Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Hochleistungs-Kompositmembran f\u00fcr die Trennung von Gemischen organischer Komponenten – vorzugsweise aus aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen bestehend – mittels Pervaporation. Ein besonders umwelt- und gesundheitsrelevanter Aspekt ist der Benzolgehalt der Vergaserkraftstoffe. Die Aromaten-Aliphaten-Trennung, um benzolarmes Benzin zu erhalten, ist aus diesem Grund ein derzeit intensiv bearbeitetes Gebiet.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuf f\u00fcr die Ultrafiltration etablierten asymmetrischen Porenmembranen aus Polyacrylnitril bzw. anderen Polymeren sollen d\u00fcnne, chemisch und morphologisch definierte, einstellbare und medienstabile Film- und Kompositstrukturen durch photoinitiierte heterogene Pfropfcopolymerisation erzeugt werden. Damit soll aus der por\u00f6sen Ausgangsmembran eine nach dem L\u00f6sungs-Diffusions-Mechanismus funktionierende Membran erhalten werden, die es gestattet, aus organischen Fl\u00fcssigkeitsgemischen z.B. die aromatische Komponente mit hoher Effizienz (Selektivit\u00e4t und Stoffstromdichte) mittels Pervaporation (PV) abzutrennen. Der Neuigkeitswert der Methode im Vergleich zu bislang praktizierten Verfahren besteht darin, dass eine Kompositmembran nach einem chemisch definierten Modifizierungsverfahren herstellbar ist, die nach einem einheitlichen Prinzip funktioniert und breite, systematische Variationsm\u00f6glichkeiten (durch Monomerfunktionalit\u00e4t) zul\u00e4\u00dft. Die trennaktive Schicht wird auf der Oberfl\u00e4che der Support-Membran reaktiv durch eine heterogene Pfropfcopolymerisation verankert. Durch Wahl geeigneter Beschichtungs- und Modifizierungsbedingungen wird der Polymerabbau am Support minimiert; die urspr\u00fcngliche Porenstruktur bleibt somit erhalten und funktioniert als (optimale) Matrix f\u00fcr die neue Trennphase. Das Projekt wird mit der GKSS GmbH als Kooperationspartner sowie dem OUT e.V. als Unterauftragnehmer durchgef\u00fchrt. Bei der GKSS steht die Membranherstellung im Laborma\u00dfstab im Vordergrund. W\u00e4hrend das up-scaling bei PolyAn stattfindet, werden die zugeh\u00f6rigen Module sowie die Verfahrenstechnik bei der GKSS entwickelt. Die Hauptaufgabe des OUT besteht in der Charakterisierung der PV-Membranen, die bei PolyAn hergestellt werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Auf f\u00fcr die Ultrafiltration etablierten asymmetrischen Porenmembranen wurden d\u00fcnne, chemisch und morphologisch definierte, einstellbare und medienstabile Film- und Kompositstrukturen durch photoinitiierte heterogene Pfropfcopolymerisation erzeugt. Die trennaktiven Schichten wurden auf der Support-Membran kovalent verankert. Aus der por\u00f6sen Ausgangsmembran wurde somit eine nach dem L\u00f6sungs-Diffusions-Mechanismus funktionierende Membran erhalten, die es gestattet, aus organischen Fl\u00fcssigkeitsgemischen die aromatischen Komponenten mit guter Selektivit\u00e4t und hoher Stoffstromdichte abzutrennen.<\/p>\n
Es wurden sowohl hydrophile als auch hydrophobe Pervaporationsmembranen entwickelt, hergestellt und umfassend erprobt. F\u00fcr die hydrophilen Membranen konnte ein effektives Herstellungsverfahren, das gro\u00dffl\u00e4chige und homogene Pervaporationsmembranen liefert, etabliert werden. Membranen mit hydrophoben Trennschichten, die f\u00fcr die Pervaporation geeignet sind, waren vorerst nicht herstellbar, da auf Grund des PET-St\u00fctzvlieses die Pfropfreaktion nicht an der eigentlichen UF-Membran erfolgte. Hydrophobe Membranen ohne St\u00fctzvlies zeigten dagegen hervorragende Resultate der PV-Leistung. Diese Membranen sind f\u00fcr eine industrielle Anwendung auf Grund der geringen mechanischen Stabilit\u00e4t jedoch nicht geeignet. Die Entwicklung eines Herstellungsprozesses ist daher nur f\u00fcr PAN-Membranen mit einem optimierten Vliesmaterial sinnvoll.<\/p>\n
Die Pervaporationsuntersuchungen der Membranen mit den Modellgemischen Toluol\/Heptan und Benzol\/Cyclohexan haben eine effektive Abtrennung der aromatischen Komponente gezeigt. Bei Untersuchungen mit einem Mehrkomponentengemisch wurden die aromatischen Komponenten im Permeat stark angereichert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Membranen auch zur Abtrennung aromatischer Komponenten aus w\u00e4ssrigen Mischungen geeignet sind.<\/p>\n
Die getesteten Membranen mit hydrophiler Trennschicht erreichten einen Trennfaktor von 8,5 bei einem Fluss von 0,3 kg\/m\u00b2h, was von den formulierten Zielen noch etwas abweicht, jedoch bereits einen beachtlichen Wert darstellt. Die Membranen mit hydrophober trennaktiver Pfropfschicht, jedoch noch ohne stabilisierendes St\u00fctzvlies, zeigten (ohne Optimierung) einen sehr hohen Fluss bei einem Trennfaktor von 2, was bei weiterer Optimierung sehr vielversprechend ist und in der entsprechenden Industrie reges Interesse hervorruft.<\/p>\n
Besonders hervorzuheben sind die Ergebnisse mit einem industriellen Realgemisch. Der Benzolgehalt konnte in einem Nichtaromaten-Strom, der zu Benzin verarbeitet wird, von 2,4 % auf 1 % reduziert werden, was den gesetzlichen Vorgaben des Benzolgehaltes im Benzin entspricht. Quellungseffekte der Membran, die die Trennleistung der Membran erheblich beeinflussen, wurden nicht festgestellt.<\/p>\n
Durch die bisher erreichten Ergebnisse gelang es, eine international f\u00fchrende Technologieposition auf dem Gebiet der Materialtechnik zu erreichen bzw. diese auszubauen, was sich in gemeinsamen Projekten mit f\u00fchrenden Mineral\u00f6lkonzernen widerspiegelt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
\u00b7\tDBU-Pressemitteilung und DBU-Newsletter (02\/2002)
\n\u00b7\tH.-H. Schwarz, H. Matuschewski, U. Schedler, J. Frahn. Benzolfreies Benzin durch Membranverfahren?, Tank Tech (2001), M\u00fcnchen (Vortrag und Proceeding)<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Auf Grund der erzielten Projektergebnisse und erster, weitergehender Untersuchungen ist eine Weiterentwicklung der hydrophoben PV-Membranen im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Selektivit\u00e4t und der Stoffstromdichte bei der Pervaporation vielversprechend. Mit diesen optimierten Membranen sollte ein effektives Herstellungsverfahren f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Membranfl\u00e4chen entwickelt werden.
\nUm die entwickelten Membranen in der industriellen Anwendung zu etablieren, muss als ein weiterer Schritt eine Pilotierung in der Industrie erfolgen. Damit k\u00f6nnen wichtige Aussagen zur Anlagenperformance, Standzeit, etc. gewonnen werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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