Improving Efficiency

Der Schlüssel für die Erhöhung der Effizienz chemischer Verfahren ist der Einsatz von Membranen zur Produkttrennung und Produktreinigung im Downstream-processing.

Triebkraft für die Membrantrennung ist nicht der Temperaturunterschied, sondern der Gradient im chemischen bzw. elektrochemischen Potential, der sich je nach Membranverfahren als Gradient im Druck, Partialdruck (bzw. Fugazität), der elektrischen Ladung oder der Stoffkonzentration ausdrückt. Membranverfahren sind deshalb gegenüber thermischen Verfahren erheblich günstiger und verbrauchen z. B. gegenüber der Destillation 80 % weniger Energie (Materials for Separation Technologies: Energy and Emission Reduction Opportunities, DOE report 4 May 2005).

In entwickelten Industrieländern entfällt ca. 16 % des Energieverbrauchs auf die Stofftrennung in der Chemie, die etwa zur Hälfte durch Destillation realisiert wird. Bei einem Ersatz der Destillation durch Membrantrennung könnte man ca. 10 % des Gesamtenergieverbrauchs einsparen (Nature 532 (2016) 435-437).
 

In folgenden Anwendungen haben Membranverfahren ihre Vorteile bereits unter Beweis gestellt (Positionspapier von Dechema, VDI und DGMT, 2022):

• Abtrennung gelöster Nebenprodukte und Konzentrierung von gelösten Farbstoffen, Pigmenten und nanopartikulären Produkten (NF, UF, MF)
• Recycling suspendierter und homogener Katalysatoren (NF, UF, MF), in der Regel eng mit der Reaktionsstufe kombiniert
• Abtrennung von Wertstoffen aus Syntheseausträgen und Rückführung in die Synthesestufe (NF, UF, MF)
• Fraktionierung oder Restmonomerabtrennung von Polymeren (UF)
• Zellabtrennung, Produktkonzentrierung und Produktreinigung (UF, MF) sowie Freisetzung organischer Säuren (bipolare ED) im Rahmen der weißen Biotechnologie
• Wasserstoffabtrennung und Rückführung bei der Ammoniaksynthese, Einstellung von Synthesegaszusammensetzungen, CO₂-Abtrennung aus Methan und O₂-Abtrennung aus Luft (GT)
• Abwasserkonzentrierungen (UO, NF, UF, MF) und Konzentratbehandlung für abwasserfreie Produktionsprozesse (zero liquid discharge (ZLD))
• Abtrennung organischer Dämpfe aus Ab- und Prozessgasströmen zur Schließung von Stoffkreisläufen

Mit der Erhöhung der Energiepreise und Verringerung der Energieversorgungssicherheit wächst das Interesse an Membranverfahren. Voraussetzung ist die Verfügbarkeit selektiver und stabiler Membranen.

Institute der Fraunhofer-Gesellschaft entwickeln und erproben neue Membranen. Das betrifft Polymermembranen, Mixed-Matrix-Membranen und anorganische Membranen und reicht von der Flüssigfiltration (Mikro-, Ulta- und Nanofiltration, Umkehrosmose und Osmose) bis zu Pervaporation, Dämpfepermeation und Gastrennung. Membranmuster sind im technischen Maßstab verfügbar. Es werden Verfahren mit den neuartigen Membranen entwickelt und erprobt. Dafür stehen Anlagen vom Labor- bis in den Pilotmaßstab bereit.