Anorganische Kompositmembran zur Abtrennung von Wasserstoff aus Wasserstoff enthaltenden GemischenInorganic composite membrane for the separation of hydrogen from mixtures containing hydrogen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nerbundmembran zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff aus Wasserstoff enthaltenden Gemischen, ein Verfahren zur Herstellung der Nerbundmembran sowie die Verwendung der Nerbundmembran zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff aus Wasserstoff enthaltenden Gemischen.The present invention relates to a nerbund membrane for the selective separation of hydrogen from hydrogen-containing mixtures, a process for producing the nerbund membrane and the use of the nerbund membrane for the selective separation of hydrogen from hydrogen-containing mixtures.
Es ist bekannt zur Wasserstoffabtrennung Membranen zu verwenden, die aus Palladium (Pd) oder Palladium mit 25 % Silber (Ag) bestehen. Diese werden in Form von druckstabilen Rohren bzw. Röhrchen gefertigt und in entsprechenden Apparaturen eingesetzt. Bei entsprechend hohen Drucken und Temperaturen oberhalb von 300 °C kommt es zu einer brauchbaren Wasserstoffpermeation durch die 20 bis 2000 μm dicken Rohrwandungen. Um eine gute Druckstabilität bei den dünneren Schichten zu gewährleisten, werden die Edelmetallschichten im Stand der Technik auf keramischen, glasartigen oder metallischen porösen Trägern mit möglichst hoher Porosität bei vorgegebenem Porenradius verwendet.It is known to use membranes for hydrogen separation, which consist of palladium (Pd) or palladium with 25% silver (Ag). These are manufactured in the form of pressure-stable tubes or tubes and used in appropriate equipment. At correspondingly high pressures and temperatures above 300 ° C there is a usable hydrogen permeation through the 20 to 2000 μm thick tube walls. In order to ensure good pressure stability in the thinner layers, the noble metal layers are used in the prior art on ceramic, glass-like or metallic porous supports with the highest possible porosity for a given pore radius.
Poröse Platten werden seltener eingesetzt. Mit plattenförmigen Systemen ist man in der Lage größere Packungsdichten (mehr Separationsfiäche pro Nolumeneinheit) zu realisieren, wie es vor allem im automobilen Bereich gefordert ist. Allerdings haben diese Systeme eine größere Anfälligkeit für Rissbildungen als Rohrsysteme, da die Nolumenausdehnung der Edelmetallschicht durch die Wasserstoffsorption nach wenigen Zyklen zu einer Zerstörung der ebenen Membrane bzw. zu Problemen an der Dichtung führt. Dies kann durch geeignete Wahl verschiedener Legierungsbestandteile wie Gold oder Rhodium zwar unterdrückt, aber nicht ganz vermieden werden. Durch die Nolumenänderung kommt es zu einer Neränderung der Oberfläche der Membran und zu Spannungen, die so weit gehen können, dass sich Risse in der Membran bilden und dann mit dieser Membran keine Trennung mehr möglich ist. Dieses Problem tritt umso stärker in den Nordergrund je dünner und damit empfindlicher die wasserstoffselektiven Schichten werden. Eine hohe Wasserstoffdurchlässigkeit ist bei den bekannten Metallschichten zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff jedoch nur möglich, wenn die Metallschicht sehr dünn ist.
Bei rohrförmigen Membranen tritt dieses Problem ebenfalls auf, obwohl Veränderungen der Oberfläche erst nach 10 mal mehr Zyklen auftreten als bei plattenförmigen Systemen. Das Problem als solches ist dadurch aber nicht gelöst. Eine Zusammenfassung zum Stand der Technik gibt J. Shu in Catalytic Palladium-based Membrane Reactors; The Canadian Journal of Chemical Engineering, 69, 90/1991 ; pp. 9036-1060.Porous plates are used less often. With plate-shaped systems it is possible to achieve higher packing densities (more separation area per volume unit), as is required above all in the automotive sector. However, these systems are more susceptible to crack formation than pipe systems, since the volume expansion of the precious metal layer due to hydrogen sorption leads to the destruction of the flat membrane or to problems with the seal after a few cycles. This can be suppressed by a suitable choice of various alloy components such as gold or rhodium, but it cannot be completely avoided. The change in volume leads to a ner change in the surface of the membrane and to stresses which can go so far that cracks form in the membrane and then no separation is possible with this membrane. This problem arises more and more in the Nordergrund the thinner and thus the more sensitive the hydrogen-selective layers become. However, a high hydrogen permeability is only possible in the known metal layers for the selective separation of hydrogen if the metal layer is very thin. This problem also occurs with tubular membranes, although changes in the surface only occur after 10 times more cycles than with plate-shaped systems. However, this does not solve the problem as such. J. Shu provides a summary of the prior art in Catalytic Palladium-based Membrane Reactors; The Canadian Journal of Chemical Engineering, 69, 90/1991; pp. 9036-1060.
Die bekannten Membranen weisen weitere Nachteile auf. Sie werden nach dem Stand der Technik in drei verschiedenen Formen eingesetzt. Zum einen als reines Metall (als Schicht oder Rohr mit entsprechend großer Schichtdicke), zum zweiten als dünner Überzug auf porösen Metallmembranen oder als sehr dünne Schicht auf bekannten starren, porösen Keramiken.The known membranes have further disadvantages. According to the state of the art, they are used in three different forms. On the one hand as pure metal (as a layer or tube with a correspondingly large layer thickness), on the other hand as a thin coating on porous metal membranes or as a very thin layer on known rigid, porous ceramics.
Bei der Aufbringung auf metallene Träger besitzen Träger und Trennschicht vergleichbare thermische Ausdehnungskoeffizienten, allerdings kann die Trennschicht nicht sehr dünn gefertigt werden, da metallische Trägermembranen nach dem Stand der Technik nicht mit Poren, die kleiner als 0,5 μm sind, hergestellt werden können. Um solche großen Poren fehlstellenfrei überbrücken zu können, müssen die selektiven Trennschichten eine große Dicke aufweisen. Daher sind selektive Trennschichten in diesen Fällen immer dicker als 5 bis 10 μm und eine hohe Wasserstoffdurchlässigkeit ist nicht möglich.When applied to metal supports, the support and the separating layer have comparable thermal expansion coefficients, but the separating layer cannot be made very thin, since metallic support membranes according to the prior art cannot be produced with pores that are smaller than 0.5 μm. In order to be able to bridge such large pores without defects, the selective separating layers must have a large thickness. In these cases, selective separating layers are therefore always thicker than 5 to 10 μm and a high hydrogen permeability is not possible.
Bei keramischen Trägerwerkstoffen ist man in der Lage Poren mit einem kleinsten Radius von bis zu 1 - 5 nm zu fertigen. Entsprechend können die selektiven Trennschichten dann in einer Dicke von nur 50 - 500 nm fehlstellenfrei gefertigt werden. Keramische Träger besitzen aber einen von der metallischen Trennschicht verschiedenen thermischen Ausdehnungs- koeffizienten, was in der Praxis bei relativ kleinen Temperaturänderungen schon zu Rissen und damit zur Unbrauchbarkeit solcher Membranen fuhrt.With ceramic substrates, you are able to produce pores with a smallest radius of up to 1 - 5 nm. Correspondingly, the selective separating layers can then be manufactured without defects with a thickness of only 50-500 nm. Ceramic supports, however, have a coefficient of thermal expansion that differs from that of the metallic separating layer, which in practice leads to cracks in the case of relatively small changes in temperature and thus leads to the uselessness of such membranes.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Verbundmembran zur selektiven Abtrennung vonIt is therefore an object of the invention to provide a composite membrane for the selective separation of
Wasserstoff aus Wasserstoff enthaltenden Gemischen bereitzustellen, wobei die Membran eine hohe Wasserstoffdurchlässigkeit und Selektivität und gleichzeitig eine große Stabilität aufweist und so geeignet ist, Spannungen aufgrund von Volumenänderungen durch die
Aufnahme von Wasserstoff oder durch Temperaturänderung auszugleichen und/oder zu vermeiden.To provide hydrogen from mixtures containing hydrogen, wherein the membrane has a high hydrogen permeability and selectivity and at the same time a great stability and is thus suitable for stresses due to volume changes due to Compensate and / or avoid absorption of hydrogen or by changing the temperature.
