Stofftrennung mit Membranen ein Nischenverfahren?

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1 Stofftrennung mit Membranen ein Nischenverfahren? Hand out Lunch & Learn am 13. Mai 2011

2 Membranverfahren geschätztes Investitionsvolumen Membranmarkt WELT: 1 Mrd. EUR/a geschätztes Investitionsvolumen Rektifikation EU: 3,5 Mrd. EUR/a Seite 2

3 Membranverfahren Elektrodialyse wässrige Organophile Liquid membranes Membrandestillation Seite 3 T. Peters, M. Kraume, Entwicklungen und Perspektiven druckgetriebener Membranverfahren, Chemie Ingenieur Technik 77, 473, 2005

4 mit Membranverfahren zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.b. im Stoff- oder Wärmetransport - Organophile - Lösungsmittelrückgwinnung, Rückgewinnung homogener Katalystoren (z.b. Ligandensysteme) Seite 4

5 mit Membranverfahren zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.b. im Stoff- oder Wärmetransport - Organophile - Dampfpermeation - Lösungsmittelabsolutierung, Azeotropbrechung, Kolonnendebottlenecking Seite 5

6 mit Membranverfahren zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.b. im Stoff- oder Wärmetransport - Organophile - Dampfpermeation - Membrandestillation - Wasseraufbereitung Seite 6

7 mit Membranverfahren zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.b. im Stoff- oder Wärmetransport - Organophile - Dampfpermeation - Membrandestillation - Liquid Membranes - Schwermetallabtrennung, CO 2 -Abscheidung Seite 7

8 mit Membranverfahren zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.b. im Stoff- oder Wärmetransport - Organophile - Dampfpermeation - Membrandestillation - Liquid Membranes - Membranverfahren in der Reaktionstechnik - Membranreaktoren (Pass Through vs. Festbettreaktor) - Reaktivpervaporation (MTBE/Methanol) - Selektive Eduktzuführung (O 2 aus Luft zur SynGas-Herstellung aus Methan; Perowskitschicht mit katalytischem Layer) Seite 8

9 mit Membranverfahren zielt auf Aufhebung bestehender Limitierungen ab, z.b. im Stoff- oder Wärmetransport - Organophile - Dampfpermeation - Membrandestillation - Liquid Membranes - Membranverfahren in der Reaktionstechnik - Membranen zur CO 2 -Abscheidung - Stofftransport mit Lösungs-Diffusions-Membranen - Fixed Site Carrier Membranes - Carbon Molecular Sieve Membranes Seite 9

10 Organophile (onf) - Grundoperationen Aufreinigung: Eduktreste Oligomere Nebenprodukte Aufkonzentrieren: Chromatographielösungen Mutterlaugen Rückgewinnung homogener Katalysatoren Katalysator Lösemittelwechsel Aufkonzentrieren: Waste-Minimierung Lösemittelrecycling Nebenprodukte Produkt Edukte Seite 10

11 Organophile (onf) - Polymermembranen Polymermembranen Molecular Weight Cut-Off (MWCO): >150 Da Vorteile Hohe transmembrane Druckdifferenz möglich (60 bar) Preis Platzbedarf (Packungsdichte bis 1000 m²/m³) Handhabung Nachteile Wechselwirkung Lösungsmittel-Membran-Produkt Membranquellung Cut-Off, Fluss Temperaturabhängigkeit Feststoffempfindlich Stabilität (Temp., chem. Kompatibilität) Kompaktierung Reinigung Membranoberfläche GKSS Trennschicht (0,3-10 µm) Abwa-tec GmbH Seite 11

12 Organophile (onf) - Keramikmembranen Seite 12 Keramische hydrophobe Membranen MWCO: >650 Da Vorteile Hohe Stabilität (mechanisch, chemisch, Temperatur) Wechselwirkung Lösungsmittel-Membran-Produkt Hohe Permeatflussdichte (für hydrophobe Membranen klein) Reinigbarkeit Standzeit Nachteile Vibrations-, stoßempfindlich Temperaturwechsel (ΔT/Zeiteinheit klein) Preis Potting Packungsdichte (50 bis 300 m 2 /m 3 ) Hohe Überströmung notwendig Membranoberfläche Poröse Stützstruktur Inopor Inopor

