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Abreicherung von CO2 aus CO2-H2-Gemischen mit aminfunktionalisierten Polymermembranen

Mecadi GmbH

10. Anhang

10.1 Verzeichnis der verwendeten Symbole

Symbol Bezeichnung Einheit
Volumenstrom Volumenstrom m3·s-1
α Trennfaktor -
η Wirkungsgrad -
γ cp/cv -
Δm Molare Leitfähigkeit S·cm2·mol-1
A Fläche m2
Ap Produktausbeute %
D Diffusionskoeffizient m2·s
dp Porendurchmesser m
Hc Henry-Konstante cm3·bar·Ncm3
IEC Ionenaustauscherkapazität meq·g-1
Index F Feed -
Index P Permeat -
Index R Retentat -
J Fluss kg·m-2·s-1
L "time lag" s
M Molmasse g·mol-1
P Permeabilität Nm3·m-2·h-1·bar-1 oder barrer
p Partialdruck Pa
S Löslichkeitskoeffizient Ncm3·cm-3·bar-1
V Volumen m3
w Arbeit kJ·mol-1
wc Wassergehalt %
x() Stoffmengenanteile -
x Membrandicke m

10.2 Verzeichnis der verwendeten Geräte

Messgröße/Methode Gerät Typ/ Hersteller Standort
c(CO2), c(H2) Gaschromatograph HP 5880 FZ KA, ITC-CPV
IR BioRad FTS 175C FZ KA, ITC-CPV
TG/DTA Thermowaage Netsch STA 409 FZ KA, ITC-CPV
TG-MS Du Pont, Balzers Universität Karlsruhe,ICT-EBI/VT
IEC Titroprozessor Schott, alpha line PCA GmbH
Reinraumarbeitsplatz Holten Lamin Air ECT GmbH
Membranwiderstand Messbrücke Wayne Kerr Universität Saarbrücken

10.3 Verzeichnis der verwendeten Software

Name Anwendung Standort
Origin V 5.0 Auswertung Permeabilitätsmessungen ECT GmbH

10.4 Druckanstiegsapparatur

10.4.1 VT-Diagramm

VT-Diagramm

10.4.2 Membranmodul

Abbildung 48: Messzelle fuer Druckanstiegsapparatur mit Waermetauscherspirale beim Zusammenbau der Druckanstiegsapparatur
Abbildung 48: Messzelle für Druckanstiegsapparatur mit Wärmetauscherspirale beim Zusammenbau der Druckanstiegsapparatur

10.4.3 Auslegung der Wärmetauscher Feedgas

Die Gasströme (Feed, Spülgas optional) passieren vor der Messzelle einen Wärmetauscher, der das Gas auf Messtemperatur temperiert bzw. nach der Messzelle einen Wärmetauscher, der das Gas auf eine Temperatur von 20 °C bzw. 25 °C für die Volumenstrommessung einstellt. Realisiert sind die Wärmetauscher als Edelstahlrohre (Aussendurchmesser 6 mm, Innendurchmesser 4 mm). Die Rohre sind platzsparend zu Wendeln gebogen. Die Wendel für die Gaszufuhr befindet sich wie die Messzelle im temperierten Wasserbad.

Abzuschätzen ist nun, wie lang die Wärmeaustauscherrohre für die Messzelle sein müssen. Dafür werden folgende Betriebsdaten der Messzelle angenommen: max. Betriebsdruck 10 bar, maximale Messtemperatur 80 °C.

Es ergeben sich die in Abbildung 49 gezeigten Temperaturverläufe (Methode: Finite Elemente, selbst programmierte Software) im Wärmetauscher. Das Wärmetauscherrohr muß also für übliche Betriebsbedingungen nur 50 cm lang sein. Ein ca. 2 Meter langes Rohr deckt auch obere Grenzbereiche der Messeinrichtung ab. Für das Wärmetauscherrohr Permeat zur Volumenmessung (Abkühlung) gilt analoges.
Abbildung 49: Temperaturverlaeufe im Waermetauscher zwischen Gasversorgung und Messzelle,
Abbildung 49: Temperaturverläufe im Wärmetauscher zwischen Gasversorgung und Messzelle, CO2, 10 bar Betriebsdruck, Volumenströme bezogen auf entspannte Gase.

10.5 Spülgasapparatur Hydra II

10.5.1 VT-Diagramm

VT-Diagramm der Hochdruckmeßeinrichtung Hydra II
Abbildung 50: VT- Diagramm der HochdruckMesseinrichtung Hydra II.