Diese Aufgabe wird gemäß der Ansprüche gelöst. Die vorliegende Erfindung stellt eine flexible Verbundmembran zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff aus Wasserstoff enthaltenden Gemischen bereit, wobei die Membran einen mit einer zur Abtrennung von Wasserstoff geeigneten Metallschicht beschichteten Verbundwerkstoff aus einem durchbrochenen Träger, vorzugsweise einem Gewebe und/oder Vlies, sowie einem porösen Keramikmaterial umfasst, wobei die mit der Metallschicht beschichtete Oberfläche des Keramikmaterials Poren aufweist und wobei die Metallschicht zum Ausgleich und/oder zur Vermeidung von Spannungen aufgrund von Volumenänderungen durch Wasserstoffaufnahme oder durch Temperaturänderung ein Muster von sich abwechselnden konkaven und konvexen Bereichen aufweist.This object is achieved according to the claims. The present invention provides a flexible composite membrane for the selective separation of hydrogen from hydrogen-containing mixtures, the membrane comprising a composite material coated with a metal layer suitable for the removal of hydrogen, comprising a perforated carrier, preferably a woven and / or nonwoven, and a porous ceramic material , wherein the surface of the ceramic material coated with the metal layer has pores and wherein the metal layer has a pattern of alternating concave and convex regions to compensate and / or to avoid stresses due to volume changes due to hydrogen absorption or due to temperature change.
Die erfindungsgemäßen Membranen basieren auf bekannten wasserstoffselektiven Metallschichten und der besonderen und neuen Form der metallischen Schicht im Zusammenhang mit einem speziellen flexiblen keramischen Verbundwerkstoff. Die selektiven Schichten sind vorzugsweise Palladium-Schichten und Schichten aus verschiedenen Legierungen des Palladiums sowie anderer wasserstoff-sorbierender Metalle, wie z. B. Legierungen des Titan.The membranes according to the invention are based on known hydrogen-selective metal layers and the special and new shape of the metallic layer in connection with a special flexible ceramic composite material. The selective layers are preferably palladium layers and layers of various alloys of palladium and other hydrogen-sorbing metals, such as. B. Titanium alloys.
Die metallischen Schichten, die ein Muster von sich abwechselnden konkaven und konvexen Bereichen aufweisen, können Spannungen, die aus Volumenänderungen der selektiven Schichten entstehen, besser auffangen und zeigen dadurch eine deutlich verbesserte Langzeitstabilität. Diese Spannungen werden durch die besondere Struktur der metallischen Schicht auf der Trägermembran, die einen durchbrochenen Träger aufweist, gewährleistet. In diesem Fall fuhrt die "gewellte" Struktur der Oberfläche mit "Hügeln" an den nicht durchbrochenen Stellen und "Tälern" an den durchbrochenen Stellen des durchbrochenen Trägers zu diesem Effekt. Dadurch, dass die gesamte Membrane eine "Berg- und Tal-Struktur" in unregelmäßigen oder vorzugsweise regelmäßigen Abständen besitzt, d.h. eine Struktur mit abwechselnd konkaven und konvexen Bereichen, können die durch die
Wasserstoffsorption oder Temperaturänderung induzierten Spannungen durch Volumenänderungen abgebaut werden. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist dabei, dass die metallische Schicht nicht zu dick sein darf, so dass diese Vorteile durch den Nachteil einer zu großen Schichtdicke wieder aufgehoben werden. Idealerweise sollte die metallische Schicht weniger als 5 μm dick sein; besonders bevorzugt dünner als 2 μm und ganz besonders bevorzugt weniger als 1 μm.The metallic layers, which have a pattern of alternating concave and convex regions, can better absorb stresses that arise from changes in volume of the selective layers and thereby show a significantly improved long-term stability. These tensions are ensured by the special structure of the metallic layer on the carrier membrane, which has a perforated carrier. In this case, the "corrugated" structure of the surface with "hills" at the uninterrupted areas and "valleys" at the open areas of the openwork substrate lead to this effect. The fact that the entire membrane has a "mountain and valley structure" at irregular or preferably regular intervals, ie a structure with alternating concave and convex areas, can be achieved by the Hydrogen sorption or temperature change induced voltages are reduced by volume changes. An important aspect is that the metallic layer must not be too thick, so that these advantages are canceled out by the disadvantage of an excessively thick layer. Ideally, the metallic layer should be less than 5 μm thick; particularly preferably thinner than 2 μm and very particularly preferably less than 1 μm.
Als Materialien für die metallische Schicht eignen sich alle Materialien, die in der Lage sind, Wasserstoff mit einem Anteil von 1 Gew. % bis 30 Gew. % in ihrem Inneren reversibel zu deponieren. Die metallische Schicht umfasst dabei insbesondere eines oder mehrere der folgenden Metalle : Palladium, Silber, Gold, Kupfer, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Zink, Aluminium, Titan, Zirkonium, Indium, Vanadium, Wolfram, Rhenium, Wolfram, Molybdän und/oder Seltenerdmetalle.Suitable materials for the metallic layer are all materials which are capable of reversibly depositing hydrogen in their interior with a proportion of 1% by weight to 30% by weight. The metallic layer comprises in particular one or more of the following metals: palladium, silver, gold, copper, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, zinc, aluminum, titanium, zirconium, indium, vanadium, tungsten, rhenium, tungsten, molybdenum and / or rare earth metals.
Bevorzugt ist dabei Palladium, dem besonders bevorzugt zum Zwecke einer Verbesserung der Wasserstoffdurchlässigkeit und seiner mechanischen Eigenschaften bei Wasserstoffaufhahme Silber oder Kupfer in einem Konzentrationsbereich von 15 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 50 Gew.-% zugefügt wird. Die Dicke der metallischen Schicht beträgt 0,1 μm bis 1000 μm, vorzugsweise weniger als 5 μm, besonders bevorzugt weniger als 2 μm, ganz besonders bevorzugt weniger als 1 μm.Palladium is preferred, to which silver or copper is particularly preferably added in order to improve the hydrogen permeability and its mechanical properties when hydrogen is absorbed in a concentration range of 15 to 60% by weight, preferably 20 to 50% by weight. The thickness of the metallic layer is 0.1 μm to 1000 μm, preferably less than 5 μm, particularly preferably less than 2 μm, very particularly preferably less than 1 μm.
Die erfindungsgemäße Verbundmembran kann insbesondere einen Verbundwerkstoff gemäß der DE 19741498 AI oder der DE 19640461 AI umfassen, der mit einer dünnen metallischen Schicht, bestehend aus einem wasserstoffspeichernden Material, mit ausreichend guter Haftung, gleichmäßig stark beschichtet ist.The composite membrane according to the invention can in particular comprise a composite material according to DE 19741498 AI or DE 19640461 AI, which is coated with a thin metal layer consisting of a hydrogen-storing material with sufficiently good adhesion, uniformly strong.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterscheiden sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffs und der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallschicht um weniger als 15 %, vorzugsweise um weniger als 10 %. Ganz besonders bevorzugt sind der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffs und der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallschicht in etwa gleich groß. Dies wird durch
die geeignete Wahl des durchbrochenen Trägers gewährleistet, der vorzugsweise Metall umfasst. So können Risse in der metallischen Schicht durch Temperaturänderungen vermieden werden. Die erfindungsgemäße Membran kann aufgrund ihrer besonderen Struktur (z. B. Keramik gefülltes Gewebe) mit bis zu 5 nm feinen Poren gefertigt werden, wobei der Verbundwerkstoff dann aber immer noch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der nahe dem der metallischen Trennschicht liegt.In a preferred embodiment of the invention, the coefficient of thermal expansion of the composite and the coefficient of thermal expansion of the metal layer differ by less than 15%, preferably by less than 10%. The thermal expansion coefficient of the composite material and the thermal expansion coefficient of the metal layer are very particularly preferably approximately the same size. This is through ensures the appropriate choice of the openwork carrier, which preferably comprises metal. In this way, cracks in the metallic layer due to temperature changes can be avoided. Due to its special structure (e.g. ceramic-filled fabric), the membrane according to the invention can be produced with pores of up to 5 nm, but the composite material then still has a coefficient of thermal expansion which is close to that of the metallic separating layer.
