Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Angesichts der Bedeutung und des weit verbreiteten Einsatzes von Katalysatoren zur Emissionsminderung,
\nz. B. bei der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden (NOx), zielt dieses Projekt
\ndarauf ab, den Ressourcenverbrauch bei der Herstellung von Katalysatoren sowohl in Bezug auf Material
\nals auch auf Energie durch ein innovatives Verfahren zur Herstellung katalytisch aktiver Oberfl\u00e4chen mittels
\nMikrowellentechnologie zu reduzieren.
\nF\u00fcr eine homogene Beschichtung von geeigneten por\u00f6sen Tr\u00e4germaterialien soll ein angepasstes Mikrowellensystem
\nmit einem rotierenden Beschichtungsreaktor entwickelt und erprobt werden. Im Rahmen des
\nProjekts sollen verschiedene katalytische Materialien hergestellt und die katalytische Aktivit\u00e4t unter Laborbedingungen
\ngetestet und bewertet werden. Zus\u00e4tzlich soll ein Mikroskop-Kamerasystem mit Stacking-
\nTechnologie eingesetzt werden um die aktiven Oberfl\u00e4chen zu visualisieren und eine vorl\u00e4ufige Bewertung
\nder Beschichtungsqualit\u00e4t vorzunehmen. Abschlie\u00dfend soll die Stabilit\u00e4t, Regenerationsf\u00e4higkeit und Wiederverwertbarkeit
\nder hergestellten Katalysatoren aufgezeigt werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenGemeinsam mit dem Projektpartner MLS GmbH wurde ein Mikrowellensystem f\u00fcr die Beschichtung und
\nAktivierung (Kalzinierung) entwickelt. Das System wurde nachfolgend f\u00fcr die Beschichtung von verschiedenen
\nSCR-Katalysatoren eingesetzt. Hierf\u00fcr wurden unterschiedliche keramischer Tr\u00e4germaterialien mit
\nverschiedenen L\u00f6sungen und unter Variation der Prozessparameter beschichtet. Mit dem entwickelten
\nBeschichtungsverfahren wurden Katalysatoren auf der Basis von Vanadium, Mangan, Eisen und Kupfer
\nhergestellt und in einem erweiterten Laborpr\u00fcfstand getestet. Hierf\u00fcr wurden zwei Arten von Tr\u00e4germaterialien
\nausgew\u00e4hlt: Aluminiumoxid und Titandioxid.
\nNachdem eine geeignete Metall-Tr\u00e4ger-Kombination gefunden wurde, wurden weitere Katalysatorzusammensetzungen
\nsowie bin\u00e4re Metalloxidkatalysatoren hergestellt und erprobt. Zus\u00e4tzlich wurde die thermische
\nAktivierung der beschichteten Katalysatoren neben einer konventionellen Kalzinierung im Hochtemperaturofen
\nmit Mikrowellenenergie erprobt. F\u00fcr die Best\u00e4ndigkeit der Katalysatoren wurden die typischen
\nSt\u00f6rgase Wasserdampf und Schwefeldioxid (SO2) zugegeben und der Einfluss auf die Katalysatoraktivit\u00e4t
\naufgezeigt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
F\u00fcr die Herstellung von Katalysatoren durch mikrowellengest\u00fctzte Nassimpr\u00e4gnation wurde zusammen
\nmit der MLS GmbH ein spezieller rotierender Reaktor entwickelt und in ein angepasstes Mikrowellensystem
\n(Modell ETHOS X\u00ae) eingebaut. F\u00fcr die Herstellung von SCR-DeNOx-Katalysatoren mit Vanadium als
\naktive Komponente wurden verschiedene Tr\u00e4ger aus Aluminiumoxid und Titandioxid verwendet. F\u00fcr Vanadium
\nerwiesen sich L\u00f6sungen mit Oxals\u00e4ure f\u00fcr die Herstellung des aktiven Metallvorl\u00e4ufers als geeignet,
\nohne dass das Tr\u00e4germaterial w\u00e4hrend des Beschichtungsprozesses besch\u00e4digt wurde.
