Bei der Membrandestillation handelt es sich um ein thermisch getriebenes Separationsverfahren, bei dem die Separation aufgrund eines Phasenwechsels erfolgt. Eine hydrophobe Membran stellt hierbei eine Barriere für die flüssige Phase (z. B. Salzwasser) eines Fluidstroms dar, die dampfförmige Phase (z. B. Wasserdampf) jedoch kann durch die Poren der Membran permeiren. Die treibende Kraft für den Prozess bildet ein Partialdampfdruckgefälle, welches üblicherweise durch eine Temperaturdifferenz hervorgerufen wird.
Prinzip der Membrandestillation
Bei den üblichen Trennverfahren, bei denen die Separation der Massenströme durch eine Membran erfolgt, wird als treibende Kraft zwischen den beiden Grenzflächen eine statische Druckdifferenz (z. B. Umkehrosmose), ein Konzentrationsgefälle (Dialyse) oder ein elektrisches Feld (ED) aufgeprägt. Die Selektivität der entsprechenden Membran wird durch ihre Porengröße im Verhältnis zur Größe des zurückzuhaltenden Stoffs, ihren Diffusionskoeffizienten oder ihre elektrische Polarität hervorgerufen. Die selektive Eigenschaft einer Membran, die zur Membrandestillation (MD) verwendet wird, beruht hingegen auf dem Rückhalt von flüssigem Wasser bei gleichzeitiger Permeabilität für freie Wassermoleküle d. h. Wasserdampf. Diese Membranen sind aus einem hydrophoben Kunststoff gefertigt (z. B. PTFE, PVDF oder PP) und weisen Poren mit einem Durchmesser von üblicherweise 0,1 bis 0,5 µm auf. Da Wasser starke Dipoleigenschaften hat, während der Membranwerkstoff unpolar ist, kommt es nicht zu einer Benetzung des Werkstoffs durch die Flüssigkeit. Obwohl die Poren deutlich größer sind als das Molekül, wird durch die hohe Oberflächenspannung von Wasser ein Eindringen der flüssigen Phase in die Poren unterbunden, wobei sich ein konvexer Meniskus in die Pore hinein ausbildet. Diesen Effekt bezeichnet man als Kapillardepression. Die Eindringtiefe ist unter anderem abhängig von dem äußeren Druck, der auf der Flüssigkeit lastet. Ein Maß für das Eindringen der Flüssigkeit in die Poren ist der Kontaktwinkel Θ=180 – Θ' Solange gilt: Θ > 90° bzw. Θ' > 0° findet keine Benetzung der Pore statt. Wird der äußere Druck größer als der sogenannte Benetzungsdruck, dann wird Θ = 90° und es gibt einen Kurzschluss in der Pore. Die treibende Kraft, die den Dampf durch die Membran hindurch fördert, um ihn auf der Permeatseite als Produkt gewinnen zu können, ist die Wasserdampf-Partialdruckdifferenz zwischen den beiden Grenzflächen der Membran. Diese Partialdruckdifferenz ist Folge einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Grenzflächen. Wie in nebenstehender Abbildung zu erkennen ist, wird die Membran auf der einen Seite mit einem warmen Speisewasserstrom und auf der anderen Seite mit einem gekühlten Permeatstrom beaufschlagt. Die Temperaturdifferenz über der Membran, die üblicherweise im Bereich von 5 bis 20K liegt, bringt eine entsprechende Partialdruckdifferenz mit sich, die dafür sorgt, dass der an der Membrangrenzfläche entstehende Wasserdampf dem Druckgefälle folgend durch die Membranporen hindurch permeiert und auf der kälteren Seite kondensiert.
Membrandestillationsverfahren In der Technik kommen verschiedene Membrandestillationsverfahren zum Einsatz. Im Wesentlichen existieren vier Verfahren, die sich vor allem durch den Aufbau des Destillatkanals bzw. dessen Betrieb unterscheiden. Gebräuchlich sind folgende Technologien:
Direct Contact MD-Verfahren (DCMD) Air Gap MD-Verfahren (AGMD) Vacuum MD-Verfahren (VMD) Sweeping Gas MD-Verfahren (SGMD)
mini|Schema des AGMD-Verfahrens
Direct Contact MD Beim DCMD-Verfahren sind beide Seiten der Membran mit Flüssigkeit beaufschlagt. Auf der Verdampferseite befindet sich das heiße Speisewasser, während sich permeatseitig gekühltes Permeat befindet. Die Kondensation des durch die Membran hindurch permeierenden Dampfes findet direkt in der flüssigen Phase an der Membrangrenzschicht statt. Da in diesem Fall nur die Membran als Hindernis dem Stofftransport entgegensteht, können hier relativ hohe flächenspezifische Permeatströme erreicht werden. Nachteilig wirkt sich allerdings aus, dass auch für die sensible Wärmeleitung der durch die Membran gebotene Widerstand gering ist, wodurch ein relativ hoher Wärmeverlust vom Verdampfer zum Kondensator entsteht. Diese Wärmemenge steht dem Destillationsprozess nicht zur Verfügung, wodurch das Verfahren an Effizienz verliert.
