Katalytische Modifikation poröser keramischer Membranen zur Nitrat- und Nitritentfernung in wässrigen Medien

Projektziel

Forschungsziel ist die Präparation und Charakterisierung katalytisch aktiver und selektiver Membranen für die Entfernung von Nitrat und Nitrit aus Wasser, die aus einem asymmetrischen keramischen Träger und Palladium als Aktivkomponente sowie verschiedenen Promotoren (z.B. Cu, Sn, In) bestehen. Die Membranen sollen hauptsächlich für die Entfernung von Nitrat aus Grundwasser im Rahmen der Trinkwassergewinnung eingesetzt werden, können aber prinzipiell auch bei anderen technisch relevanten Dreiphasenreaktionen zum Einsatz kommen. Die Präparation und der Einsatz der katalytisch aktiven Membranen soll so weit untersucht und entwickelt werden, daß aufbauend auf den Ergebnissen in näherer Zukunft ein zuverlässiges System zur Entfernung von Nitrat aus Grund- und Oberflächenwasser entwickelt werden kann, das bei kleinen und mittelständischen Unternehmen zum Einsatz kommen kann.

Vorgehensweise

Eine Hauptaufgabe des Vorhabens ist die Präparation der katalytisch aktiven Membranen. Die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) wird dabei zur Beschichtung keramischer Membranen mit katalytisch aktiven Metallen (Pd, Sn, In,...) eingesetzt. Dazu werden metallorganische Verbindungen der abzuscheidenden Metalle mit relativ hohen Dampfdrücken verwendet. Diese werden an das zu beschichtende Substrat herantransportiert, zerfallen dort durch thermische Zersetzung  an der Oberfläche in das elementare Metall und den organischen Rest. Der organische Rest wird mit einem Spülgas aus dem System entfernt. Die Beschichtung mit Palladium mittels CVD konnte bereits weitgehend optimiert werden, so daß sehr aktive und abriebfeste Beschichtungen in der Deckschicht der keramischen Membranen hergestellt werden können.

Die präparierten Membranen werden im Hinblick auf ihre Porenstruktur (v.a. Durchgangsporen der feinporösen Deckschicht), die Permeationseigenschaften und die Verteilung der Metalle charakterisiert. Bei der Beschichtung der Membranen mit Palladium ist ein kleiner Durchmesser der Palladium-Cluster erwünscht, um eine hohe Metalloberfläche für die Reaktion zur Verfügung zu stellen. Die Größe der Palladium-Cluster wird mittels Röntgenpulverdiffraktometrie, CO-Pulschemisorption und Transmissions-Elektronenmikroskopie charakterisiert. Ein Rasterelektronenmikroskop und ein Rasterkraftmikroskop werden genutzt, um den Aufbau der Membranen zu untersuchen. Mit Hilfe der Durchflußporometrie werden die Permeationseigenschaften und die Porenverteilungen der Membranen gemessen.

Stand der Arbeiten

Die kinetischen Eigenschaften der hergestellten Membranen für die Nitratreduktion werden in einem Labor-Membranreaktor untersucht. Nitrit ist ein Zwischenprodukt bei der katalytischen Nitratreduktion zu Stickstoff. Daher wurden zunächst die Eigenschaften der katalytisch aktiven Membranen bei der Reduktion von Nitrit in Wasser untersucht. Hierfür wurden Membranen verwendet, die nur Palladium als Aktivkomponente enthielten. Wasserstoff wurde dabei als Reduktionsmittel eingesetzt. Zunächst wurde die pH-Abhängigkeit der Reaktion genauer betrachtet. Sowohl Aktivität als auch Selektivität zeigen eine deutliche Abhängigkeit vom pH-Wert. Die Aktivität und die Selektivität zu Stickstoff nehmen mit niedrigerem pH-Wert deutlich zu. Um pH-Gradienten innerhalb der Membranschicht zu vermeiden, wurde dem Wasserstoff in der Membran Kohlendioxid zugemischt. Es konnte gezeigt werden, daß die bei der Reaktion enstehenden Hydroxidionen durch die entstehende Kohlensäure in der Membranschicht abgepuffert werden können. Dieser Effekt bewirkt eine Verbesserung der Selektivität zu Stickstoff. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der Reaktion von der Temperatur und dem Druck in der Membran ermittelt. Es konnte gezeigt werden, daß eine Steuerung der katalytischen Aktivität über den Druck in der Membran möglich ist. Weiter Einflüsse, wie die Größe der Metallcluster, das Membranmaterial, die Porengröße, die Standzeit der Membran etc. wurden ebenfalls untersucht. In Kürze werden auch Versuche zur Reduktion von Nitrat durchgeführt.

Das IGF-Vorhaben Nr. 12413 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.