Entwicklung, Herstellung, Entwicklung, Herstellung, Charakterisierung und Testung von Charakterisierung und Testung von innovativen, hochporösen Adsorptions-, innovativen, hochporösen Adsorptions-, Getter- und TrägermaterialienGetter- und Trägermaterialien
GNF Gesellschaft zur Förderung der naturwissenschaftlich-technischen Forschung in Berlin-Adlershof e. V.
Projektleiter: Dr. Lutz HippeProjektlaufzeit: 01.01.2006 bis 30.09.2008
Das Projekt wird im Rahmen des Programms INNO-WATT durch das Bundesministerium fürWirtschaft und Technologie gefördert.Reg.-Nr.: IW 05 118911
Gettermaterialien und Adsorbenzien -Gettermaterialien und Adsorbenzien -Erfahrungen und SchwerpunkteErfahrungen und Schwerpunkte
Entwicklung, Herstellung, Charakterisierung und Testung von Alkali-Gettermaterialien zur Rauchgasreinigung bei hohen Temperaturen
FuE-Arbeiten und technische Erprobung von Alkali-Gettermaterialien im Rahmen des Druckkohlenstaubfeuerungs (DKSF)-Verfahrens
Heißgasreinigungs- und Trägermaterialien mit hoher Porosität, Abriebfestigkeit und thermischer Stabilität
Hochporöse Formkörper als Adsorbenzien zur Wasserreinigung
Trägermaterialien zum Einsatz in der Biotechnologie
22
Gettermaterialien zur Alkaliabscheidung Gettermaterialien zur Alkaliabscheidung im DKSF-Verfahrenim DKSF-Verfahren
Hauptelemente des DKSF-Verfahrens
Arbeitsparameter der Brennkammer: Temperatur: ca. 1.400 °C Druck: ca. 16 bar
Zielstellungen für die Rauchgasreinigung: Partikelgehalt: 3 mg/Nm³ Alkaligehalt: 0,01 mg/Nm³
Alkaligettermaterial vor und nach dem Einsatz im DKSF-
AlkaliabscheiderEinsatzdauer 10 Tage bei ca.
1.250 °C
33
GNF-Labortestanlage (Rohrofen)GNF-Labortestanlage (Rohrofen)
Einsatz einer Labortestanlage mit Hochtemperatur-Rohrofen und Spezialbrenner unter Nutzung einer Tracer-methode zum Nachweis von Alkalien
Messung des Temperaturverhaltens und der Reaktivität von Materialien in definierter Gasatmosphäre bei Temperaturen bis 1500 °C
44
Gesamtschema LabortestanlageGesamtschema Labortestanlage
55
FormkörperherstellungFormkörperherstellung
Entwicklung, Herstellung, Charakterisierung und Testung von Adsorbenzien und Trägermaterialien
Entwicklung von Technologien zur Herstellung von Formkörpern im Labor-, Technikums- und Produktionsmaßstab
66
Herstellung von Formkörpern mit hoher Herstellung von Formkörpern mit hoher SchmelzstabilitätSchmelzstabilität
77
Formkörper mit ungenügender SchmelzstabilitätDie Versinterung während der Herstellung im Labor und unter großtechnischen Bedingungen führt zum Verbacken der Formkörper sowie zum ungenügenden Ausbrand des Porosierungsmittels
Versinterungen und Bildung von Schmelzphasen während des Einsatzes im DKSF-Alkaliabscheider
Einstellung der PorositätEinstellung der Porosität
durch Variation des Porosierungs-mittels
durch Variation der Porosierungs-mittelmenge
durch Variation der Glühbedingungen
Bestimmung der Wasseraufnahmekapazität (WAK) in Anlehnung an DIN 51 056 für keramische Materialien nach der Vakuummethode
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60
Anteil Porosierungsmittel (Ma-%)
Was
sera
ufna
hmek
apaz
ität (
%)
Glühung bei 1200 °C
Glühung bei 800 °C
88
Ermittlung der Porosität durch BestimmungErmittlung der Porosität durch Bestimmungder Wasseraufnahmekapazität (WAK)der Wasseraufnahmekapazität (WAK)Die Bestimmung der WAK erfolgt in Anlehnung an DIN 51 056 für keramische Massen nach der Vakuummethode
• 4 - 6 Gramm wasserfrei getrocknete Probe auswiegen
• mit Wasser überschichten (0,05 % Tensidzusatz)
• 30 Minuten evakuieren
• oberflächliches Haftwasser abschütteln und zurückwiegen
• aus Trocken- und Naßgewicht WAK bestimmen99
Einfluß der HerstellungstechnologieEinfluß der Herstellungstechnologieauf die Porositätauf die Porosität
Beeinflussung der Wasseraufnahmekapazität durch unterschiedliche Verformung
GNF e.V. SCW GmbH
IMO Gliwice
ca. 120 °C ca. 120 °C ca. 120 °C240 Min. 240 Min. Trocknung 240 Min.
800 °C 800 °C 800 °C480 Min. 400 Min. 400 Min.
