Pervaporation

Nick Wynn

Die Pervaporation entwickelt sich in der chemischen und verwandten Industrien zunehmend zum bevorzugten Verfahren für die Entfernung von Wasser aus organischen Verbindungen – besonders aus Ethanol und Isopropanol. Unter dem Namen Pervap SMS (Siliziumdioxid-Membran-System) wird eine neu entwickelte Generation von Pervaporationsmembranen angeboten, durch die die Pervaporation für einen breiteren Bereich von Entwässerungsaufgaben wettbewerbsfähig wird.

Bei den meisten der heutigen Anlagen (Abb. 1) werden polymere Kompositmembranen verwendet, deren aktive Schicht aus einem dünnen Film von vernetztem Polyvinylalkohol besteht, der auf einer mikroporösen Unterlage aufliegt. Diese Membranen sind zwar beständig gegen Säure, aber nicht gegen Temperaturen über 110 °C; außerdem sind die so genannten Flüsse (Durchfluss durch Membran) mäßig.

Erhebliche Anstrengungen wurden unternommen, keramische Membranen zu entwickeln, die sich für die Pervaporation eignen. Ein erster Ansatz waren Zeolith-A-Membranen, deren Poren so klein sind, dass sie Wassermoleküle, aber keine Ethanol- oder Isopropanolmoleküle hindurchlassen. Leider sind die Zeolith-A-Membranen extrem empfindlich gegen selbst geringste Konzentrationen an Säuren.

Die Niederländische Energieforschungsgesellschaft (ECN) hat eine Reihe mikroporöser Siliziumdioxid-Membranen entwickelt (Abb. 2), die mechanisch und chemisch robust sind. Die Membranen sind nicht nur unter den Bedingungen eines industriellen Betriebes stabil, sie können auch zur Wasserentfernung aus Kondensationsreaktionen wie Veresterungen eingesetzt werden, bei denen stark saure Bedingungen herrschen.

Leistungsfähigkeit und Beständigkeit der von ECN entwickelten Siliziumdioxid-Membranen wurden über die letzten drei Jahre hinweg in einem ausgedehnten Versuchsprogramm gemessen (Abb. 3). Die Wasserflüsse vieler der untersuchten Lösemittel-Wasser-Mischungen sind eine Größenordnung höher als diejenigen, die man normalerweise – bei denselben Temperaturen – mit den herkömmlichen Polymermembranen erhält. Die Siliziumdioxid-Membranen können jedoch bei Temperaturen bis 240 °C verwendet werden, wodurch sich noch höhere Flüsse erzielen lassen.

Für alle Anwendungen müssen die Membranen in Module eingebaut werden (Abb. 4). Diese stützen die Membran und dichten sie nach außen und gegen die im Verfahren auftretende Druckdifferenz ab. Das zu trennende Gemisch wird gleichmäßig über die Oberfläche der Membran verteilt und gegen den Permeatraum abgedichtet.

Spezielle, an die hohe Leistung der Membranen angepasste Module sind ein wichtiger Teil der Pervap-SMS-Technik. Die Trennschichten der Membranen sind außen auf keramische Rohre aufgetragen, die ihrerseits in die Rohre eines Rohrbündelwärmetauschers eingebaut sind (Abb. 5). Wenn das zugeführte Gemisch durch den Ringspalt zwischen dem Wärmetauscherrohr und dem Keramikrohr fließt, tritt Wasser durch die Membranwand in den unter Vakuum stehenden Inneraum des Keramikrohrs ein. Die SMS-Geometrie weist zwei charakteristische Merkmale auf:

• Durch Hintereinanderschalten der ringförmigen Spalte mehrerer Rohre werden sehr hohe Überströmungen und damit hohe Turbulenzen erzeugt. Dies verhindert eine Konzentrationspolarisation – den Abfall der Konzentration der permeierenden Komponente an der Membranoberfläche, wenn diese Komponente sehr schnell durch die Membran hindurchtritt. Damit wird die treibende Kraft selbst bei hohen Flüssen aufrechterhalten.

• Durch Beheizen der Wärmetauscherrohre, z. B. mit Dampf, wird die Energie, die für die Verdampfung des permeierenden Wassers benötigt wird, direkt an den Ort der Pervaporation geführt. Durch diesen isothermen Betrieb des Pervap-SMS-Moduls werden die Betriebstemperatur, die treibende Kraft und die hohen Flüsse optimal genutzt.

Die besonderen Merkmale der Pervap-SMS-Technik erweitern den Anwendungsbereich der Pervaporationverfahren. Ein bedeutender Einsatz ist die Entfernung von Wasser direkt aus Kondensationsreaktionen wie z. B. Veresterungen. Diese Reaktionen laufen normalerweise bis zur Gleichgewichtseinstellung ab; die Entfernung von Wasser führt zu einer höheren Ausbeute, einem höheren Durchsatz und einer höheren Reinheit des Produkts. Da die Siliziumdioxid-Membrane bei Temperaturen bis zu 240 °C einsetzbar ist, kann nun auch aus Polykondensationsreaktionen Wasser durch Pervaporation entfernt werden. Der Verzicht auf Schleppmittel erlaubt es den Herstellern, durch Pervaporationsverfahren effizienter und umweltfreundlicher bessere Produkte zu produzieren.

Die meisten unpolaren organischen Verbindungen wie Hexan oder Propylen sind mit Wasser praktisch nicht mischbar, enthalten aber trotzdem Spuren von Wasser im ppm-Bereich. Diese Spuren können ausreichen, um teure Katalysatoren zu zerstören. Durch Siliziumdioxid-Membranen wird Wasser sehr schnell aus solchen unpolaren organischen Verbindungen entfernt – je weniger polar, umso schneller –, so dass die Pervap-SMS-Technik besonders für die kontinuierliche Trocknung dieser Stoffe geeignet ist. Die Entsorgung oder Regeneration von Molsieben oder anderen Adsorbern entfällt, da die Entwässerung kontinuierlich abläuft. Dadurch gibt es auch keine Schwankungen der Produktqualität.

Die Rückgewinnung industrieller Lösemittel erfolgt sowohl in betriebseigenen Anlagen der pharmazeutischen und der chemischen Industrie als auch durch spezialisierte Firmen, die ihr Ausgangsprodukt aus verschiedenen Quellen beziehen. Die betriebseigenen Anlagen sind normalerweise nur für eine begrenzte Anzahl von Lösemitteln ausgelegt. Demgegenüber müssen Lösemittelrückgewinnungsfirmen in der Lage sein, jedwedes Gemisch zu verarbeiten, das ihnen zugeschickt wird. Da die Pervap-SMS-Membranen sowohl gegenüber Säuren als auch gegenüber aggressiven Lösemitteln, z. B. aprotischen Lösemitteln wie DMF (Dimethylformamid), beständig sind, können diese Firmen nun Pervaporationsanlagen ohne Einschränkungen bezüglich der Ausgangsprodukte verwenden.

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