Membranen E-Book

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 720

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

Von der Membran zum Verfahren - Der Einsatz von Membranverfahren in der chemischen Industrie weitet sich ungebremst aus. Als saubere und energiesparende Alternative zu herkömmlichen Trennverfahren halten die Membranverfahren weiterhin Einzug in vielfältige industrielle Anwendungen. Fest eingeführt sind solche Verfahren u. a. in der Gastrennung und der organophilen Filtration, und neue Perspektiven eröffnen sich für katalytische Reaktionen in Membranreaktoren. Die Membrantechnik ist die optimale Lösung bei der Behandlung von industriellen Abfällen ebenso wie für die kontrollierte Herstellung wertvoller Chemikalien. Das Buch behandelt die Grundlagen der Membranverfahrenstechnik über Modulkonfigurationen, Flüssig- und Gastrennung bis hin zu Membranen in der Brennstoffzelle, Medizintechnik und der Lebensmittelindustrie. Es ist eine wertvolle Informationsquelle für Praktiker und Betriebsingenieure ebenso wie für Neueinsteiger, die ein umfassendes Bild über die Anwendung von Membranen in der Verfahrenstechnik gewinnen wollen, aber auch für Planungsbüros und Umweltämter.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Autorenliste

1 Polymermembranen

1.1 Einführung

1.2 Phaseninversions-Prozess zur Herstellung von Membranen

1.3 Membranen für die Umkehrosmose

1.4 Membranen für die Ultrafiltration

1.5 Membranen für die Mikrofiltration

1.6 Literatur

2 Molekulare Modellierung des Transports kleiner Moleküle in polymerbasierten Materialien

2.1 Einleitung

2.2 Grundlagen von MD Methoden für amorphe Polymere

2.3 Ausgewählte Anwendungen von atomistischen Simulationen

2.4 Zusammenfassung

2.5 Danksagung

2.6 Literatur

3 Oberflächenmodifikationen

3.1 Einführung – Oberflächen von Membranen

3.2 Motivation und Ziele für Oberflächenmodifikationen von Membranen

3.3 Strategien und Wege zur Oberflächenmodifikation von Membranen

3.4 Struktur und Funktion oberflächenmodifizierter Membranen

3.5 Schlussfolgerungen und Ausblick

3.6 Abkürzungen für Polymere

3.7 Literatur

4 Vliesstoffe für Membranen

4.1 Einführung

4.2 Vliesstoffe

4.3 Stützvliesstoffe für Membranen

4.4 Ausblick

4.5 Literatur

5 Keramische Membranen und Hohlfasern

5.1 Keramische Membranen

5.2 Keramische Hohlfasern

6 Medizintechnik

6.1 Einleitung

6.2 Nierenersatztherapie

6.3 Blutfraktionierung

6.4 Blutoxygenation

6.5 Großtechnische Herstellung von Membranen und Filtern in der Medizintechnik

6.6 Literatur

7 Membranen für biotechnologische Prozesse

7.1 Einführung: Biotechnologische Herstellung von Wirkstoffen – Fermentation

7.2 Filtrationsverfahren

7.3 Membrantypen

7.4 Ultrafiltration

7.5 Adsorptionseffekte

7.6 Membranreinigung

7.7 Betriebsarten in der Ultrafiltration [2, 3]

7.8 Durchfluss

7.9 Membrancharakterisierung

7.10 Anwendungen der Mikrofiltration

7.11 Membranchromatografie

7.12 Literatur

8 Wasseraufbereitung

8.1 Wasserkreisläufe – Spiralwickelmodule

8.2 Vacuum Rotation Membrane (VRM) – das rotierende Membranbelebungsverfahren: Aufbau und Betrieb

8.3 Prozesswasseraufbereitung mit CR-Filtertechnologie

9 Verfahrenskonzepte zur Herstellung von Reinstwasser in der pharmazeutischen und Halbleiter-Industrie

9.1 Einführung

9.2 Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie

9.3 Systeme zur Herstellung von Reinwasser in der pharmazeutischen Industrie

9.4 Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinstwasser in der mikroelektronischen Industrie