44% 44% 36%
1200 °C 1200 °C 1200 °C240 Min. 240 Min. 240 Min.
40% 37% 33%
1400 °C 1400 °C 1400 °C 1400 °C240 Min. 240 Min. 240 Min. 240 Min.
35% 35% 32% 28%
1,5 kg - Labor-Ansatz GNF001-05+ 20 % Porosierungsmittel
Trockenmischung
KTVS0120-04-01-080905
T r o c k n u n g
KTVS1400-04-01-300905
KTVS1200-04-01-290905
KTVS0120-04-02-070905
KTVS0800-07-01-270905
KTVS1200-04-01-201005
KTVS1400-04-01-211005
KTVS0800-08-01-150905
50 kg - Produktionsansatz+ 20 % Porosierungsmittel
Trockenmischung
Wasserzugabe und knetenmit 50 l -Doppel-Z-Kneter
Wasserzugabe und knetenmit Labor-Doppel-Z-Kneter
Verformung durch Strangpresse mit Vorverdichtung
zu Hohlsträngen 12/5 mm
Verformung mit Extruderpressezu 6 mm Vollsträngen
KTVS1400-04-02-211005
Wasserzugabe und kneten mit Rührarmkneter
Verformung mit Stempelpresse zu 7 mm Vollsträngen
KTGHS0120-04-01-121005
KTGHS0800-07-01-121005
KTGHS1200-04-01-171005
KTGHS1400-04-01-191005
1010
TexturdatenTexturdatenLfd.Nr. Probenummer Bemerkungen
WAK(%)
SBET(m²/g)
Gesamt-VP(cm³/g)
Porosität(%)
VP (<10 nm)(cm³/g)
VP (>10 nm)(cm³/g)
VP (10-50 nm)(cm³/g)
VP (50-100 nm)(cm³/g)
1 KTVS1200-04-01-050106 0 % PM 22 3,7 0,31 49 0,043 0,268 0,018 0,067
2 KTVS1200-04-01-040106 20 % PM 40 3,9 0,40 56 0,040 0,360 0,015 0,087
3 KTVS1200-04-01-100106 30 % PM 46 3,7 0,48 60 0,039 0,437 0,011 0,082
4 KTVS1200-04-02-040106 40 % PM 58 4,0 0,58 65 0,054 0,523 0,017 0,082
5 KTVS1200-04-02-211205 50 % PM 72 3,2 0,70 69 0,064 0,632 0,010 0,072
6 IRM001-05 (1400-05) 20 % PM 32 1,6 0,33 50 0,030 0,298 0,002 0,027
Probe 1 - 5Vollstränge 7 mm øSchüttdichte 300 - 600 g/lGlühtemperatur 1200 °C
Probe 64 - Loch-Hohlstränge 20 mm øSchüttdichte ca. 550 g/lGlühtemperatur 1400 °C
Kumulatives Porenvolumen
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
1 10 100 1.000 10.000
Porenradius (nm)
Pore
nvol
umen
(cm
³/g)
IRM001-05
0 % KM
20 % KM
30 % KM
40 % KM
50 % KM
1111
Messungen der KataLeuna GmbH
Herstellung hochporöser MaterialienHerstellung hochporöser Materialien
spez. Oberfl.(m²/g)
Gesamt-VP(cm³/g)
Porosität(%)
1 KTVS1000-04-01-190506 55 35 0,53 61
2 KTVS0800-08-01-290506 105 133 1,06 72
3 KTVS1000-04-01-300506 100 97 1,31 98
Lfd.Nr.: Probenummer:
WAK(%)
Texturdaten
Durch zielgerichteteEinstellung der Rezepturkönnen anwendungs-spezifisch maßgeschneidertehochporöse Materialienhergestellt werden.
Ansätze GNF011-06 / 012-06Vollstränge Durchmesser 7 mmLänge 10 - 20 mmGlühtemperatur bis 1200 °C
1212
Variation der Rezeptur zur Herstellung definierter hochporöser Trägermaterialien
800 °C 800 °C240 Min. 240 Min.
58% 105%
800 °C 900 °C 800 °C240 Min. 240 Min. 240 Min.
60% 105%
1000 °C 1000 °C240 Min. 102% 240 Min.
55% 100%
1200 °C 1200 °C 1200 °C240 Min. 240 Min. 240 Min.