Vorzugsweise umfasst der durchbrochene Träger ein Gewebe und/oder Vlies. Ganz besonders bevorzugt umfasst der durchbrochene Träger Filamente oder Fasern aus Metall, vorzugsweise Stahl.The perforated carrier preferably comprises a woven and / or nonwoven. The perforated carrier very particularly preferably comprises filaments or fibers made of metal, preferably steel.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der durchbrochene Träger des Verbundwerkstoffs der erfindungsgemäßen Verbundmembran ein Metallgewebe, vorzugsweise ein Edelstahlgewebe und/oder Edelstahlvlies. Das Metallgewebe kann leicht elektrisch kontaktiert werden, so dass mittels eines anzulegenden elektrischen Stroms Ohm'sche Wärme unmittelbar im Inneren des Verbundwerkstoffs entsteht. Die derart erzeugte Wärme kann vorzugsweise eine gleichmäßige Ausdehnung des Verbundwerkstoffs und der metallischen Schicht bewirken und damit einer Rissbildung in der metallischen Schicht besonders vorteilhaft entgegenwirken. Diese Art der Energiezufuhr gestattet eine gezielte Aufheizung des Verbundwerkstoffs und der Verbundmembran. Die elektrische Beheizung kann regelbar ausgestattet werden.In a preferred embodiment of the invention, the perforated carrier of the composite material of the composite membrane according to the invention comprises a metal mesh, preferably a stainless steel mesh and / or stainless steel fleece. The metal mesh can easily be contacted electrically, so that ohmic heat is generated directly in the interior of the composite material by means of an electrical current to be applied. The heat generated in this way can preferably bring about a uniform expansion of the composite material and the metallic layer and thus counteract crack formation in the metallic layer particularly advantageously. This type of energy supply allows the composite material and the composite membrane to be specifically heated. The electrical heating can be regulated.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist auch die metallische Schicht beheizbar. Ganz besonders bevorzugt ist die metallische Schicht durch eine Widerstandsheizung indirekt beheizbar.In a preferred embodiment of the invention, the metallic layer can also be heated. The metallic layer is very particularly preferably indirectly heated by resistance heating.
Die erfmdungsgemäße Membran bietet aufgrund des durchbrochenen Trägers im Inneren eine gute Stabilität insbesondere bei einem hohen Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Membran.The membrane according to the invention offers good stability due to the perforated support in the interior, in particular when there is a high pressure difference between the two sides of the membrane.
Der flexible, durchbrochene Träger der erfindungsgemäßen Verbundmembran kann aber auch
ein Material umfassen, das ausgewählt ist aus Glas, Quartzglas, Keramik, Mineralien, Kunststoffen, amorphen, nicht elektrisch leitenden Substanzen, Naturprodukten, Verbundstoffen, Verbundwerkstoffen oder aus zumindest einer Kombination dieser Materialien, vorausgesetzt, dass diese Materialien die Brauchbarkeit der erfindungsgemäßen Verbundmembran nicht beeinträchtigen. Als flexibler, durchbrochener Träger, kann auch ein Träger verwendet werden, der durch Behandlung mit Laserstrahlen, Ionenstrahlen oder einem Ätzmittel aus einem zuvor nicht durchbrochenen Träger, wie zum Beispiel einem Blatt, einer Folie oder einem dünnen Blech erhältlich ist.The flexible, openwork support of the composite membrane according to the invention can also comprise a material selected from glass, quartz glass, ceramics, minerals, plastics, amorphous, non-electrically conductive substances, natural products, composites, composite materials or from at least a combination of these materials, provided that these materials do not impair the usability of the composite membrane according to the invention . As a flexible, openwork support, a support can also be used, which can be obtained by treatment with laser beams, ion beams or an etchant from a previously uninterrupted support, such as a sheet, a foil or a thin sheet.
Der durchbrochene Träger umfasst vorzugsweise Fasern und/oder Filamente mit einem Durchmesser von 1 bis 150 μm, vorzugsweise 1 bis 20 μm, und/oder Fäden mit einem Durchmesser von 5 bis 150 μm, vorzugsweise 20 bis 70 μm, umfasst.The openwork carrier preferably comprises fibers and / or filaments with a diameter of 1 to 150 μm, preferably 1 to 20 μm, and / or threads with a diameter of 5 to 150 μm, preferably 20 to 70 μm.
Für den Fall, dass der durchbrochene Träger ein Gewebe aus Multifilamentgarnen ist, dann handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Gewebe aus 11-Tex-Garnen mit 5 - 50 Kett- bzw. Schussfaden und insbesondere 20 - 28 Kett- und 28 - 36 Schussfäden.In the event that the openwork carrier is a fabric made of multifilament yarns, then this is preferably a fabric made of 11-Tex yarns with 5-50 warp or weft threads and in particular 20-28 warp and 28-36 weft threads .
Die erfindungsgemäße Verbundmembran hält vorzugsweise einer Temperaturerhöhung auf eine Temperatur von mehr als 300 °C, besonders bevorzugt mehr als 400 °C, ganz besonders bevorzugt mehr als 500 °C stand, wobei die metallische Schicht keine Risse bildet.The composite membrane according to the invention preferably withstands an increase in temperature to a temperature of more than 300 ° C., particularly preferably more than 400 ° C., very particularly preferably more than 500 ° C., the metallic layer not forming any cracks.
Vorzugsweise weist der Verbundwerkstoff eine Dicke von 10 bis 1000 μm, besonders bevorzugt eine Dicke von 20 bis 200 μm auf.The composite material preferably has a thickness of 10 to 1000 μm, particularly preferably a thickness of 20 to 200 μm.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Verbundmembran flexibel und toleriert einen Biegeradius von weniger als 100 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm.In a preferred embodiment, the composite membrane is flexible and tolerates a bending radius of less than 100 mm, preferably less than 10 mm.
Vorzugsweise ist die Verbundmembran asymmetrisch.The composite membrane is preferably asymmetrical.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung weist der Verbundwerkstoff Poren mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 500 nm, vorzugsweise weniger als 100 nm, auf.
Bei einer ganz besonders bevorzugten Ausfuhrungsform weist der Verbundwerkstoff Poren mit einem mittleren Durchmesser von bis zu 1 bis 5 nm auf.In a preferred embodiment of the invention, the composite material has pores with an average diameter of less than 500 nm, preferably less than 100 nm. In a very particularly preferred embodiment, the composite material has pores with an average diameter of up to 1 to 5 nm.
Die erfindungsgemäße Verbundmembran kann zwischen dem Verbundwerkstoff und der Metallschicht eine für Wasserstoff durchlässige haftvermittelnde Schicht aufweisen.The composite membrane according to the invention can have a hydrogen-permeable adhesion-promoting layer between the composite material and the metal layer.
