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Posts Tagged ‘Zeolithe’

von Edward Nürenberg, Timo Rabe und Sebastian Leubner

Während der Promotion kann es oft schwierig sein, das universitäre Umfeld zu verlassen und sich Anregungen für die spätere berufliche Laufbahn anzueignen. Der Workshop „Zeolites in Contemporary Applications” der ProcessNet-Fachgruppe Zeolithe und der BASF SE am 17.-19.09.2018 in Ludwigshafen gab 20 Studenten und Promotionsstudenten der Chemie und MaterialwisGruppenbildsenschaften aus ganz Deutschland genau dazu die Möglichkeit. Gemeinsam mit sechs fachkundigen Experten auf dem Gebiet der Zeolithe und porösen Materialien in Bezug auf Katalyse diskutierten sie aktuelle Anwendungen von Zeolithen und bekamen so Einblicke in die aktuelle Forschung und Anwendung dieser vielseitigen Materialien.

Deutsche Zeolith-Tagung 2019

Mehr zu Zeolithen gibt es vom 6.-8. März 2019 bei der Deutschen Zeolith-Tagung. Reichen Sie bis zum 3. Dezember Ihren Beitrag ein!

Das wissenschaftliche Programm umfasste vier Vorträge aus dem Bereich der akademischen Forschung und zwei anwendungsorientierte Präsentationen von Wissenschaftlern der BASF SE. Eine Postersession ermöglichte das weite Feld der Zeolith-Forschung aktiv zu erkunden, eigene Forschungsergebnisse zu präsentieren sowie in regen wissenschaftlichen Austausch mit anderen Teilnehmern und Vertretern der BASF SE zu treten.

Eine Busrundfahrt über das BASF-Gelände verschaffte einen beeindruckenden Einblick in die größte zusammenhängende Chemieanlage der Welt. Die anschließende Podiumsdiskussion mit Vertretern von Universitäten und der Industrie rundete die Veranstaltung ab.

Der Workshop war sehr gut von der BASF und der Fachgruppe Zeolithe organisiert, umfasste eine breite Auswahl von relevanten wissenschaftlichen Themen und bot gute Möglichkeiten zu Interaktionen zwischen den akademischen Teilnehmern untereinander sowie mit den Vertretern der BASF. Besonders spannend am Programm war die Verbindung zwischen industriell etablierten Zeolith-basierten Systemen und futuristischen Neuentwicklungen, welche schon gegenwärtig und in Zukunft in wichtigen Bereichen wie der Medizin, Wasseraufbereitung, Katalyse, Energiespeicherung und vielen anderen von hoher Relevanz sein werden.

Der Workshop kombinierte hervorragend zwei Facetten; zum einen über aktuelle und schon dagewesene Forschung mit Experten auf diesem Gebiet zu diskutieren und sich selbst weiterzubilden und zum anderen die innere Struktur eines Großkonzernes kennenzulernen. So war dieser Workshop eine wunderbare Chance, einen Einblick in die die Welt jenseits der Universität zu bekommen.

 

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Für Spätzle super, für Nanopartikel ungeeignet...

Für Spätzle super, für Nanopartikel ungeeignet…

Wie man Kieselsteine aus Sand herausbekommt, weiß jedes Kind: Mit dem Sieb lassen sie sich leicht trennen. Auch Gold kann man von Sand abtrennen, in dem man es „wäscht“; in diesem Fall ist es die unterschiedliche Dichte, auf der die Trennung beruht.

Was aber, wenn man Puderzucker und Mehl voneinander trennen möchte? Zum Sieben sind die Größen- und Massenunterschiede nicht groß genug, die feinen Partikel neigen außerdem dazu, zusammen zu klumpen, also Aggregate zu bilden.

Vor noch viel größeren Problemen steht, wer Nanopartikel im Größenbereich< 20 nm klassieren, also nach Form und Größe sortieren will. Parameter wie die Masse oder Dichte spielen hier eine sehr untergeordnete Rolle. Stattdessen kommen andere Einflüsse wie molekulare Wechselwirkungen oder elektrostatische Kräfte noch viel stärker zum Tragen. Weil die Eigenschaften von Nanopartikeln aber von ihrer Form und Größe entscheidend beeinflusst werden, ist die „Sortierung“ besonders wichtig – man denke nur an Halbleiter oder an Solarzellen, wo große „Klumpen“ die Effizienz senken. Bisher gibt es dafür aber noch keine technisch ausgereiften Verfahren.