9.5 Zusammenfassung

9.6 Literatur

10 Modellierung und Simulation der Membranverfahren Gaspermeation, Dampfpermeation und Pervaporation

10.1 Einführung

10.2 Modellierung von Membranverfahren

10.3 Implementierung

10.4 Modulverschaltung

10.5 Verfahrenssimulation

10.6 Zusammenfassung und Ausblick

10.7 Danksagungen

10.8 Symbolverzeichnis

10.9 Literatur

11 Pervaporation und Dampfpermeation

11.1 Einleitung

11.2 Grundlagen

11.3 Permeatraum

11.4 Auslegung von Anlagen

11.5 Charakterisierung von Membranen

11.6 Membranen

11.7 Module

11.8 Verfahren

11.9 Beeinflussung von Reaktionen

11.10 Zusammenfassung

11.11 Literatur

12 Verfahren zur Trennung von Gasen und Dämpfen

12.1 Membranverfahren zur Gaspermeation

12.2 Abtrennung organischer Dämpfe

13 Elektrodialyse

13.1 Einleitung

13.2 Grundlagen

13.3 Säurerückgewinnung mittels Elektrodialyse

13.4 Formelzeichen

13.5 Literatur

14 Membranen für die Brennstoffzelle

14.1 Einleitung

14.2 Fluorierte Membranen

14.3 Sulfonierte nichtfluorierte Membranen

14.4 Phosphonierte Membranen

14.5 Polymermembranen für Betrieb mit hohen Temperaturen

14.6 Organisch-anorganische Membranen

14.7 Letzte Kommentare

14.8 Literatur

15 Anwendungen der Querstrommembranfiltration in der Lebensmittelindustrie

15.1 Einleitung

15.2 Milchindustrie

15.3 Fermentierte Lebensmittel

15.4 Fruchtsäfte

15.5 Andere Anwendungen von Membranprozessen in der Lebensmittelindustrie

15.6 Ausblick – Zukünftige Trends

15.7 Danksagung

15.8 Literatur

16 Nicht-wässrige Nanofiltration

16.1 Einleitung

16.2 Membranen für die nicht-wässrige Nanofiltration

16.3 Mathematische Beschreibung der Transportvorgänge

16.4 Anwendungen

16.5 Literatur

17 Membranreaktoren

17.1 Einleitung

17.2 Klassifizierung von Membranreaktoren

17.3 Ausgewählte Reaktionen mit Membranreaktoren

17.4 Literatur

Stichwortverzeichnis

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S. Pereira Nunes, K.-V. Peinemann (Eds.)

Membrane Technology in the Chemical Industry

Second Edition

2006. ISBN 3-527-31316-8

A. F. Sammells, M. V. Mundschau (Eds.)

Nonporous Inorganic Membranes for Chemical Processing

2006. ISBN 3-527-31342-7

J. G. Sanchez Marcano, T. T. Tsotsis

Catalytic Membranes and Membrane Reactors

2002. ISBN 3-527-30277-8

K.-V. Peinemann, S. Pereira Nunes (Eds.)

Membranes

6 Volumes

2007–2008. ISBN 3-527-31479-2

Herausgeber

Dipl.-Ing. Klaus Ohlrogge

Dr. Katrin Ebert

GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH Institut für Chemie

Max-Planck-Straße 1

21502 Geesthacht

Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung

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Gedruckt auf säurefreiem Papier

Print ISBN 978-3-527-30979-5

Epdf ISBN 978-3-527-66094-0

Epub ISBN 978-3-527-66033-9

Mobi ISBN 978-3-527-66032-2

Autorenliste

Thomas BeeskowGMT Membrantechnik GmbH Am Rhein 5 79618 Rheinfelden

Torsten BrinkmannGKSS-ForschungszentrumGeesthacht GmbHInstitut für PolymerforschungMax-Planck-Straße 121502 Geesthacht