13 Organophile - Anforderungen aus der Spezialchemie universell einsetzbar in Lösemitteln Für Aufkonzentrierungsprozesse: niedriger Cut-Off bei akzeptablen Permeatflüssen und hohen Aufkonzentrierungsfaktoren Für Aufreinigungsprozesse: enge Porengrößenverteilung, um Produktverlust und Lösemittelvolumina zu minimieren Gute Reinigbarkeit Querkontamination Keine extrahierbare Stoffe aus den Modulen Keine Kompaktierung bei häufigem Druckwechsel Entwicklung von Keramikmembranen mit Cut-Off 200 Da Seite 13

14 Dampfpermeation Seite 14 Unabhängig vom Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht (VLE) Stoffdurchgang durch Lösung-Diffusion (selektiv) Unterschied des chemischen Potenzials zwischen Zulauf- und Permeatseite ist treibende Kraft Fluss = Konzentration x Beweglichkeit x Triebkraft Konzentration LS Dampfphase Konzentration LS Flüssigphase Entwässertes Produkt Zulauf Permeat J i = Kondensator y i D y i ln L y i, Feed i, Permeat Vakuumpumpe p p Feed Permeat Verdampfer Salze, Schwersieder Inerte

15 Dampfpermeation - Bauformen Plattenmodule Vorteile - definierte Strömungsführung durch Umlenkungen - unempfindlich gegen Feststoffe - Reinigungsmöglichkeiten Nachteile - Preis ( Stahlbau ) - geringe Packungsdichte (50 bis 400 m 2 /m 3 ) - viele Dichtungen - Je nach Hersteller Druckverlust durch Umlenkungen Seite 15

16 Dampfpermeation Neuerungen Hohlfasermodule Vorteile -Preis - Totraumarm - Reinigungsmöglichkeiten - Extrem hohe Packungsdichte (> m 2 /m 3 ) Nachteile - Nichteignung für Pervaporation - Gefahr der Verstopfung der Hohlfasern (ID: 0,2 mm - 5 mm) JMSeparations Polyimid als Material (gegenüber PVA) - höhere Temperaturstabilität bis 150 C Seite 16 - Höhere Konzentrationen der permeiernden Komponente möglich

17 Membrandestillation Seite 17 Kombiniertes Membran-Destillationsverfahren Treibende Kraft ist Dampfdruckdifferenz Energie, z.b. Abwärme, Solarenergie Mikroporöse, hydrophobe Membran (z.b. PTFE) Dampfförmiger Übergang Kondensatorplatte C Charakteristika Membran Gegenüber Membranverfahren kein hohes ΔP notwendig Gegenüber Destillation nur Temperaturen unter dem Siedepunkt notwendig Kein Einsatz hochwertiger Energien notwendig Ausbeuten sehr gering (teilweise nur 2 %) Spezifischer Energieaufwand hoch Forschungsstatus Aufkonzentrierter Ablauf Wasser Kontaminierter Feed

18 Liquid membranes - Beispiel Metallrückgewinnung in Galvanikbetrieben Bisher lohnte sich Aufarbeitung der Metalle aus Kupfer-, Nickel- und Chromsalzen aus Abwasser nicht; Kosten für Aufarbeitung und Entsorgung der Schlämme > 100 EUR/m 3 Im Außenraum fließt metallbeladenes Abwasser, im Innenraum eine Strip -Flüssigkeit, z.b. Schwefelsäure; Sperrflüssigkeit in den Poren sorgt für selektiven Durchgang der Metallionen 1000fache Aufkonzentrierung der Metalle möglich Metalle sind wieder im Prozess Feedstrom einsetzbar Kosten ca. 80 EUR/m 3 Strip - Flüssigkeit Membran Seite 18

19 Stofftrennung mit Membranen ein Nischenverfahren? Membranverfahren sind Stand der Technik Umkehrosmose zur Meer-, Brackwasserentsalzung, Reinstwasserherstellung Ultra- / Mikrofiltration Membranbioreaktoren (Abwasser), Pyrogenabtrennung Medizintechnik Hämodialyse, künstliche Lunge Etablierte Membranverfahren sind Elektrodialyse zur Entsalzung wässriger Medien Gastrennung Einige Verfahren sind kommerziell erhältlich, die Entwicklung schreitet deutlich spürbar voran (Pervaporation) Einige Membranverfahren sind noch stark entwicklungsbedürftig Membranreaktoren Seite 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Stefan Hauke I IA AS PA EC C Industriepark Höchst, B598 D Frankfurt am Main Telefon: Fax: stefan.hauke@siemens.com