Heliumabtrennung aus LNG-Abgas durch zweidimensionale nanostrukturierte MXene-Membranen

• Antragsteller: Professor Dr. Armin Feldhoff
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409987259

Helium (He) ist ein strategisches Industriegas, welches für eine Reihe von Anwendungen der Hochtechnologie von zunehmender Bedeutung ist. Der globale Bedarf für He beträgt ca. 200 Mio m3 (STP) pro Jahr mit einem Wert von 6 Milliarden US-Dollar. Das primäre Ziel der Helium-Abtrennung von Stickstoff und Spuren von Methan und Kohlendioxid wurde bisher nur durch kryogene Tieftemperatur-Destillation erreicht - ein energie- und kapitalintensiver Prozess. Wenn eine Adsorption auf Filterkohle folgt, kann die Helium-Reinheit auf über 99,5% gesteigert werden. Dieses Vorhaben zielt darauf, anorganische geträgerte Hohlfasermembranen basierend auf nanostrukturierten 2-dimensionalen MXenen zu entwickeln und für die He-Abtrennung aus Gasgemischen mit Stickstoff und Spuren von Methan, Kohlendioxid – welche in Erdgasverflüssigungsanlagen vorhanden sind – zu ertüchtigen. Das Forschungskonzept ist materialwissenschaftlicher Natur und beinhaltet die Synthese von schichtartigen 2-dimensionalen MXene-Membranen mit einstellbarer Porengröße, welche auf porösen anorganischen Hohlfasern geträgert werden und bei Raumtemperatur eine He-Permeabilität von > 1000 Barrer bei einer He-Selektivität gegenüber anderen Gasen von > 30 bei Raumtemperatur zuverlässig erreichen sollen. Diese Permeationsparameter ermöglichen die Herstellung von He mit 99%-iger Reinheit in einem einstufigen Membranprozess als wirtschaftliche Alternative zur kryogenen Destillierung und als Vorstufe zu einem finalen adsorptiven Prozess. Die wissenschaftliche Herausforderung ist die direkte Synthese von MXene-Nanofolien oder ihre Herstellung durch Delaminierung von multilagigen MXene-Pulvern. Zudem herausfordernd ist die Abscheidung der Nanofilme auf porösen Trägern bei einstellbarer Porengröße. Hinsichtlich der praktischen Anwendbarkeit werden die MXene-Membranen auf anorganischen porösen Hohlfasermebranen auf Basis von Keramiken oder Edelstahl präpariert, da hiermit die höchste Membranfläche pro Volumen realisierbar ist. Zielsetzungen des Vorhabens sind: (1) Synthetisieren und Funktionalisieren von MXene-Nanofilmen; (2) Maximieren von He-Selektivität und He-Permeabilität durch Optimieren von Porengröße und -geometrie zwischen einzelnen MXene-Schichten unter Nutzung von Oberflächenfunktionalisierung und Variation der lateralen Größe der MXene-Nanofilme; (3) Es sol ein umfassendes Verständnis des Gastransports durch assemblierte 2-dimensionale nanostrukturierte MXene-Membranen gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Dr. Haihui Wang