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Verfahrenstechnik 9/2020

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Verfahrenstechnik 9/2020

VERFAHRENSTECHNIK IM

VERFAHRENSTECHNIK IM ALLTAG I SERIE Gefangen im Netz Effiziente Gastrennung dank poröser Flüssigkeiten Ein neues Material eröffnet die Möglichkeit, beim Abtrennen von Rohstoffen für die Kunststoffindustrie bis zu 80 Prozent Energie einzusparen. Ein Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit Partnern „poröse Flüssigkeiten“ entwickelt: In einem Lösemittel schweben – fein verteilt – Nanoteilchen, die Gasmoleküle verschiedener Größen voneinander trennen. Denn die Teilchen besitzen leere Poren, durch deren Öffnungen nur Moleküle einer bestimmten Größe eindringen können. Die porösen Flüssigkeiten lassen sich direkt einsetzen oder zu Membranen verarbeiten, die Propen als Ausgangsstoff für den weit verbreiteten Kunststoff Polypropylen effizient aus Gasgemischen abtrennen. Die bislang übliche energieaufwändige Destillation könnte somit ersetzt werden. Gewonnen wird Propen vor allem bei der Aufbereitung von Rohöl oder natürlichem Erdgas, wobei es durch Destillation von anderen Gasen separiert und gereinigt wird. Autor: Dr. Joachim Hoffmann, Redakteur/ Pressereferent, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe „In der Fachliteratur geht man davon aus, dass die Gastrennung in der Petrochemie mithilfe von Membranen nur ein Fünftel der Energie kosten würde, die für Destillationen benötigt wird. Das bedeutet angesichts des hohen Propen-Bedarfs eine Einsparung riesiger Mengen des Treibhausgases CO 2 “, so Nachwuchsgruppenleiter Dr. Alexander Knebel vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT. Die Forschenden starteten bei ihrer Arbeit mit dem festen Material ZIF-67 (zeolitic imidazole framework), dessen Atome ein Metall-Organisches Netzwerk mit 0,34 nm breiten Porenöffnungen bilden. Dabei veränderten sie Nanopartikel von ZIF-67 gezielt an der Oberfläche. „Dadurch gelang es uns, erstmals ein Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten wie Cyclohexan, Cyclooctan oder Mesitylen fein zu verteilen, also zu dispergieren“, sagt Knebel. Die entstandene Dispersion nennen die Wissenschaftler poröse Flüssigkeit. Feste Trennmembran Für den Weg durch eine Säule, die mit der porösen Flüssigkeit gefüllt ist, braucht gasförmiges Propen deutlich länger als bspw. Methan. Denn Propen wird in den Poren der Nanopartikel gleichsam festgehalten, die kleineren Methanmoleküle hingegen nicht. Doch mit den porösen Flüssigkeiten lassen sich auch feste Trennmembranen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften produzieren. So stellte das Team Membranen aus einem Kunststoff und dem chemisch modifizierten ZIF-67 her. Dabei konnte es den Anteil an modifiziertem ZIF-67 in der Membran bis auf 47,5 % erhöhen, ohne dass diese mechanisch instabil wurde. Für den praktischen Einsatz einer solchen Membran ist neben dem Trennvermögen entscheidend, wie hoch die Menge eines Gasgemisches ist, die in einer bestimmten Zeit hindurchgeleitet werden kann. Diese Durchflussrate war bei den neuen Membranen mindestens dreimal so hoch wie bei bisherigen Materialien. Knebel ist aufgrund der erzielten Trennwerte davon überzeugt, dass es sich für die petrochemische Industrie erstmals auszahlen würde, zur Gastrennung Membranen statt herkömmlicher Destillationsverfahren einzusetzen. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Membranen ist, dass möglichst viele Metall-Organische Partikel einheitlich im Kunststoff verteilt werden können und dass die Poren in den Nanopartikeln bei der Membranherstellung nicht durch Lösemittel verstopft sind, also gleichsam leer bleiben. „Beides konnten wir erreichen, weil wir nicht direkt feste Partikel in die Membran eingearbeitet haben, sondern den scheinbaren Umweg über die porösen Flüssigkeiten gegangen sind“, erläutert Knebel. Foto: Alexander Knebel, KIT www.kit.edu 58 VERFAHRENSTECHNIK 09/2020 www.verfahrenstechnik.de

VORSCHAU IM NÄCHSTEN HEFT: 10/2020 ERSCHEINUNGSTERMIN: 21. 10. 2020 • ANZEIGENSCHLUSS: 06. 10. 2020 01 02 03 04 01 Durch ein Mess-, Regel- und Automatisierungssystem können viele Schritte im Brauprozess kombiniert werden, wodurch auf Dauer Kosten erheblich reduziert werden können (Foto: Jumo) 02 Mit einem Wärmepumpensystem reduziert eine Molkerei den Verbrauch fossiler Brennstoffe um bis zu 80 % (Foto: Gea) 03 Im Supplement UMWELTTECHNIK steht u. a. der produktionsintegrierte Umweltschutz im Fokus – zum Bespiel bei geschlossenen Materialkreisläufen für Kunststoffprodukte (Foto: Pöppelmann) Der direkte Weg Internet: www.verfahrenstechnik.de E-Paper: digital.verfahrenstechnik.de Redaktion: redaktion@verfahrenstechnik.de 04 Welle-Nabe-Verbindungen werden in Edelstahlausführung in den Antriebssträngen von Pumpen und Rührwerken eingesetzt, die hohen Belastungen ausgesetzt sind (Foto: Stüwe) (Änderungen aus aktuellem Anlass vorbehalten) www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 09/2020 59

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Verfahrenstechnik Handbuch Prozesstechnologie 2019