Membrane transport properties and process design in nanofiltration with organic solvents and aqueous solvent mixtures

Böcking, Axel; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Repke, Jens-Uwe (Thesis advisor)

Aachen : Shaker Verlag (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering 3 (2020)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (ix, 171 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Nanofiltrationsprozesse sind energiesparend und produktschonend. Viele Effekte und Phänomene sind jedoch noch unbekannt oder nicht verstanden. Insbesondere bei Prozessen mit organischen Lösungsmitteln als Medium fehlen standardisierte Messverfahren und zuverlässige Daten. Darüber hinaus sind Ergebnisse aus der Kombination von wässriger (aq. NF) und organophiler Nanofiltration (OSN - Englisch: Organic Solvent Nanofiltration) selten. Diese Dissertation zeigt die, in Zusammenarbeit mit verschiedenen Forschungseinrichtungen, durchgeführten Tests zur Standardisierung einer experimentellen Messmethode. Die statistische Auswertung der Ergebnisse bescheinigte qualitativ hochwertige Daten. Mit der standardisierten Methode können hervorragend Daten reproduziert werden. Ebenso wurde mit den Ergebnissen das Prozessdesign für Membrankaskadenoptimiert. Es zeigte sich, dass bereits kleine Unterschiede eine mögliche Prozesskonfiguration beeinflussen. Anschließend wurden fünf Optimierungsszenarien verwendet, um das Design einer OSN-Kaskade zu untersuchen. Als besondere Bedingung hatte mindestens einer der gelösten Stoffe einen negativen Rückhalt. Dies bedeutet, dass die Membran diese Substanz nicht zurückgehalten, sondern der gelöste Stoff sich stattdessen im Permeat angesammelt hat. Die erreichbare Selektivität ist nicht nur vom Abstand der jeweiligen Rückhalt-Werte zueinander abhängig, sondern auch von ihrer Position auf der Rückhalt-Werte-Skala. Die Experimente wurden im Bereich der sogenannten „solvent tolerant nanofiltration“ (STNF) fortgesetzt. Dafür wurden Polymer-Membranen verwendet, die für die OSN oder aq. NF entwickelt wurden. Dem org. Lösungsmittel wurde sukzessive Wasser zugesetzt. Die dominanten Effekte änderten sich bei Gemischen mit einem Ethanolgehalt zwischen 60 und 80 wt% . Die Änderungen wurden sowohl für geladene als auch für ungeladene gelöste Stoffe beobachtet. Außerdem wurde ein keramischer Membrantyp verwendet, der mit Polyelektrolyten in Wasser beschichtet wurde. Dieser Membrantyp wurde bisher nur in der aq. NF verwendet. Die Rückhalt-und Flussergebnisse wurden durch die Polarität der Lösung in Kombination mit dem „Cononsolvency“-Effekt erklärt. Dieser Effekt wurde dabei auf die Störung der Wasserstoffbindungen im Medium zurückgeführt. Die Dissertation beweist die Qualität der Rückhalt- und Fluss-Daten aus der standardisierten Methode. Diese Qualität bietet die notwendige Sicherheit, um die Technologien (OSN und STNF) in der Industrie zu etablieren. Schon kleine Datenabweichungen können zu einer veränderten optimalen Prozessgestaltung führen. Die Selektivität in einer Prozesskaskade hängt von der Differenz der Rückhalte und der Position auf der Rückhalt-Werte-Skala ab. Die Prozessleistung kann durch Zugabe von Wasser odereinem org. Lösungsmittel verändert werden. Beim Stoffaustausch durch Membranen sind auch wenig bekannte oder unbekannte Effekte beteiligt. Solche Effekte wurden in Experimenten nachgewiesen, z.B. „Cononsolvency“ oder bevorzugte Solvatisierung.

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