10.5.2 Membranmodul und Anlagenansicht, Forschungszentrum Karlsruhe

Abbildung 51: Gesamtansicht der Anlage im Forschungszentrum Karlsruhe.
Abbildung 51: Gesamtansicht der Anlage im Forschungszentrum Karlsruhe.
Abbildung 52: Hochdruckmembranmodul
Abbildung 52: Hochdruckmembranmodul

10.5.3 Geräteliste Hydra II

Gerät Typ Techn. Daten Hersteller
Autoklav Feeddiv HPM-T max. 200 bar Premex Reactor AG (WIKA)
Trennzelle - max. 100 bar Werkstatt ITC-CPV
Druckminderer FMD-500-16-MF Eingang nach DIN477 0-100 bar Druva, Heidelberg
Autoklav Spülgas max. 100 bar Werkstatt ITC-CPV
Druckhalteventil (PIC) und Steuerung P-522C-FA-33V-400A max. 100 bar, 0-1 l/min Bronkhorst
Thermostat Haake N6, Badgefäß C41 - Haake
DurchFlussregler, FIC H2: F230M-FA-33V, CO2: F231M-FA-33V, Ar: F230M-FA-33V 500 ml/min (100- 200 bar), 0- 500 ml/min (24- 30 bar), 0-50 ml/min (100-200 bar) Bronkhorst
Berstscheibe Ansprechdruck 105 bar, 30 °C
Verrohrung 1/4", Edelstahl
Hähne SS-42S4, SS-43S4, SS-21RS4, SS-DL-56M Feinregulierventile Swagelok
Polizeifilter 0,2 μm Swagelok
Temperierbad, Aufhängung Zelle - Edelstahl Werkstatt ITC-CPV
O-Ring Zelle Viton
Manometer EN 837-1, DIN 3A 001 Bis 160 bar, Bis 100 bar WIKA

10.5.4 Auslegung der Überströmungsraten für den Feed

Zur Membrancharakterisierung sollen Betriebspunkte mit in etwa gleichbleibender Zusammensetzung des Feedgemisches in der gesamten Zelle realisierbar sein, d.h. die Überströmungsraten müssen im Vergleich zu den Permeationsraten groß gewählt werden. Es läßt sich dann das Modell der idealen Durchmischung anwenden, wie es für den kontinuierlich betriebenen Rührkessel gilt.

Für ein binäres Gemisch mit den Komponenten A und B, wobei A die bevorzugt permeierende Komponente ist, soll die änderung des Stoffmengenanteils Δx der Komponente A klein sein.

Diese Bedingung formuliert sich mit der Massebilanz über die Trenneinheit (vgl. Abbildung 3 ) gemäß Gl. 75:
Gl.65: Massebilanz ueber die Trenneinheit
(Gl. 65)
Da die Komponente A die bevorzugt permeierende ist, ist deren Stoffmengenanteil im Feed xF immer größer als der Stoffmengenanteil im Retentat xR.
Gl.66: Stoffmengenanteil im Feed und im Retentat
(Gl. 66)
Die Stoffmengenanteile ergeben sich jeweils aus dem Quotient des Volumenstroms einer Komponente und dem Gesamtvolumenstrom:
Gl.67: Stoffmengenanteile ergeben sich jeweils aus dem Quotient des Volumenstroms einer Komponente und dem Gesamtvolumenstrom
(Gl.67)
Summe aus Permeatvolumenstrom und Retentatvolumenstrom sind gleich dem Feedvolumenstrom:
Gl.68: Summe aus Permeatvolumenstrom und Retentatvolumenstrom sind gleich dem Feedvolumenstrom
(Gl.68)
Umformung ergibt:
Gl.69: Umformung von Gl. 68
(Gl.69)
Mit
Gl.70
(Gl.70)
erhält man :
Gl.71
(Gl.71)
Mit
Gl.72
(Gl.72)
erhält man:
Gl.73
(Gl.73)
Umformen ergibt:
Gl.74
(Gl.74)
Gl.75
(Gl.75)
Der minimale Retentatvolumenstrom Minimales Retentatvolumen, für den sich die Feedzusammensetzung um weniger als Δx ändert, beträgt also:
Gl.76
(Gl.76)
Somit folgt aus der Massebilanz über die Trenneinheit für den minimalen Feedvolumenstrom:
Gl.77: Minimaler Feedvolumenstrom
(Gl.77)
Der Permeatvolumenstrom ergibt sich aus der Summe der Permeabilitäten der Komponenten A und B. Eingesetzt werden die auf Membranfläche, Partialdruckdifferenz und Zeit normierten Permeabilitäten J. Da diese Permeabilitäten Funktionen der Parameter Feeddruck, Temperatur, Druckdifferenz über die Membran der und Feedzusammensetzung sind, sind hier den experimentellen Bedingungen angelehnte Werte berücksichtigt worden.

