Technologiereport

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

Mecadi GmbH

8. Zusammenfassende Diskussion der Funktion von Wasser

In der vorliegenden Arbeit ist im wesentlichen der Stofftransport in wassergequollenen Polymeren untersucht worden, da diese, wie in Kap. 3 diskutiert, bei der Abtrennung von CO2 aus Gasgemischen deutlich den trockenen Polymeren überlegen sind.

Bei der Diskussion der Rolle von Wasser beim Transport von Gasen durch Polymere sind zwei wesentliche Punkte zu beachten: Wasser wirkt als Weichmacher auf Polymere, das heißt wassergequollene Polymere liegen bei ausreichender Wechselwirkung Polymer-Wasser meist im gummielastischen Zustand vor. Wasserabgabe kann dann mit starken Strukturänderungen einhergehen, die Permeationseigenschaften für Gase können sich sprunghaft ändern (vgl. DTA-Analysen Kap. 5.5.2.3). Bei den untersuchten geladenen Polymeren kommt es durch Wasser zum Aufqüllen der Polymermatrix. Unvernetzte Polymere mit hoher IEC lösen sich sogar in Wasser.

Die gequollene Polymermatrix ist dann bezüglich des Transports von Teilchen in zwei Bereiche teilbar: in den eigentlichen Polymerbereich und in die wassergefüllten Kanäle in der Polymermatrix. Durch diese Bereiche erfolgt dann auch der Großteil des Transports, da die Polymerbereiche an sich wesentlich weniger permeabel sind.

Der Transport in solchen Systemen unterscheidet sich also wesentlich vom Transport in Polymeren, wo das freie Volumen in der Polymermatrix den Transportweg darstellt. Analog zum freien Volumen läßt sich aber das in der Polymermatrix befindliche Wasser diskutieren, da mit steigendem Wassergehalt auch die Permeabilität des Polymers steigt.

Im Grenzfall nähern sich die Permeabilitäten dann dem von reinem Wasser. Mit den Löslichkeiten und den Diffusionsköffizienten von Gasen in Wasser lassen sich für diesen Grenzfall dann die theoretischen Trennfaktoren eines Wasserfilms mit dem Lösungs-Diffusions-Modell (vgl. Tabelle 16) berechnen.

In Rahmen dieser Arbeit lag ein Schwerpunkt der Untersuchungen darauf, inwiefern auch bei höheren Drücken eine Abtrennung von CO2 aus Gasgemischen machbar ist. Bei zunehmendem Druck nimmt der Stoffmengenanteil an H20 in der wasserdampfgesättigen Gasphase und damit auch das Verhältnis von H20 zu CO2 in der Membranphase ab (vgl. Abbildung 46).
Abbildung 46:Stoffmengenanteil von Wasser abhaengig vom CO2-Partialdruck der Gasphase des Systems CO2-Wasser
Die Austrocknung der Membranmatrix bei höheren Drücken hat dann einen Verlust von Permeabilität und Selektivität zur Folge.

Dieser Effekt limitiert den Druckbereich für den Einsatz von Membranen, die CO2 durch reaktiven Transport in Form von Hydrogencarbonat bevorzugt permeieren lassen. Mit den im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Polymeren, deren Selektivität vor allem auf der gummiartigen Polymermatrix beruht, läßt sich dieses Problem zwar reduzieren, es sind dann aber für das System CO2/H2 nur mäßige Trennfaktoren realisierbar.

Ein weiterer möglicher Weg, diese Probleme zu umgehen, ist z.B. Wasser als Quellmedium für das Polymer durch hochsiedende Substanzen oder Polymere zu ersetzen und dem Feed des Moduls soviel Wasser beizufügen, wie für den reaktiven Transport notwendig ist.