View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3.7 Membranprozesse
Unter der Annahme eines rein diffusiven Stofftransports und eines chemischen Gleichgewichts
an den Phasengrenzen zwischen der Membran und den Fluidphasen, kann der
transmembrane Stofffluss n k nach Gl. 3-10 dargestellt werden.
µ
kM
n
k ckM
bd
, kM
(3-10)
z
Die Konzentration c kM der Komponente k in der Membran M wird durch die Löslichkeit im
gegebenen Verteilungsgleichgewicht bestimmt. Die Mobilität b d , kM beschreibt die von den
Membraneigenschaften abhängige Beweglichkeit der Komponente k in der Membran. Der
Gradient des chemischen Potentials µ
kM z
zwischen den Phasengrenzflächen der
Membran bildet die Triebkraft für den Stofftransport. Die unterschiedliche Transportgeschwindigkeit
der Komponenten, und damit auch die Selektivität, wird primär durch die Löslichkeit
und die Beweglichkeit in der Polymerphase bestimmt [121, S. 80].
Mit dem Lösungs-Diffusionsmodell werden die Elektrodialyse, die Umkehrosmose, die Nanofiltration
sowie die Gaspermeation und die Pervaporation beschrieben:
Die Elektrodialyse wird zur ionenselektiven Trennung eingesetzt. In einem Membran-
Stack werden abwechselnd anionen- und kationenleitende Membranen angeordnet. Bedingt
durch ein orthogonal zur Membran angeordnetes elektrisches Feld, das durch das
Anlegen einer Spannung erzeugt wird, bewegen sich die Ionen entlang ihrer jeweiligen
Triebkraft zur Anode oder Kathode. Da die Membranen nur für Anionen oder Kationen
permeabel sind, können die entsprechend ionisierten Lösungen getrennt abgeführt werden.
Da Schwefelverbindungen in Mineralölkraftstoffen in unpolarer Form vorliegen, kann
die Elektrodialyse nicht zur Entschwefelung eingesetzt werden.
Die Umkehrosmose wird zur Abtrennung von in Wasser gelösten Komponenten verwendet.
Hauptsächlich wird sie zur Meerwasserentsalzung eingesetzt. Anwendungen zur Auftrennung
rein organischer Gemische sind bisher nicht bekannt. Daher wird das Verfahren
in dieser Arbeit zur Entschwefelung von Mitteldestillaten nicht weiter untersucht.
Obwohl bei der Nanofiltration nichtporöse Lösungs-Diffusionsmembranen eingesetzt werden,
wird das Trennverhalten meist mit dem Porenmodell beschrieben. Moleküle mit einer
Molmasse von weniger als 300 g/mol können die Membran passieren, während größere
zurückgehalten werden. Zusätzlich zeichnet sich die Nanofiltration durch eine gute Ionenselektivität
aus. Da Mitteldestillate keine ionisierten Verbindungen enthalten und zum anderen
die molaren Massen sowohl der Schwefelverbindungen als auch der übrigen Verbindungen
kleiner als 300 g/mol sind, ist die Nanofiltration nicht zur Entschwefelung
geeignet.
Die Pervaporation unterscheidet sich von der Gaspermeation nur hinsichtlich des Aggregatzustandes
des Feedstroms [122, S. 39f.]. Die Gaspermeation wird zur Trennung gasförmiger
Gemische eingesetzt, während die Pervaporation zur Trennung flüssiger
Feedströme dient. Aufgrund der Fokussierung auf die Entschwefelung in der Flüssigphase
wird die Gaspermeation nicht näher betrachtet. Die Pervaporation wurde für die Entschwefelung
von Kraftstoffen ausgewählt und ist im folgenden Abschnitt näher beschrieben.
53