\nVerschiedene Katalysatoren mit aktiven Zentren basierend auf Vanadium, Eisen, Kupfer und Mangan wurden
\nim Mikrowellensystem hergestellt und die Aktivit\u00e4t f\u00fcr die DeNOx SCR-Reaktion an einem angepassten
\nLaboraufbau getestet. Die Katalysatoren erwiesen sich \u00fcberwiegend als katalytisch aktiv, wobei mit
\nManganoxid auf Aluminiumoxid-Pellets mit einer NO-Umsetzrate von \u00fcber 90 % bei 300 \u00b0C die h\u00f6chste
\nAktivit\u00e4t erreicht werden konnte. Anschlie\u00dfend wurden bin\u00e4re Metallsysteme getestet. Mit der Zugabe von
\nEisen konnte die Aktivit\u00e4t und der Umsatz des Mangan-Aluminiumoxid-Systems leicht erh\u00f6ht und gleichzeitig
\ndie Betriebstemperatur abgesenkt werden.
\nAbschlie\u00dfend wurde ein Langzeitstabilit\u00e4tstest mit einem Mangan-Eisen-Katalysator (Mn-Fe\/Al2O3) durchgef\u00fchrt.
\nDieser ergab nach 130 Stunden Dauerbetrieb keinen nachweisbaren Aktivit\u00e4tsverlust. Zus\u00e4tzlich
\nwurde die Best\u00e4ndigkeit gegen typische in Rauchgasen vorkommende Katalysatorgifte, Wasserdampf und
\nSchwefeldioxid (SO2), bewertet. In Anwesenheit von Wasserdampf wurde eine Verringerung des Umsatzes
\num ca. 25 % festgestellt, allerdings ohne irreversible Deaktivierung. Der Einfluss von SO2 auf die Katalysatoraktivit\u00e4t
\nsowie eine m\u00f6glichen Deaktivierung konnte nicht eindeutig aufgezeigt werden und bedarf
\nweiteren Untersuchungen sowie Anpassungen am Versuchsaufbau. Diese sollen im Anschluss des Projektes
\nnoch detaillierter durchgef\u00fchrt werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Aufgrund der Kontaktbeschr\u00e4nkungen im Zuge der pandemischen Lage mit dem COVID-Virus wurden die
\ndie f\u00fcr Rauchgasreinigung und Emissionsminderung relevanten typischen Konferenzen ausgesetzt, verschoben
\noder abgesagt. Es wird davon ausgegangen, dass im kommenden Jahr 2022 wieder verst\u00e4rkt
\nKonferenzen stattfinden und die Projektergebnisse einem breiten Publikum vorgestellt werden k\u00f6nnen.
\nDar\u00fcber hinaus ist mit dem Erstellen einer Ver\u00f6ffentlichung in einem internationalen Fachjournal begonnen
\nworden. Die Ver\u00f6ffentlichung soll im ersten Halbjahr 2022 erfolgen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
F\u00fcr eine ressourcenschonende und homogene Beschichtung von Katalysatoren konnte ein rotierender
\nMikrowellenreaktor entwickelt und erprobt werden. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass
\nein Energieeintrag mit Mikrowellen eine schnellere Erw\u00e4rmung erm\u00f6glicht, geringere Energieverluste verursacht
\nund zu einer homogeneren Energieverteilung f\u00fchrt.
\nDas Mikrowellensystem wurde erfolgreich erprobt, indem verschiedene Katalysatoren mit Aluminium- und
\nTitanoxid als Tr\u00e4ger und Vanadiumoxid als aktive Phase hergestellt wurden. Hierbei wurden verschiedene
\nBeschichtungsversuche mit verschiedenen Reagenzien und in verschiedenen Konzentrationen zur Herstellung
\neiner Vanadiuml\u00f6sung verwendet.
