Ziel der Entwicklung

Die Auslegung technischer Adsorber basiert momentan im Wesentlichen auf der Kenntnis von Isothermen bzw. Sorptionskapazitäten der zu adsorbierenden Komponente an der für die Abtrennung genutzten porösen Materialien. Eine Bewertung der Kinetik und somit eine Abschätzung der sogenannten Massentransferzone erfolgt in den wenigsten Fällen. Darüber hinaus sind die Bedingungen zur Erstellung solcher Gleichgewichtsdaten oftmals nicht praxisrelevant. Für eine Optimierung technischer Sorptionsprozesse ist jedoch die Kenntnis des gesamtheitlichen Verhaltens solcher Materialien (Sorptionskapazität und Sorptionskinetik) unter praxisrelevanten Bedingungen zwingend notwendig. Diese Informationen sind aus Durchbruchsexperimenten im Labormaßstab zugänglich, wenn diese hinsichtlich ihrer Gültigkeit, Skalierbarkeit und Übertragbarkeit bewertet werden (scale-down). Wichtige Bewertungskriterien sind die Abschätzung bzw. Vermeidung von Randgängigkeiten, Einhaltung anwendungsrelevanter Drücke bzw. Konzentrationen, Fluidgeschwindigkeiten, Partikelgrößen und Reaktorgeometrie. Zusätzlich dazu ist bei technischen Adsorbern mit Koadsorptions- und Verdrängungseffekten zu rechnen. Diese Effekte bedingen auch eine analytische Fragestellung hinsichtlich des relevanten Konzentrationsbereichs und der separaten Detektion bei Mehrkomponentensystemen.
Zur Untersuchung von dynamischen Sorptions- bzw. Reaktivprozessen in der Gas- als auch in der Flüssigphase sollten im Rahmen des Vorhabens Messanordnungen entwickelt, getestet, aufgebaut und deren prinzipielle Arbeitsweise demonstriert werden. Diese Anordnungen werden bezüglich der Prozessparameter so ausgelegt, dass eine Übertragbarkeit der Daten auf die technische Ebene gewährleistet wird (scale-down). Das Konzept für die Anordnungen orientiert sich an den konkreten Fragestellungen aus der chemischen Industrie, sodass eine Optimierung der technischen Prozesse in einem im Labor realisierbaren Maßstab ermöglicht wird. Es sollen sowohl Messanordnungen für das INC selbst gebaut (Angebot von Mess-, Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen) als auch für externe Nutzer konzipiert (Vertrieb von Messanordnungen mit Partnern) werden.
Es wurde jeweils eine Anordnung für die Gasphase und die Flüssigphase entwickelt und getestet. Beide Systeme können entsprechend der Anforderungnen mit verschiedenen Detektoren bzw. Probesammelsystemen ausgestattet werden (Baukastenprinzip). Des Weiteren erfolgte eine Entwicklung und Testung von metalldotierten Materialien für adsorptive Anreicherungs- und Reinigungsprozesse.