Mit den über das Modul gemittelten Partialdruckdifferenzen der Komponenten gilt:
Gl.78
(Gl.78)
Bei höheren Drücken sind statt der Partialdruckdifferenzen die Fugazitätsdifferenzen zu verwenden.

Der Stoffmengenanteil der Komponente A im Permeat xP ergibt sich mit den Permeabilitäten:
Gl.79
(Gl.79)
Mit Gl. 13 erhält man:
Gl.80
(Gl.80)
Da Δx klein gewählt wird, ist davon auszugehen, daß näherungsweise xR = xF ist. Es ist dann noch zu ermitteln, wie die mittleren Partialdruckdifferenzen zu beschreiben sind. Feedseitig wird näherungsweise davon ausgegangen, daß die Partialdrücke konstant sind (Δx klein). Permeatseitig wird mit einem Spülgas gearbeitet, daß heißt die Partialdrücke der Komponenten A und B gehen näherungsweise im gesamten Modul gegen Null.

Somit lassen sich die Partialdrücke p mit dem Gesamtdruck im Feedraum PF und den Stoffmengenanteilen beschreiben (Gl. 81).
Gl.81
(Gl.81)
Der Druck PF wird dabei in der Einheit bar angegeben, in der die Permeationsraten J normiert sind. Bei Umgebungsdruck im Feedraum, der mit der Komponente A befüllt ist, liegt über die Membran eine Partialdruckdifferenz von 1 bar an, da der Permeatraum mit Spülgas befüllt ist.

Zur Festlegung der in der Messeinrichtung (vgl. Abbildung 50) notwendigen überströmungsraten dient, als Beispiel für den Grenzfall maximaler Permeationsraten, eine hochpermeable Membran aus PDMS. Ausgegangen wird dabei von einer Membranzelle mit einer Membranfläche von 56,3 cm .
Abbildung 6: Minimaler Feedvolumenstrom
Abbildung 53: Minimaler Feedvolumenstrom
Aufgrund dieser Berechnungen wurden die Feedzuführung mit MassendurchFlussreglern von 0-100 Nml·min -1 pro Einzelgas ausgestattet.

10.5.5 Auslegung Spülgasmenge

Bei Messungen mit hohen Feeddrücken muß, um die Membran nicht mit einer zu großen Druckdifferenz zu belasten, permeatseitig ein Stützdruck aufgebaut werden.

Erfolgt dies nur durch über die Membran permeierendes Gas, ist der Vorgang sehr langsam. Wird mit der Feedgaszusammensetzung der Permeatraum befüllt, daürt es sehr lange, bis sich im Permeatraum gleichbleibende Konzentrationen eingestellt haben, aus denen die Trennleistung der Membran berechnet werden kann. Bei Feeddrücken über 60 bar ist eine Messung ohne Spülgas nicht möglich, da CO2 mit einem Flaschendruck von 60 bar vorliegt und der Messdruck dann mit Wasserstoff im Feedautoklav aufgebaut werden muß. Bei Messbeginn kann der Druck dann bereits mit Spülgas im Feed und Permeatraum aufgebaut sein und es kommt nicht zu einer plötzlichen Druckbelastung der Membran. Als Spülgase für die in dieser Arbeit untersuchten Trennprobleme kommen prinzipiell Argon und Stickstoff in Frage. Diese sind via GC-Analytik erfaßbar. Ar wird als Spülgas gewählt, da es geringe Wechselwirkung mit der Membranmatrix aufweist, keine Messwertverfälschung durch Luftstickstoff entsteht und optional Trennfaktoren CO2/N2 bestimmbar sind.

