rührkessel - Aachener Verfahrenstechnik - RWTH Aachen University

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Matthias Wessling gespannt. Im Jahr 2009 ist die AVT.CVT trotz einer Reihe abgeschlossener Promotionen größer geworden, da viele neue Projekte gewonnen werden konnten. Zu diesen Projekten gehören zum Beispiel die EU Projekte NameTech (Oberflächenmodifikation von Membranen), New ED (bipolare Elekrodialyse), Hi-Fre (hochfrequente Rückspülung) und TyG- Re (Synthesegasaufbereitung). Weiterhin wurde die Aktivität im Exzellenzcluster TMFB ausgeweitet und es konnten eine Reihe weiterer innovativer Projekte zum Beispiel im Rahmen von RWTH internen Pathfinderprojekten (Foulinguntersuchung mittels NMR, Einsatz von Hydrogelen in der Membrantechnik) in Angriff genommen werden. Anhand von drei ausgewählten Projekten soll im Folgenden ein Querschnitt aktueller Forschungsthemen der AVT.CVT vorgestellt werden. Siloxanentfernung aus Biogas mittels Membranen Das Methan in Klär- und Deponiegasen ist ein wertvoller regenerativer Energieträger. Die Nutzung dieser chemisch gespeicherten Energie erfolgt meist in einem Gasmotor, der mit einem Generator verbunden wird und elektrischen Strom liefert. Die Abwärme des Motors wird im Idealfall ebenfalls genutzt, zum Beispiel für die Beheizung von Räumen. Man spricht dann von Kraft-Wärme-Kopplung. Die wirtschaftliche Nutzung von Biogas kann allerdings durch Spurengase wie Siloxane beeinträchtigt werden. Diese machen eine Vorreinigung des Biogases notwendig, bisher meist mittels Aktivkohle. Siloxane sind in der Natur nicht vorkommende, siliziumorganische Stoffe, die während des Faulprozesses vom Biogas gestrippt werden. Auf Deponien entstehen sie durch die Zersetzung von Silikonabfällen, im Klärwerk werden Siloxane direkt durch das Schmutzwasser eingetragen. Zu hohe Siloxankonzentrationen im Gas führen zu Motorschäden oder schlechteren Abgasemissionen, da festes Siliziumoxid entsteht, das sich an Oberflächen absetzt. In einem durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Forschungsprojekt wird untersucht, ob Siloxane mittels Membrantechnik entfernt werden können. Hierfür wurden verschiedene gummiartige Filme hergestellt, und deren Per- meabilität für die wichtigsten Siloxane experimentell bestimmt. Fünf Materialien mit hohen Siloxanpermeabilitäten wurden daraufhin ausgewählt. Für die Überströmung mit realem Deponiegas über mehrere Wochen hinweg wurden dann Membranen mit aktiven Schichtdicken um 1 µm gefertigt. Wie effektiv die Membranen Siloxane abtrennen konnten wurde über eine regelmäßige Probenahme und Analysen per GC- MS bestimmt. Nun steht der Bau und Einsatz eines Membranmoduls (ca. 1m 2 ) unmittelbar bevor, womit die Reinigungsleistung verschiedener Verschaltungen bei unterschiedlichen Temperaturen über einen längeren Zeitraum untersucht werden soll. Die Technologie hat weitere Anwendungen: Siloxane befinden sich auch in der Abluft industrieller Prozesse und in Gasströmen industrieller Kläranlagen. Hier kann ein vorgeschaltetes Membranmodul sinnvoll sein. Abb.4: Versuchsaufbau zum Paralleltest mehrerer Membranen Spacerentwicklung Ein Schwerpunkt der Arbeit innerhalb der chemischen Verfahrenstechnik ist die Neu- und Weiterentwicklung von Membranmodulen. In diesem Zusammenhang wurde im letzten Jahr die Entwicklung eines neuen Spacerkonzepts innerhalb des vom BMBF unterstützten Projekts CarboMembran vorangetrieben. Spacer werden bei vielen Flachmembrananwendungen verbaut, um eine definierte Höhe des Strömungskanals zwischen Membranen zu erreichen. Gleichzeitig werden durch die Spacer Wirbel im Feedkanal verursacht, die die Konzentrationspolarisation verringern und dadurch den Stofftransport erhöhen. Standardmäßig werden dabei einfache, Rührkessel - Die AVT im Blick Chemische Verfahrenstechnik 6
