Tailored ceramic catalyst support structures for heterogeneous catalytic reactions

• Applicant: Professor Dr. Alexander Michaelis
• Subject Area: Glass, Ceramics and Derived Composites ; Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2012 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 220242079

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Mit dem Projekt „Maßgeschneiderte keramische Katalysatorträgerstrukturen für heterogen katalysierte Reaktionen“ konnte gezeigt werden, dass katalytisch aktive Keramikfasern mit dem Nassspinnverfahren herstellbar sind. Der Vorteil des angewendeten Verfahrens besteht in der gezielten Einstellung der Porosität in den Fasern sowie im Aufbau von faserbasierten Strukturen. Die Charakterisierung erfolgte auf reaktionstechnischer Ebene über die katalytische Aktivitätsuntersuchung der CO-Oxidation sowie über den Druckverlust. Es gelang die Porosität in den Fasern gezielt im Bereich von 6 bis 70 % einzustellen. Die spezifische Oberfläche der Fasern liegt zwischen 0.3 bis 1.4 m²∙g^-1 und damit deutlich niedriger als bei herkömmlichen Katalysatorträgerstrukturen (100 bis 1000 m²∙g^-1). Begründet ist dies in einer niedrigen spezifischen Oberfläche des eingesetzten Pulvers (10 m²∙g^-1) und dem Formgebungsprozess, dem Nassspinnverfahren basierend auf der Phaseninversion des Polymers im Schlicker. Die Erweiterung des Verfahrens für die Herstellung von dreidimensionalen Faserstrukturen konnte etabliert werden, jedoch mit dem Nachteil, dass die erzeugte spezifische Oberfläche durch den Verfestigungsschritt wieder verringert wird. Das Ziel im ersten Förderantrag maßgeschneiderte Katalysatorformen als Mikroreaktoren in Anwendung zu bringen, musste aufgrund der höheren Anforderung eines Mikroreaktors geändert werden. In der zweiten Förderperiode galt es die Bestimmung der katalytischen Aktivitätssteigerung sowie den Druckverlust der verschieden hergestellten Proben zu ermitteln und mit andern Formkörpern wie Kugeln zu vergleichen. Im Rahmen des Projekts wurden zudem Korrelationen zur Beschreibung des Stofftransports sowie des Druckverlusts in Kugelschüttungen und faserbasierten Katalysatorträgern entwickelt. Die Korrelationen wurden mit Literaturdaten sowie mit eigenen experimentellen Daten validiert. Die Bereitstellung belastbarer Korrelationen zur Auslegung faserbasierter Katalysatorträger ist ein wesentlicher Beitrag in Richtung der industriellen Anwendung neuartiger Katalysatorträger und Reaktoren.

Publications

• (2014): Fiber based structured materials for catalytic applications. In: Appl. Catal., A, S. 476 78–90
  Reichelt, Erik; Heddrich, Marc P.; Jahn, Matthias; Michaelis, Alexander
  
• (2014): Porous Perovskite Fibers - Preparation by Wet Phase Inversion Spinning and Catalytic Activity. In: Chem. Eng. Technol. 37 (7), S. 1146–1154
  Kaiser, Sandy; Reichelt, Erik; Gebhardt, Sylvia E.; Jahn, Matthias; Michaelis, Alexander
  
• Application of polysulfone spinning process to produce catalytic active ceramic fibres of catalytically active ceramic fibers. In: DKG-Jahrestagung 2014, Clausthal-Zellerfeld (24.−26.3.2014) 2014
  Kaiser, Sandy; Gebhardt, Sylvia E.; Reichelt, Erik; Jahn, Matthias; Michaelis, Alexander
  
• Development of three-dimensional active fiber structures for heterogeneous catalysis. In: 6th International Congress on Ceramics - ICC6, Dresden (21.-25.8.2016) 2016
  Kaiser, Sandy; Reichelt, Erik; Gebhardt, Sylvia E.; Jahn, Matthias; Neumeister, Peter ; Michaelis, Alexander
  
• (2017): Derivation and Application of a Generalized Correlation for Mass Transfer in Packed Beds. In: Chem. Ing. Tech. 89 (4), S. 390–400
  Reichelt, Erik; Jahn, Matthias; Lange, Rüdiger