Nanoskalig strukturierte Textilfiltermedien für die Trennung von Öl-Wasser-Emulsionen
Agarwal, Swarna - Universität Stuttgart (2012)
Die Öl-Wasser-Trennung von fein dispergierten ölhaltigen Abwässern, wie sie in diversen Industrien und Erdölraffinerien entstehen, ist ein wichtiger Schritt, bevor diese in das öffentliche Abwassersystem eingeleitet werden können. Die Trennung einer Öl-in-Wasser-Emulsion mit einer dispergierten Tröpfchengröße kleiner als 100 µm durch ein Faserfiltermedium ist ein kompliziertes Verfahren. Vor allem bei sehr kleinen dispergierten Tröpfchen (< 10 µm) ist die Filterleistung begrenzt. Die kleinen Tröpfchen sind kugelförmig und haben nur Punktkontakt mit einzelnen anstatt mit mehreren Fasern des Filters. Der Einsatz von Nanotechnologien bietet zahlreiche Lösungen für diverse Filtrationsprobleme. In der Emulsionstrennung ist der Einsatz von nanomodifizierten Filtermedien bisher jedoch kaum erforscht.
Die vorliegende Dissertation untersucht die Wirkung von Nanomodifikationen bzw. der Nanopartikelausrüstung und der Nanofaserbesprühung auf die Emulsionstrennleistung textiler Filtermedien. Zudem wird ein geeignetes nano-modifiziertes Faserfiltermedium zur Trennung einer stabilen sekundären Öl-in-Wasser-Emulsion entwickelt. Außerdem werden die Einflüsse der Prozessparameter und der Filtereigenschaften auf die Emulsionstrennleistung untersucht. Die Ergebnisse werden in Bezug gesetzt zu Erkenntnissen anderer Forschergruppen, welche teilweise widersprüchliche Bewertungen zum Einfluss einzelner Prozess- und Filterparameter auf die Emulsionstrennleistung beinhalten. Die hier durchgeführten, systematischen Untersuchungen lösen einige dieser scheinbaren Widersprüche auf, indem gezeigt wird, dass die Bedeutung vieler Prozess- und Filterparameter für die Emulsionstrennleistung nicht isoliert betrachtet werden darf, sondern von anderen Systemparametern signifikant beeinflusst wird.
Für die Grundsatzuntersuchungen wurde eine stabile Isooktan-in-Wasser-Emulsion (0,2 - 1 %, mittlere Tröpfchengröße ca. 5 µm) verwendet. Um einen niedrigen Druckverlust und hohe Anströmgeschwindigkeiten zu ermöglichen, wurden ausschließlich dünne Textilfilter-medien (< 6 mm) verwendet. Die Filtrationsversuche wurden mit zwölf verschiedenen Textil-Filtermedien einzeln und in verschiedenen Kombinationen (mehrstufige Filter und Sandwich-Filter) mit einer Porengröße von 2 - 51 µm, Oberflächenenergie von 14 - 46 mN/m, Porosität von 0,46 - 0,88 und Luftdurchlässigkeit von 15 - 200 l/(m2.s)durchgeführt.
Um die Benetzbarkeit der eingesetzten Filtermedien zu ändern, wurden sie mit hydrophilen und hydrophoben nanostrukturierten Beschichtungen ausgerüstet. Zudem wurden nanofaserbesprühte (PVDF, PAN) Filtermedien hinsichtlich reduzierter Porengröße und veränderter Oberflächeneigenschaften untersucht. Außerdem wurden die Einflüsse der Anströmgeschwindigkeit (0,6 - 1,8 m/min) sowie der Strömungsrichtung (horizontal und radial) auf die Emulsionstrennleistung betrachtet. Auch die Einflüsse der Größe der Nanopartikel (6, 15, 25 nm) sowie der Luft- und Wasserumgebung auf die Benetzungsdynamik der Isooktantröpfchen wurden analysiert.
Auf Basis der erarbeiteten Ergebnisse konnten wirksame Filtermedien konzipiert und erfolgreich erprobt werden. Dabei ergab sich: Die Wirksamkeit des Emulsionstrennmechanismus (Oberflächenabscheidung und Tiefenfiltration) hängt hauptsächlich von der Porengröße, Oberflächenenergie, Porosität eines Filters, Größe der dispergierten Tröpfchen und Anströmgeschwindigkeit ab. Für die wirksame Emulsionstrennung sollte ein Koaleszenzfilter (Tiefenfiltration) von der dispergierten Phase gut benetzbar sein und kleine Poren besitzen. Sind die Filterporen allerdings kleiner oder genauso groß wie die emulgierten Öltröpfchen, spielt die Oberflächenenergie (hydrophob / hydrophil) eines Filters keine Rolle für die Koaleszenzleistung. In diesem Fall werden Emulsionstrennleistung und -mechanismus von der Anströmgeschwindigkeit bestimmt. Für eine wirksame Öl-Wasser-Trennung sollte der Filter vertikal orientiert, mit Nanopartikeln < 10 nm beschichtet und die Emulsion horizontal gepumpt werden.
Eine Gradientenstruktur in Form eines Anstiegs der Porengröße und Porosität von der Anström- zur Abströmseite eines Koaleszenzfilters begünstigt die Trennleistung. Mit einem im Rahmen der Arbeit neu entwickelten hydrophob-oleophil nanobeschichteten Sandwichfilter (Dicke 3,9 mm; Porosität 0,84; 50 % Porengröße 7,7 µm) konnte für eine 1-%ige Isooktan-in-Wasser-Emulsion mit einer mittleren Tröpfchengröße von ca. 5 µm bei einem Druckverlust von 160 mbar und einer Anströmgeschwindigkeit von 1,0 m/min ein höchst stabiler Trenngrad von 80 % erzielt werden.