Das Keramikmaterial kann ein Oxid von Titan, Zirkonium, Silizium und/oder Aluminium umfassen.The ceramic material can comprise an oxide of titanium, zirconium, silicon and / or aluminum.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer flexiblen Verbundmembran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend folgende Stufen:Another aspect of the present invention is a method for producing a flexible composite membrane according to one of claims 1 to 16, comprising the following steps:
(i) Bereitstellung eines Verbundwerkstoffs aus einem durchbrochenen Träger, vorzugsweise einem Gewebe und/oder Vlies, sowie einem porösen Keramikmaterial dessen Oberfläche Poren aufweist, wobei mindestens eine Oberfläche des(i) Provision of a composite material from an openwork carrier, preferably a woven and / or nonwoven, and a porous ceramic material whose surface has pores, at least one surface of the
Verbundwerkstoffs ein Muster von sich abwechselnden konkaven und konvexenComposite a pattern of alternating concave and convex
Bereichen aufweist,Areas,
(ii) Aufbringen einer Metallschicht auf die Oberfläche des unter (i) bereitgestellten Verbundwerkstoffs durch CVD (chemical vapor deposition); PVD (physical vapor deposition), insbesondere Sputtern und Plasmabeschichten; galvanisches Abscheiden oder stromloses Abscheiden (electroless plating).(ii) applying a metal layer to the surface of the composite material provided under (i) by CVD (chemical vapor deposition); PVD (physical vapor deposition), in particular sputtering and plasma coatings; Electroplating or electroless plating.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform umfasst das Verfahren in Stufe (i) folgende Schritte: (A) Hydrolyse einer hydrolysierbaren Metallverbindung zu einem Hydrolysat,In a preferred embodiment, the process in step (i) comprises the following steps: (A) hydrolysis of a hydrolyzable metal compound to give a hydrolyzate,
(B) Peptisierung des Hydrolysats mit einer Säure zu einer Dispersion,(B) peptizing the hydrolyzate with an acid to form a dispersion,
(C) Vermischen der Dispersion mit einem nanokristallinen und/oder kristallinen Metalloxid,(C) mixing the dispersion with a nanocrystalline and / or crystalline metal oxide,
(D) Aufbringen, der unter (C) erhaltenen Mischung als dünne Schicht auf ein Gewebe und/oder Vlies und(D) applying the mixture obtained under (C) as a thin layer to a fabric and / or nonwoven and
(E) Verfestigen bei einer Temperatur von etwa 100 °C bis 680 °C, um einen Verbundstoff
(F) zu schaffen sowie(E) Solidify at a temperature of about 100 ° C to 680 ° C to form a composite (F) to create as well
(G) gegebenenfalls Wiederholung der Stufen (A) bis (E) mit dem Produkt der Stufe (E) unter Anwendung von Mischungen, die Teilchen mit geringerer Teilchengröße als in den Stufen (A) bis (E) enthalten, um einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff zu schaffen, wobei das Metalloxid für die Schicht, die zuletzt aufgebracht wird, vorzugsweise eine Teilchengröße mit einem mittleren Radius von höchstens 1000 nm, besonders bevorzugt höchstens 200 nm ganz besonders bevorzugt von höchstens 10 nm aufweist. Durch die Wahl der Teilchengröße des Metalloxids kann der mittlere Durchmesser der Porengröße eingestellt werden. Dabei ergibt ein Metalloxid mit einem mittleren Radius der Teilchengröße von 1000 nm Poren mit einem mittleren Durchmesser von 200 nm. Ein Metalloxid mit einem mittleren Durchmesser der Teilchengröße von 200 nm ergibt Poren mit einem mittleren Durchmesser von 40 nm. Ein Metalloxid mit einem mittleren Radius der Teilchengröße von 10 nm ergibt Poren mit einem mittleren Durchmesser von 5 nm. Ein Metalloxid mit einem mittleren Radius der Teilchengröße von 2 nm ergibt Poren mit einem mittleren Radius von 1 nm.(G) optionally repeating steps (A) through (E) with the product of step (E) using mixtures containing particles smaller in particle size than in steps (A) through (E) to form a multilayer composite create, wherein the metal oxide for the layer that is applied last preferably has a particle size with an average radius of at most 1000 nm, particularly preferably at most 200 nm, very particularly preferably at most 10 nm. The average diameter of the pore size can be set by selecting the particle size of the metal oxide. A metal oxide with an average radius of particle size of 1000 nm gives pores with an average diameter of 200 nm. A metal oxide with an average diameter of particle size of 200 nm gives pores with an average diameter of 40 nm. A metal oxide with an average radius of Particle size of 10 nm gives pores with an average diameter of 5 nm. A metal oxide with an average radius of the particle size of 2 nm gives pores with an average radius of 1 nm.
Als Dispersionen können handelsübliche Sole, wie Titannitratsol, Zirkonnitratsol oder Silikasol eingesetzt werden.Commercial sols such as titanium nitrate sol, zirconium nitrate sol or silica sol can be used as dispersions.
Die Dispersionen sind aber auch erhältlich durch Hydrolyse einer Metallverbindung, Halbmetallverbindung oder Mischmetallverbindung in einem Medium, wie Wasser, Alkohol oder einer Säure. Als zu hydrolisierende Verbindung wird vorzugsweise ein Metallnitrat, ein Metallchlorid, ein Metallcarbonat, eine Metallalkoholatverbindung oder eine Halbmetall- alkoholatverbindung, besonders bevorzugt zumindest eine Metallalkoholat-verbindung, ein Metallnitrat, ein Metallchlorid, ein Metallcarbonat oder zumindest eine Halbmetall- alkoholatverbindung ausgewählt aus den Verbindungen der Elemente Ti, Zr, AI, Si, Sn, Ce und Y oder der Lanthanoiden und Actinoiden, wie z. B. Titanalkoholate, wie z. B. Titanisopropylat, Siliziumalkoholate, Zirkoniumalkoholate, oder ein Metallnitrat, wie z. B. Zirkoniumnitrat, hydrolisiert. Es kann vorteilhaft sein, die Hydrolyse mit mindestens dem halben Molverhältnis an Wasser, bezogen auf die hydrolisierbare Gruppe der hydrolisierbaren
Verbindung, durchzuführen.However, the dispersions can also be obtained by hydrolysis of a metal compound, semimetal compound or mixed metal compound in a medium such as water, alcohol or an acid. The compound to be hydrolyzed is preferably a metal nitrate, a metal chloride, a metal carbonate, a metal alcoholate compound or a semimetal alcoholate compound, particularly preferably at least one metal alcoholate compound, a metal nitrate, a metal chloride, a metal carbonate or at least one semimetal alcoholate compound selected from the compounds of Elements Ti, Zr, Al, Si, Sn, Ce and Y or the lanthanoids and actinides, such as. B. titanium alcoholates such. B. titanium isopropylate, silicon alcoholates, zirconium alcoholates, or a metal nitrate, such as. B. zirconium nitrate hydrolyzed. It may be advantageous to carry out the hydrolysis with at least half the molar ratio of water, based on the hydrolyzable group of the hydrolyzable Connection to perform.
Die hydrolisierte Verbindung kann mit einer Säure, vorzugsweise mit einer 10 bis 60 %igen Säure, bevorzugt mit einer Mineralsäure, ausgewählt aus Schwefelsäure, Salzsäure, Perchlorsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure oder einer Mischung dieser Säuren peptisiert werden.The hydrolyzed compound can be peptized with an acid, preferably with a 10 to 60% acid, preferably with a mineral acid selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid, phosphoric acid and nitric acid or a mixture of these acids.
Eine anorganische Komponente mit einer Korngröße von 1 bis 10.000 nm kann in dem Sol suspendiert werden. Vorzugsweise wird eine anorganische Komponente, die eine Verbindung, ausgewählt aus Metallverbindungen, Halbmetallverbindungen, Mischmetall-verbindungen und Metallmischverbindungen mit zumindest einem der Elemente der 3. bis 7. Hauptgruppe, oder zumindest eine Mischung dieser Verbindungen aufweist, suspendiert., Besonders bevorzugt wird zumindest eine anorganische Komponente, die zumindest eine Verbindung aus den Oxiden der Nebengruppenelemente oder den Elementen der 3. bis 5. Hauptgruppe, vorzugsweise Oxide, ausgewählt aus den Oxiden der Elemente Sc, Y, Ti, Zr, Nb, Ce, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, B, AI, In, TI, Si, Ge, Sn, Pb und Bi, wie z. B. Y2O3, ZrO2, Fe2O3, Fe3O4, SiO2, Al2O3, aufweist, suspendiert. Die anorganische Komponente kann auch Alumosilicate, Aluminiumphospate, Zeolithe oder partiell ausgetauschte Zeolithe, wie z. B. ZSM-5, Na-ZSM-5 oder Fe-ZSM-5 oder amorphe mikroporöse Mischoxide, die bis zu 20 % nicht hydrolisierbare organische Verbindungen enthalten können, wie z. B. Vanadinoxid, Siliziumoxid-Glas oder Aluminiumoxid- Siliciumoxid- Methylsiliciumsesquioxid-Gläser, aufweisen.An inorganic component with a grain size of 1 to 10,000 nm can be suspended in the sol. An inorganic component which has a compound selected from metal compounds, semimetal compounds, mixed metal compounds and metal mixed compounds with at least one of the elements of the 3rd to 7th main group, or at least a mixture of these compounds, is preferably suspended. At least one is particularly preferred inorganic component which contains at least one compound from the oxides of the sub-group elements or the elements of the 3rd to 5th main group, preferably oxides, selected from the oxides of the elements Sc, Y, Ti, Zr, Nb, Ce, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, B, AI, In, TI, Si, Ge, Sn, Pb and Bi, such as B. Y 2 O 3 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , SiO 2 , Al 2 O 3 , suspended. The inorganic component can also be aluminosilicates, aluminum phosphates, zeolites or partially exchanged zeolites, such as, for. B. ZSM-5, Na-ZSM-5 or Fe-ZSM-5 or amorphous microporous mixed oxides, which can contain up to 20% non-hydrolyzable organic compounds, such as. B. vanadium oxide, silicon oxide glass or aluminum oxide-silicon oxide-methyl silicon sesquioxide glasses.
Vorzugsweise beträgt der Massenanteil der suspendierten Komponente das 0,1 bis 500-fache der eingesetzten hydrolisierten Verbindung.The mass fraction of the suspended component is preferably 0.1 to 500 times the hydrolyzed compound used.
Durch geeignete Wahl der Korngröße der suspendierten Verbindungen in Abhängigkeit von der Größe der Poren, Löcher oder Zwischenräume des Trägers, aber auch durch geeignete Wahl der Schichtdicke des Verbundwerkstoffes sowie des anteiligen Verhältnisses von Sol : Lösungsmittel : Metalloxid lassen sich Risse im Verbundwerkstoff vermeiden. Das Metalloxid, das in Schritt (C) mit der Dispersion vermischt wird, ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titanoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid und
Zirkonoxid oder aus deren Mischoxiden und die hydrolysierbare Metallverbindung ist vorzugsweise eine Verbindung von Titan, Zirkonium, Silizium, oder Aluminium.Cracks in the composite material can be avoided by a suitable choice of the grain size of the suspended compounds depending on the size of the pores, holes or interstices of the carrier, but also by a suitable choice of the layer thickness of the composite material and the proportionate ratio of sol: solvent: metal oxide. The metal oxide which is mixed with the dispersion in step (C) is preferably selected from the group consisting of titanium oxide, aluminum oxide, silicon oxide and Zirconium oxide or from their mixed oxides and the hydrolyzable metal compound is preferably a compound of titanium, zirconium, silicon or aluminum.
Bei Verwendung eines Maschengewebes mit einer Maschenweite von z. B. 100 μm als durchbrochenen Träger können zur Erhöhung der Rissfreiheit vorzugsweise Mischungen verwendet werden, die eine suspendierte Verbindung mit einer Korngröße von mindestensWhen using a mesh fabric with a mesh size of z. B. 100 microns as an openwork carrier can preferably be used to increase the freedom from cracks, the suspended compound with a grain size of at least
0,7 μm aufweist. Im Allgemeinen sollte das Verhältnis Korngröße zu Maschen- bzw.0.7 μm. In general, the ratio of grain size to mesh or
Porengröße von 1 : 1000 bis 100 : 1000 betragen. Der Verbundwerkstoff kann vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 1000 μm, besonders bevorzugt von 50 bis 150 μm, aufweisen. Die Mischung aus Dispersion und zu suspendierenden Verbindungen weist vorzugsweise einPore size from 1: 1000 to 100: 1000. The composite material can preferably have a thickness of 5 to 1000 μm, particularly preferably 50 to 150 μm. The mixture of dispersion and compounds to be suspended preferably has one
Verhältnis Dispersion zu suspendierenden Verbindungen von 0,1 : 100 bis 100 : 0,1, vorzugsweise von 0,1 : 10 bis 10 : 0,1 Gewichtsteilen auf.Ratio of dispersion to suspended compounds from 0.1: 100 to 100: 0.1, preferably from 0.1: 10 to 10: 0.1 parts by weight.
Die Mischung kann nach Aufbringen auf dem durchbrochenen Träger durch Erwärmen des Verbundes aus Mischung und durchbrochenen Träger auf 50 bis 1000 °C, vorzugsweise etwa 100 bis 680 °C verfestigt werden. In einer besonderen Ausführungsform wird der Verbund für 10 Minuten bis 5 Stunden einer Temperatur von 50 bis 100 °C ausgesetzt. In einer weiteren besonderen Ausfuhrungsform wird der Verbund für 5 Sekunden bis 10 Minuten einer Temperatur von 100 bis 800 °C ausgesetzt. Das Erwärmen des Verbundes kann mit erwärmter Luft, Heißluft, Infrarotstrahlung, Mikrowellenstrahlung oder elektrisch erzeugter Wärme, erfolgen. In einer weiteren Ausfuhrungsform kann das Verfestigen der Mischung dadurch erreicht werden, dass die Mischung auf einen vorgewärmten Träger aufgebracht wird und somit sofort nach dem Aufbringen verfestigt wird.After application to the openwork carrier, the mixture can be solidified by heating the composite of mixture and openwork carrier to 50 to 1000 ° C., preferably about 100 to 680 ° C. In a particular embodiment, the composite is exposed to a temperature of 50 to 100 ° C. for 10 minutes to 5 hours. In a further special embodiment, the composite is exposed to a temperature of 100 to 800 ° C. for 5 seconds to 10 minutes. The composite can be heated with heated air, hot air, infrared radiation, microwave radiation or electrically generated heat. In a further embodiment, the mixture can be solidified by the mixture being applied to a preheated carrier and thus being solidified immediately after the application.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform wird der durchbrochene Träger von einer Rolle abgerollt mit einer Geschwindigkeit von 1 m/h bis 1 m/s, auf eine Apparatur, die die Mischung mit dem Träger kontaktiert und anschließend zu einer weiteren Apparatur, die das Verfestigen der Mischung durch Erwärmen ermöglicht, und der so hergestellte Verbundwerkstoff wird auf einer zweiten Rolle aufgerollt. Auf diese Weise ist es möglich, den Verbundwerkstoff kontinuierlich herzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform wird auf einen Verbundwerkstoff, eine keramische oder anorganische Schicht aufgebracht. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine grüne (ungesinterte) Keramikschicht oder eine anorganische Schicht, die auf einer Hilfsfolie vorliegt, auf den Träger auflaminiert wird oder dass der Verbundwerkstoff mit einer weiteren Suspension (Mischung) wie oben beschrieben behandelt wird. Dieser Verbund kann durch Aufheizen verfestigt werden. Die verwendete grüne Keramikschicht enthält vorzugsweise ein nanokristallines Pulver eines Halbmetall- oder Metalloxids, wie z. B. Aluminiumoxid, Titandioxid oder Zirkoniumdioxid. Die grüne Schicht kann einen organischen Binder enthalten.In a further particular embodiment, the perforated carrier is unrolled from a roll at a speed of 1 m / h to 1 m / s, onto an apparatus which contacts the mixture with the carrier and then to another apparatus which solidifies the mixture by heating, and the composite material thus produced is rolled up on a second roll. In this way it is possible to manufacture the composite material continuously. In a further embodiment, a ceramic or inorganic layer is applied to a composite material. This can be done, for example, by laminating a green (unsintered) ceramic layer or an inorganic layer, which is present on an auxiliary film, onto the carrier or by treating the composite material with a further suspension (mixture) as described above. This bond can be solidified by heating. The green ceramic layer used preferably contains a nanocrystalline powder of a semimetal or metal oxide, such as. As aluminum oxide, titanium dioxide or zirconium dioxide. The green layer can contain an organic binder.