Hartmut E. A. BrüschkeKurpfalzstraße 64 69226 Nußloch

F. Marga J. DijkstraGKSS ForschungszentrumGeesthacht GmbHInstitut für Chemie Max-Planck-Straße 121502 Geesthacht

Katrin EbertGKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH Institut für PolymerforschungMax-Planck-Straße 121502 Geesthacht

Detlev FritschGKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbHInstitut für PolymerforschungMax-Planck-Straße 121502 Geesthacht

Hermann GöhlGambro Dialysatoren GmbHund Co. KGCorporate ResearchHolger-Crafoord-Straße 26 72379 Hechingen

Torsten HacknerHans Huber AGIndustriepark Erasbach A192334 Berching

Matthias HeuchelGKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbHInstitut für PolymerforschungKantstraße 55 14513 Teltow

Dieter HofmannGKSS ForschungszentrumGeesthacht GmbHInstitut für PolymerforschungKantstraße 55 14513 Teltow

Frauke JordtSiemens-Axiva GmbH & Co. KGIndustriepark Höchst65926 Frankfurt/Main

Bernd KrauseGambro Dialysatoren GmbH und Co. KG Corporate ResearchHolger-Crafoord-Straße 2672379 Hechingen

Frank LipnizkiAlfa Laval Copenhagen A/SMembrane TechnologyMaskinvej 52860 SøborgDänemark

Jens LipnizkiMicrodyn-Nadir GmbHRheingaustraße 190–19665203 Wiesbaden

Dieter MelznerSartorius AG Weedener Landstraße 94–10837075 Göttingen

Thomas MenzelChrist Pharma & Life Science AGHauptstraße 1924147 AeschSchweiz

Ulrich Meyer-BlumenrothMicrodyn-Nadir GmbHRheingaustraße 190–19665203 Wiesbaden

Suzana Pereira NunesGKSS ForschungszentrumGeesthacht GmbHMax-Planck-Straße 121502 Geesthacht

Pasi NurminenMetso Paper ChemOY Manager Process TechnologySchweriner Straße 8823909 Ratzeburg

Klaus OhlroggeGKSS ForschungszentrumGeesthacht GmbHInstitut für PolymerforschungMax-Planck-Straße 121502 Geesthacht

Ina PahlSartorius AGWeedener Landstraße 94–10837075 Göttingen

Klaus Viktor PeinemannGKSS ForschungszentrumGeesthacht GmbHInstitut für Polymerforschung Max-Planck-Straße 121502 Geesthacht

Hans-Jürgen RappOSMO Membrane Systems GmbHSiemensstraße 4270825 Korntal-Münchingen

Oscar-W. ReifSartorius AGWeedener Landstraße 94–10837075 Göttingen

Eugen ReinhardtDauborn MembranSysteme für Wasserbehandlung GmbHSchweriner Straße 8823909 Ratzeburg

Jürgen SteggerBorsig Jürgen MembraneTechnology GmbHEgellsstraße 2113507 Berlin

Stefan TudykaMann+Hummel GmbH Grönerstraße 4571636 Ludwigsburg

Mathias UlbrichtUniversität Duisburg-EssenLehrstuhl für Technische Chemie II45117 Essen

Ingolf VoigtHermsdorfer Institut fürTechnische Keramik e.V.Michael-Faraday-Straße 107629 Hermsdorf/Thüringen

Frank WieseMembrana GmbH Öhder Straße 2842289 Wuppertal

Jan WindGKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbHInstitut für PolymerforschungMax-Planck-Straße 121502 Geesthacht

Vorwort

Verfahren zur Stofftrennung sind die Schlüsseltechnologien in der Prozesstechnik. Etwa 40% des Energieverbrauchs in der chemischen Industrie wird für Trennprozesse zur Produktreinigung und Produktrückgewinnung aufgewandt. Neben Destillation, Absorption, Adsorption, Extraktion und Kondensation haben Membranverfahren eine ständig steigende Akzeptanz gefunden.

