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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
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Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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)
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Prozessintensivierung mit Membranverfahren
Prozessintensivierung zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.B. im Stoff- oder Wärmetransport
- Organophile Nanofiltration- Dampfpermeation
- Lösungsmittelabsolutierung, Azeotropbrechung, Kolonnendebottlenecking
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Prozessintensivierung mit Membranverfahren
Prozessintensivierung zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.B. im Stoff- oder Wärmetransport
- Organophile Nanofiltration- Dampfpermeation- Membrandestillation
- Wasseraufbereitung
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Prozessintensivierung mit Membranverfahren
Prozessintensivierung zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.B. im Stoff- oder Wärmetransport
- Organophile Nanofiltration- Dampfpermeation- Membrandestillation- Liquid Membranes
- Schwermetallabtrennung, CO2-Abscheidung
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Prozessintensivierung mit Membranverfahren
Prozessintensivierung zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.B. im Stoff- oder Wärmetransport
- 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)
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Prozessintensivierung mit Membranverfahren
Prozessintensivierung zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.B. im Stoff- oder Wärmetransport
- 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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
Organophile Nanofiltration (oNF) - GrundoperationenAufreinigung:EduktresteOligomereNebenprodukte
Aufkonzentrieren:Waste-MinimierungLösemittelrecycling
Aufkonzentrieren:ChromatographielösungenMutterlaugen
Lösemittel-wechsel
Rückgewinnung homogener Katalysatoren
Katalysator
Nebenprodukte
Produkt
Edukte
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
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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
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Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
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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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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
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Liquid membranes
Membran-destillation
Dampfpermeation
Organophile Nanofiltration
Prozessintensi-vierung
Verbreitung, Entwicklungs-stand
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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