Construction of a membrane pervaporation unit for the dehydration of an organic reaction mixture

Abstract

Mit fortschreitendem Klimawandel wird es immer wichtiger auf eine „CO2-neutrale“ Zukunft zu setzen. Unter CO2-Neutralität wird hier verstanden, dass in der betrachteten Region das emittierte CO2 über ausgleichende Maßnahmen kompensiert wird, sodass die Bilanz aus emittiertem und abgetrennten CO2 in Summe ausgeglichen ist. In diesem Zusammenhang haben sich die österreichische Bundesregierung sowie die EU-Kommission das Ziel gesetzt bis 2040 respektive 2050 „CO2-neutral“ zu werden. Da es in vielen industriellen Anwendungen technisch aktuell nicht möglich ist, auf fossile Energieträger zu verzichten, besteht die Möglichkeit, das entstehende CO2 stofflich zu verwerten, um das Ziel der CO2-Neutralität erreichen zu können. Ziel dieses Projekts ist es, CO2 und Ethanol, welches nachhaltig produziert werden kann, katalytisch zu binden und Diethylcarbonat (DEC) zu gewinnen. DEC gewinnt in der chemischen Industrie als Primärrohstoff eine größer werdende Bedeutung, wodurch es möglich sein sollte den Prozess wirtschaftlich zu betreiben.Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit unserem Projektpartner „kleinkraft OG“ eine Anlage zur Abtrennung des bei der Reaktion entstehenden Nebenproduktes Wasser mittels Membran Pervaporation (PV) entworfen und gebaut. In weiterer Folge wurde eine Membran bei verschiedenen Parametern getestet, um zu belegen, dass der gewählte Ansatz bzw. die gebaute Versuchsanlage in der Lage ist, Wasser aus der organischen Mischung selektiv abzutrennen. Im Rahmen der Experimente konnte gezeigt werden, dass diese Anlage geeignet ist, Wasser selektiv aus dem organischen System abzutrennen. Weiters konnten wichtige Erkenntnisse für zukünftige Arbeiten mit dieser Anlage gewonnen werden.

As the influence of climate change increases in severity, it is even more important to strive for a “CO2-neutral” future. CO2 neutrality means that the amount of CO2 emitted into the atmosphere is compensated by other measures, which leads to a calculated emissions value of zero. The Austrian government and the EU Commission have set a deadline to become CO2-neutral by 2040 and 2050, respectively. In many industrial processes, it is currently impossible to completely replace fossil energy sources. Another way to accomplish the goal of CO2 neutrality is to use CO2 as a chemical reactant. The goal of this project was to use CO2 in a catalytic reaction. In this case, ethanol, which can be produced in a sustainable way, reacts with CO2 to diethyl carbonate (DEC). DEC has gained more significance as a primary resource in chemical engineering. Due to the higher price of DEC compared to ethanol, it is possible that this process can yield economic profit as well.During this work, an apparatus that separates the secondary product water from the reacting mixture was planned and built in partnership with “kleinkraft OG.” This apparatus works according to the principle of membrane pervaporation (PV). After finishing the construction, a membrane was tested under different physical properties to prove that the principle of membrane pervaporation is suitable for this process and that the apparatus works as desired. The experiments showed that the system is able to separate water from the organic system selectively. Furthermore, important insights were gained for future work with this system.