Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Es sollte ein Verfahren entwickelt werden, um Kohlenstoffmolekularsiebe umweltfreundlich und sicher unter wirtschaftlich konkurrenzf\u00e4higen Randbedingungen zu erzeugen. Die Kohlenstoffmolekularsiebe sollten speziell f\u00fcr den Einsatz zur Luftzerlegung in Druckwechseladsorptionsanlagen vor Ort f\u00fcr den bei mittelst\u00e4ndischen Unternehmen typischen kleinen und mittleren Stickstoffbedarf optimiert werden.
\nDas f\u00fcr diese als Carbon Molecular Sieves (CMS) bekannten Adsorbentien bisher eingesetzte Benzol sollte durch umweltfreundlichere Substanzen ersetzt werden, um die Gefahr eines umweltrelevanten St\u00f6rfalls zu vermindern. Durch den vermehrten Einsatz von Druckwechselanlagen anstelle von Fl\u00fcssigstickstoff werden Gefahrguttransporte und erhebliche Treibstoffmengen f\u00fcr den LKW-Transport eingespart. Auch der Energieverbrauch im Vergleich zur kryogenen Stickstofferzeugung wird reduziert.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls Beitrag zur Vor-Ort-Erzeugung technischen Stickstoffs durch Druckwechseladsorptionsanlagen sollten Rezepturen zur Herstellung von Kohlenstoff-Molekularsieben erarbeitet werden, welche ohne das zu ihrer Herstellung als Pyrolysesubstanz heute verwendete, stark umweltbelastende und als kanzerogen eingestufte Benzol auskommen. Insbesondere sollte die Eignung nicht aromatischer Kohlenwasserstoffe gepr\u00fcft werden. Die zun\u00e4chst im Laborma\u00dfstab entwickelten Molekularsiebe sollten im Technikumsma\u00dfstab hergestellt und in einer eigens aufzubauenden Versuchsanlage mit Gasanalytik zur Stickstoffgewinnung aus Luft eingesetzt werden.
\nZur Bewertung der hergestellten Probenmengen von maximal 30 g wurden Auswertungsmethoden entwickelt, welche teils auf N2- und CO2-Adsorptionsisothermen, teils auf Lufttrennungsmessungen an einer neu konstruierten Versuchsapparatur basieren, die eine Adsorptions-Halbzelle simuliert.
\nAls aussichtsreichste Methode zur Erzeugung von Kohlenstoffmolekularsieben wird in der Literatur die Chemical Vapour Deposition (CVD) genannt. Dazu werden die por\u00f6sen, kohlenstoffhaltigen Rohstoffe (z. B. Aktivkohle) mit kohlenstoffabspaltenden Substanzen bei hoher Temperatur beaufschlagt. Daneben wurden Tr\u00e4nkungen mit anschlie\u00dfender Pyrolysereaktion durchgef\u00fchrt. Zun\u00e4chst wurden im Laborma\u00dfstab geeignete Substanzen sowie besonders geeignete Verfahrensschritte ermittelt, bevor nach einem scaling up ausreichend Testsubstanzen f\u00fcr Adsorption und Luftzerlegung erzeugt wurden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Laborversuche zur Herstellung von Carbon Molecular Sieves (CMS) folgten zwei unterschiedlichen Wegen. Die Chemical Vapour Deposition f\u00fchrt dem Basismaterial eine organische Substanz in der Gasphase bei Pyrolysetemperatur zu, die simultan in den Poren gecrackt wird. Auch durch Tr\u00e4nken des Basismaterials bei Umgebungsbedingungen und nachfolgender Pyrolyse konnte in Vorsuchen mit BTX-Aromaten Produkte mit \u00e4hnlichen Eigenschaften wie zwei Referenzmaterialien hergestellt werden.
\nAuf dieser Basis wurde ein Pyrolyseofen mit individuellen Reaktoren f\u00fcr beide Wege konstruiert und gefertigt, bei dessen Betrieb sich das Fl\u00fcssigkeitstr\u00e4nken mit anschlie\u00dfender Pyrolyse als zielf\u00fchrender herausgestellt hat. Daher erfolgten die weiteren Versuche mit dieser Methode.
\nDas gasf\u00f6rmige Isobutylen konnte nun nicht mehr als Pyrolysesubstanz verwendet werden und wurde durch das als Kohlenstofflieferant dem Benzol \u00e4hnliche Cyclopentadien sowie die Alkohole Ethanol, Isobutanol und Pentanol ersetzt. Mit den BTX-Aromaten und Cyclopentadien konnten im Laborma\u00dfstab Produkte erzeugt werden, welche in den Testergebnissen mindestens einer kommerziellen Referenz-CMS entsprechen. Mit den aliphatischen Alkoholen konnten keine Erfolge erzielt werden.
