{"id":63994,"date":"2019-06-14T06:41:05","date_gmt":"2019-06-14T04:41:05","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=https%3A%2F%2Fwww.chemie.de%2Fnews%2F1161387%2Fchemikalien-aus-kohlenstoffdioxid-mit-plasma-und-perowskitmembranen.html%3FWT.mc_id%3Dca0065%26pk_campaign%3Dca0065"},"modified":"2021-09-09T21:28:45","modified_gmt":"2021-09-09T19:28:45","slug":"chemikalien-aus-kohlenstoffdioxid-mit-plasma-und-perowskitmembranen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/chemikalien-aus-kohlenstoffdioxid-mit-plasma-und-perowskitmembranen\/","title":{"rendered":"Chemikalien aus Kohlenstoffdioxid \u2013 mit Plasma und Perowskitmembranen"},"content":{"rendered":"

Forscher des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB und der Universit\u00e4t Stuttgart wollen das klimasch\u00e4dliche Treibhausgas Kohlenstoffdioxid als Rohstoff zur Herstellung von Chemikalien nutzbar machen. Hierzu entwickeln sie einen kombinierten Plasma- und Membranprozess, mit dem CO2<\/sub> in Sauerstoff und den Chemie-Grundstoff Kohlenmonoxid aufgespalten wird. M\u00f6glich wird der Prozess durch die Abtrennung von Sauerstoff mit einer neuen Perowskit-Kapillarmembran: Sie ist CO2<\/sub>-stabil und bei 1000 \u00b0C durchl\u00e4ssig f\u00fcr Sauerstoff.<\/strong><\/p>\n

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\u00a9 IGVP, Universit\u00e4t Stuttgart
Mikrowellenplasma bei Atmosph\u00e4rendruck: Mikrowellen entz\u00fcnden im einem Resonatorsystem das eingestr\u00f6mte Gas zu einem Plasma, welches in einen Reaktor eingeblasen wird.<\/figcaption><\/figure>\n

Um rund 1 \u00b0C hat sich die globale oberfl\u00e4chennahe Lufttemperatur gegen\u00fcber dem Mittel im 20. Jahrhundert bereits erh\u00f6ht, der Aufw\u00e4rtstrend h\u00e4lt an. Die Folgen: Das Eis an den Polen schmilzt, Gletscher verschwinden, der Meeresspiegel steigt. Auch in Deutschland h\u00e4ufen sich Hitzeperioden und Trockenheit sowie schwere Gewitter und Starkregen. Eines der ma\u00dfgeblich f\u00fcr die Erderw\u00e4rmung verantwortlichen Treibhausgase ist Kohlenstoffdioxid aus der Verbrennung von Erd\u00f6l, Kohle und Erdgas.<\/p>\n

Diesem wollen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB und des Instituts f\u00fcr Grenzfl\u00e4chenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) der Universit\u00e4t Stuttgart nun zu Leibe r\u00fccken \u2013 indem sie das klimasch\u00e4dliche Gas als Rohstoff f\u00fcr die Herstellung von Chemikalien und chemischen Energiespeichern nutzbar machen. Im Projekt \u00bbPiCK \u2013 Plasmainduzierte CO2<\/sub>-Konversion zur Speicherung regenerativer Energien\u00ab, das im Rahmen der \u00bbKopernikus-Projekte f\u00fcr die Energiewende\u00ab vom Bundesministerium f\u00fcr Bildung und Forschung gef\u00f6rdert wird, forschen sie seit zwei Jahren an einem neuen Ansatz, der \u00dcberschussstrom aus regenerativen Quellen nutzt und Plasma- mit Membrantechnik kombiniert.<\/p>\n

Die Idee: Kohlenstoffdioxid wird in einem Plasma, das hei\u00dft einem ionisierten Gas mit hochreaktiven Teilchen, gespalten. Dabei entstehen Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid. Kohlenstoffmonoxid ist ein chemischer Grundstoff, der in bestehenden Infrastrukturen mit herk\u00f6mmlichen chemischen Verfahren zu Basischemikalien und chemischen Energiespeichern, etwa Methanol oder Methan umgesetzt werden kann. Damit Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff nicht wieder zu Kohlenstoffdioxid zur\u00fcckreagieren, trennt eine neue hitze- und CO2<\/sub>-stabile Membran Sauerstoff ab.<\/p>\n

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\u00a9 Fraunhofer IGB
Aus dem Keramikpulver wird mithilfe eines Bindemittels eine Gr\u00fcnk\u00f6rper-Hohlfaser gesponnen und anschlie\u00dfend gesintert. Die abgebildeten Perowskit-Kapillaren besitzen einen Durchmesser von 2 mm und eine Wandst\u00e4rke von 150 \u00b5m.<\/figcaption><\/figure>\n

Spaltung von CO2<\/sub> im Plasma<\/h3>\n

F\u00fcr die Umsetzung der Kohlenstoffdioxidspaltung haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP der Universit\u00e4t Stuttgart einen elektrodenlosen Reaktor entwickelt, bei der \u2013 angeregt \u00fcber eine Mikrowelle \u2013 mittels starker elektrischer Felder ein Atmosph\u00e4rendruckplasma erzeugt wird. \u00bbSto\u00dfen in diesem Plasma angeregte Elektronen auf CO2<\/sub>-Molek\u00fcle, bewirkt dies, dass CO2<\/sub> in das gew\u00fcnschte Produkt Kohlenmonoxid CO und Sauerstoff zerf\u00e4llt\u00ab, erl\u00e4utert IGVP-Wissenschaftler Dr. Andreas Schulz, der das Projekt koordiniert.<\/p>\n

