Projekt 24166/01

Entwicklung und Erprobung eines neuen Modulkonzepts für die Aufbereitung von Emulsionen

Projektdurchführung

ItN Nanovation AG
Untertürkheimer Str. 25
66117 Saarbrücken

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes war die Entwicklung und anschließende Erprobung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur vollständigen Entfernung von Ölen aus Prozess- und Spülwässer, dessen Investitions- und Betriebskosten durch die Einsparungen an Rohstoffen ausgeglichen werden. Gleichzeitig sollte mit dem Verfahren die Prozessstabilität und -qualität gesteigert werden.
Innovativer Kern des Verfahrens ist ein individuell einsetzbares dead-end-Membranmodulkonzept auf der Basis von keramischen Flachmembranen, das es erlaubt, beliebig viele standardisierte Filterelemente durch ein automatisch dichtendes Klicksystem zu einem Membranmodul zu kombinieren.
Eine Bilanzierung des Verfahrens sollte den Nachweis erbringen, dass der notwendige Energieeinsatz deutlich geringer ist, als bei herkömmlichen cross-flow-Membransystemen oder Verdampfungsanlagen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUntersuchung der Eignung keramischer Flachmembranen für den dauerhaften Betrieb mit Öl-Wasser-Emulsionen bei unterschiedlich hohen Temperaturen und unterschiedlichsten chemischen Zusätzen und Hilfsstoffen. Verantwortlich: ItN Nanovation; Mitwirkung: upt - von 01/06 bis 06/06
Entwicklung eines kostengünstigen dead-end-Membranmoduls, das sich für hohe Temperaturen und hohe pH-Werte eignet. Verantwortlich: ItN Nanovation; Mitwirkung: upt - von 01/06 bis 08/06
Entwicklung eines Systems, das es erlaubt, bei minimalem Energieeinsatz Öl zu demulgieren und abzuschöpfen und die Prozesswässer frei von Ölen einer Wiederverwendung zuzuführen. Systemerprobung. Verantwortlich: audita; Mitwirkung: Junghans, KD-Pharma, ItN - 05/06 - 11/06
Bilanzierung und Bewertung des Verfahrens. Abschätzung der Übertragung auf andere Industriebereiche, Erarbeiten von Konzepten zur Kreislaufschließung. Verantwortlich: audita; Mitwirkung: Junghans, KD-Pharma - von 11/06 bis 12/06
Energie- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Berichterstellung. Recherche der Übertragbarkeit auf andere Betriebe und andere Branchen. Verantwortlich: audita; Mitwirkung: ItN, upt, KD-Pharma, Junghans - 12/06


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurde ein neues Modulkonzept zur Aufbereitung von Emulsionen entwickelt. Anschließend wurden Filtrationsversuche mit einer Emulsion aus Fischöl-Ethylester und Wasser durchgeführt und ausgewertet.
Die neu entwickelte Membranhalterung sowie die Permeatsammelschiene aus Polyethersulfon zeigten hinsichtlich Handhabung und Beständigkeit durchweg positive Eigenschaften. Einzelne Membranplatten können ohne großen Aufwand ausgetauscht werden. Die Moduleinheit ist leicht zu handhaben und kann beliebig kombiniert werden. Während des Versuchsbetriebs zeigten die Kunststoffteile keine Veränderung oder Abnutzung.
Was die Beständigkeit des Klebers angeht, so konnten die Erwartungen nicht ganz erfüllt werden. Der Kleber zeigte Korrosionserscheinungen und hat sich zum Teil von den Membranen bzw. Membranhalterungen gelöst. Er ist somit für diese spezielle Anwendung nicht geeignet.
Weiterhin entstanden an den Stirnseiten vieler der keramischen Membrankörper Risse, die vermutlich auf thermische Spannungen zurückzuführen sind. Dies könnte durch einen weicheren Kleber oder durch Membranhalterungen auf Keramikbasis verhindert werden.
Technologisch haben die Untersuchungen gezeigt, dass mit Hilfe keramischer Flachmembranen Emulsionen gespalten werden können und die gereinigte wässrige Phase für eine Wiederverwendung zur Verfügung steht. Der Rückhalt für Öl beträgt ca. 99%.
Die Bilanzierung des Systems zeigte, dass bei einer kontinuierlichen Belüftung die benötigte spezifische Energiemenge größer ist als bei einer Filtration mittels cross-flow Rohrmembranen auf keramischer Basis. Durch eine intermittierende Belüftung lässt sich der Energiebedarf deutlich reduzieren.
Eine Optimierung bzgl. Permeatausbeute, Variation von Filtrations- und Rückspüldauer und vor allem der Belüftung muss bei jedem Anwendungsfall neu erfolgen. Am Ende einer Optimierung steht in der Regel ein deutlich niedrigerer Energieeinsatz als für herkömmliche Spaltsysteme benötigt wird.
Der einfache und kostengünstige Aufbau des Systems mit keramischen Flachmembranen ist der große Vorteil gegenüber den Rohrmembranen oder Verdampfern. Die in diesem Projekt neu entwickelte Membranplattenhalterung und das Modulkonzept haben dazu entscheidend beigetragen. Der modulare Aufbau und die einfache Erweiterung des Systems sind weitere Vorteile.
Trotz des engen zeitlichen Rahmens konnte der Vorteil eines modularen Membranplattenmoduls gezeigt werden, da es sehr leicht an die Verfahrenstechnik angepasst werden kann. Durch die modulare Bauweise ist eine Anpassung an unterschiedliche Zulaufmengen leicht zu realisieren. Weitere Modulmodifikationen hinsichtlich einer möglichen kontinuierlichen, mechanischen Reinigung während des eigentlichen Filtrationsbetriebs werden angestrebt bzw. sind durch leichte bauliche Veränderungen mit der neuartigen Modulkonfiguration leicht umzusetzen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorstellung des Modulkonzepts auf der Internetseite der ItN Nanovation AG
Vorstellung der Modultechnik auf der IFAT 2008 (in Vorbereitung)
Fachartikel (in Vorbereitung)


Fazit

Die Modulentwicklung, die im Mittelpunkt der Untersuchungen stand, lieferte positive Ergebnisse bezüglich der Anwendung in Emulsionen. So haben die Kombinationen Polyethersulfon (PES)-Membranhalterung mit verschiedenen Klebern zufrieden stellende Ergebnisse erbracht. In allen Fällen war eine ausreichende Beständigkeit bezüglich der thermischen Stabilität bei gleichzeitigem hohen pH-Wert gewährleistet.
Die PES-Membranhalterung erfüllen ebenso alle Beständigkeitsanforderungen. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens ermöglicht die Realisierung nahezu jeder beliebigen Form für die Membraneinfassungen, so dass leicht austauschbare Moduleinheiten eine reine konstruktive Aufgabe darstellen.
Nach dem jetzigen Erkenntnisstand lässt sich mit dem Werkstoff Keramik nicht nur eine Rohrmodulanlage wirtschaftlich betreiben, sondern auch Konzepte mit getauchten Membranen lassen sich wirtschaftlich umsetzen. Hauptfaktor ist hierbei die hohe chemisch/physikalische Belastbarkeit des Membranwerkstoffs in Kombination mit der hohen Lebensdauer der Keramikplatten. Durch großtechnische Produktion können die Herstellungskosten erheblich gesenkt werden, wodurch ein wettbewerbsfähiges Produkt entsteht.
Für die Zukunft besteht mit Sicherheit noch Entwicklungsbedarf für die Einklebung, was einzelne Ergebnisse bei der Einfassung gezeigt haben.