\nNach der erfolgreichen Erprobung des Herstellungsverfahrens und Optimierung des Temperaturprogramms
\ndes neuen Mikrowellenreaktors wurden SCR-Katalysatoren aus Mangan, Eisen und Kupfer erfolgreich
\nhergestellt und unter Laborbedingungen erprobt. Die Bewertung der katalytischen Aktivit\u00e4t dieser
\nKatalysatoren ergab, dass die Katalysatoren auf Basis von Mangan die besten Ergebnisse im Vergleich
\nmit einem konventionellen Vanadiumoxid-Katalysator als Referenz zeigten. Au\u00dferdem erwies sich Aluminiumoxid
\naufgrund seiner por\u00f6sen Oberfl\u00e4chenstruktur und den chemischen Eigenschaften und der gro\u00dfen
\nVerf\u00fcgbarkeit in der Natur als das geeignetste Tr\u00e4germaterial.
\nDie Best\u00e4ndigkeit gegen\u00fcber typischer im Rauchgas vorkommende Katalysatorgifte sowie die Regenerierbarkeit
\nder entwickelten Katalysatoren wurde durch Beaufschlagung mit Wasserdampf und Schwefeldioxid
\nuntersucht.
\nDie Katalysatoren wiesen in Gegenwart von Wasserdampf eine geringere Katalysatoraktivit\u00e4t auf. Dieser
\nVerlust war bei Reduzierung des Wasserdampfgehaltes nahezu vollst\u00e4ndig reversibel und f\u00fchrte nicht zu
\neiner bleibenden Deaktivierung der aktiven Zentren auf der Oberfl\u00e4che des Katalysators. Die Bewertung
\nder SO2-Best\u00e4ndigkeit ist aufgrund von technischen Schwierigkeiten am Versuchsaufbau nicht eindeutig
\ngekl\u00e4rt. Hierf\u00fcr soll der Versuchsaufbau angepasst werden um Langzeitversuche unter Anwesenheit von
\nSO2 durchf\u00fchren zu k\u00f6nnen. Dies soll im Anschluss an das Projekt erfolgen.
\nDie mikrowellengest\u00fctzten Oberfl\u00e4chenbeschichtung f\u00fcr die Herstellung von katalytisch wirksamen Materialien
\nkonnte unter Laborbedingungen erfolgreich demonstriert werden. Neben der hohen Erw\u00e4rmungsrate
\nund der gleichm\u00e4\u00dfigen Verteilung der mit der Mikrowellenenergie verbundenen Strahlung wurde ein
\nVersintern oder Blockieren der por\u00f6sen Oberfl\u00e4che wirkungsvoll verhindert. Durch den direkten W\u00e4rmeeintrag
\nin die Impr\u00e4gnierl\u00f6sung konnte der Energieverbrauch gesenkt werden. Zus\u00e4tzlich zu der mikrowellengest\u00fctzten
\nBeschichtung konnte die Kalzinierung ebenfalls mikrowellengest\u00fctzt durchgef\u00fchrt werden.
\nAuf konventionelle organische L\u00f6sungsmittel sowie kritische Elemente konnte im Projekt durchgehend
\nverzichtet werden.
\nDie notwendige Reaktionstemperatur f\u00fcr DeNOx-Anwendungen konnte von \u00dcblichen 300 \u0096 375 \u00b0C deutlich
\ngesenkt werden. So konnte bei dem entwickelten Bimetall-Katalysator eine technisch nutzbare Aktivit\u00e4t
\nbei Temperaturen bereits ab 180\u00b0C aufgezeigt werden. Dies macht den energieeffizienten Einsatz des
\nKatalysators auch bei niedrigen Rauchgastemperaturen, wie bei Biomassefeuerungen und Industrieprozessen,
\ninteressant. F\u00fcr die Weiterentwicklung des Verfahrens und der praxisnahen Demonstration eines
\nNiedertemperatur DeNOx-Systems im Technikumsma\u00dfstab wird ein Folgeantrag eingereicht werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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