Pervaporation

Pervaporation

Pervaporation ist ein Verfahren zur Auftrennung von Stoffgemischen. Hierbei wird ein Feedstrom
über eine Membran geleitet, auf der Rückseite der Membran (Permeatraum) wird ein Vakuum
angelegt. Die Membran wirkt hier als eine bezüglich der Komponenten des Stoffgemisches selektive
Barriere zwischen der flüssigen Phase (feedseitig) und der gasförmigen Phase (permeatseitig).
 

   

 Abb.1: Membran-Querschnitt

 Abb. 2: Konzentrationsprofil

 

Als Membranen werden häufig nicht-poröse Kompositmembranen verwendet, die zum Einen kommerziell verfügbar sind oder zum anderen auch problemlos im Labor in kleinem Maßstab hergestellt werden können. Hierfür wird eine unporöse aktive Schicht, die für die Selektivität des Trennprozesses des Stoffgemisches verantwortlich ist, auf eine poröse Stützschicht, die der mechanischen Stabilisierung der aktiven Schicht dient, aufgebracht (Abb. 1).

Anders als bei porösen Membranen (Knudsen-Diffusion) wird die Funktionsweise einer nicht-porösen Membran durch das Modell der Lösungs-Diffusions-Membran beschrieben. Die abzutrennende Komponente wird hier zunächst an der aktiven Schicht (Membranoberfläche) adsorbiert, diffundiert durch diese in gelöstem Zustand, desorbiert an dessen Rückseite und verdampft durch die poröse Stützschicht der Membran hindurch in den gasförmigen Permeatraum (Abb. 2).

Welche Komponenten bevorzugt durch die Membran hindurch permeieren, hängt neben dem Dampfdruck der Komponenten wesentlich von der Polarität/ Hydrophilizität der einzelnen Komponenten sowie der aktiven Schicht ab. So werden bei der organophilen Pervaporation Membranen mit hydrophober Oberfläche eingesetzt: Grundsätzlich permeieren hier sowohl die organophile als auch die hydrophile Komponente des Stoffgemisches durch die Membran, durch den hydrophoben Charakter der aktiven Schicht wird allerdings die Diffusion der organophilen Komponente im Vergleich zur hydrophilen Komponente begünstigt, wodurch eine Abreicherung der organophilen Komponente im Feed erreicht wird. Andere Komponenten (z.B. Tenside) permeieren hingegen gar nicht, was z.B. durch ihre schlechte Löslichkeit in der aktiven Schicht oder ihrer Molekülgröße begründet sein kann.

 

 

 

Anwendung

Abb. 1: Pervaporation in der Bodensanierung

Ein Anwendungsbeispiel der organophilen Pervaporation liegt in der Sanierung kontaminierter Böden, bei der wässrige Tensidlösungen durch verunreinigtes Erdreich gepumpt werden. Hierbei können durch die solubilisierende und mobilisierende Wirkung des Tensids in der Waschlösung, das oberhalb der kritischen Mizell-Bildungskonzentration (CMC) in Form von Mizellen vorliegt, dessen Innenraum hydrophob ist, im Extrakt weitaus höhere Schadstoffkonzentrationen im Extrakt erreicht werden, als dies z.B. mit Wasser als Waschflüssigkeit der Fall wäre. Es bildet sich ein Verteilungsgleichgewicht des Schadstoffes zwischen mizellarer und extrmizellarer Phase aus, das sich mit zunehmender Tensidkonzentration in Richtung mizellarer Phase (hydrophober Innenraum der Mizellen) verschiebt.

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist jedoch dadurch beeinträchtigt, dass man das Extrakt (tensidhaltige Schadstoff–Lösung) nicht weiter verwenden kann. Es ist daher erforderlich, den Schadstoff vollständig und selektiv aus dem Extrakt abzutrennen. Dadurch bestünde die Möglichkeit, das regenerierte Extrakt wieder als Waschlösung zu verwenden und das Verfahren als kontinuierlichen Kreislaufprozess zu betreiben.

