Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Im Vorhaben sollen Membranen auf der Basis ionischer Fl\u00fcssigkeiten entwickelt und f\u00fcr die Gasreinigung in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Im Vordergrund stehen die Abtrennung von Schwefel- und Stickstoffverbindungen aus technisch relevanten Gasstr\u00f6men sowie die CO2-Abtrennung aus Biogas. Ziel des Projekts ist ein funktionst\u00fcchtiger Prototyp, mit dem die prinzipielle Anwendbarkeit der Technologie gezeigt werden kann. Anlass f\u00fcr die Durchf\u00fchrung des Vorhabens sind die hohen L\u00f6slichkeiten der genannten Gase in ionischen Fl\u00fcssigkeiten sowie die M\u00f6glichkeit mit Hilfe ionischer Fl\u00fcssigkeiten stabile Fl\u00fcssigmembranen herzustellen (da ionische Fl\u00fcssigkeiten keinen relevanten Dampfdruck besitzen). Diese Voraussetzungen sollen die Grundlage f\u00fcr eine effizientere Reinigung schwefel-, stickoxid- oder CO2-haltiger Gase (z.B. Biogas, Rauchgas) im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Technologien bilden. Auf diese Weise sollen industrielle Gasstr\u00f6me mit geringerem Material- und Energieaufwand gereinigt werden und insbesondere eine effiziente Bioasaufbereitung (Methananreicherung f\u00fcr die Einspeisung in das Erdgasnetz) erm\u00f6glicht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZu Beginn des Projekts wurden zun\u00e4chst relevante physikalische und chemische Eigenschaften ausgew\u00e4hlter ionischer Fl\u00fcssigkeiten ermittelt. Dazu geh\u00f6ren die L\u00f6slichkeit und die Diffusivit\u00e4t der entsprechenden Gase (H2S, SO2, THT, NOx, N2O, NH3, CO2), die mittels gravimetrischer Methoden (Magnetschwebewaage) bei den universit\u00e4ren Partnern in Erlangen und Bayreuth ermittelt werden k\u00f6nnen. Daneben spielen auch Eigenschaften wie Viskosit\u00e4t und Temperaturstabilit\u00e4t sowie chemische Stabilit\u00e4t, Dichte, Oberfl\u00e4chenspannung und Kontaktwinkel mit den Membrantr\u00e4gern eine wichtige Rolle und werden mit entsprechenden Messger\u00e4ten ermittelt.
\nEin grundlegendes Verst\u00e4ndnis zwischen der chemischen Zusammensetzung der ionischen Fl\u00fcssigkeiten und den physikalisch-chemischen Eigenschaften f\u00fchrte bereits in der ersten H\u00e4lfte des Projekts zur Auswahl und Synthese optimierter ionischer Fl\u00fcssigkeiten. Diese werden von SepaPro auf geeigneten por\u00f6sen Membrantr\u00e4gern immobilisiert und somit eine Membran hergestellt. Die Beschichtungsmethodik h\u00e4ngt dabei vom eingesetzten Tr\u00e4germaterial ab und wurde ohne den Einsatz von L\u00f6semitteln standardisiert. Zur Charakterisierung der Membranqualit\u00e4t werden Bubble-Point-Tests durchgef\u00fchrt. Um die Permeabilit\u00e4t der entsprechenden Gase durch diese Membranen zu testen, wurden bisher zwei Membranplattenmodule im Laborma\u00dfstab konzipiert und gebaut. Neben der konstruktiven Auslegung mussten auch die Stabilit\u00e4t, Variabilit\u00e4t und Werkstoffvertr\u00e4glichkeit sichergestellt werden. Im Laborma\u00dfstab wird dann die Permeabilit\u00e4t der Membranen bez\u00fcglich der genannten Gaskomponenten in Abh\u00e4ngigkeit von z.B. Temperatur, Gaskonzentration oder Wassergehalt getestet werden. Die Laboranlagen haben dabei eine entsprechende Gasversorgung sowie Gasmesstechnik.
\nIm weiteren Verlauf des Projekts wurden parallel zur Weiterentwicklung der ionischen Fl\u00fcssigkeiten insbesondere Scale-Up Experimente durchgef\u00fchrt, die die mechanische Stabilit\u00e4t und industrielle Anwendbarkeit der IL-Membranen demonstrieren sollten. Hierzu wurde ein Membran-Wickelmodul entwickelt und mit verschiedenen Membrantr\u00e4germaterialien sowie verschiedenen ionischen Fl\u00fcssigkeiten untersucht.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Am weitesten fortschreiten konnte die Abtrennung von schwefelhaltigen Verbindungen aus Biogas, Erdgas und Verbrennungsgasen. F\u00fcr die unterschiedlichen Schwefelkomponenten wurden ILs mit besonders hohen L\u00f6slichkeiten entwickelt, die im Laborma\u00dfstab sehr erfolgreiche Separationsergebnisse zeigten. Neben der Entschwefelung von Gasen wurde zus\u00e4tzlich auch die Entschwefelung von leichten Kohlenwasserstoffen (z.B. Ottokraftstoff) in der Gasphase mit IL-Membranen untersucht. Auch hier konnten im Laborma\u00dfstab sehr interessante, v\u00f6llig neue Trennverfahren realisiert werden
\nF\u00fcr die CO2-Abtrennung wurden ebenfalls ionische Fl\u00fcssigkeiten entwickelt, die im Vergleich zu kommerziell verf\u00fcgbaren ionischen Fl\u00fcssigkeiten mehrfach h\u00f6here Permeabilit\u00e4ten zeigen. Die Arbeiten zur Optimierung der ILs konnten allerdings letztlich kein Ergebnis hervorbringen, das einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz von IL-Membranen zur CO2-Abtrennung verspricht. Die durch die chemische Strukturmodifizierung der ILs erreichten Verbesserungen der Permebilit\u00e4t von Kohlendioxid blieben hinter den Erwartungen zur\u00fcck.
