet. Ein zentraler Anspruch an die zu entwickelnde Membran war ihre Herstellbarkeit im Rolle-zu-Rolle-Prozess.
Lösungsweg
Der Lösungsansatz bestand in der Verwendung eines Blockcopolymers (SBS). Bei der Membranfertigung sollte Einfluss auf die sich durch Mikrophasenseparation bildenden Nanostrukturen und somit auf die Gasselektivität genommen werden. Über die Kombination von SBS mit Silikon sollte eine Hybridpolymermembran entwickelt werden, welche sich zudem durch eine hohe Gaspermeabilität auszeichnet.
AFM-Aufnahmen der Oberfläche einer SBS-Membran (links) und einer SBS-Silikon-Membran (rechts).
Ergebnisse
Im Ergebnis wurden verschiedene SBS-Silikon-Membranen mit Silikongehalten im Bereich 10-70 m% entwickelt. Die Vernetzung der beiden Polymersysteme konnte während der Schichtbildung erzielt werden (in-situ-Vernetzung). Es konnte eine deutliche Veränderung der Mikrophasenstruktur durch die Kombination von SBS mit Silikon festgestellt werden (siehe Abbildung 1). Durch Variation des Silikongehalts wurde eine Hybridpolymermembran erhalten, die im Vergleich zu den reinen Polymeren (SBS, Silikon) eine erhöhte Gasselektivität erzielt. Bei einer Temperatur von 22 °C und einer Methankonzentration von 50 Vol.-% weist die Membran eine CH4/N2-Selektivität von 3,3 auf. Durch die Kombination von SBS mit Silikon konnte die CH4-Permeabilität im Vergleich zur SBS-Membran auf das Vierfache erhöht werden. Die Übertragbarkeit der Membranherstellung vom Labormaßstab auf einen Rolle-zu-Rolle-Prozess im Technikumsmaßstab konnte erfolgreich demonstriert werden.
Die entwickelte Hybridpolymermembran weist insbesondere bei geringen Drücken eine erhöhte Selektivität im Vergleich zu Silikon auf, welches als etabliertes methanselektives Polymer gilt. Da die Komprimierung von Gas einen entscheidenden Kostenfaktor bei membranbasierten Gastrennverfahren darstellt, können durch die Reduzierung des Feed-Drucks Prozesskosten eingespart werden. Im Projekt konnte gezeigt werden, dass Hybridpolymermembranen Potential für die Gastrennung besitzen. Um einen einstufigen Trennprozess zu ermöglichen, ist eine weitere Erhöhung der Gasselektivität erforderlich. Dafür sind systematische Untersuchungen der Prozessbedingungen bei der Membranherstellung notwendig.
Dank
Das Forschungsvorhaben Reg.-Nr.: 49MF220046 „Entwicklung einer Hybridpolymermembran für die Gastrennung“ wurde anteilig vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages innerhalb des Förderprogramms „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrieforschungseinrichtungen – Innovationskompetenz (INNO-KOM) – Modul Marktorientierte Forschung und Entwicklung (MF)“ über den Projektträger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.