Forscher an der Universität Erlangen-Nürnberg wollen das ändern. Sie arbeiten an einem Verfahren zur chromatographischen Trennung von Nanopartikeln nach Form und / oder Größe. Das Prinzip ist einfach: Eine Chromatographiesäule wird mit einer festen Phase bestückt, die festgelegte Porengrößen hat. Je nach ihrer Größe bzw. Form können die Nanopartikel in diese Poren eindringen oder eben nicht. Die, die es nicht können, laufen einfach durch; die anderen machen auf dem Weg durch die Säule diverse „Umwege“ durch die Poren und kommen so deutlich später am Ende an. Dieser Effekt lässt sich zusätzlich beeinflussen, indem man Zusatzstoffe verwendet, die sich an die Oberfläche der Nanopartikel heften und deren Beschaffenheit verändern. In der Biotechnologie wird das bereits erfolgreich für die Klassierung von Proteinen eingesetzt. Die Wissenschaftler wollen nun beispielhaft ein Klassierungssystem für Zinksulfid-, Zinkoxid- und Gold-Nanopartikel entwickeln. Ziel ist es, Unternehmen ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das im technischen Maßstab und kontinuierlich die Klassierung von Nanopartikeln erlaubt. Es könnte bisherige sehr aufwändige Analysemethoden ersetzen und gleichzeitig neue Produktqualitäten erschließen.

Mehr zum Projekt Klassierung von Nanopartikeln (NP) mit Hilfe chromatographischer Verfahren (IGF-Nr. 18037 N)

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Er mag Schwefel, Katalysatoren nicht... (Gemälde von Hans Memling, 15. Jhd.)

Er mag Schwefel, Katalysatoren nicht… (Gemälde von Hans Memling, 15. Jhd.)

Wasserstoff wird in vielen industriellen Verfahren benötigt: In der chemischen Industrie, bei der Stahl- oder Glasherstellung oder in der Elektro- und in der Lebensmittelindustrie.

Doch nicht nur Fabriken brauchen Wasserstoff, auch als möglicher Kraftstoff für die Familienkutsche von morgen könnte er wichtig werden: In Brennstoffzellen kann er sicher und schadstofffrei verstromt werden und so das E-Mobil von A nach B befördern.

Wo kommt der Wasserstoff her? Die meisten erinnern sich aus dem Schulunterricht sicher noch an die Elektrolyse von Wasser, bei der mit Hilfe von Strom das Wasser (H2O) in Wasser- (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt wird. NB: Das war der Schulversuch, bei dem anschließend gerne die Knallgasreaktion gezeigt wurde. Sie ist einer der Gründe – neben der Effizienz des Verfahrens -, warum man für die großtechnische Wasserstoffproduktion bislang lieber auf andere Methoden setzt.

Großtechnische Wasserstoffherstellung durch Dampfreformierung

Eine der wichtigsten ist die sogenannte Dampfreformierung von Methan. Methan (CH4) – aus Erdgas oder Biogas – wird dabei bei hohen Temperaturen und hohem Druck mit Wasser umgesetzt. Als Endprodukte entstehen Wasserstoff und Kohlendioxid.

Für diese Reaktion wird ein Katalysator benötigt. Leider enthält Erdgas und besonders Biogas aber nicht nur Methan, sondern unter anderem auch Schwefelverbindungen. Katalysatoren vertragen Schwefel aber häufig überhaupt nicht. Deshalb muss bisher bei der Dampfreformierung eine Entschwefelungsstufe vorgeschaltet werden. Es gibt dafür verschiedene Möglichkeiten; allerdings besteht bisher die Qual der Wahl zwischen Verfahren, die viel Schwefel entfernen und auch am Stück betrieben werden können, aber sehr kompliziert (und damit teuer) sind und welchen, die einfacher sind, aber nur wenig Schwefel entfernen und häufig gewartet werden müssen.

Eine Möglichkeit, Schwefel aus Erdgas zu entfernen, ist die Hydrodesulfurierung. Dabei werden die Schwefelverbindungen vor der eigentlichen Dampfreformierung mit Wasserstoff an einem besonderen Katalysator zu Schwefelwasserstoff umgesetzt, der sich leicht entfernen lässt. Dafür braucht man aber eine gesonderte Anlage und muss Wasserstoff von außen zuführen, um das Verfahren überhaupt zu starten.

