Entwicklung neuartiger Adsorbentien auf Aktivkohle-Basis durch CVI-Infiltration von keramischen Materialien und Charakterisierung ihrer Adsorptions-Eigenschaften unter extrem abrasiven und reaktiven Prozessbedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Burak Atakan; Professor Dr.-Ing. Dieter Bathen
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 183090525

Das Projekt untersucht die gezielte Modifizierung von handelsüblichen Aktivkohlen durch chemische Gasphasenabscheidung mit dem Ziel, die Porenstruktur und die äußere Oberfläche mit einer inerten keramischen Oberfläche zu versehen und so die Beständigkeit gegenüber aggressiven Prozessbedingungen oder reaktiven Medien zu erhöhen. In der ersten Projektphase wurden für eine Aktivkohle (Carbotech C40/4) systematische Infiltrationsexperimente mit Tetramethylsilan (TMS) als Vorläufer durchgeführt, wobei für unterschiedliche Verweilzeiten die Prozessparameter gezielt variiert wurden. Dabei konnte eine Beschichtung der Oberfläche der Aktivkohle mit Silizium nachgewiesen werden. In der zweiten Projektperiode wurde die Beschichtung der Aktivkohlen auf die Anlagerung von Siliziumkarbid erweitert. Die so modifizierten Aktivkohlen weisen eine gute Beständigkeit in oxidierenden Medien auf und haben eine deutlich gesteigerte Bruchfestigkeit (bei der Aktivkohle C40/4 um 86% und bei der Kohle A35/4 um 256%) mit entsprechenden Vorteilen für den Einsatz in Wirbelschichtreaktoren. Auch die um 100°C erhöhte Zündtemperatur der modifizierten Aktivkohlen in Verbindung mit der Verlangsamung von Oxidationsprozessen stellt eine deutliche Verbesserung der Aktivkohlen in technischen Anwendungen, insbesondere in der Abgasreinigung, dar. Das Porenvolumen der modifizierten Aktivkohlen sinkt im Vergleich zum Ausgangsmaterial abhängig von den Beschichtungsparametern auf 60-70% des Ausgangswertes.Um die generelle Anwendbarkeit und Übertragbarkeit des Beschichtungsverfahrens zu prüfen, sollen die Experimente im beantragten Projektzeitraum auf weitere Materialien mit anderen Porensystemen und Oberflächen ausgeweitet werden. Für die weitergehende adsorptionstechnische Charakterisierung, aber auch für spätere Anwendungen, soll das Beschichtungsverfahren im beantragten Zeitraum weiter aufskaliert werden. Hierbei werden unterschiedliche Strömungsvarianten im Hinblick auf eine homogene Beschichtung untersucht. Zusammen mit neu entwickelten Charakterisierungsmethoden soll die durch die Beschichtung entstehende Porenblockierung quantifiziert werden und eine detailliertere Modellierung des Schichtbildungsmechanismus durchgeführt werden. Darüber hinaus wird eine nachträgliche thermische Phasenumwandlung der erzeugten Schichten angestrebt. Die Umwandlung der (nach bisherigem Kenntnisstand) amorphen SiC/SiO2-Schicht in phasenreines, kristallines SiC würde die Zielsetzung des Projektes in puncto Härte und Resistenz entscheidend verbessern und kann durch einen geringen experimentellen Mehraufwand realisiert werden. Die Abriebsfestigkeit der Materialien soll ebenso untersucht und quantifiziert werden, wie die Beständigkeit in reaktiven Medien. Dies ermöglicht eine umfassende Einschätzung der Vorteile dieser neuartigen Adsorbentien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen