Prof. Dr.-Ing. Steffen Schütz
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31.07.2023

Die entwickelten keramischen Multikanalmembranen lassen durch ihre Konzeption eine hohe Bandbreite von Prozessparametern in ihrer Anwendung zu. Bei den durchgeführten Versuchen konnte daher auch eine hohe Wirtschaftlichkeit der Membranprozesse erzielt werden durch die Festlegung von Prozessparametern für einen energetisch effizienten Filtrationsprozess. Das entwickelte Membrankonzept ist modular aufgebaut. Der Fokus liegt auf Ultra- und Nanofiltrationsmembranen mit Trenngrenzen im Bereich von 4 kDa bis 0,5 kDa. Hierzu wurden im Projekt keramische Beschichtungen entwickelt (Materialrezepturen und Applikationsprozesse), welche auf kommerziell erhältliche Grundkörper appliziert wurden. Diese Beschichtungen sind konsekutiv aufgebaut, dies bedeutet, dass beispielsweise eine Beschichtung mit einer Trenngrenzen von 1 kDa auf eine darunter liegende Keramikschicht mit 4 kDa Trenngrenze appliziert wird. Zur Erzielung hoher Schichtqualitäten wurden bei den Membranen mit den niedrigsten Trenngrenzen bis zu 16 keramische Schichten einzeln appliziert und gesintert. Dieser Schichtaufbau führt zu sehr defektarmen funktionalen Schichten bei gleichzeitig hohen Permeabilitäten im Vergleich zu keramischen Membranen von Wettbewerbern. Weiterhin führt dieser Schichtaufbau zu sehr glatten Oberflächen. Dadurch wird die Foulingneigung gerade beim hier untersuchten hochkonzentrierten organischen Stoffsystem sehr gering und die gute Rückreinigbarkeit der Membranen ist gewährleistet. Somit zeigen diese Membranen insbesondere eine scharfe Cut-off Charakteristik und eine hohe Trennqualität im molekularen Bereich.

Dieses Projekt ist die Fortführung und Erweiterung der Arbeiten aus dem vorangegangenen Projekt "FOREST - Chemische und elektrochemische Verfahren zur Umsetzung nachwachsender Rohstoffe zu redoxaktiven Substanzen". Alle wesentlichen Verfahrensschritte konnten in diesem Vorgängerprojekt erforscht werden. Damit der Prozess zukünftig wirtschaftlich einsetzbar wird, sind weitere Fragestellungen grundlegend zu erforschen: Um die Ausbeute an niedermolekularen, aromatischen Verbindungen aus der Ligninfragmentierung zu verbessern, wird die Produktfiltration mit der Fragmentierungsreaktion verbunden, so daß Zielmoleküle während der Reaktion aus dem Prozess entfernt und vor einem weiteren Abbau im Reaktor geschützt werden. Dazu müssen zunächst Filtrationsmembranen erforscht werden, die unter den harschen Reaktionsbedingungen eingesetzt werden können. Für die weiteren Schlüsselreaktionen zur Umsetzung von Lignin zu organischen Elektrolyten wird der elektrosynthetische Ansatz zur Reaktionsoptimierung untersucht. Die Einführung dieser Schritte in den Prozessablauf ist ein technisches Arbeitsziel des Projektes, wobei auch eine wissenschaftliche Verwertung der elektrochemischen Erkenntnisse geplant ist. Weiterhin befassen sich die Projektarbeiten mit der Aufklärung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen, um Effekte zu verstehen, die durch Substituenten an den redoxaktiven Verbindungen hervorgerufen werden. Aus diesen Arbeiten werden Vorhersagen zur elektrochemischen Performance von redoxaktiven Substanzen als Elektrolyte abgeleitet. Darüber hinaus müssen für eine adäquate Lebensdauer der Batterien Untersuchungen zu Degradationsprozessen durchgeführt werden, um diesen z.B. durch stabilere Moleküle, geeignetere Betriebsparameter oder Regenerationsstrategien gezielt begegnen zu können. Zu guter Letzt wird im Hinblick auf eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit auch die Verwertung von Nebenströmen in einem eigenen Arbeitspaket untersucht.