Folgende Faktoren sind für die Auswahl des DurchFlussbereiches entscheidend: Für die Auslegung werden folgende Daten vorausgesetzt: Rechenbeispiel: Membran Typ 8.4.1., 10 μm, 259 barrer, α (CO2/H2) = 10, bei 15 bar Differenzdruck: ca. 19 ml/min, 89% CO2, 11% H2, Membranfläche 56,3 cm 2, Feed 1:1. Da die GC-Genauigkeit von +/-2% unterschritten werden soll, muß die Dosierung des Spülgases genaür als +/- 0,38ml min-1 sein. Die verwendeten MassendurchFlussregler besitzen eine Genauigkeit von +/-0,8% vom Endwert, woraus sich ein oberer Betriebspunkt für den Regler bei der angestrebten Genauigkeit von 47,5 Nml·min-1 ergibt. Die Befüllung von 100 ml auf 100 bar bei 50 Nml/min daürt 200 min, was akzeptabel ist, da bei diesen Drücken Membranen erst nach Stunden stationäre Zustände erreichen.

Bei Membranen mit sehr geringen Flüssen kann Korrektur der Flussmessung über Seifenblasenzähler erfolgen, aufgrund der ansonsten zu langen Zeiten für die Befüllung des Permeatraums ist hier ein kleinerer Messbereich nicht praktikabel. Für den Spülgasbetrieb wird deshalb ein Regler von 0-50 Nml·min -1 ausgewählt.

10.6 Einzel-Messergebnisse

10.6.1 Permeationsmessungen Nafion-EDAH+ Membran

Nr. Gas p(Feed) / ca. bar T/°C P/Nm3·m-2·h-1 P/barrer DL/m2· s-1 Betriebszeit/Tage
1 CO2, feucht 3 30 08,1E-4 339 2,7E-11 1
2 CO2, feucht 3 30 16,8E-4 703 - 1
3 CO2, feucht 3 30 16,3E-4 682 - 1
4.1 CO2, feucht 3 30 14,8E-4 619 - 5
4.2 CO2, feucht 3 30 14,8E-4 619 - 5
4.3 CO2, feucht 3 30 13,8E-4 577 - 5
4.4 CO2, feucht 3 30 14,9E-4 623 - 5
5 CO2, feucht 3 40 17,8E-4 744 - 5
6.1 CO2, feucht 3 30 15,4E-4 644 - 12
6.2 CO2, feucht 3 40 19,6E-4 820 - 12
7.1 CO2, feucht 3 40 09,3E-4 389 - 16
7.2 CO2, feucht 3 40 25,0E-4 1046 - 16
8 CO2, feucht 3 50 19,9E-4 832 - 17
9 CO2, feucht 3 20 05,9E-4 247 - 20
10.1 CO2, feucht 3 50 09,6E-4 401 - 20
10.2 CO2, feucht 3 60 23,1E-4 966 - 20
10.3 CO2, feucht 3 70 27,9E-4 1167 - 20
10.4 CO2, feucht 3 80 30,8E-4 1288 - 20
11.1 CO2, feucht 3 20 08,9E-4 372 3,4E-11 21
11.2 CO2, feucht 3 60 28,8E-4 1204 - 21
11.3 CO2, feucht 3 70 33,6E-4 1405 - 21
11.4 CO2, feucht 3 80 33,6E-4 1405 - 21
12.1 H2, feucht 3 30 03,0E-4 125 8,1E-10 22
12.2 H2, feucht 3 40 04,6E-4 192 - 22
12.3 H2, feucht 3 50 05,5E-4 230 - 22
12.4 H2, feucht 3 60 06,1E-4 255 - 22
13 N2, feucht 3 60 08,2E-5 34 - 23
14.1 H2, feucht 3 60 07,2E-4 301 - 24
14.2 H2, feucht 3 70 06,5E-4 272 - 24
14.3 H2, feucht 3 80 17,3E-4 724 - 24
15 CO2, trocken 3 30 0,8-3E-5 2-7,4 - 26
16.1 CO2, trocken 3 40 02,3E-4 96 - 28
16.2 CO2, trocken 3 50 02,6E-4 109 - 28
18.4 H2, trocken 3 60 04,5E-4 188 - 35
19.1 H2, trocken 3 30 02,1E-4 88 - 40
19.2 H2, trocken 3 70 06,6E-4 276 - 40
19.3 H2, trocken 3 80 08,3E-4 347 - 40
20.1 CO2, feucht 3 30 01,6E-4 67 - 41
20.2 CO2, feucht 1 30 02,9E-4 121 - 41
20.3 CO2, feucht 1 40 03,4E-4 142 - 41
20.4 CO2, feucht 1 50 03,8E-4 159 - 41
21.1 CO2, feucht 1 50 05,6E-4 234 - 42
21.2 CO2, feucht 1 60 05,1E-4 213 - 42
21.3 CO2, feucht 1 70 04,2E-4 176 - 42
21.4 CO2, feucht 1 80 16,7E-4 698 - 42
22.1 CO2, feucht 10 30 02,2E-4 92 2,8E-11 43
22.2 CO2, feucht 10 30 04,5E-4 188 - 43
22.3 CO2, feucht 10 40 05,7E-4 238 - 43
23.1 CO2, feucht 10 40 03,6E-4 151 2,5E-11 54
23.2 CO2, feucht 10 50 05,0E-4 209 - 54
23.3 CO2, feucht 10 60 04,9E-4 205 - 54
23.4 CO2, feucht 10 70 04,1E-4 171 - 54
23.5 CO2, feucht 10 80 04,0E-4 167 - 54
24.1 H2, feucht 3 30 03,6E-4 151 3,9E-10 56
24.2 H2, feucht 10 30 03,8E-4 159 - 56
24.3 H2, feucht 10 40 05,5E-4 230 - 56
24.4 H2, feucht 10 50 08,1E-4 339 - 56
Tabelle 26: Ergebnisse Permeationsmessungen Nafion-EDAH+.