Durch die Verwendung einer grünen Keramikschicht ist es auf einfache Weise möglich den Verbundwerkstoff mit einer zusätzlichen keramischen Schicht auszustatten, die je nach verwendeter Größe des nanokristallinen Pulvers, die Porosität des so hergestellten Verbundwerkstoffes bestimmt.By using a green ceramic layer, it is possible in a simple manner to equip the composite material with an additional ceramic layer which, depending on the size of the nanocrystalline powder used, determines the porosity of the composite material produced in this way.
Durch das Aufbringen zumindest einer weiteren anorganischen Schicht oder Keramikschicht erhält man einen Verbundwerkstoff, der einen Porengradienten aufweist. Zudem ist es durch mehrmaliges Aufbringen einer Schicht möglich, zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit einer bestimmten Porengröße auch solche Träger zu verwenden, deren Poren- bzw. Maschenweite zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit der geforderten Porengröße nicht geeignet ist. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn ein Verbundwerkstoff mit einer Porengröße von 0,25 μm unter Verwendung eines Trägers mit einer Maschenweite von über 300 μm hergestellt werden soll. Zum Erhalt eines solchen Verbundwerkstoffes kann es vorteilhaft sein, auf den Träger zuerst zumindest eine Suspension zu bringen, die geeignet ist Träger mit einer Maschenweite von 300 μm zu behandeln, und diese Suspension nach dem Aufbringen zu verfestigen. Der auf diese Weise erhaltene Verbundwerkstoff kann nun als Trägermembran mit einer geringeren Maschen- bzw. Porengröße eingesetzt werden. Auf diese Trägermembran kann eine weitere Suspension aufgebracht werden, die eine Verbindung mit einer Korngröße von 0,5 μm aufweist. Die Rissunempfindlichkeit bei Verbundwerkstoffen mit großen Maschen- bzw. Porenweiten kann auch dadurch verbessert werden, dass Suspensionen auf den Träger aufgebracht werden,
die zumindest zwei suspendierte Verbindungen aufweisen. Vorzugsweise werden zu suspendierende Verbindungen verwendet, die ein Korngrößenverhältnis von 1 : 1 bis 1 : 20, besonders bevorzugt von 1 : 1,5 bis 1 : 2,5 aufweisen. Der Gewichtsanteil von der Korngrößenfraktion mit der kleineren Korngröße sollte einen Anteil von höchstens 50 %, vorzugsweise von 20 % und ganz besonders bevorzugt von 10 %, an dem Gesamtgewicht der eingesetzten Korngrößenfraktion nicht überschreiten.By applying at least one further inorganic layer or ceramic layer, a composite material is obtained which has a pore gradient. In addition, by applying a layer several times, it is also possible to use supports for the production of composite materials with a specific pore size whose pore or mesh size is not suitable for producing a composite material with the required pore size. This can e.g. B. be the case when a composite material with a pore size of 0.25 microns is to be produced using a carrier with a mesh size of over 300 microns. To obtain such a composite material, it may be advantageous to first bring at least one suspension onto the carrier which is suitable for treating carriers with a mesh size of 300 μm, and to solidify this suspension after application. The composite material obtained in this way can now be used as a carrier membrane with a smaller mesh or pore size. A further suspension can be applied to this carrier membrane, which has a compound with a grain size of 0.5 μm. The insensitivity to cracks in composite materials with large mesh or pore widths can also be improved by applying suspensions to the carrier, which have at least two suspended compounds. Compounds to be suspended are preferably used which have a particle size ratio of 1: 1 to 1:20, particularly preferably 1: 1.5 to 1: 2.5. The weight fraction of the grain size fraction with the smaller grain size should not exceed a proportion of at most 50%, preferably 20% and very particularly preferably 10%, of the total weight of the grain size fraction used.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem durchbrochenen Träger und der metallischen Schicht eine Wasserstoff durchlässige haftvermittelnde Schicht vorgesehen.In a preferred embodiment of the invention, a hydrogen-permeable adhesion-promoting layer is provided between the perforated support and the metallic layer.
Vorzugsweise ist die Verbundmembran elastisch und weist einen minimalen Biegeradius im Bereich von 1 bis 100 mm auf, ohne dass die auf Druck beanspruchte metallische Schicht Risse bildet.The composite membrane is preferably elastic and has a minimum bending radius in the range from 1 to 100 mm, without the metallic layer which is subjected to pressure forming cracks.
Die erfindungsgemäße Verbundmembran ist vorzugsweise eine asymmetrische Verbundmembran. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein vor der galvanischen Abscheidung einer Palladiumschicht auf eine Seite des Verbundwerkstoffs eine elektrisch leitfähige Metallschicht aufzusputtern. Diese einseitig aufgebrachte Metallschicht ist geeignet bei der galvanischen Abscheidung die Palladiumschicht nur auf der Seite der Kupferschicht wachsen zu lassen.The composite membrane according to the invention is preferably an asymmetrical composite membrane. For this purpose, it may be advantageous to sputter an electrically conductive metal layer onto one side of the composite material before the galvanic deposition of a palladium layer. This metal layer applied on one side is suitable for the electrodeposition to let the palladium layer grow only on the side of the copper layer.
Das Aufbringen der metallischen Schicht auf den Verbundwerkstoff erfolgt durch bekannteThe metallic layer is applied to the composite material by known means
Beschichtungsverfahren, wie CVD (chemical vapor deposition); PVD (physical vapor deposition, insbesondere Sputtering oder Plasmabeschichtung); Galvanische Abscheidung oder durch die stromlose Abscheidung (electroless plating). Diese Verfahren sind geeignet wasserstoffselektive Schichten in guter Qualität und gewünschter Dicke auf demCoating processes such as CVD (chemical vapor deposition); PVD (physical vapor deposition, in particular sputtering or plasma coating); Galvanic deposition or electroless plating. These processes are suitable for hydrogen-selective layers of good quality and desired thickness on the
Verbundwerkstoff aufzubringen.Apply composite material.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbundmembran zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff ausAnother aspect of the present invention is the use of the composite membrane according to the invention for the selective separation of hydrogen from
Wasserstoff enthaltenden Gemischen.
Das Wasserstoff enthaltende Gemisch ist vorzugsweise ein Gasgemisch, eine flüssige Mischung in der Wasserstoff gelöst ist oder eine gasförmige oder flüssige Mischung von Komponenten, wobei molekularer oder atomarer Wasserstoff von einer der Komponenten allein oder von einer Reaktion zweier Komponenten stammt.Mixtures containing hydrogen. The hydrogen-containing mixture is preferably a gas mixture, a liquid mixture in which hydrogen is dissolved or a gaseous or liquid mixture of components, where molecular or atomic hydrogen originates from one of the components alone or from a reaction of two components.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann nach der erfindungsgemäßen Verwendung hochreiner Wasserstoff mit Verunreinigungen von höchstens 50 ppm, vorzugsweise 10 ppm, erzeugt werden.In a preferred embodiment, high purity hydrogen with impurities of at most 50 ppm, preferably 10 ppm, can be generated after the use according to the invention.
