Stofftrennung mit Membranen – ein Nischenverfahren · Dampfpermeation Organophile Nanofiltration Prozessintensi-vierung Verbreitung, Entwicklungs-stand Stofftrennung mit Membranen

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Stofftrennung mit Membranen – ein Nischenverfahren ?

Hand outLunch & Learn am 13. Mai 2011

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Prozessintensi-vierung

Verbreitung, Entwicklungs-stand

Membranverfahren – Verbreitung, Entwicklungsstand

geschätztes Investitionsvolumen Membranmarkt WELT: 1 Mrd. EUR/ageschätztes Investitionsvolumen Rektifikation EU: 3,5 Mrd. EUR/a




Membranverfahren – Verbreitung, Entwicklungsstand

T. Peters, M. Kraume, Entwicklungen und Perspektiven druckgetriebener

Membranverfahren, Chemie Ingenieur Technik 77, 473, 2005

Organophile Nanofiltration

Liquid membranes

Membrandestillation

wässrige Nanofiltration

Elektrodialyse


Liquid membranes

Membran-destillation

Dampfpermeation




Prozessintensivierung mit Membranverfahren

Prozessintensivierung zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.B. im Stoff- oder Wärmetransport

- Organophile Nanofiltration- Lösungsmittelrückgwinnung, Rückgewinnung homogener Katalystoren (z.B.

Ligandensysteme)




- Organophile Nanofiltration- Dampfpermeation

- Lösungsmittelabsolutierung, Azeotropbrechung, Kolonnendebottlenecking




- Organophile Nanofiltration- Dampfpermeation- Membrandestillation

- Wasseraufbereitung




- Organophile Nanofiltration- Dampfpermeation- Membrandestillation- Liquid Membranes

- Schwermetallabtrennung, CO2-Abscheidung




- Organophile Nanofiltration- Dampfpermeation- Membrandestillation- Liquid Membranes- Membranverfahren in der Reaktionstechnik

- Membranreaktoren (Pass Through vs. Festbettreaktor)- Reaktivpervaporation (MTBE/Methanol)- Selektive Eduktzuführung (O2 aus Luft zur SynGas-Herstellung aus Methan;

Perowskitschicht mit katalytischem Layer)




- Organophile Nanofiltration- Dampfpermeation- Membrandestillation- Liquid Membranes- Membranverfahren in der Reaktionstechnik- Membranen zur CO2-Abscheidung

- Stofftransport mit Lösungs-Diffusions-Membranen- Fixed Site Carrier Membranes- Carbon Molecular Sieve Membranes


Liquid membranes


Dampfpermeation




Organophile Nanofiltration (oNF) - GrundoperationenAufreinigung:EduktresteOligomereNebenprodukte

Aufkonzentrieren:Waste-MinimierungLösemittelrecycling

Aufkonzentrieren:ChromatographielösungenMutterlaugen

Lösemittel-wechsel

Rückgewinnung homogener Katalysatoren

Katalysator

Nebenprodukte

Produkt

Edukte


Liquid membranes


Dampfpermeation




Organophile Nanofiltration (oNF) - Polymermembranen

PolymermembranenMolecular Weight Cut-Off (MWCO): >150 DaVorteile

Hohe transmembrane Druckdifferenz möglich (60 bar)PreisPlatzbedarf (Packungsdichte bis 1000 m²/m³)Handhabung

NachteileWechselwirkung Lösungsmittel-Membran-Produkt

Membranquellung Cut-Off, FlussTemperaturabhängigkeit

FeststoffempfindlichStabilität (Temp., chem. Kompatibilität)KompaktierungReinigung

Membranoberfläche

Trennschicht (0,3-10 µm)

GKSS

Abwa-tec GmbH


Liquid membranes


Dampfpermeation




Organophile Nanofiltration (oNF) - Keramikmembranen

Keramische hydrophobe MembranenMWCO: >650 DaVorteile

Hohe Stabilität (mechanisch, chemisch, Temperatur)Wechselwirkung Lösungsmittel-Membran-ProduktHohe Permeatflussdichte (für hydrophobe Membranen klein)ReinigbarkeitStandzeit

NachteileVibrations-, stoßempfindlichTemperaturwechsel (ΔT/Zeiteinheit klein)PreisPottingPackungsdichte (50 bis 300 m2/m3)Hohe Überströmung notwendig

Membranoberfläche

Poröse Stützstruktur

Inopor

Inopor


Liquid membranes


Dampfpermeation




Organophile Nanofiltration - Anforderungen aus der Spezialchemie

„universell“ einsetzbar in LösemittelnFür Aufkonzentrierungsprozesse: niedriger Cut-Off bei akzeptablen Permeatflüssen und hohen AufkonzentrierungsfaktorenFür Aufreinigungsprozesse: enge Porengrößenverteilung, um Produktverlust und Lösemittelvolumina zu minimierenGute Reinigbarkeit QuerkontaminationKeine extrahierbare Stoffe aus den ModulenKeine Kompaktierung bei häufigem Druckwechsel