Vorteile und Lösungen

Kunden- und Umweltanforderungen:
Diese im Rahmen des Vorhabens entwickelten Anordnungen können auf spezielle Anforderungen, Messaufgaben oder Prozesse der Kunden zugeschnitten werden. Damit sind genau die für den entsprechenden Anwendungsfall notwendigen spezifischen Daten und Prozessparameter generierbar.
Die Anordnungen können beispielsweise für folgende Messaufgaben eingesetzt werden:
- Bestimmung von Datensätzen für die Auslegung von Adsorptionsprozessen in der Abgasbehandlung (z.B. Entfernung von Schwefelkohlenstoff aus dem Abgas der Zellulosefaserherstellung);
- Ermittlung von Basisdaten zur Auslegung von adsorptiven Gastrennprozessen (z.B. die Abtrennung von höhersiedenden Kohlenwasserstoffen aus Erdgas);
- Untersuchungen von kinetisch limitierten Druckwechseladsorptionsprozessen im Bereich der adsorptiven Luftzerlegung, der Kohlendioxidentfernung aus methanhaltigen Gasgemischen an Kohlenstoffmolekularsieben und der Aufreinigung von Wasserstoff-haltigen Gemischen aus der Dampfreformierung;
- Generierung von Datensätzen zur Auslegung von Anlagen zur Gewinnung von Wertstoffen aus der Wasserphase (z.B. Isolierung von Iod aus Schichtenwasser, das bei der Erdölförderung anfällt oder die Anreicherung und Separation von Seltenen Erden aus Aufschlusslösungen);
- Ermittlung von Stoff- und Prozessparametern zur Planung und Konzipierung von Anlagen und Prozessen in der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung (z.B. Entfernung von schwer biologisch abbaubaren Pharmainhaltsstoffen und deren Abbauprodukten aus Trink- und Oberflächenwasser).
Als mögliche Anwendungsbereiche wurden bisher identifiziert:
- Atemschutztechnik (Feuerwehr und Katastrophenschutz)
- Wasserstoffspeicherung in Fahrzeugtanks
- Methanspeicherung in Kraftfahrzeugen
- Reinigung gasförmiger Energieträger (Schwerpunkt Wasserstoff, Methan)
- Biogasaufarbeitung zu Erdgas
- Adsorptive Luftzerlegung
- Abgasbehandlung
- Abwasserreinigung
- Isolierung von Wertstoffen aus Fermentationsprozessen
- Entfernung von Pharmainhaltsstoffen bzw. deren Abbauprodukte aus Ab- und Trinkwasser
- Detoxifizierung von Wässern durch Schwermetallentfernung
- Gewinnung von Wertstoffen aus Abgasströmen
- Lösungsmittelrecycling – Gewinnung von abgedampften Lösungsmitteln aus Abgasströmen durch adsorptive Verfahren.
Die entwickelten Anordnungen sind für:
- Hersteller von Adsorbentien,
- Hersteller und Betreiber von Adsorptionsanlagen und
- Ingenieure, Planer und Verfahrenstechniker
von Bedeutung.
Eine Optimierung von Verfahrensparametern hat signifikanten Einfluss auf die Effektivität von Anlagen und damit auf die Verfahrenskosten.
Vorteile gegenüber den bisher auf dem Markt befindlichen Erzeugnissen:
Geräte für praxisrelevante Tests im Labormaßstab, d.h. Messungen von Durchbruchskurven unter prozessnahen Bedingungen, sind für die Gasphase kaum und für die Wasserphase nicht erhältlich. Nachteile der verfügbaren Geräte sind der hohe Preis und die Einschränkung auf Gase. Das Durchbruchsverhalten von Dämpfen und chemische Reaktionen von Gasen an reaktiven Materialien können mit diesen Systemen nicht gemessen bzw. untersucht werden.
Mit der entwickelten Messanordnung für die Gasphase können Durchbruchskurven gemessen werden. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Adsorbentien zwangsdurchströmt sind, dass aufgrund der dynamischen Messung eine praxisnahe Charakterisierung der Adsorbentien möglich ist und damit der Anwendungsfall beschrieben wird. Des Weiteren sind Messungen von Dämpfen und Gemischmessungen möglich. Mit den erhaltenen Daten kann ein scale-up erfolgen.
Mit der entwickelten Messanordnung für die Wasserphase können erstmals Durchbruchskurven im Labormaßstab bestimmt werden. Mit den erhaltenen Daten kann ein scale-up für eine technische Anlage erfolgen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Diese entwickelten Anordnungen sollen entweder an entsprechende Kunden verkauft oder mit diesen direkt am INC Auftragsmessungen durchgeführt werden.
Der Bedarf für die Messungen von Durchbruchskurven sowohl in der Gasphase als auch in der Flüssigphase wird als umfangreich eingeschätzt.
Die während der Vorhabensbearbeitung generierten Ergebnisse und gesammelten Erfahrungen sollen im Rahmen weiterer Forschungsprojekte angewendet und vertieft werden. So sind Forschungsprojekte zur Entwicklung von modifizierten porösen Materialien geplant.