10.6.2 Permeationsmessungen Membran C3

Nr. Gas p(Feed)/ ca. bar T/°C P/Nm3·m-2·h-1 P/barrer DL/m2·s-1 Betriebszeit/Tage
25 N2, feucht 2,0 21 - - - 0
26.1 CO2, feucht 3 30 20,9 E-4 187,9 2,27E-11 1
26.2 CO2, feucht 3 30 23,9 E-4 214,9 -
26.3 CO2, feucht 3 30 25,1 E-4 225,7 - 1
27.1 CO2, feucht 3 30 17,9 E-4 161,0 - 4
27.2 CO2, feucht 3 30 19,0 E-4 170,8 - 4
27.3 CO2, feucht 3 30 18,6 E-4 167,2 - 4
28.1 H2, feucht 3 30 01,98E-4 17,8 - 7
28.2 H2, feucht 3 30 01,99E-4 17,9 - 7
28.3 H2, feucht 3 30 02,08E-4 18,7 - 7
28.4 H2, feucht 3 30 02,07E-4 18,6 - 7
29.1 CH4, feucht 3 30 00,80E-4 7,2 - 8
29.2 CH4, feucht 3 30 00,76E-4 6,8 - 8
30.1 CO2, feucht 3 30 14,7 E-4 132,2 - 12
30.2 CO2, feucht 3 30 15,2 E-4 136,7 - 12
31.1 He, feucht 3 30 01,95E-4 17,5 - 15
31.2 He, feucht 3 30 01,93E-4 17,4 - 15
31.3 He, feucht 3 30 01,84E-4 16,5 - 12
Tabelle 27: Ergebnisse von Permeationsmessungen Membran C3.