\nF\u00fcr die Abtrennung von Stickstoffverbindungen L\u00f6slichkeitsversuche durchgef\u00fchrt, die zu einem Verst\u00e4ndnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der untersuchten ILs dienten. Dabei konnten sehr hohe L\u00f6slichkeiten festgestellt werden, die auch zu sehr hohen Membranpermeabilit\u00e4ten f\u00fchren.<\/p>\n
Parallel zu diesen Arbeiten wurde an einem Scale-up der Laboranlagen gearbeitet. Aufbauend auf herk\u00f6mmlichen Membranmodulen (Wickelmodul, Hohlfasermodul) wurde ein Wickelmodul f\u00fcr die hier getesteten Membranen aus ionischen Fl\u00fcssigkeiten entwickelt und hergestellt, so dass gegen Ende des Projektes das neue Modul auch in m\u00f6glichst realit\u00e4tsnahen Bedingungen getestet wurde. Beim Einsatz von verschiedenen Tr\u00e4germaterialien und ionischen Fl\u00fcssigkeiten zeigten sich z.T. deutliche Scale-Up-Effekte, die zu einer geringeren Permeabilit\u00e4t als erwartet f\u00fchrten. Insbesondere f\u00fchrte die gro\u00dffl\u00e4chige Beschichtung des gewickelten Membrantr\u00e4germaterials zu unzureichenden Ergebnissen. Eine perfekte Herstellung gro\u00dffl\u00e4chiger Membranwickel konnte trotz verschiedener Ans\u00e4tze nicht zufrieden stellend realisiert werden.<\/p>\n
Untersuchungen zur Langzeitstabilit\u00e4t der IL-Membranen f\u00fchrten zu v\u00f6llig neuen Erkenntnissen. So wurde ein mathematisches Modell zur Vorhersage der Membranstabilit\u00e4t basierend auf experimentellen Erkenntnissen entwickelt. Es zeigte sich, dass bei erh\u00f6hten Temperaturen – abh\u00e4ngig von der jeweiligen IL-Stabilit\u00e4t – nicht nur mit einer thermisch induzierten Zersetzung der IL zu rechnen ist, sondern dass vor allem bei den geplanten hohen Gasdurchflussgeschwindigkeiten auch mit einer Verdunstung der ionischen Fl\u00fcssigkeit zu rechnen ist. Dieser Aspekt wurde auf Grund des \u00e4u\u00dferst geringen Dampfdrucks von ILs vorher ignoriert. In dieser speziellen Anwendung zeigte sich aber, dass auf diese Weise ionische Fl\u00fcssigkeit aus dem System ausgetragen werden kann. Die Freisetzung von Chemikalien mit weitgehend unbekanntem Einfluss auf die Natur muss allerdings vor einem technischen Einsatz ausgeschlossen werden.<\/p>\n
Zusammenfassend pr\u00e4sentierte sich die IL-Membrantechnologie zur Gastrennung als f\u00fcr den Laborma\u00dfstab gut geeignet. Eine \u00dcbertragung in einen gr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab konnte nicht wie geplant realisiert werden. Die \u00dcberwindung der neu aufgetretenen Probleme wird in weitergehenden Arbeiten untersucht.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Neben der Kommunikation der Technologie innerhalb interessierter Branchen (z.B: Biogas, Brennstoffzellentechnologie, GTL) wurden aktuelle Ergebnisse auch auf Konferenzen ver\u00f6ffentlicht:
\n– 10th World Filtration Congress, Leipzig, April 2008
\n– 27. Osnabr\u00fccker Umweltgespr\u00e4ch, Juni 2008
\n– Green Solvents, Friedrichshafen, September 2008
\n– ProcessNet Jahrestagung, Karlsruhe, Oktober 2008
\n– ACHEMA, Frankfurt, Mai 2009<\/p>\n
Weiterhin wurden ausgew\u00e4hlte Ergebnisse in Fachzeitschriften ver\u00f6ffentlicht:
\n– Erd\u00f6l Erdgas Kohle 6 (2009) OG 94
\n– Physical Chemistry Chemical Physics (2009), 11, 9375-9381<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Nach der ersten H\u00e4lfte des Projekts konnte ein Gro\u00dfteil der Erwartungen in diese neue Technologie erf\u00fcllt werden. Es hat sich gezeigt, dass stabile Membranen mit sehr guten Separationsleistungen im Laborma\u00dfstab hergestellt werden k\u00f6nnen. Beim sp\u00e4teren Scale-up der Laborergebnisse konnten die Laborergebnisse vorerst nicht mehr erreicht werden. Weiterhin zeigte sich, dass Verdunstungsprozesse einen wichtigen Einfluss auf die Langzeitstabilit\u00e4t der IL-Membranen haben k\u00f6nnen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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