Membrandestillation
- Einführung
- Prozessablauf
- Vorteile und Nachteile
- Anwendungen in der Prozessindustrie
1) Einführung
Die Membrandestillation (MD) ist ein thermisch angetriebener Prozess mit hydrophoben Membranen. Die treibende Kraft in dem Verfahren ist die Dampfdruckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Membranporen, die eine Massen- und Wärmeübertragung der flüchtigen Lösungskomponenten (z. B. Wasser) ermöglicht. Die Einfachheit des Prozesses zusammen mit der Tatsache, dass sowohl Abwärme als auch andere alternative Energiequellen wie Solar- oder Geothermie genutzt werden können, gibt viele Möglichkeiten der Anwendung, vor allem in integrierten Systemem mit anderen Prozessen. Diese Kombination macht es zu einer vielversprechenden Separationstechnik.
Abb.1, Abwärmepotential pro Industriesektor in der EU (%), Vorläufige Bewertung des Abwärmepotentials in wichtigen europäischen Industrien (2107)
2) Prozessablauf
Abb.2, Vereinfachtes Schema eines MD prozesses
Die treibende Kraft für die Membrandestiallation ist die Dampfdruckdifferenz, die durch eine Temperaturdifferenz über die Membran erzeugt wird. Da es sich bei der Antriebskraft nicht um eine reine thermische Antriebskraft handelt, kann die Membrandestillation bei einer viel niedrigeren Temperatur (30 bis 60°C) als die herkömmliche thermische Destillation abgehalten werden. Die hydrophobe Natur der Membran verhindert den Eintritt in die Wassermoleküle aufgrund von Oberflächenspannungen. Letzteres gilt jedoch nicht für die Wasserdämpfe, die einen Druckunterschied erzeugen und sich durch das Membranporensystem bewegen und auf der gegenüberliegenden kühlen Seite der Membran kondensieren. Der Prozess entfernt ca. 85% Wasser aus der Beschickungslösung und kann in drei Schritten zusammengefasst werden: (1) Bildung eines Wasserdampfpartialdruckgefälles an der Grenzfläche zwischen heißer Beschickungslösung und Membran; (2) Transport der Dampfphase durch das mikroporöse System; (3) Kondensation des Dampfes auf der kalten Seite an der Grenzfläche zwischen Membran und Permeatlösung.
Die Art und Weise wie die Dampfdruckdifferenz über der Membran erzeugt wird, wird durch die Konfiguration der Membranmodule bestimmt. In der am häufigsten verwendeten Konfiguration, der direct contact MD (DCMD), steht die Kondensationsflüssigkeit (meist sauberes Wasser) auf der Permeatseite in direktem Kontakt mit der Membran. Alternativ kann das verdampfte Lösungsmittel auf einer Kondensationsoberfläche gesammelt werden, die über einen Luftspalt (Air Gap MD) oder ein Vakuum (Vacuum MD) von der Membran getrennt ist oder über ein kaltes inertes Spülgas (Sweep Gas MD) abgeleitet wird.
Abb.3, MD konfigurationen
Die Auswahl der Membran ist einer der wichtigsten Faktoren für die Trennleistung. Es gibt zwei übliche Arten:
- Hohlfastermembranen, hergestellt aus Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder PVDF-PTFE Verbundmaterial
- Flachmembranen, hauptsächlich hergestellt aus PP, PTFE oder PVDF
PTFE weist die höchste Hydrophobie, gute chemische und thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit auf, weist jedoch die höchste Leitfähigkeit auf, was eine stärkere Wärmeübertragung durch PTFE-Membranen bewirkt (also die Temperaturdifferenz und somit auch die Dampfübertragung verringert). PVDF hat eine gute Hydrophobie, Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit und kann leicht zu Membranen mit vielseitigen Porenstrukturen verarbeitet werden. PP weist eine gute thermische und chemische Beständigkeit auf.
Abb.4, Spezifischer Energieverbrauch (SEC) von Solebehandlungen in KWh/m3 im Vergleich zu ihrer max. TDS-Kapazität in mg/L (ppm).
In folgender Reihenfolge: mehrstufige Entspannungsverdampfung (MSF - Multi Stage Flash ), mehrstufige Destillation (MED - Multiple Effect Distillation), mechanischer Brüdenverdichtung (MVC - Mechanical Vapor Compression), Elektrodialyse/ Umkehrelektrodialyse (ED/EDR - Electrodialysis/ Electrodialysis Reversal), Vorwärtsosmose (FO - Forward Osmosis ), Membrandestillation (MD - Membrane Distillation ). Vorwärtsosmose FO und Membrandestillation MD können Abwärme für bis zu 90% ihres thermischen Energiebedarfs nutzen.
3) Vor- und Nachteile
Vorteile:
- Geringer Energiebedarf
- Geringe Beeinträchtigung durch Konzentrationspolarisation
- Theoretisch 100%-ige Abstossung von nichtflüchtigen Bestandteilen, keine Begrenzung der Speisekonzentration
Die Vorteile der Membrandestillation im Vergleich zu herkömmlichen Trennverfahren liegen hauptsächlich in den niedrigeren Druck- und Temperaturanforderungen (30-60°C), was zu niedrigeren Energiekosten und zu einer geringeren Abnutzung durch mechanische Strapazierung der Module führt. Im Gegensatz zur Destillation und Umkehrosmose kann die Speiselösung bei einer Temperatur unterhalb ihres Siedepunkts bei Atmosphärendruck abgetrennt werden. Mit dem geringen Wärmebedarf können die industrielle Abwärme sowie erneuerbare Energiequellen wie Solar, Wind und Geothermie genutzt werden.
Ebenso ist die Membrandestillation weniger anfällig für Flussbeschränkungen durch Konzentrationspolarisation. Sehr niedrige Beschickungstemperaturen können bereits angemessen hohe Mengen an Produktwasser erzeugen. Dies kann vor allem dann hilfreich sein, wenn man hierbei andere Probleme mit berücksichtigt, wie z.B. Ablagerungen und Kesselstein verursacht durch hohe Temperaturen, die hierbei vermieden werden können. Theoretisch bietet die Membrandestillation eine 100%-ige Rückweisung für nichtflüchtige gelöste Substanzen bei gleichzeitig unbegrenzter Beschickungskonzentration.
Nachteile:
- Relativ hoher Energieverbrauch (trotz der geringen Temperatur)
- Relativ hohe Modulkosten
- Geringer Fluss im Vergleich zu druckgetriebenen Membranen
- Tenside oder amphiphile Verunreinigungen können zu einer Benetzung der Membran führen (Salzlösung tritt durch die Membran aus und verunreinigt das Permeat)
Die Hauptfaktoren, die eine industrielle Anwendung noch verhindern, sind der im Vergleich zu druckbasierten Membranprozessen relativ niedrige Permeatfluss, Flussminderungen durch Konzentrationspolarisation, Verschmutzung und Porenbenetzung der Membran, die hohen Kosten für die Module und der hohe Wärmeenergieverbrauch.
4) Anwendung in der Prozessindustrie
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Membrane Distillation