Projekt 20802/01

Optimierung und Anwendung von Pervaporationstrennmembranen für die Aromaten-Aliphaten-Trennung in einer Pilotanlage

Projektdurchführung

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des Projektes war der Aufbau einer Pilotanlage zur Aromaten/Aliphaten-Trennung mittels Pervaporation (PV) und der Testbetrieb mit neu entwickelten Membranen. Ziel waren Aussagen zu den Leistungsparametern und zur Langzeitstabilität der Membran. 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 wurden dünne, chemisch und morphologisch definierte, einstellbare und medienstabile Film- und Kompositstrukturen durch heterogene Pfropfcopolymerisation erzeugt. Aus den porösen Ausgangsmembranen entstanden nach dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus funktionierende Membranen, die es gestatten, aus organischen Flüssigkeitsgemischen die aromatische Komponente mit hoher Effizienz (Selektivität und Stoffstromdichte) mittels Pervaporation (PV) abzutrennen. Im Vordergrund der Membranentwicklung stand die Erweiterung der Membranmodifizierung in nicht-wässrigen Lösungsmittelsystemen, um durch Pfropfung hydrophober Monomere die resultierenden Leistungsparameter der Membran im Vergleich zu den Vorarbeiten deutlich zu verbessern. Die Performance der entwickelten Membranen wurde in einer industriellen Pilotierung untersucht.
Das FuE-Vorhaben wurde mit der GKSS als Kooperationspartner durchgeführt. Die GKSS war für die grundlegenden präparativen Arbeiten zur Membranherstellung im Labormaßstab verantwortlich. Bei PolyAn stand die Herstellung von PV-Membranen im Quadratmeter-Maßstab, die Bestückung der Pilotanlage sowie die gerätetechnische, wissenschaftliche und personelle Betreuung der Pilotanlage im Vordergrund. Für die Überführung in den Produktionsmaßstab war insbesondere eine Anpassung und Optimierung des Produktionsprozesses notwendig. Die Firmen Aral Aromatics und Sulzer Chemtech haben als externe Kooperationspartner das Projekt beim Aufbau der Pilotanlage sowie durch die Durchführung von analytischen Untersuchungen unterstützt.


Ergebnisse und Diskussion

Bei der Membranentwicklung erfolgte die Erweiterung der chemischen Oberflächenmodifizierung auf nicht-wässrige Lösungsmittelsysteme. Dadurch hat sich die Auswahl von verschiedenen Monomeren auf Methacrylat-, Acrylat- und Vinylat-Basis erheblich vergrößert. Geeignete Initiatoren wurden synthetisiert und untersucht, wie die Beschichtung der zu modifizierenden Trägermembran mit dem Photoinitiator optimal erfolgt. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Auswahl der Trägermembran, bestehend aus Membran und Stützvlies, einen entscheidenden Einfluss auf die Modifizierung im nichtwässrigen System und somit auch auf die Membranperformance in der Pervaporation hat. Die Membranen, die mit hydrophoben Monomeren modifiziert wurden, zeigten in der Pervaporation im Vergleich zu hydrophil modifizierten Membranen generell höhere Flüsse. Ursache ist eine stärkere Quellung dieser Membranen im Feed. Mit der Möglichkeit der Pfropfung sowohl hydrophiler als auch hydrophober Monomere konnte eine breite Variation der Oberflächenhydrophilie eingestellt werden. Der Zusammenhang zwischen Hydrophilie und Selektivität wurde untersucht. Eine Korrelation konnte nicht festgestellt werden. Jedoch zeigten mit ungeladenen Monomeren modifizierte Membranen im Vergleich zu mit ionischen Monomeren modifizierte Membranen bessere Selektivitäten.
Neben der Membranentwicklung war es wichtig, dass die Herstellung der Membranen durch Pfropfcopolymerisation eine reproduzierbare Membranperformance liefert. In den dazu durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass dies der Fall ist.
Resultierend aus der Membranentwicklung wurden zwei Membrantypen für die industrielle Pilotierung bei Aral Aromatics ausgewählt. Im Laborversuch wurden beide Membrantypen ausführlich hinsichtlich ihrer Performance in der Pervaporation charakterisiert. Insbesondere Temperatureinflüsse, die Performance nach betriebslosen Standzeiten und die Aromatenabreicherung im Retentat in Abhängigkeit vom Stage cut wurden untersucht. Für die Pilotierung wurden die Membranen in einem Plattenmodul verarbeitet. Die Pilotanlage wurde bei Aral Aromatics im Bypass installiert, um den Benzolgehalt von 3 % in einem Nichtaromatenstrom auf 1 % abzureichern. Der Feedstrom betrug 15 - 20 l/h. Die Temperatur des Feedstromes lag während des Testbetriebes im Bereich 80 - 100 °C. Das permeatseitige Vakuum lag bei 70 - 100 mbar. Beide Testphasen liefen über mehrere Monate. Es konnte eine konstante Aromatenselektivität zwischen 4 und 6 während der Versuchsdauer erreicht werden. Insgesamt zeigten beide Membranen eine hervorragende Membranperformance insbesondere bezüglich der Langzeitstabilität.
Durch die 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

Ergebnisse des Projektvorhabens wurden auf der Euromembrane 2004 (28.09.04 -01.10.04) in Hamburg präsentiert. In diesem Zusammenhang wurde von PolyAn und Aral Aromatics eine Pressemitteilung veröffentlicht. Verschiedene Fachzeitschriften und Internet-Newsletter haben daraufhin das Thema aufgegriffen. Weitere Präsentationen auf Fachtagungen sind für dieses Jahr geplant, z.B. Aachener Membrankolloquium (16./17.03.05).


Fazit

Eine industrielle Pilotanlage zur Aromaten/Aliphaten-Trennung mittels Pervaporation wurde aufgebaut und ein erfolgreicher Testbetrieb bei beträchtlichen Laufzeiten mit neu entwickelten Membranen realisiert. Die Membranen zeigten eine sehr gute Langzeitstabilität. Die entwickelten Membranen sind für eine Benzolabtrennung aus Aliphatengemischen geeignet. Durch Anwendung des dem Projekt zugrunde liegenden technischen Know hows können weitere umwelt- oder gesundheitsrelevante Probleme bearbeitet und durch den Einsatz der effizienten Membrantrenntechnik gelöst werden. Als zukünftig notwendige Maßnahme ist das sogenannte up scaling, also die Herstellung von großen Membranmengen im 100 Quadratmeter-Maßstab, anzusehen.