Thermochemische Beständigkeit von keramischen Membranen und Katalysatoren für die H2-Abtrennung in CO-Shift-Reaktoren

Die Wassergas-Shift-Reaktion ist ein Prozess zur Wasserstoffgewinnung, der unter anderem in IGCC-Kraftwerken Anwendung finden kann. Auf der Suche nach effizienteren Wegen, nach dem Shift die Produktgase zu trennen, erweisen sich wasserstoffpermeable Membranen als vielversprechende Plattform. In Verbindung mit dem IEK-1 wurden verschiedene Membran- und Katalysatorsysteme auf ihre thermochemische Stabilität unter kraftwerksnahen Bedingungen getestet. Im ersten Teil werden verschiedene Bariumzirkonate und Lanthanwolframat in Gasatmosphären ausgelagert die die Gaszusammensetzung vor und nach dem Wassergas- Shift simulieren sollen. Pulverproben wurden mittels Pulverdiffraktometrie und gesinterte Proben über Rasterelektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntenspektroskopie untersucht. Auslagerungen wurden mit und ohne Verunreinigungen durchgeführt. Man beobachtete Karbonatisierung für niedrige Temperaturen und speziell bei Bariumzirkonaten die Bildung von zirkonreichen Phasen und Bariumchloridverbindungen. Zudem wurde ein CO-Shift-Reaktor mit einer planaren Lanthanwolframatmembran gebaut. Im zweiten Teil wurde die Aktivität von drei eisenbasierten Katalysatoren und Molybdänkarbid in einem Temperaturbereich von 200 °C – 900 °C untersucht. Während die Eisenkatalysatoren in die aktive Phasen wechseln, oxidierte das Molybdänkarbid zunehmend. Anschließend wurden die Eisenkatalysatoren in einem Temperaturbereich von 400 °C – 900 °C mit Verunreinigungen von H2S, HCl, KCl und NaCl getestet. Der Einfluss von HCl war bis etwa 700 °C und von H2S bis 600 °C zu beobachten. Für KCl und NaCl sind kaum Veränderungen des CO-Umsatzes messbar. Im letzten Teil wurden tubulare Silikatmembranen auf ihre Stabilität unter Wasserdampf, mit H2S- und HCl-Verunreinigung und unter Thermozyklierung getestet. Die Wasserstoffselektivität der Membran wurde ab einem H2O: CO-Verhältnis von 1 signifikant beeinträchtigt. H2S- und HCl-Zugabe hatten keinen messbaren Einfluss. Hohe Temperaturen wirkten sich negativ auf die Selektivität der Membranen aus.