Die erfindungsgemäße Verwendung kann in einem Membranreaktor, einem Wasserstoffdetektor, einer Reinigungsanlage für Wasserstoff, einer Elektrolysezelle, einer Hydrierapparatur oder Dehydrierapparatur stattfinden.The use according to the invention can take place in a membrane reactor, a hydrogen detector, a cleaning plant for hydrogen, an electrolysis cell, a hydrogenation apparatus or dehydrogenation apparatus.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Figuren und bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 die Oberfläche eines Verbundwerkstoffs einer erfindungsgemäßen Verbundmembran; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Verbundwerkstoff gemäßThe invention is described below with reference to figures and preferred embodiments. 1 shows the surface of a composite material of a composite membrane according to the invention; Fig. 2 is a schematic representation of a cross section through the composite according to
Fig. 1 Fig.3 einen Querschnitt durch den Verbundwerkstoff gemäß Fig. 1 (im Bereich C der schematischen Darstellung der Fig. 2); Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verbundmembran;1 shows a cross section through the composite material according to FIG. 1 (in area C of the schematic illustration of FIG. 2); 4 shows a cross section through a composite membrane according to the invention;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäßeFig. 5 is a schematic representation of a cross section through an inventive
Verbundmembran.Composite membrane.
Fig. 1 zeigt die Oberfläche eines Verbundwerkstoffs aus einem Metallgewebe als durchbrochenen Träger und einem porösen Keramikmaterial, wobei diese Oberfläche ein Muster von sich abwechselnden konkaven und konvexen Bereichen aufweist anhand einer Fotografie. Diese konkaven und konvexen Bereiche sind in Fig. 2 und 3 näher beschrieben. Die Maschenweite beträgt etwa 100 μm wie rechts unten in Fig. 1 zu erkennen ist.1 shows the surface of a composite material made of a metal mesh as an openwork support and a porous ceramic material, this surface having a pattern of alternating concave and convex areas on the basis of a photograph. These concave and convex areas are described in more detail in FIGS. 2 and 3. The mesh size is approximately 100 μm as can be seen at the bottom right in FIG. 1.
Fig. 2 zeigt drei Metallfasern 10 eines Metallgewebes, die einen durchbrochenen Träger bilden sowie das poröse Keramikmaterial 18. Die konvexen Bereiche 12 ("Hügel") der
Oberfläche(n) des Verbundwerkstoffs befinden sich an den nicht durchbrochenen Stellen des durchbrochenen Trägers, d.h. im vorliegenden Fall um die Metallfasern 10. Die konkaven Bereiche 14 ("Täler") der Oberfläche(n) befinden sich an den durchbrochenen Stellen des durchbrochenen Trägers, d. h. im vorliegenden Fall zwischen den Metallfasern 10.FIG. 2 shows three metal fibers 10 of a metal mesh, which form an openwork support, and the porous ceramic material 18. The convex regions 12 ("hills") of the The surface (s) of the composite material are located at the non-perforated points of the perforated carrier, ie in the present case around the metal fibers 10. The concave regions 14 ("valleys") of the surface (s) are located at the perforated points of the perforated carrier, ie in the present case between the metal fibers 10.
Fig. 3 zeigt den Bereich C gemäß Fig. 2 in Vergrößerung als Fotografie.FIG. 3 shows the area C according to FIG. 2 in enlarged form as a photograph.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verbundmembran aus einem Metallgewebe mit Metallfasern 10, porösem Keramikmaterial 18 und der metallischen Schicht 16. Diese metallische Schicht 16 besteht aus einer Pd/Ag-Legierung, die 80 % Pd und 20 % Ag enthält.FIG. 4 shows a cross section through a composite membrane according to the invention made of a metal mesh with metal fibers 10, porous ceramic material 18 and the metallic layer 16. This metallic layer 16 consists of a Pd / Ag alloy which contains 80% Pd and 20% Ag.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der Fig. 4 mit den Metallfasern 10, dem porösen Keramikmaterial 18, der metallischen Schicht 16, den konvexen Bereichen 22 und den konkaven Bereichen 24 der metallischen Schicht 16.FIG. 5 shows a schematic illustration of FIG. 4 with the metal fibers 10, the porous ceramic material 18, the metallic layer 16, the convex regions 22 and the concave regions 24 of the metallic layer 16.
Die Erfindung wird nun anhand von speziellen Beispielen näher erläutert.The invention will now be explained in more detail using specific examples.
Herstellung von DispersionenProduction of dispersions
Herstellungsbeispiel 1.1Production example 1.1
In einem Becherglas werden 70 g vollentionisiertes (VE) Wasser auf 4°C gekühlt und mit 50 g Ethanol versetzt. Zu diesem Gemisch gibt man 40 g Titanisopropylat (Fa. Aldrich) und peptisiert den entstehenden Niederschlag mit 30 g konz. Salpetersäure. Zu der auf diese Art erhaltenen Dispersion gibt man 200 g Aluminiumoxid (et 3000 SG der Fa. Alcoa, Ludwigshafen) und dispergiert alles vollständig, um eine Dispersion zu schaffen.70 g of fully deionized (VE) water are cooled to 4 ° C. in a beaker and 50 g of ethanol are added. 40 g of titanium isopropylate (Aldrich) are added to this mixture and the resulting precipitate is peptized with 30 g of conc. Nitric acid. 200 g of aluminum oxide (et 3000 SG from Alcoa, Ludwigshafen) are added to the dispersion obtained in this way and everything is completely dispersed in order to create a dispersion.
Herstellungsbeispiel 1.2Production example 1.2
In einem Becherglas werden 300 g VE- Wasser mit 37,5 g Ethanol vorgelegt. Man säuert mit konz. Salpetersäure an und gibt dann 375 g (et 1200 SG der Fa. Alcoa, Ludwigshafen) zu. Nach Dispergierung des Aluminiumoxids werden 75 g Zirkonnitrat-Sol (Fa. Goldmann,
Bielefeld) zugegeben, um eine Dispersion zu schaffen.300 g of demineralized water with 37.5 g of ethanol are placed in a beaker. You acidify with conc. Nitric acid and then adds 375 g (et 1200 SG from Alcoa, Ludwigshafen). After the aluminum oxide has been dispersed, 75 g of zirconium nitrate sol (from Goldmann, Bielefeld) added to create a dispersion.
Herstellungsbeispiel 1.3Production example 1.3
In 200 g VE- Wasser werden 100 g Zirkonoxid (VP 25; Fa. Degussa) dispergiert. Hierzu werden unter Rühren 50 g einer 10 Gew.-%igen Polyvinylalkohol-Lösung (MW 72.000 g/mol; Fa. Aldrich) gegeben. Nach Zugabe weiterer 50 g Wasser und 25 g Zirkonnitrat-Sol (Fa. Goldmann, Bielefeld) und vollständiger Dispergierung wird eine Dispersion geschaffen, die als solche weiterverwendet werden kann.100 g of zirconium oxide (VP 25; Degussa) are dispersed in 200 g of demineralized water. For this purpose, 50 g of a 10% by weight polyvinyl alcohol solution (MW 72,000 g / mol; from Aldrich) are added with stirring. After adding a further 50 g of water and 25 g of zirconium nitrate sol (from Goldmann, Bielefeld) and complete dispersion, a dispersion is created which can be used as such.