\nAls Basismaterial erwiesen sich im Rahmen des Projektes entwickelte holzkohlemehlbasierte, Glucosesirup-gebundene Karbonisatformk\u00f6rper als besonders geeignet. Hierbei kommt dem Vermahlungsschritt eine besondere Rolle zu, selbst eine erh\u00f6hte Aufmahlung des Pulvers von 70 % < 16 \u00b5m auf 70 % < 10 \u00b5m f\u00fchrte noch zu einer Verbesserung der Produkte. Literaturangaben folgend wurden ausgew\u00e4hlte Pyrolyseprodukte einer schonenden Nachaktivierung mit Wasserdampf unterzogen, um zuvor verschlossene Porenm\u00fcnder gezielt und dosiert wieder zu \u00f6ffnen. Dies verlief f\u00fcr Benzol und Xylol erfolgreich. Bei Cyclopentadien und Toluol f\u00fchrte es zu teils erheblichen Verschlechterungen der Eigenschaften. Die mit pyrolysierten Alkoholen hergestellten Materialien konnten auch durch Nachaktivierung nicht merklich verbessert werden. \nDie Molekularsieb-Herstellungsmethode mit Fl\u00fcssigkeitstr\u00e4nken und nachgelagerter Aktivierung wurde mit einer Versuchsanlage zur Aktivkohleherstellung in den Technikumsma\u00dfstab umgesetzt. Als Pyrolysesubstanz wurde Cyclopentadien eingesetzt. Da die getr\u00e4nkten Basissorbentien nicht mehr h\u00e4ndisch umgef\u00fcllt werden k\u00f6nnen, musste die Klebewirkung der Tr\u00e4nkfl\u00fcssigkeit durch Abbinden mit Pulverak-tivkohle \u00fcberwunden werden. Das Kohlepulver wird in den pyrolytischen Prozess mit eingebracht, verh\u00e4lt sich dort inert und kann am Ende getrocknet zur\u00fcckgewonnen werden. \nDas erzeugte Produkt wurde in einer kleintechnischen Druckwechseladsorptionsanlage eingesetzt, wies jedoch keine merklichen Lufttrennungseigenschaften auf. Hier w\u00e4ren Optimierungsversuche bei der Herstellung im Technikumsma\u00dfstab notwendig gewesen, um die positiven Laborergebnisse nachzubilden. Dies war jedoch nicht m\u00f6glich, da die Abgasf\u00fchrung des Reaktorsystems durch die entstehenden D\u00e4mpfe \u00fcberlastet war und die Versuchsreihe abgebrochen werden musste. \nZusammenfassend l\u00e4sst sich sagen, dass sich im derzeitigen Entwicklungsstand Cyclopentadien und Xylol-lsomerengemisch als relativ umweltfreundliche Alternativen zur Pyrolysesubstanz Benzol anbieten. Mit beiden Fl\u00fcssigkeiten lie\u00dfen sich aus speziellem Holzkohle-Glucosesirup-Karbonisat Produkte herstellen, welche in einer Labor-Druckwechseladsorptions-Zelle bessere Ergebnisse brachten als die kommerzielle Referenzsubstanz CMS Takeda 220. Im Projektrahmen ist jedoch eine Umsetzung in den kleintechnischen Ma\u00dfstab aufgrund apparativer Beschr\u00e4nkungen noch nicht gelungen.\n\n\n\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation\n\nEin Kurzbericht zum Projekt ist im Internetauftritt von Fraunhofer-Umsicht ver\u00f6ffentlicht.\n\n\nFazit\n\nAls Ausblick bleibt festzuhalten, dass die erfolgreiche Umsetzung der CMS-Herstellung durch Fl\u00fcssigkeitstr\u00e4nken mit gegen\u00fcber Benzol weniger umweItbelastenden Substanzen in den kleintechnischen Ma\u00dfstab als n\u00e4chster Schritt ansteht. Im Falle von Cyclopentadien als Pyrolysesubstanz kann dabei nach den vorliegenden Ergebnissen wahrscheinlich ein einstufiges Verfahren zum Tragen kommen; f\u00fcr Xylol kann eine deutliche Produktverbesserung durch eine zus\u00e4tzliche Nachaktivierung erwartet werden. Dies setzt jedoch eine Technikumsanlage voraus, deren Abgasf\u00fchrung f\u00fcr die auftretenden Spitzenbelastungen der Pyrolyse ausgelegt ist. Alternativ k\u00f6nnte ein kontinuierliches oder teilkontinuierliches Verfahren realisiert werden, bei dem durch eine kontinuierliche Zufuhr getr\u00e4nkter Karbonisate in den Reaktor Spit-zenbelastungen des Abgassystems vermieden werden. Beides muss jedoch aufgrund des hohen techni-schen Aufwands kommenden Projekten vorbehalten bleiben.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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