Air Gap MD Bei dem Air Gap MD-Verfahren entspricht der Aufbau des Verdampferkanals dem des DCMD-Verfahrens, während der Permeatraum zwischen der Permeatseite der Membran und einer gekühlten Wandung liegt und mit Luft gefüllt ist. Der durch die Membran hindurch permeierende Wasserdampf muss zusätzlich diesen Luftspalt überwinden, bevor er an der kälteren Wandung kondensiert. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Luftspalt eine gute thermische Isolation zum Kondensator bildet, wodurch die Wärmeleitungsverluste deutlich reduziert werden können. Der Nachteil ist allerdings, dass der Luftspalt für den Stofftransport einen zusätzlichen Widerstand darstellt, wodurch die flächenspezifische Permeatleistung gegenüber dem DCMD-Verfahren zurückgeht. Ein weiterer Vorteil der AGMD gegenüber der DCMD besteht darin, dass auch flüchtige Stoffe mit niedriger Oberflächenspannung wie z. B Alkohol oder andere Lösemittel aus wässrigen Lösungen abgetrennt werden können, da bei der AGMD kein Kontakt zwischen dem flüssigen Permeat und der Membran besteht, was deren Benetzung zur Folge hätte.
Sweeping Gas MD Bei der Sweeping Gas MD, in der Technik auch als Air-Stripping bezeichnet, wird ein Kanalaufbau mit freiem Spalt auf der Permeatseite verwendet, dies entspricht dem Aufbau bei der AGMD. Dieser Spalt wird bei der SGMD mit einem Gas gespült, das den durch die Membran permeierten Dampf mitreisst und aus dem Modul herausträgt. Die Kondensation des Dampfes findet an einem außerhalb des MD-Moduls gelegenen Kondensator statt. Ebenso wie bei der AGMD können mit diesem Verfahren auch flüchtige Stoffe mit geringer Oberflächenspannung destilliert werden. Der Vorteil von SGMD gegenüber AGMD liegt darin, dass der den Stofftransport hemmende Übergangswiderstand des Luftspaltes durch die erzwungene Strömung deutlich reduziert werden kann. Damit lässt sich ein deutlich höherer flächenspezifischer Stoffstrom als bei der AGMD erreichen. Nachteilig ist bei der SGMD, dass aufgrund des Gasanteils und dem damit verbundenen Gesamtmassenstrom höhere Kondensatorkapazitäten benötigt werden. Bei der Verwendung geringer Gasmassenströme besteht hingegen die Gefahr, dass sich das Gas an der wärmeren Membran zu sehr aufheizt und dadurch eine Reduzierung der Partialdruckdifferenz und damit der treibenden Kraft erfolgt. Eine Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, indem bei der SGMD ebenso wie bei der AGMD eine gekühlte Wandung des Permeatkanals verwendet wird, über die das Spülgas temperiert wird.
Vacuum MD Bei der Vacuum MD wird ebenfalls ein Kanalaufbau mit Luftspalt verwendet. Der durch die Membran permeierte Dampf wird über einen Unterdruck aus dem Permeatkanal abgezogen und wie bei dem SWGMD-Verfahren außerhalb vom Modul kondensiert. VMD kann wie die SGMD zur Abtrennung flüchtiger Stoffe aus einer wässrigen Lösung verwendet werden oder auch zur Erzeugung von reinem Wasser aus konzentrierter Sole. Vorteilig wirkt sich aus, dass durch den Unterdruck nicht-gelöste Inertgase, die die Membranporen blockieren können, abgesaugt werden und damit eine größere effektive Membranfläche zur Verfügung steht. Außerdem wird durch die Reduzierung des Siedepunktes bereits bei geringeren Absoluttemperaturen und geringeren Temperaturdifferenzen über der Membran eine vergleichbare Produktivität erreicht. Durch die geringere aufzuprägende Temperaturdifferenz wird der spezifische thermische Energiebedarf reduziert. Nachteilig ist hierbei, dass die Erzeugung von Unterdruck, der entsprechend der Temperatur der Sole eingestellt werden muss, einen hohen apparativen Aufwand erfordert. Die MD-Module müssen vakuumdicht und stabil sein. Der elektrische Energiebedarf ist deutlich höher als bei dem DCMD- und dem AGMD-Verfahren. Zusätzlich besteht hier das Problem, dass der pH-Wert steigt, da dem Speisewasser CO2 entzogen wird.
Permeate Gap MD