Perowskitmembran zur Entfernung von Sauerstoff<\/h3>\n

Damit CO nicht mit dem im Plasma entstehenden Sauerstoff zu CO2<\/sub> zur\u00fcckreagiert, muss Sauerstoff stetig aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt werden. Hierzu hat das Fraunhofer IGB eine neue Keramikmembran entwickelt, die Sauerstoff selektiv abtrennen kann. \u00bbDa die Membran zugleich temperatur- und CO2<\/sub>-stabil sein muss, verspinnen wir spezielle keramische Materialien, sogenannte Perowskite, zusammen mit Polymeren zu einer d\u00fcnnwandigen Kapillare\u00ab, erkl\u00e4rt Dr. Thomas Schiestel, Membranexperte und Projektleiter am Fraunhofer IGB. Die resultierende Gr\u00fcnfaser wird bei hohen Temperaturen zu einer dichten keramischen Kapillarmembran gesintert. \u00bbUnsere Perowskitmembran ist stabil in einer CO2<\/sub>-Atmosph\u00e4re und bei Temperaturen von 800 bis 1000 \u00b0C durchl\u00e4ssig f\u00fcr Sauerstoff, nicht aber f\u00fcr Kohlenmonoxid und Kohlendioxid\u00ab, so der Fraunhofer-Forscher. Eine solche Membran wurde bisher noch nicht beschrieben.<\/p>\n

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\u00a9 IGVP, Universit\u00e4t Stuttgart
Testreaktor f\u00fcr Keramik-Kapillarmembranen in einem Mikrowellenplasma.<\/figcaption><\/figure>\n

Erfolgreiche Kohlendioxidspaltung und Sauerstoffabtrennung im Plasma-Membran-Reaktor<\/h3>\n

Dass die Idee des kombinierten Plasma-Membran-Prozesses funktioniert, konnten die Forscher in dem am IGVP entwickelten Plasmareaktor bereits demonstrieren. Mithilfe einer speziellen Apparatur im Plasmareaktor wird die Kapillarmembran an einer exakt definierten Stelle in der Plasmaflamme justiert. \u00dcber die Kontrolle von CO2<\/sub>-Gasfluss und Mikrowellenleistung wird dabei die Temperatur des Plasmas auf H\u00f6he der Membran auf 800 \u2013 1000 \u00b0C eingestellt, sodass diese Sauerstoff optimal durchl\u00e4sst.<\/p>\n

Die neue Kapillarmembran zeigte unter diesen Bedingungen sowohl eine sehr gute thermische Stabilit\u00e4t als auch eine sehr gute Sauerstoffdurchl\u00e4ssigkeit: Bei einem Kilowatt Mikrowellenleistung, das entspricht einer Temperatur von etwa 1000 \u00b0C, wurden 2,3 Milliliter Sauerstoff pro Minute und Quadratzentimeter Membranfl\u00e4che abgetrennt. Rund ein Drittel der Mikrowellenenergie wurden bisher in chemische Energie umgewandelt und dabei 22 Prozent des Kohlenstoffdioxids gespalten.<\/p>\n

Flexible Leistungsregelung und einfache Skalierbarkeit<\/h3>\n

Sowohl der Prozess als auch der Plasma-Membran-Reaktor lassen sich einfach skalieren und flexibel regeln, was von gro\u00dfem Vorteil f\u00fcr die technische Umsetzung ist. \u00bbDer Betrieb der Anlage kann an die zur Verf\u00fcgung stehende regenerative Energieressource angepasst werden und schnell auf das aktuelle Energieangebot reagieren\u00ab, so Schulz. Der n\u00e4chste Schritt auf dem Weg zur Demonstration der technischen Machbarkeit ist, die Trennleistung des Plasma-Membran-Reaktors zu erh\u00f6hen. \u00bbF\u00fcr ein solches Scale-up erh\u00f6hen wir die Anzahl der im Plasma eingebauten Kapillarmembranen\u00ab, schildert Schiestel. In Kombination mit einem verbesserten Gasmanagement sollte sich so auch die Energieeffizienz des Prozesses weiter steigern lassen.<\/p>\n

Das Verfahren l\u00e4sst sich \u00fcberall dort einsetzen, wo CO2<\/sub> in angereicherter Form entsteht: bei Verbrennungsprozessen in Kraftwerken, in der Zement- und Glasindustrie, aber auch in Brauereien, wo CO2<\/sub> im Zuge der alkoholischen G\u00e4rung als Nebenprodukt anf\u00e4llt. Die Nutzung von CO2<\/sub> als Rohstoff kann so helfen, nat\u00fcrliche Ressourcen zu schonen und das Klima zu sch\u00fctzen. F\u00fcr die Weiterentwicklung in einer zweiten F\u00f6rderphase und die sich daran anschlie\u00dfende technische Umsetzung suchen die Forscher bereits jetzt interessierte Firmen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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