Projekt 16670/01

Entwicklung einer aromatenselektiven Hochleistungs-Kompositmembran

Projektdurchführung

PolyAn - Gesellschaft zur Herstellung von Polymerenfür spezielle Anwendungen und Analytik mbH
Rudolf-Baschant-Str. 2
13086 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Hochleistungs-Kompositmembran für 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.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuf für die Ultrafiltration etablierten asymmetrischen Porenmembranen aus Polyacrylnitril bzw. anderen Polymeren sollen dünne, chemisch und morphologisch definierte, einstellbare und medienstabile Film- und Kompositstrukturen durch photoinitiierte heterogene Pfropfcopolymerisation erzeugt werden. Damit soll aus der porösen Ausgangsmembran eine nach dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus funktionierende Membran erhalten werden, die es gestattet, aus organischen Flüssigkeitsgemischen z.B. die aromatische Komponente mit hoher Effizienz (Selektivität 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 Variationsmöglichkeiten (durch Monomerfunktionalität) zuläßt. Die trennaktive Schicht wird auf der Oberfläche der Support-Membran reaktiv durch eine heterogene Pfropfcopolymerisation verankert. Durch Wahl geeigneter Beschichtungs- und Modifizierungsbedingungen wird der Polymerabbau am Support minimiert; die ursprüngliche Porenstruktur bleibt somit erhalten und funktioniert als (optimale) Matrix für die neue Trennphase. Das Projekt wird mit der GKSS GmbH als Kooperationspartner sowie dem OUT e.V. als Unterauftragnehmer durchgeführt. Bei der GKSS steht die Membranherstellung im Labormaßstab im Vordergrund. Während das up-scaling bei PolyAn stattfindet, werden die zugehörigen Module sowie die Verfahrenstechnik bei der GKSS entwickelt. Die Hauptaufgabe des OUT besteht in der Charakterisierung der PV-Membranen, die bei PolyAn hergestellt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Auf für die Ultrafiltration etablierten asymmetrischen Porenmembranen wurden dünne, 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 porösen Ausgangsmembran wurde somit eine nach dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus funktionierende Membran erhalten, die es gestattet, aus organischen Flüssigkeitsgemischen die aromatischen Komponenten mit guter Selektivität und hoher Stoffstromdichte abzutrennen.

Es wurden sowohl hydrophile als auch hydrophobe Pervaporationsmembranen entwickelt, hergestellt und umfassend erprobt. Für die hydrophilen Membranen konnte ein effektives Herstellungsverfahren, das großflächige und homogene Pervaporationsmembranen liefert, etabliert werden. Membranen mit hydrophoben Trennschichten, die für die Pervaporation geeignet sind, waren vorerst nicht herstellbar, da auf Grund des PET-Stützvlieses die Pfropfreaktion nicht an der eigentlichen UF-Membran erfolgte. Hydrophobe Membranen ohne Stützvlies zeigten dagegen hervorragende Resultate der PV-Leistung. Diese Membranen sind für eine industrielle Anwendung auf Grund der geringen mechanischen Stabilität jedoch nicht geeignet. Die Entwicklung eines Herstellungsprozesses ist daher nur für PAN-Membranen mit einem optimierten Vliesmaterial sinnvoll.

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 wässrigen Mischungen geeignet sind.

Die getesteten Membranen mit hydrophiler Trennschicht erreichten einen Trennfaktor von 8,5 bei einem Fluss von 0,3 kg/m²h, was von den formulierten Zielen noch etwas abweicht, jedoch bereits einen beachtlichen Wert darstellt. Die Membranen mit hydrophober trennaktiver Pfropfschicht, jedoch noch ohne stabilisierendes Stützvlies, 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.

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.

Durch die bisher erreichten Ergebnisse gelang es, eine international führende Technologieposition auf dem Gebiet der Materialtechnik zu erreichen bzw. diese auszubauen, was sich in gemeinsamen Projekten mit führenden Mineralölkonzernen widerspiegelt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· DBU-Pressemitteilung und DBU-Newsletter (02/2002)
· H.-H. Schwarz, H. Matuschewski, U. Schedler, J. Frahn. Benzolfreies Benzin durch Membranverfahren?, Tank Tech (2001), München (Vortrag und Proceeding)


Fazit

Auf Grund der erzielten Projektergebnisse und erster, weitergehender Untersuchungen ist eine Weiterentwicklung der hydrophoben PV-Membranen im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Selektivität und der Stoffstromdichte bei der Pervaporation vielversprechend. Mit diesen optimierten Membranen sollte ein effektives Herstellungsverfahren für größere Membranflächen entwickelt werden.
Um die entwickelten Membranen in der industriellen Anwendung zu etablieren, muss als ein weiterer Schritt eine Pilotierung in der Industrie erfolgen. Damit können wichtige Aussagen zur Anlagenperformance, Standzeit, etc. gewonnen werden.