10.6.3 Permeationsmessungen Membran C1

Nr. Gas p(Feed)/ ca. bar T/°C P/Nm3·m-2·h-1 P/barrer DL/m2·s-1 Betriebszeit/Tage
32.1 CO2, feucht 3 30 66 E-4 759,1 7,2E -11 0
32.2 CO2, feucht 3 30 64,2 E-4 738,4 - 0
32.3 CO2, feucht 3 30 63,5 E-4 730,3 - 1
33.1 CO2, feucht 3 30 63 E-4 724,6 - 1
33.2 CO2, feucht 3 30 61,5 E-4 707,3 - 1
33.3 CO2, feucht 3 30 61,5 E-4 707,3 - 1
33.4 CO2, feucht 3 30 61,5 E-4 707,3 - 1
34.1 H2, feucht 3 30 13,4 E-4 154,1 - 2
34.2 H2, feucht 3 30 13,4 E-4 154,1 - 2
35.1 CH4, feucht 3 30 04,43 E-4 50,9 - 3
35.2 CH4, feucht 3 30 04,46 E-4 51,3 - 3
35.3 CH4, feucht 3 30 04,37 E-4 50,3 - 3
35.4 CH4, feucht 3 30 04,44 E-4 51,1 - 3
36.1 N2, feucht 3 30 01,20 E-4 13,8 - 8
36.2 N2, feucht 3 30 01,08 E-4 12,4 - 8
36.3 N2, feucht 3 30 01,07 E-4 12,3 - 8
36.4 N2, feucht 3 30 01,05 E-4 12,1 - 8
36.5 N2, feucht 3 30 01,08 E-4 12,4 - 8
37.1 He, feucht 3 30 04,21 E-4 48,4 - 9
37.2 He, feucht 3 30 04,36 E-4 50,1 - 9
37.3 He, feucht 3 30 04,33 E-4 49,8 - 9
38.1 CO2, feucht 3 30 35-25 E-4 402-287 - 12
38.2 CO2, feucht 3 30 43-32 E-4 494-368 - 12
38.3 CO2, feucht 3 30 58-42 E-4 667-483 - 12
39.1 CO2, feucht 3 30 42-38 E-4 483-437 - 15
39.2 O2, feucht 3 30 02,33 E-4 26,8 - 15
39.3 O2, feucht 3 30 02,25 E-4 25,9 - 15
39.4 O2, feucht 3 30 01,99 E-4 22,9 - 15
40.1 N2, feucht 3 30 00,96 E-4 11,0 - 16
40.2 H2, feucht 3 30 04,21 E-4 48,4 - 16
40.3 H2, feucht 3 30 04,24 E-4 48,8 - 16
41.1 CO2, feucht 3 30 19,8 E-4 227,7 - 19
41.2 CO2, feucht 3 30 21,4 E-4 246,1 - 19
41.3 CO2, feucht 3 30 21,4 E-4 246,1 - 19
42.1 CO2, feucht 3 30 83,1 E-4 955,7 - 30
42.2 CO2, feucht 1 30 82,0 E-4 943,1 - 30
42.3 CO2, feucht 1 30 80,9 E-4 930,4 - 30
43.1 CO2, feucht 1 30 81,2 E-4 933,9 - 33
43.2 H2, feucht 1 30 03,33 E-4 38,3 - 33
43.3 H2, feucht 1 30 03,19 E-4 36,7 - 33
44.1 CO2, feucht 1 30 77,2 E-4 887,9 - 36
44.2 CO2, feucht 3 30 79,8 E-4 917,8 - 36
44.3 CO2, feucht 10 30 79,4 E-4 913,2 - 36
44.4 CO2, feucht 10 30 85,2 E-4 979,9 - 36
45.2 H2, feucht 3 30 15,4 E-4 177,1 - 37
45.3 H2, feucht 10 30 15 E-4 172,5 - 37
45.4 CO2+H2, feucht 1 30 25,4 E-4 292,1 - 37
46.1 CO2+H2, feucht 0,5 30 20-30 E-4 230-345 - 40
46.2 CO2+H2, feucht 1 30 20-35 E-4 230-402 - 40
46.3 H2, feucht 1 30 15,8 E-4 181,7 - 40
Tabelle 28: Ergebnisse von Permeationsmessungen Membran C1.
Bemerkungen: Nr 38.1-38.3 ohne Feedüberströmung, Nr 41.2-41.3-Sättiger 50 °C, Nr 45.4-46.2 CO2/H2 1:1 Volumen, Nr 47 Sättiger 30 °C.