netzförmige Spacer verwendet, die zwar den Stofftransport verbessern, jedoch einen hohen Druckverlust im Feedkanal verursachen. Durch die relativ große Auflagefläche auf der Membran können Netzspacer weiterhin für das Einsetzen von Biofouling verantwortlich sein, da im Bereich der Kontaktlinien zwischen Spacer und Membran Toträume in der Strömung entstehen und Regionen mit niedrigen Scherkräften an der Membran auftreten, wodurch eine sich entwickelnde Foulingschicht nicht mehr abgetragen wird. In Anlehnung an bekannte Geometrien statischer Mischer und strukturierter Kolonnenpackungen wurde eine zweilagige, mikrostrukturierte Spacergeometrie entwickelt (s. Abb. 5), die die membrannahe Konzentrationsgrenzschicht gezielt erneuert, so dass der Stofftransport weiter erhöht wird. Die Erneuerung der Konzentrationsgrenzschicht wird durch eine geometrieinduzierte, gezielte Durchmischung der Bulkströmung mit der membrannahen Strömung erreicht. Gleichzeitig wird die Entstehung und Ausbreitung einer Foulingschicht auf der Membran durch die Verwendung punktueller Kontaktstellen begrenzt, die im Gegensatz zu den linienförmigen Kontakten bei Netzspacern keine durchgehende Barriere im Strömungsfeld darstellen. Strömungssimulationen zeigen weiterhin, dass im Vergleich zu typischen Netzspacern höhere Scherkräfte an der Membran bei ähnlichem Druckverlust im Strömungskanal gefunden werden. Die Anwendung der Spacer wurde bisher für die Ultrafiltration und „dichte“ Membranverfahren wie die Umkehrosmose untersucht. Bei der Ultrafiltration höhermolekularer Stoffe wie Dextrane konnte der Energieeintrag bezogen auf die Produktmenge im Vergleich zur Verwendung von Netzspacern um bis zu 50% gesenkt werden. Dies lässt darauf schließen, dass der neugestaltete Spacer speziell bei ausgeprägter Konzentrationspolarisation – dies ist die Aufkonzentrierung der zurückgehaltenen Komponente an der Membran – große Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Spacern aufweist. Sogar eine Verwendung bei Membranbioreaktoren, bei denen bisher keine Spacer aufgrund der Verblockungsgefahr des Strömungskanals verwendet werden konnten, erscheint aufgrund der Barrierefreiheit im Strömungskanal möglich und wird gegenwärtig untersucht. Für die Spacer wurde 2008 eine Patentanmeldung in Deutschland vorgenommen und 2009 auf eine europäische Patentanmeldung erweitert. Abb.5: Spacerprototyp Wasserwiedergewinnung im EU-Projet Reclaim Water Mit zunehmender Wasserknappheit und sinkenden Grundwasserspiegeln, die weltweit nicht nur aride Regionen, sondern aufgrund eines hohen Nutzungsdrucks inzwischen auch gemäßigte Regionen betrifft, gewinnt die Wiedergewinnung von Abwasser zu Brauch- und Trinkwasser an Bedeutung. Hauptziel der weitergehenden Wasseraufbereitung zum Wasserrecycling ist die Desinfektion und die Elimination organischer Restbelastung, vor allem von Spurenstoffen wie Industriechemikalien und Pharmazeutika. Hierfür kommen neben etablierten Prozessketten wie Ultrafiltration gefolgt von Umkehrosmose bei entsprechender Rohwasserqualität auch Kombinationen von Aktivkohle und Nanofiltration in Frage, bei denen beispielsweise Pulveraktivkohle in den Zulauf einer Nanofiltration dosiert wird. Zur realitätsnahen Untersuchung der Verfahrenskombinationen wurden auf der Kläranlage Aachen-Soers mittels verschiedener Pilotanlagen der Rückhalt von pathogenen Keimen und Schwermetallen sowie das Potenzial zur Entfernung von organischen Spurenstoffen aus konventionell gereinigtem Abwasser untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Aktivkohle-Nanofiltrationsverfahren eine technisch und wirtschaftlich interessante Alternative zu den etablierten Verfahren darstellen. Vorteile ergeben sich durch geringeren Energiever- 7 Chemische Verfahrenstechnik Rührkessel - Die AVT im Blick
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