Herausragende Beispiele für etablierte Anwendungen sind Membranen und Verfahren zur Blutreinigung, zur Wasseraufbereitung und Wertstoffrückgewinnung durch Ultra- und Mikrofiltration, zur Trinkwassergewinnung durch Umkehrosmose und zur Gastrennung.

Viele neue Anwendungen scheinen aus Patentanmeldungen, Studien oder Veröffentlichungen bereits bekannt zu sein. Eine Umsetzung ist aber erst dann möglich, wenn geeignete Membranen und Module zur Verfügung stehen und durch Kenntnis der Prozessabläufe die Membranen entsprechend ihrem Leistungsvermögen eingesetzt werden können. Wesentlich für die Einführung neuer Techniken ist dabei auch die Bereitschaft potentieller Nutzer, neu entwickelte Verfahren einzusetzen. Diese günstigen Bedingungen waren zum Beispiel bei der Entwicklung von Membranen zur Wasserstoffabtrennung aus Prozessgas durch die Firma Monsanto gegeben, bei der sowohl Membranen, Module und Verfahren entwickelt und diese dann auch in den eigenen Produktionsstätten erprobt und eingesetzt wurden.

Wesentliche Entwicklungen wurden in den USA von Firmen der chemischen Industrie wie Du Pont, Rohm & Haas, W. R. Grace, Dow und Monsanto vorangetrieben, wobei einige dieser Firmen nur noch als Membranlieferanten oder Polymerhersteller am Markt tätig sind, während der Anlagenbau neuen Gesellschaften übertragen wurde.

Europäische Firmen haben einen herausragenden Marktanteil nur im Bereich von Life Science/Biotechnologie sowie einigen Segmenten der Wasserreinigung.

In Nischenanwendungen, wie zum Beispiel der Abtrennung organischer Dämpfe aus Abluft und Prozessgas, haben deutsche Firmen, unterstützt durch Entwicklungen aus Forschungseinrichtungen, eine herausgehobene Marktposition erreicht.

Das vorliegende Buch richtet sich als Handbuch sowohl an Wissenschaftler als auch an Praktiker. Das breite Spektrum der vorgestellten Beiträge verdeutlicht den interdisziplinären Charakter der Membrantechnologie. Während im ersten Teil allgemeine Grundlagen erläutert werden, ist der zweite Teil anwendungsorientierten Themen gewidmet. Die Beiträge umfassen grundlegende Aspekte der Entwicklung organischer und anorganischer Membranen sowie die Modifizierung von Membranen zur Erzielung verbesserter Trenneigenschaften. Die Modellierung von Transportprozessen auf molekularer Ebene ist ein wichtiges Instrument zum Verständnis des Einflusses der Materialeigenschaften auf den Trennprozess. Daneben werden die Grundlagen der unterschiedlichen Membranmodule erläutert. Die Simulation von Membranverfahren und die Bereitstellung von Prozessberechnungsprogrammen geben potentiellen Anwendern Informationen über die Möglichkeiten zur Integration dieser Technologie in Prozesse. Wichtige etablierte Membranverfahren wie die Wasseraufbereitung für verschiedene Anwendungen, die Gastrennung sowie der Einsatz von Membranen in der Medizin werden neben neueren Verfahren wie der Aufarbeitung organischer Gemische und dem Membranreaktor beschrieben.

Wir bedanken uns bei allen Autoren, die mit ihren Beiträgen für eine möglichst umfassende Darstellung von der Entwicklung von Membranen und deren Nutzung beigetragen haben. Die Ausarbeitung der einzelnen Kapitel musste häufig zusätzlich zum Tagesgeschäft erfolgen. Die Begeisterung der Autoren für Membranen und deren Anwendungen hat schließlich zur Fertigstellung des Buches geführt.

In diesem Zusammenhang möchten wir uns auch beim Verlag für die geduldige und verständnisvolle Zusammenarbeit bedanken.

Ein besonderer Dank gilt der Leitung des GKSS Forschungszentrums für die Möglichkeit zur Herausgabe des Buches und Herrn Carsten Scholles, der zur Gestaltung vieler grafischer Darstellungen in den Kapiteln von GKSS-Mitarbeitern beigetragen hat.

Geesthacht, März 2006

Klaus OhlroggeKatrin Ebert

1

Polymermembranen

Klaus-Viktor Peinemann und Suzana P. Nunes

1.1 Einführung

Polymermembranen können als Flach- oder Hohlfadenmembranen gefertigt werden; sie können porös oder dicht sein, es gibt symmetrische und asymmetrische Membranstrukturen.

Abb. 1.1 zeigt eine Übersicht der verschiedenen Membrantypen und ihre Anwendungen.

Die am häufigsten verwendeten Membranpolymere sind: Polysulfone/Polyethersulfone, Cellulose und Cellulosederivate, Polyvinylidenfluorid, Polyamide und Polyacrylnitril. Für die Auswahl von Membranmaterialien für die Anwen-dung in flüssigen Medien sind unter anderem folgende Gesichtspunkte von Bedeutung: pH-Wert der zu behandelnden Flüssigkeit, wässrige oder organische Lösung, Beständigkeit gegenüber organischen Lösemitteln in der zu behandelnden Flüssigkeit (z. B. Aceton), Beständigkeit gegenüber Reinigungsmitteln, hier insbesondere Chlor, Temperaturbeständigkeit, hydrophiler/hydrophober Charakter des Membranpolymers. Tabelle 1.1 zeigt den pH-Bereich, in welchem häufig verwendete Membranpolymere eingesetzt werden können:

Tabelle 1.2 zeigt die Beständigkeit von wichtigen Membranmaterialien gegenüber Säuren und Basen und häufig verwendeten Lösemitteln.

Die größte Bedeutung für die Herstellung von Polymermembranen haben Polysulfone. Polysulfone können im gesamten pH-Bereich eingesetzt werden, die Einstellung von Porengrößen in einem weiten Bereich ist relativ einfach, Polysulfone haben ausgezeichnete thermische und mechanische Eigenschaften (Tg Polysulfon 188 °C, Tg Polyethersulfon 230 °C), sie sind chlorbeständig, poröse Polysulfonmembranen sind druckstabil; daher können sie als Träger für Kompositmembranen für Umkehr-Osmose und Gastrennung eingesetzt werden. Einziger Schwachpunkt der Polysulfone ist ihre eingeschränkte Beständigkeit gegenüber organischen Lösemitteln.

Tabelle 1.3 zeigt die wichtigsten wasser-mischbaren Lösemittel, die für die Membranherstellung eingesetzt werden.

Abb. 1.1 Übersicht über die verschiedenen Membrantypen und ihre Anwendungen.

Tabelle 1.1 Vergleich der chemischen Beständigkeit von Membran-Polymerena).

a) ++ beständig, + begrenzt beständig, – unbeständig, CTA – Cellulosetriacetat.

Tabelle 1.2 Vergleich der pH-Beständigkeit von Membran-Polymeren.

PolymerpH-BereichCA3–6PAN2–10PES/PSf1–12 oder höherPVDF1–10,5

Tabelle 1.3 Wassermischbare Lösemittel für Membran-Polymere.