Hier liegt die Anwendung der organophilen Pervaporation: Tenside werden von der Membran vollständig zurückgehalten, während die Membran selektiv permeabel bezgl. des organischen Schadstoffes ist. Dadurch erfolgt eine Abreicherung des Feeds und eine Anreicherung des Permeats an Schadstoff. Im Vergleich zur Pervaporation sind konventionelle Verfahren wie Destillation oder Adsorption an Aktivkohle nicht in wirtschaftlich effizientem Rahmen durchführbar; Strippverfahren mit Luft oder unter Vakuum sind durch die z.T. starke Schaumbildung ebenfalls nur begrenzt einsetzbar. Hier stellen Membran-Trennverfahren wie die organophile Pervaporation eine sehr gute Alternative dar.

Quellen

Arbeiten am Institut


Jean-Louis Philippe (Dissertation 1997)
Lösungsmittelrückgewinnung aus Abluftströmen durch Absorption und Pervaporation.
VDI-Verlag Düsseldorf (1997), Fortschritt-Berichte Reihe 15 (Umwelttechnik) Nr. 192, ISBN 3-18-319215-2

Christine Baus (Dissertation 2002)
Untersuchungen zur organophilen Pervaporation hochverdünnter wässriger Gemische.
VDI-Verlag Düsseldorf (2002), Fortschritt-Berichte Reihe 3 (Verfahrenstechnik) Nr. 721, ISBN 3-18-371203-1

Oliver Richter (Studienarbeit 2003)
Untersuchungen zum Verteilungsgleichgewicht von p-Xylol in Mizellaren Lösungen
Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Gittel, Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. K. Schaber
SA Richter (2003).pdf


Thomas Gittel (Dissertation 2004)
Aufarbeitung mizellarer Lösungen durch organophile Pervaporation.
Shaker Verlag Aachen (2004), ISBN 3-8322-2705-9
Diss Gittel (2004).pdf

Tobias Jakobs (Studienarbeit 2005)
Organophile Pervaporation mit unbehandelten und funktionalisierten PDMS-Membranen
Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Hartwig, Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. K. Schaber
SA Jakobs (2005).pdf

Mariana Miyuki Arakaki (Projektarbeit im Rahmen des UNIBRAL-Austauschprogramms 2005)
"Organophilic Pervaporation of Surfactant Solutions of Volatile Organic Compounds Quantitative Analysis of Mass Transfer for the System CTAB-Naphthalene-Water"
Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Hartwig

Veröffentlichungen


Th. Gittel: Aufbereitung von Extrakten aus hydraulischen In-situ Bodensanierungsverfahren durch Pervaporation; Abschlussbericht BWSD 99002 (2001)
Schlussbericht BWPLUS (2001).pdf

K. Schaber; A.M. Braun; C. Baus; I. Gassiot-Pinori
Separation and oxidative degradation of organic pollutants in aqueous systems by pervaporation and vacuum-ultraviolett-photolysis
Separation and Purification Technology 28 (2003) S. 125-140

Th.
Gittel, Th. Hartwig, K. Schaber:
Separation of Organic Compounds from Srufactant Solutions by pervaporation. The Influence of a Micellar Phase on Mass Transfer
Zeitschrift für Physikalische Chemie 219 (2005) S. 1243-1259
ZPC 219 (2005).pdf

Sonstige Literatur

Vane L.M.; Hitchens L., Alvarez F.R., Giroux E.L.      
Field demonstration of pervaporation for the separation of 
volatile organic compounds from a surfactant-based soil remediation fluid      
Journal of Hazardous Materials B81 (2001), S. 141-166                                                                                                 

Kober, P.A.
Pervaporatin, Perstillation and Percrystallization
Journal of the American Chemical Society 39 (1917), S. 944-948