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Azeotrope Gemische

Zeolithmembranen zur Stofftrennung auf molekularer Basis

02.08.2010 | Autor / Redakteur: Marcus Weyd* und Hannes Richter* / Marc Platthaus

 1  Prinzip der Pervapo-ration (PV) und Dampfpermeation (DP). Bilder: Fraunhofer IKTS
 1  Prinzip der Pervapo-ration (PV) und Dampfpermeation (DP). Bilder: Fraunhofer IKTS

Die Trennung mit Wasser gebildeter azeotroper Gemische erfolgt in der Regel adsorptiv oder durch eine Schleppmittel- oder Extraktivdestillation nach Zugabe eines geeigneten Hilfsstoffes. Eine Alternative bilden Membranverfahren. Verwendet werden können hier z.B. Zeolithmembranen, die in der Lage sind, auf molekularer Ebene Stoffgemische zu trennen. Neben der Anwendung solcher Membranprozesse beispielweise in der industriellen Ethanolentwässerung kann an Laboranlagen das Trennverhalten der Membranen untersucht werden.

Mit Wasser gebildeten Azeotropen begegnet man sowohl in der Industrie wie im Labor. Solche Gemische müssen mit geeigneten Verfahren gebrochen werden, um eine vollständige Trocknung der Inhaltsstoffe zu ermöglichen. Oft handelt es sich bei diesen Stoffen um Lösungsmittel.

Populärstes Beispiel ist Ethanol, welches mit Wasser bei etwa 95,6 Massenprozent ein Azeotrop bildet. Je nach Verwendungszweck muss das Wasser entfernt werden. Soll das Ethanol beispielsweise als Kraftstoffzusatz dienen, ist die Entfernung des Wassers unabdingbar. Das im azeotropen Ethanol noch vorhandene Wasser könnte nach der Beimengung zu Ottokraftstoffen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, zu einer Phasentrennung führen und in Rohrleitungen und im Motor Probleme verursachen. Ein weiteres bekanntes Azeotrop wird von 2-Propanol und Wasser gebildet. Hier liegt die Konzentration bei rund 87,4 Massenprozent 2-Propanol.

In der Technik verwendete Entwässerungsverfahren sind die azeotrope Destillation oder die Adsorption des Wassers an geeigneten Molekularsieben. Allerdings ist der Energiebedarf dieser Verfahren hoch und die Verfahrensführung oft kompliziert. Der Energiebedarf ist speziell beim Kraftstoffethanol von herausragender Bedeutung, da ein hoher Energiebedarf bei der Herstellung die ökologische Effizienz des Biokraftstoffes mindert. Auch können zur Azeotropdestillation verwendete Hilfsstoffe das Ethanol verunreinigen [1], was insbesondere in der kosmetischen oder pharmazeutischen Industrie von Belang ist.

Alternative: Membransiebung auf molekularer Ebene

Ein alternatives Verfahren zu den konventionellen Trocknungsverfahren ist die Entfernung des Wassers durch Membranen. In diesem Fall – der Trennung auf molekularer Ebene – spricht man nicht mehr von einer konventionellen Filtration. Die Verfahren, die hier angewendet werden, sind die Pervaporation oder die Dampfpermeation. Die Triebkraft für beide Verfahren ist nicht eine Gesamtdruckdifferenz, sondern die Partialdruckdifferenz des permeierenden Stoffes auf beiden Seiten der Membran. Diese wird maßgeblich durch einen permeatseitigen Unterdruck eingestellt, der unter dem Dampfdruck der jeweiligen Komponenten liegt. Das Permeat liegt somit dampfförmig vor und muss bei geeigneter Temperatur kondensiert werden. Bei der Dampfpermeation ist das Feedgemisch ebenso dampfförmig, bei der Pervaporation ist es flüssig (s. Abb. 1).

Vergleichbar zur konventionellen Membranfiltration wird bei der Ethanol-Wasser-Trennung ein Größenunterschied der zu trennenden Stoffe ausgenutzt. Dieser ist durch die kinetischen Durchmesser der Ethanol- bzw. Wassermoleküle gegeben. Das Ethanolmolekül hat einen Durchmesser von 0,45 Nanometern, das Wassermolekül einen Durchmesser von 0,26 Nanometern [2]. Die eingesetzte Membran muss somit auf molekularer Ebene „sieben“ können. Möglich ist dies mit keramischen Membranen mit einer trennaktiven Schicht aus Zeolithen. Diese kristallinen Alumosilicate verfügen über eine definierte Porenstruktur mit Gitteröffnungen im Subnanometerbereich.

Für die Abtrennung von Wasser eignet sich der NaA-Zeolith vom LTA-Zeolithttyp. Dieser hat eine Porenöffnung von 0,41 Nanometern (s. Abb. 2). Konventionell werden solche Zeolithe genutzt, um adsorptiv Medien zu trocknen. Beim Durchströmen der Adsorberschüttung adsorbiert das Wasser in den Zeolithporen, das Medium wird entwässert. Die Adsorberschüttung muss nach ihrer Sättigung jedoch regeneriert werden. Dies erfolgt meist unter deutlich reduziertem Druck. Gelingt es, die Zeolithkristalle in einer geschlossenen Schicht auf einer porösen Trägerstruktur aufzubringen, kann kontinuierlich entwässert werden. In Abbildung 3 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Bruches einer solchen Membran zu sehen. Auf der Oberfläche der trennaktiven Seite der Membran adsorbiert das im Feedgemisch enthaltene Wasser, auf der anderen Seite desorbiert das Wasser aufgrund des reduzierten Permeatdruckes.

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