PolysulfonePoly(vinylidenfluorid)Dimethylacetamid (DMAC)Dimethylformamid (DMF)Dimethylformamid (DMF)Dimethylacetamid (DMAC)N-Methylpyrrolidon (NMP)N-Methylpyrrolidon (NMP)Tetrahydrofuran (THF)Polyacrylnitril:Polyacrylnitril–Methylacrylat-Copolymer (94 : 6)Dimethylacetamid (DMAC)Dimethylacetamid (DMAC)Dimethylformamid (DMF)Dimethylformamid (DMF)EthylencarbonatDimethylformamid (DMF)γ-Butyrolacton (GBL)EthylencarbonatN-Methylpyrrolidon (NMP)γ-Butyrolacton (GBL)

Erste kommerzielle Polymermembranen wurden ab 1920 in Deutschland von Satorius hergestellt und vertrieben. Diese Membranen fanden aber wegen ihrer vergleichsweise geringen Flüsse nur einen kleinen Einsatzbereich. Der Durchbruch der Membran-Technologie erfolgte in den 60iger Jahren mit der Entwicklung asymmetrischer Membranen für die Wasser-Entsalzung von Lob und Sourirajan [1]. Diese asymmetrischen Membranen haben einen hohen Fluss dank ihrer sehr dünnen selektiven Trennschicht; zugleich sind sie druckstabil dank ihrer porösen Stützstruktur. Die bei weitem am häufigsten verwendete Methode zur Herstellung asymmetrischer Membranen ist der so genannte „Phaseninversions-Prozess“.

1.2 Phaseninversions-Prozess zur Herstellung von Membranen

Der Phaseninversions-Prozess besteht in der Herbeiführung einer Phasentrennung in einer ursprünglich homogenen Polymerlösung durch Temperaturwechsel oder durch Kontaktierung mit einem Nichtlösemittel in flüssiger oder Dampfphase.

In dem thermischen Prozess (TIPS: thermisch induzierte Phasenseparation) wirkt üblicherweise eine niedermolekulare organische Verbindung als Lösemittel bei hoher Temperatur und als Nichtlösemittel bei niedriger Temperatur [2, 3]. Nach Phasentrennung und Bildung der porösen Struktur wird diese Verbindung herausgelöst. Der TIPS-Prozess kann für viele Polymere angewendet werden, er ist jedoch besonders interessant für schwer lösliche Polymere wie z. B. Polypropylen. Normalerweise führt der TIPS-Prozess zu isotropen Membranstrukturen.

Die isotherme Phaseninversion ist wirtschaftlich der wichtigere Prozess. Die Polymerlösung wird zu einem Film ausgestrichen – entweder freistehend oder auf einem porösen Vlies – und dann in ein Bad mit einem Nichtlösemittel getaucht (Nass-Prozess). Dieses geschieht normalerweise in einem kontinuierlichen Prozess mit Produktionsgeschwindigkeiten zwischen 2 und 50 m/min. Als Nichtlösemittel wird bei industrieller Fertigung bevorzugt Wasser verwendet, daher sind die in Tabelle 1.3 genannten wassermischbaren Lösemittel für Membranpolymere von großer Wichtigkeit. Der Austausch von Lösemittel durch Nichtlösemittel führt zur Phasentrennung. Die polymerreiche Phase bildet die poröse Matrix, die polymerarme Phase bildet die Poren. Fast immer werden asymmetrische Strukturen gebildet mit der selektiven Schicht an der Oberfläche, wie in Abb. 1.2 gezeigt.

Die Porenstruktur entsteht durch Phasentrennung, die in den meisten Fällen eine flüssig/flüssig Trennung ist. Fest/flüssige Entmischung kann eine zusätzliche Rolle spielen bei Lösungen, die ein teilkristallines Polymer wie Cellulose oder Polyvinylidenfluorid enthalten. Nach dem Eintauchen in das Nichtlösemittelbad wird das ursprünglich thermodynamisch stabile System durch den Lösemittel/Nichtlösemittel-Austausch in einen Zustand gebracht, in dem die minimale Freie Gibb’sche Energie durch Trennung in zwei Phasen erreicht werden kann. Der genaue Mechanismus, der zur Porenbildung führt, und die dazugehörige Thermodynamik ist umfangreich und manchmal kontrovers in der Literatur diskutiert worden [4–21] Ein vereinfachtes Phasendiagramm ist in gezeigt.