Neues Hydrodesulfurierungsverfahren als Ausweg

Forscher vom MPI für Kohlenforschung und vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik wollen dieses Dilemma nun lösen. Sie arbeiten an der Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Hydrodesulfurierung, das direkt in der eigentlichen Dampfreformierungsstufe ablaufen kann. Dazu entwickeln sie neue Katalysatoren auf der Grundlage von Zeolithen. Diese Katalysatoren sollen in der Lage sein, aus höheren Kohlenwasserstoffen wie Ethan oder Propan, die ebenfalls in Spuren im Erdgas vorliegen, Wasserstoff freizusetzen und diesen dann direkt mit Schwefelverbindungen reagieren zu lassen, so dass Schwefelwasserstoff entsteht. Zinkoxid-Nanopartikel sollen diesen Schwefelwasserstoff dann adsorbieren und so aus dem Gasstrom entfernen.

Möglich wird diese Forschung unter anderem dadurch, dass man heute sehr viel besser versteht, wie Katalysatoren funktionieren. So wollen die Wissenschaftler auch untersuchen, welche Parameter dafür ausschlaggebend sind, dass die Zeolithe in der gewünschten Weise arbeiten, und die Zeolithe gezielt darauf optimieren.

Gelingt das Vorhaben, so wäre es nicht nur für großtechnische Anlagen interessant, wo es eine zusätzliche Verfahrensstufe und damit eine Menge Kosten einspart. Auch für dezentrale Brennstoffzellen, für die die Hydrodesulfurierung wegen des Aufwands bislang nicht in Frage kommt, könnte damit eine neue Möglichkeit zur Entschwefelung der Brenngase erschlossen werden.

Mehr zum IGF-Projekt Nr. 18296 N – Entwicklung eines Hydrodesulfurierungsverfahrens mit autarker Wasserstoffversorgung für Brenngase

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Nach Angaben des Zementherstellers Holcim erzeugt die Schweizer Zementindustrie ca. 9. % des gesamten CO2, das in der Schweiz auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen ist. Im weltweiten Durchschnitt sind es ca. 4%. Das liegt daran, dass CO2 bei der Zementherstellung gleich aus zwei Quellen freigesetzt wird: Pro Tonne Zement entstehen rund 230 kg CO2 aus den Brennstoffen für die Energieerzeugung. Fast die doppelte Menge entweicht aber aus den eingesetzten Rohmaterialien: Bei der Herstellung von Zement werden Kalkstein, Ton, Sand und Eisenerz gebrannt und unter Beimengung von Gips vermahlen. Beim Brennen wird aus dem Kalkstein Kohlendioxid freigesetzt – und zwar rund 450 kg pro Tonne Zement.

Den CO2-Ausstoß in die Atmosphäre bei der Zementherstellung zu reduzieren, lohnt sich also. Dabei muss man unterscheiden, wo das CO2 entsteht: Geht es um die Energiebereitstellung, lassen sich die Emissionen durch energieeffizientere Prozesse und durch den Einsatz erneuerbarer Energieträger erheblich senken. Doch die CO2-Freisetzung aus den Rohstoffen lässt sich kaum beeinflussen. Hier kann man erst nach der Entstehung ansetzen und das CO2 aus den Abgasen entfernen. In einem Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung wird dafür gerade ein neuer Weg erprobt. Bisher setzte man vor allem auf die aminbasierte CO2-Wäsche. Dabei wird das Rauchgas durch eine wässrige Lösung geleitet, die Diethanolamin, Methyldiethanolamin oder andere Amine enthält. Die Waschlösung kann durch „Austreibung“ des CO2 regeneriert werden. Das CO2 kann dann komprimiert und weiter verwendet (Carbon Capture and Usage, CCU) oder gelagert (Carbon Capture and Storage, CCS) werden. Für die Regeneration wird allerdings wieder viel Energie gebraucht. Außerdem sind Amine häufig toxisch und teils korrosiv, so dass alternative Verfahren willkommen wären.

Das IGF-Projekt setzt deshalb auf eine trockene  CO2-Adsorption. Zum Einsatz sollen dabei poröse Materialien kommen, in denen die Amine fest gebunden vorliegen. Die Forscher aus Duisburg, Dortmund und Düsseldorf entwickeln derzeit geeignete Materialien auf Zeolithbasis. Diese haben eine sehr große Oberfläche, so dass große Mengen an Rauchgasen behandelt werden können. Wieviel CO2 solche Zeolithe aufnehmen können, wird noch untersucht. Parallel zur Materialentwicklung wird auch daran geforscht, wie ein solcher Reinigungsschritt in die Zementherstellung eingebunden werden könnte. Das Projekt soll Ergebnisse für den Labor- und den Technikumsmaßstab liefern; begleitet wird es durch die Entwicklung geeigneter theoretischer Modelle zum Stoff- und Wärmetransport. Ziel des Projekts ist eine Machbarkeitsstudie, die auch den Energiebedarf berücksichtigt.

Mehr zum Projekt

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