10.6.4 Permeationsmessungen Membran H3

Probe Nr. c(CO2)/ % c(H2)/ % Prüfsumme alle Gase / % Prüfsumme CO2+H2/ % Feed- druck / bar Permeat- druck bei Probenahme / bar Trenn- faktor α
AK29F 42,76 57,24 95,54 89,65 1 -0,7
AK30P 80,59 19,41 93,37 8,33 " " 5,56
AK31F 30,13 69,87 95,00 78,96 1 -0,4
AK32P 80,17 19,83 93,95 15,15 " " 9,37
AK33P 80,56 19,44 98,14 90,02 2,8 0,5 8,29
AK34P 60,52 39,48 99,00 98,47 14,2 9,1
AK35F 51,67 48,33 99,48 93,75 " " 1,43
AK36P 74,72 25,28 99,28 98,01 5,8 1,8 3,50
AK37F 45,79 54,21 98,01 91,53 " "
AK38P 69,59 30,41 97,88 96,40 10 2,4 2,31
AK39F 49,72 50,28 98,70 97,34 " "
AK40P 77,32 22,68 96,72 95,37 15,2 0,8 2,55
AK41F 57,19 42,81 98,36 97,02 " "
AK42P 62,44 37,56 98,00 96,96 20 7,3 2,31
AK43F 41,82 58,18 97,45 96,54 " "
AK44P 65,27 34,73 96,27 90,20 16,7 1,0 2,61
AK45P 61,74 38,26 96,31 95,43 18,5 2,3 2,25
Tabelle 29: Permeationsmessungen mit Gasgemischen Membran H3, Messung 34/35 fällt aus der Reihe, da nach mehrtägigem Stehenlassen ohne Überströmung ermittelt.
Nr Gas p(Feed)/ ca. bar T/°C P/Nm3·m-2·h-1 P/barrer Betriebszeit/Tage
48.1 CO2, feucht 1 30 7,5-12 E-4 313-501 21
48.2 CO2, feucht 1 30 12-18 E-4 501-752 21
48.3 CO2, feucht 1 30 20,4 E-4 853 21
49.1 CO2, feucht 0,7 30 7,70 E-4 322 29
49.2 CO2, feucht 0,7 30 17,2 E-4 719 29
49.3 H2, feucht 1,2 30 3,16 E-4 132 29
49.4 H2, feucht 1,2 30 3,20 E-4 134 29
Tabelle 30: Permeationsmessungen mit Druckanstiegsmethode Membran H3, Einzelgase, Permeatdruck bei Messstart 49.1: 0,35 bar, ansonsten -1,0 bar.

10.6.5 Permeationsmessungen Membran C4

Permeat(P)/ Retentat(R) % Flüsse/ Nml·min-1 Druck/bar Permea- bilität/ barrer α (CO2/ H2) T/ °C
Nr. CO2 H2 Ar Feed Permeat Feed Permeat CO2 H2
R71 49,50 50,15 0,35 6,12 49,96 30 29 - - 2,9 30
P72 10,67 4,04 85,29 6,12 49,96 30 29 64 22 - 30
R73 49,39 50,21 0,40 6,12 49,96 30 29 - - 3,3 30
P74 10,63 3,54 85,82 6,12 49,96 30 29 63 19 - 30
R75 56,13 43,43 0,44 6,12 49,96 30 29 - - 2,4 30
P76 10,56 3,62 85,81 6,12 49,96 30 29 55 23 - 30
R77 48,62 50,63 0,75 6,12 49,96 30 29 - - 3,1 30
P78 10,17 3,71 86,12 6,12 49,96 30 29 61 20 - 30
R79 47,13 52,57 0,30 6,12 49,96 30 29 - - 3,1 30
P80 9,78 3,77 86,45 6,12 49,96 30 29 61 20 - 30
R81 48,37 51,28 0,35 6,12 49,96 30 29 - - 2,7 30
P82 9,79 4,14 86,08 6,12 49,96 30 29 59 22 - 30
R83 49,91 49,70 0,40 6,12 49,96 30 29 - - 2,7 30
P84 9,64 3,80 86,57 6,12 49,96 30 29 56 21 - 30
R85 47,75 51,63 0,62 6,12 49,96 30 29 - - 2,9 30
P86 9,64 3,87 86,49 6,12 49,96 30 29 59 21 - 30
R87 47,42 51,41 1,16 6,12 49,96 30 29 - - 2,9 30
P88 9,73 3,93 86,34 6,12 49,96 30 29 60 21 - 30
R89 47,23 52,39 0,38 6,12 49,96 30 29 - - 3,0 30
P90 9,93 3,91 86,16 6,12 49,96 30 29 62 20 - 30
R91 46,70 52,95 0,35 6,12 49,96 30 29 - - 3,2 30
P92 9,80 3,77 86,43 6,12 49,96 30 29 62 19 - 30
R93 46,84 52,56 0,59 6,12 49,96 30 29 - - 2,9 30
P94 9,75 4,09 86,17 6,12 49,96 30 29 61 21 - 30
R95 45,83 53,40 0,77 6,12 49,96 30 29 - - 3,3 30
P96 9,60 3,70 86,70 6,12 49,96 30 29 62 19 - 30
R97 47,71 51,95 0,34 6,12 49,96 30 29 - - 3,4 23,9
P98 9,78 3,33 86,90 6,12 49,96 30 29 60 17 - 23,9
R99 48,59 50,72 0,68 6,12 49,96 30 29 - - 3,8 59,2
P100 10,38 3,11 86,51 6,12 49,96 30 29 63 17 - 59,2
R101 47,38 51,83 0,79 6,12 49,96 30 29 - - 2,5 59,2
P102 9,67 4,42 85,91 6,12 49,96 30 29 60 23 2,3 59,2
P103 10,90 5,29 83,80 6,12 49,96 30 29 67 29 - 59,2
R104 48,16 51,29 0,55 6,12 49,96 30 29 - - 2,3 59,2
P105 11,43 5,66 82,91 6,12 49,96 30 29 71 31 - 59,2
Tabelle 31: Ausschnitt Ergebnisse von Permeationsmessungen mit Gasgemischen Membran C4.