Herstellungsbeispiel 1.4Production example 1.4
In 200 g VE- Wasser werden 100 g Siliziumdioxid (Ox 50; Fa. Degussa) dispergiert. Hierzu werden unter Rühren 50 g einer 10 Gew.-%igen Polyvinylalkohol-Lösung (MW 72000 g/mol;100 g of silicon dioxide (Ox 50; Degussa) are dispersed in 200 g of demineralized water. For this purpose, 50 g of a 10% by weight polyvinyl alcohol solution (MW 72000 g / mol;
Fa. Aldrich) gegeben. Nach Zugabe weiterer 50 g Wasser und 25 g Silikasol (Levasil; Fa.Aldrich). After adding a further 50 g of water and 25 g of silica sol (Levasil; Fa.
Bayer, Leverkusen) und vollständiger Dispergierung wird eine Dispersion geschaffen, die als solche weiterverwendet werden kann.Bayer, Leverkusen) and complete dispersion, a dispersion is created that can be used as such.
Herstellungsbeispiel 1.5Production example 1.5
In 200 g VE- Wasser werden 100 g Titandioxid (P 25; Fa. Degussa) dispergiert. Hierzu werden unter Rühren 50 g einer 10 Gew.-%igen Polyvinylalkohol-Lösung (MW 72000 g/mol; Fa. Aldrich) gegeben. Nach Zugabe weiterer 50 g Wasser und 10 g Titantetraisopropylat (Fa. Aldrich) und vollständiger Dispergierung wird eine Dispersion geschaffen, die als solche weiterverwendet werden kann.100 g of titanium dioxide (P 25; Degussa) are dispersed in 200 g of demineralized water. For this purpose, 50 g of a 10% by weight polyvinyl alcohol solution (MW 72000 g / mol; Aldrich) are added with stirring. After adding a further 50 g of water and 10 g of titanium tetraisopropylate (from Aldrich) and complete dispersion, a dispersion is created which can be used as such.
Herstellung von Verbundwerkstoffen Herstellungsbeispiel 2.1Production of composite materials Production example 2.1
Auf ein Quadratmaschengewebe aus Edelstahl (180 mesh; 90 μm Maschenweite; 50 μm Drahtstärke) wird die Dispersion aus Herstellungsbeispiel 1.1 in dünner Schicht durch Aufstreichen aufgetragen und anschließend bei 550 °C innerhalb von 2 Minuten ausgehärtet, um einen Verbundwerkstoff mit einem mittleren Porenradius von ca. 100 nm zu schaffen.The dispersion from preparation example 1.1 is applied in a thin layer by brushing onto a square mesh fabric made of stainless steel (180 mesh; 90 μm mesh size; 50 μm wire thickness) and then cured at 550 ° C. within 2 minutes to form a composite material with an average pore radius of approx To create 100 nm.
Herstellungsbeispiel 2.2
Auf ein Quadratmaschengewebe (aus Edelstahl; 180 mesh; 90 μm Maschenweite; 50 μm Drahtstärke) wird die Dispersion aus Herstellungsbeispiel 1.2 in dünner Schicht durch aufstreichen aufgetragen und anschließend bei 650 °C innerhalb von 1 Minute ausgehärtet um einen Verbundwerkstoff mit einem mittleren Porenradius von ca. 200 mn zu schaffen.Production example 2.2 The dispersion from preparation example 1.2 is applied in a thin layer by brushing onto a square mesh fabric (made of stainless steel; 180 mesh; 90 μm mesh size; 50 μm wire thickness) and then cured at 650 ° C. within 1 minute to form a composite material with an average pore radius of approx To create 200 mn.
Herstellungsbeispiel 2.3Production example 2.3
Auf den Verbundwerkstoff aus Herstellungsbeispiel 2.1 trägt man durch Rakeln eine etwa 50 μm dicke Schicht der Dispersion aus Herstellungsbeispiel 1.3 auf. Diese wird getrocknet und bei 450 °C mit einem IR-Strahler verfestigt, um einen Verbundwerkstoff mit Poren eines mittleren Porenradius von 20 bis 50 nm zu schaffen.An approximately 50 μm thick layer of the dispersion from preparation example 1.3 is applied to the composite material from preparation example 2.1 by knife coating. This is dried and solidified at 450 ° C with an IR radiator to create a composite material with pores with an average pore radius of 20 to 50 nm.
Herstellungsbeispiel 2.4Production example 2.4
Auf den Verbundwerkstoff aus Herstellungsbeispiel 2.2 trägt man durch Rakeln eine etwa 50 μm dicke Schicht der Dispersion aus Herstellungsbeispiel 1.4 auf. Diese wird getrocknet und bei 500 °C mit einem IR-Strahler verfestigt, um einen Verbundwerkstoff mit Poren eines mittleren Porenradius von 30 bis 40 nm zu schaffen.An approximately 50 μm thick layer of the dispersion from preparation example 1.4 is applied to the composite material from preparation example 2.2 by knife coating. This is dried and solidified at 500 ° C. using an IR radiator to create a composite material with pores with an average pore radius of 30 to 40 nm.
Herstellungsbeispiel 2.5Production example 2.5
Auf den Verbundwerkstoff aus Herstellungsbeispiel 2.1 trägt man durch Rakeln eine etwa 50 μm dicke Schicht der Dispersion aus Herstellungsbeispiel 1.5 auf. Diese wird getrocknet und bei 550 °C mit einem IR-Strahler verfestigt, um einen Verbundwerkstoff mit Poren eines mittleren Porenradius von 25 bis 35 nm zu schaffen.An approximately 50 μm thick layer of the dispersion from preparation example 1.5 is applied to the composite material from preparation example 2.1 by knife coating. This is dried and solidified at 550 ° C. using an IR radiator in order to create a composite material with pores with an average pore radius of 25 to 35 nm.
Herstellung der VerbundmembranProduction of the composite membrane
Beispiel 1example 1
Auf den gemäß Herstellungsbeispiel 2.3 erhaltenen Verbundwerkstoff wird einseitig eine Kupferschicht durch Sputtern aufgebracht durch die der mittlere Porenradius bis auf 5 nm verringert wird. In einem zweiten Schritt wird eine Pd-Schicht galvanisch abgeschieden. Die Schichtdicke der Palladiumschicht wird durch Kontrolle von Stromstärke und Zeit auf eine Dicke von 500 nm begrenzt, um eine Verbundmembran der vorliegenden Erfindung zu
schaffen. Die so hergestellte Verbundmembran zeigt bei 200 °C einen Wasserstofffluss von mehr als 1900 L/m2 h, wobei der Wasserstoff mehr als 30 mal schneller permeiert als Stickstoff.A copper layer is applied on one side to the composite material obtained according to production example 2.3 by sputtering, by means of which the average pore radius is reduced to 5 nm. In a second step, a Pd layer is galvanically deposited. The layer thickness of the palladium layer is limited to a thickness of 500 nm by controlling the current strength and time in order to form a composite membrane of the present invention create. The composite membrane produced in this way shows a hydrogen flow of more than 1900 L / m 2 h at 200 ° C., the hydrogen permeating more than 30 times faster than nitrogen.
Beispiel 2Example 2
Auf den gemäß Herstellungsbeispiel 2.4 hergestellten Verbundwerkstoff wird durch Plasmabeschichtung eine etwa 2 μm dicke Palladiumschicht aufgebracht, um eine Verbundmembran der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Die so hergestellte Verbundmembran zeigt einen Wasserstofffluss von 40000 L/m2 h bei einer Temperatur von 400 °C und einem Druck von 20 bar. Tests mit Stickstoff zeigen, dass keine Wasserstoffpermeation stattfindet.
An approximately 2 μm thick palladium layer is applied to the composite material produced according to production example 2.4 by plasma coating in order to create a composite membrane of the present invention. The composite membrane thus produced shows a hydrogen flow of 40,000 L / m 2 h at a temperature of 400 ° C and a pressure of 20 bar. Tests with nitrogen show that no hydrogen permeation takes place.