Metal-Organic Frameworks (MOFs) als hochselektive Gefahrstoff-Adsorber für Atemschutzmasken und Schutzkleidung ( MOFSchutz )

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1 Metal-Organic Frameworks (MOFs) als hochselektive Gefahrstoff-Adsorber für Atemschutzmasken und Schutzkleidung ( MOFSchutz ) Dr. Stefan Schernich Dräger Safety AG & Co. KGaA

2 Gliederung Motivation Ziele Inhalte Definition der Zielgase/Umgebungsbedingungen Maßgeschneiderte Synthese und Aufskalierung Formgebung Einsatz in Demonstratoren Evaluierung 2 17

3 Motivation Einsatzkräfte sehen sich im Dienst mit unterschiedlichsten Schadatmosphären konfrontiert Schutz der Haut bzw. der Atemluft permeabel (Quelle: Blücher) niedrige Belastung wenn möglich Filter (Quelle: Dräger) impermeabel (Quelle: Wikipedia) hohe Belastung wenn nötig Isoliergerät (Quelle: Wikipedia) 3 17

4 Motivation Einsatzkräfte sehen sich im Dienst mit unterschiedlichsten Schadatmosphären konfrontiert Schutz der Haut bzw. der Atemluft Nötig bei: hohe impermeabel Unbekannten Schadstoffen bzw. Belastung Konzentrationen Isoliergerät (Quelle: (Bekannten) Wikipedia) Schadstoffen, die nur wenn bedingt zurückgehalten werden (z.b. (Quelle: toxische Wikipedia) Industriechemikalien wie H nötig 2 S, HCN, NH 3, CO, NO x, ) im Fall Atemschutz: O 2 -Mangel 4 17

5 Ziele Neue Generation permeabler Schutzkleidung und Atemfilter Heutiger Stand der Technik: (Imprägnierte) Aktivkohle + ggf. Zusätze wie Hopkalit Defizite ( Adsorptionslücken ) ohne signifikante Mehrkosten beseitigen Zahl der wenn nötig Fälle reduzieren 5 17

6 Ziele Neue Generation permeabler Schutzkleidung und Atemfilter Heutiger Stand der Technik: (Imprägnierte) Aktivkohle + ggf. Zusätze wie Hopkalit Defizite ( Adsorptionslücken ) ohne signifikante Mehrkosten beseitigen Zahl der wenn nötig Fälle reduzieren + Imprägnierung (z.b. Metallsalze) + Zusatzstoffe (z.b. Hopkalit) 6 17

7 Ziele Neue Generation permeabler Schutzkleidung und Atemfilter Heutiger Stand der Technik: (Imprägnierte) Aktivkohle + ggf. Zusätze wie Hopkalit Defizite ( Adsorptionslücken ) ohne signifikante Mehrkosten beseitigen Zahl der wenn nötig Fälle reduzieren Metal-Organic Frameworks (MOFs) 7 17

8 Metal-Organic Frameworks (MOFs) Metall- bzw. Metalloxocluster + org. Linker Metal-Organic Framework Funktionalisierung möglich Selektivität Porengröße modifizierbar durch Linker einstellbar + Hohe Porosität große innere Oberfläche dominiert Anwendungen Zn 4 O 6+ -Cluster Yaghi et al., Nature,

9 Metal-Organic Frameworks (MOFs) Yaghi et. al., Science,

10 Metal-Organic Frameworks (MOFs) Yaghi et al., PNAS Bindung von SO 2 und NH 3 an ungesättigten Zn- (MOF-74) und Cu- (MOF-199) Zentren Fluch und Segen zugleich: Freie Koordinationsstellen oft hydrolyseanfällig Fortschritte z.b. mit Al 3+ - oder Zr 4+ -Zentren 10 17

11 Metal-Organic Frameworks (MOFs) 1000 ppm 0.04 m/s 20 C 70% r.f. H 2 S c/c o x 100 Cyclohexan NH 3 Sorber: CuBTC in Kombination mit imprägnierten Sorbentien EU-Projekt nanomof time / min Farbänderung der MOF-Partikel durch Schadgas-Adsorption 11 17

12 Metal-Organic Frameworks (MOFs) CO schwierig! Niedrige Konzentrationen erfordern hohe Selektivität. Yaghi et al., PNAS

13 Metal-Organic Frameworks (MOFs) - Entwicklung Skalierbarer Synthesen - bezüglich Kosten - bezüglich Toxizität - bezüglich Ökologie - Optimierung der Eigenschaften - Porosität - Stabilität - Partikelgröße 70 Liter MIL-100 (Fe-basiert) Chang et al., Micropor. Mesopor. Mater

14 Formgebung MOFs Möglichkeiten und Beispiele Extrusion Gefrierschäumen 14 17

15 Formgebung MOFs Möglichkeiten und Beispiele Gefriergießen Herausforderungen: Leistungsdichte Gefriergranulation Wirbelschichtgranulation Toxikologie chemische/mechanische Stabilität Lagerstabilität Preis 15 17

16 Zusammenfassung 16 17

17 Zusammenfassung Einbringen von MOF-Pulvern/Granulaten in herunterskalierte Test- Filterkartuschen auf Labormaßstab Beurteilung der Stabilität und Verarbeitbarkeit, Feedback an Partner Test auf Rückhalteleistung unter vereinbarten Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchte, etc. Beurteilung der Absorptionsleistung und Stabilität unter Versuchsbedingungen, Feedback an Partner Bau von Originalteilen bzw. Demonstratoren; finale Tests an Messständen und Manntests Beurteilung der Leistung unter Realbedingungen, Einholen von Anwender-Feedback MOF-Massenanteil heute 10% bei Kosten von 85 / kg Ziel 17 17