Entwicklung von Keramikmembranen mit Cut-Off 200 Da


Liquid membranes


Dampfpermeation




Dampfpermeation

Unabhängig vom Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht (VLE)Stoffdurchgang durch Lösung-Diffusion (selektiv)Unterschied des chemischen Potenzials zwischen Zulauf- und Permeatseite ist treibende KraftFluss = Konzentration x Beweglichkeit x Triebkraft

VakuumpumpePermeat

EntwässertesProdukt

Kondensator

Verdampfer

Zulauf

Salze,Schwersieder

Inerte

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅

⋅⋅

=PermeatPermeati

FeedFeediiii py

pyLDyJ

,

,ln

Konzentration LS Flüssigphase

Kon

zent

ratio

n LS

Dam

pfph

ase


Liquid membranes


Dampfpermeation




Dampfpermeation - Bauformen

PlattenmoduleVorteile

- definierte Strömungsführung durch Umlenkungen

- unempfindlich gegen Feststoffe- Reinigungsmöglichkeiten

Nachteile- Preis („Stahlbau“)- geringe Packungsdichte

(50 bis 400 m2/m3)- viele Dichtungen- Je nach Hersteller Druckverlust

durch Umlenkungen


Liquid membranes


Dampfpermeation




Dampfpermeation – Neuerungen

HohlfasermoduleVorteile

- Preis- Totraumarm- Reinigungsmöglichkeiten- Extrem hohe Packungsdichte (> 10 000 m2/m3)

Nachteile- Nichteignung für Pervaporation- Gefahr der Verstopfung der Hohlfasern

(ID: 0,2 mm - 5 mm)

Polyimid als Material (gegenüber PVA)- höhere Temperaturstabilität bis 150 °C- Höhere Konzentrationen der permeiernden Komponente möglich

JMSeparations


Liquid membranes


Dampfpermeation




Membrandestillation

Kombiniertes Membran-DestillationsverfahrenTreibende Kraft ist DampfdruckdifferenzMikroporöse, hydrophobe Membran (z.B. PTFE)Dampfförmiger Übergang

CharakteristikaGegenüber Membranverfahren kein hohes ΔP notwendigGegenüber Destillation nur Temperaturen unter dem Siedepunkt notwendigKein Einsatz hochwertiger Energien notwendigAusbeuten sehr gering (teilweise nur 2 %)Spezifischer Energieaufwand hochForschungsstatus

Energie,

z.B. Abwärme, Solarenergie

Kontami-nierterFeed

AufkonzentrierterAblauf Wasser

Kondensatorplatte

Membran

75-80°C


Liquid membranes


Dampfpermeation




Liquid membranes - Beispiel

Metallrückgewinnung in GalvanikbetriebenBisher lohnte sich Aufarbeitung der Metalle aus Kupfer-, Nickel- und Chromsalzen aus Abwasser nicht; Kosten für Aufarbeitung und Entsorgung der Schlämme > 100 EUR/m3

Im Außenraum fließt metallbeladenes Abwasser, im Innenraum eine „Strip“-Flüssigkeit, z.B. Schwefelsäure; Sperrflüssigkeit in den Poren sorgt für selektiven Durchgang der Metallionen1000fache Aufkonzentrierung der Metalle möglichMetalle sind wieder im ProzesseinsetzbarKosten ca. 80 EUR/m3

Feedstrom

„Strip“-Flüssigkeit

Membran


Liquid membranes


Dampfpermeation




Stofftrennung mit Membranen – ein Nischenverfahren ?

Membranverfahren sind Stand der TechnikUmkehrosmose zur Meer-, Brackwasserentsalzung, ReinstwasserherstellungUltra- / Mikrofiltration Membranbioreaktoren (Abwasser), PyrogenabtrennungMedizintechnik Hämodialyse, künstliche Lunge

Etablierte Membranverfahren sindElektrodialyse zur Entsalzung wässriger MedienGastrennung

Einige Verfahren sind kommerziell erhältlich, die Entwicklung schreitet deutlich spürbar voranOrganophile NanofiltrationDampfpermeation (Pervaporation)

Einige Membranverfahren sind noch stark entwicklungsbedürftigMembrandestillationLiquid membranesMembranreaktoren

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Stefan HaukeI IA AS PA EC C

Industriepark Höchst, B598D-65926 Frankfurt am Main

Telefon: 069-797-84624Fax: 069-797-84999

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