10.6.6 Permeationsmessungen PDMS-Laminate

Nr. T/ °C Mittelwert Messwerte Permeabilität/ Standardabweichung (SD)/ barrer
Zelle Feed-Sättiger Ar-Sättiger CO2 SD H2 SD Ar SD
1-H2 9,8 13 25 2139 20 534 94 282 6
2-H2 30 30 25 2226 115 674 6 302 14
3-H2 50 50 25 2379 0 976 0 446 0
4-H2 70 70 25 2930 117 1594 138 583 32
Tabelle 32: Ergebnisse von Permeationsmessungen Laminat PDMS+ Typ H2, CO2:H2 1:1 bezüglich Volumen, Feeddruck 5 bar, 1 bar Druckdifferenz, Membrandicke 70 μm IT, 450 μm PDMS auf PAN-Sublayer.
Nr T/ °C Mittelwert Messwerte Permeabilität/ Standardabweichung/ barrer
Zelle Feed-Sättiger Ar-Sättiger CO2 SD H2 SD Ar SD
1-PDMS 30 30 25 2695 38 874 38 401 18
2-PDMS 13 10 25 2668 38 668 61 303 5
3-PDMS 10 30 25 2624 48 663 56 300 33
4-PDMS 10 50 25 2721 89 742 167 397 38
5-PDMS 10 70 25 2871 25 641 20 349 17
6-PDMS 10 50 25 2964 102 761 11 424 2
7-PDMS 10 50 25 2509 0 619 0 398 0
8-PDMS 10 50 50 2390 22 608 29 368 39
9-PDMS 50 50 50 2671 42 1255 72 444 19
10-PDMS 40 40 25 2680 105 1118 47 452 73
Tabelle 33: Permeationsmessung PDMS, CO2:H2 1:1 (Messung 10-PDMS: 8:2) bezüglich Volumen, Feeddruck 5 bar, 1 bar Druckdifferenz, Membrandicke 450 μm PDMS auf PAN-Sublayer.
Nr T/ °C Mittelwert Messwerte Permeabilität/ Standardabweichung/ barrer
Zelle Feed-Sättiger Ar-Sättiger CO2 SD H2 SD Ar SD
11-PDMS 10 12 25 1374 130 488 90 134 1
12-PDMS 40 40 25 1466 311 747 161 179 3
13-PDMS 50 50 25 1393 18 727 63 211 6
14-PDMS 10 12 25 1363 0 390 0 127 0
Tabelle 34: Permeationsmessung PDMS, CO2:H2 8:2 bezüglich Volumen, Feeddruck 30 bar, 1 bar Druckdifferenz, Membrandicke 450 μm PDMS auf PAN-Sublayer.

10.6.7 Widerstandsmessungen

Gegenion/Elektrolyt Membran H1 C1 H2 C2 C3 C4
Dicke/μm 74,8 44 78,8 53 47,4 33,6
IEC/meq·g-1 0,55 0,43 2,26 1,45 0,34 0,6
wc/% 84 30 289 210 42 36
c/mol·l-1 0,30 0,33 0,58 0,47 0,24 0,44
Cl-/H20dest. R/kOhm 13,1 15 4,01 5,69 36 23,6
Cl-/0,1 m KCl 11,6 10,58 5,33 7,41 35,8 22,8
Cl-/0,1 m HCl 7,97 1,96 0,243 0,673 8,69 7,59
CO32-/0,1 m K2CO3 14 22 5,22 10,94 27,63 35,3
HCO3-/0,1 m NaHCO3 12 12,9 4,03 7,81 34,2 23,8
CH3COO-/0,1m NaCH3COO- 10,29 15,28 4,93 7,4 22 25,4
Tabelle 35: Ergebnisse der Widerstandsmessung von Membranproben