Entwicklung eines Membranreaktors mit bi-funktioneller reaktiver und trennender Membran für die nachhaltige Synthese von Chemikalien

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Caro
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322911753

Entwicklung eines Membranreaktors mit bi-funktioneller reaktiver und trennender Membran für die nachhaltige Synthese von Chemikalien: Im beantragten Projekt wollen wir hydrophile Membranen für den Einsatz in einem Membranreaktor für die membrangestützte Synthese von Dimethylether (DME), Dimethylcarbonat (DMC) und Methanol (MeOH) aus CO2 entwickeln und im Mmebranreaktor einsetzen. Das Treibhausgas CO2 wird zunehmend aus den Abgasen der Kraftwerke, der Zement- und Stahlindustrie abgetrennt und somit stoffwirtschaftlich verfügbar werden. CO2 kann prinzipiell in zahlreichen Prozessen eingesetzt werden, in denen auch CO als Kohlenstoffquelle Verwendung findet (i) 2 CO2 + 6 H2 zu DME + 3 H2O 50 bar, 200 bis 300°C (ii) CO2 + 2 MeOHzu DMC + H2O 50 bar, 100 bis 200°C (iii) CO2 + 3 H2 zu MeOH + H2O 50 bar, 100 bis 200°C In den o.g. Reaktionen schädigt das entstehende Wasser die Aktivität des Katalysators. Eine selektive situ-Entfernung des Produktes Wasser würde auch die Gleichgewichtslimitierung dieser Reaktionen umgehen. Die Entfernung des Wassers soll durch hydrophile Membranen erfolgen, die mit dem für die Synthese von DME, DMC oder MeOH jeweiligen porösen Katalysator beschichtet sind. Das kleine Molekül Wasser (kinetischer Durchmesser 2,6 Å) soll durch molekular siebende engporige Zeolithmembranen der Strukturtypen SOD (Porenweite 2.8 A) und LTA (4.0 A), die zugleich hydrophil sind, abgetrennt werden. Auch unsere neuen hydrophoben metal-organic framework (MOF)-Membranen ZIF-8 (Porenweite 3.4 A) und ZIF-90 (3.5A) erlauben eine Wasserabtrennung, da die Wassermoleküle ohne Wechselwirkungen einzugehen, die Membranporen durchlaufen. Das beantragte Projekt ist materialwissenschaftlich geprägt, mehrheitlich sollen die Arbeiten zur Entwicklung der wasserselektiven Membranen in Ningbo und die Entwicklung der Katalysatorschichten darauf in Hannover erfolgen. Die Reaktionen (i) und (ii) zur Synthese von DME und DMC sollen in Ningbo, die MeOH-Synthese (iii) in Hannover erfolgen. Der bis 50 bar betreibbare Membranreaktor soll in Zusammenarbeit mit den beiden Antragstellern durch die Firma Mothes-Hochdrucktechnik entwickelt werden. Im Erfolgsfall des Vorhabens, der angesichts der bisherigen wissenschaftlichen Leistungen der Antragsteller wahrscheinlich ist (zahlreiche Gemeinschaftspublikationen zu Molekularsiebmembranen in Angewandte Chemie, JACS, ChemCommun), wird (i) erstmals ein Membranreaktor im Druckbereich von 50 bar eingesetzt und (ii) Kohlendioxid als Quelle für die effektive Synthese von DME, DMC und MeOH in einem Membranreaktor eingesetzt. Das Projekt ist arbeitsteilig und klar strukturiert, Meilensteine sind definiert. Die Projektmitarbeiter werden längere Arbeitsaufenthalte beim Partner absolvieren, wie wir es bisher auch handhabten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Aisheng Huang