45% 44% 45% 44%
WAK % Wasseraufnahmekapazität in Anlehnung an DIN 51 056
KTVS1000-04-01-190506 KTVS1000-04-01-300506
KTVS1200-04-02-220506 KTVS1200-04-02-310506 KTVS1200-04-01-310506KTVS1200-04-01-220506
Ansatz GNF012-06Kärlicher Ton T7001 + Pseudoböhmit
+ Koksmehl (0,2 - 1 mm) + NH4HCO3
+ Wasser
Ansatz GNF011-06Kärlicher Ton T7001 + Hydrargillit
+ Koksmehl (0,2 - 1 mm) + NH4HCO3
+ Wasser
KTVS0800-04-01-230506
KTVS0800-08-01-290506
KTVS0800-04-01-170506
KTVS0800-08-01-180506
KTVS0900-04-01-240506
PhasenuntersuchungenPhasenuntersuchungen
1313
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
-Al2O
3 [29-0063]
Anatas [21-1272]
Quarz [33-1161]
KTVS0800-08-01-180506
Inte
nsitä
t / c
ps
2 / grd
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
-Al2O
3 [04-0878]
Anatas [21-1272]Quarz [33-1161]KTVS1000-04-01-190506
Inte
nsitä
t / c
ps
2 / grd
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
Korund [42-1468]Cristobalit[27-0605]
Mullit [15-0776]
KTVS1200-04-02-220506
Inte
nsitä
t / c
ps
2 / grd
Ansatz GNF011-06, T7001 + Hydrargillit
Ansatz GNF012-06, T7001 + Pseudoböhmit
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
-Al2O
3 [29-0063]
Anatas [21-1272]
Quarz [33-1161]KTVS0800-08-01-290506
Inte
nsitä
t / c
ps
2 / grd5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
Anatas [21-1272]
-Al2O
3 [04-0877]
Quarz [33-1161]
KTVS1000-04-01-300506
Inte
nsitä
t / c
ps
2 / grd
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
Mullit [15-0776]Cristobalit[27-0605]Korund [42-1468]
KTVS1200-04-01-310506
Inte
nsitä
t / c
ps2 / grd
800 °C
800 °C
1000 °C
1000 °C
1200 °C
1200 °C
Untersuchungen zum Ausbrandverhalten Untersuchungen zum Ausbrandverhalten der Porosierungsmittelder Porosierungsmittel
1414
Grundmaterial: Kärlicher Ton / Hydrargillit
Nur Koksmehl < 0,4 mm als PM Koksmehl < 1 mm mit AHC Koksmehl < 1 mm mit AHC unter verstärkter Luftzufuhr ausgebrannt
Porosierungsmittel: 20 % Koksmehl, 20 % AHCAusbrand: 4 h bei 1.000 °C
Anwendungsorientierte MaterialoptimierungAnwendungsorientierte Materialoptimierung
1515Querschnitt eines hochporösen Vollstranges
Pore Size Distribution
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Pore Diameter, micron
Tota
l Por
e Vo
lum
e, %
KTP0800KM/AHC
KTH0800KM/AHC
KTH1000KM/AHC
KTH1000AHC
SK1000AHC
No. Type of Surface Area
Surface Area(m²/g)
Total Pore Volume(cm³/g)
Porosity(%)
Water Adsorption
(%) Product Code1 High Surface Area 133 1,06 72 105 KTP0800 KM/AHC
2 Intermediate Surface Area 71,5 0,53 61 58 KTH0800 KM/AHC
3 Intermediate Surface Area 27,5 0,48 60 52 KTH1000 KM/AHC
4 Intermediate Surface Area 29,9 0,37 53 42 KTH1000 AHC
5 Low Surface Area 6,6 0,34 48 45 SK1000 AHC
CharakterisierungCharakterisierung
1616
ElementanalyseElementanalyse
Röntgen-PhasenanalyseRöntgen-Phasenanalyse
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
-Al2O
3 [04-0878]
Anatas [21-1272]Quarz [33-1161]
KTH1000 KM/AHC
Inte
nsitä
t / c
ps
2 / grd
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
Quarz [33-1161]
SK1000 AHC
Inte
nsitä
t / c
ps2 / grd
Ergebnisse der Energiedispersiven Röntgenanalyse (EDR)Messung durch FEAD GmbH
Product Code O Si Ca Al K Fe Ti SummeKTP0800 KM/AHC 52,0 9,4 0,2 35,7 0,1 1,3 1,0 99,7
KTH1000 KM/AHC 49,2 14,3 0,3 34,2 0,1 1,0 0,9 100,0
SK1000 AHC 48,0 28,5 0,9 21,6 0,5 0,7 n.n. 100,2
Die Nachweisgrenze liegt für die Elemente ab Natrium bei 0,1- 0,2 Masse%.
Elemente-Gehalt (Ma-%)
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0
50
100
150
200
250
-Al2O
3 [29-0063]
Anatas [21-1272]Quarz [33-1161]
KTP0800 KM/AHC
Inte
nsitä
t / c
ps
2 / grd
FormkörperherstellungFormkörperherstellung Hohe mechanische FestigkeitHohe mechanische Festigkeit
Hohe Abriebfestigkeit < 2 % bei einer Porosität von 50%
Hohe Druckfestigkeit bis 65 N/mm² (Extrudate mit 6 mm Ø)
Laborausrüstung zur StrangverformungLaborausrüstung zur Strangverformung
1717
Hochporöse Trägermaterialien und Hochporöse Trägermaterialien und AdsorbenzienAdsorbenzien
hohe offene Porosität
Schmelzstabilität bis über 1750 °C
Hohlstränge
Granulate
Vollstränge
1400 °C
1000 °C
800 °C
1818