Einfluss von Betriebsparametern auf die Trennleistung von Nanofiltrationsmembranen

Abstract

Infolge der Klimaerwärmung durch die Nutzung fossiler Ressourcen als Energieträger und Ausgangsstoff für die chemische Industrie rücken nachhaltige, biobasierte Alternativen immer mehr in den Fokus. Eine Alternative zu diesen Rohstoffen als Energieträger und Ausgangsmaterial zur stofflichen Nutzung kann mithilfe einer Bioraffinerie erzeugt werden. Bei der Entwicklung einer Bioraffinerie auf Lignocellulosebasis spielen der Biomasseaufschluss und die anschließende Aufreinigung einen entscheiden Faktor in Bezug auf wirtschaftliche und ökologische Rentabilität. Daher wird in der hier dargestellten Arbeit die Eignung bzgl. der Trennleistung und Stabilität der drei polymerischen Nanofiltrationsmembranen Dow NF90, Dow NF270 und Alfa Laval NF zur Aufkonzentration flüssiger Produktströme aus einer fiktiven Organosolvvorbehandlung mit einer Lösung aus 60w% EtOH/ 40w% H2O untersucht. Die Membranstücke wurden zuerst in einer wässrigen Ethanollösung konditioniert. Nach variierender Konditionierungsdauer erfolgte die Messung des transmembranen Flusses einer synthetischen Organosolvlösung mit bekannter Konzentration der Solute Lignin und Glucose. Darüber hinaus wurde die Lignin- sowie Ethanolkonzentration in Feed und Permeat bestimmt, wodurch der Ligninrückhalt zugänglich war. Vor und nach der Membranfiltration der Organosolvlösung wurde der transmembrane Reinwasserfluss gemessen. Durch Variation der Dauer der Membrankonditionierung wurde die zeitliche Stabilität gegenüber einer wässrigen Ethanollösung bestimmt. Durch Zugabe von Natronlauge bei einem Teil der Versuche zu Konditionierungs- und Organosolvlösung konnte der Einfluss der Basizität auf die Membran untersucht werden. Eine zweite Versuchsreihe diente der Bestimmung des Einflusses der Solutkonzentrationen durch Variation der Lignin- und Glucosekonzentration innerhalb eines -central composite design-. Alle Membranen zeigten sich gegenüber den Organosolvlösungen ohne Zugabe von Natronlauge stabil. Die Membranen NF270 sowie Alfa Laval NF waren instabil in alkalischer Umgebung, während sich NF90 auch unter diesen Bedingungen als stabil erwies. Der Rückhalt für Lignin erreichte mit allen Membranen meist mindestens 99%. Nur bei sehr niedrigen Ligninkonzentrationen konnte ein geringerer Rückhalt festgestellt werden. Der transmembrane Fluss der Organosolvlösung nahm bei Membran NF90 mit steigender Ligninkonzentration, wahrscheinlich aufgrund von Konzentrationspolarisation, ab. Es zeigte sich auch ein verringerter Reinwasserfluss infolge Foulings bei dieser Membran. Bei den beiden anderen Membranen war kein Einfluss von Fouling oder Konzentrationspolarisation feststellbar. Der transmembrane Fluss der Organosolvlösung erreichte für alle Membranen ca. 8-13% des anfänglichen Reinwasserflusses. Aus den Konditionierungslösungen fiel bei Verdampfen von Ethanol oder Zugabe von Wasser eine graue, schlierenbildende Komponente aus, die sich aus den Membranen löste und weiterer Untersuchung bedarf. Weiters konnte festgestellt werden, dass das verwendete Kraftlignin in einer durch Natronlauge alkalische Ethanol-Wasserlösung kaum löslich ist und einen gelartigen Niederschlag bildet. Zur genaueren Untersuchung des Systems werden länger dauernde Versuche, Messung der Glucosekonzentration, Verwendung realer Organosolvlösungen sowie Bestimmung von Wechselwirkungsparametern für Membran und Feed benötigt.

Because of global warming as a result of the use of fossil fuels as an energy source and feedstock for the chemical industry, sustainable and bio-based alternatives move more and more into focus. A replacement for fossil materials as an energy source and for material use can be obtained by using biomass as source in a biorefinery. Biomass digestion and subsequent purification turned out to be a key factor in terms of economic and ecological viability in developing a biorefinery based on lignocellusosic feedstock. Therefore in the work presented here, separation performance and stability of the three polymeric nanofiltration membranes Dow NF90, Dow NF270 and Alfa Laval NF for concentrating liquid product streams from a fictional organosolv pretreatment with a solution of 60w% EtOH / 40w% H_{2} O are examined. The membrane pieces were first conditioned in an aqueous ethanol solution. After a varying soaking period, the transmembrane flux of a synthetic Organosolv solution with known concentrations of lignin and glucose was measured. In addition, the lignin and ethanol concentration in feed and permeate was determined, whereby retention of lignin was accessible. Before and after the Organosolv liquor filtration the transmembrane pure water flux was measured for comparison. By two different durations of membrane soaking time, stability in an aqueous ethanol solution was determined. The influence of the alkalinity on the membrane was examined by addition of sodium hydroxide to the conditioning and organosolv liquids in a part of the experiments. A second series of experiments was performed to determine the influence of the concentrations of dissolved components by varying the lignin and glucose concentration within a central composite design. All membranes proved stable against the organosolv solutions without sodium hydroxide. The membranes NF270 and NF Alfa Laval were unstable in an alkaline environment, while NF90 proved to be stable, even under these conditions. For all membranes the retention of lignin was at least 99%. Only at very low lignin concentrations a lower retention was observed. The transmembrane organosolv flux decreased at NF90 membrane with increasing lignin concentration due to concentration polarization. There was also a reduced pure water flux due to fouling at this membrane. For the other two membranes, no significant influence of fouling or concentration polarization could be detected. The transmembrane organosolv flux reached approximately 8-13% of the initial pure water flux for all membranes. A gray, streak-forming component, dissolved from the membranes, precipitated in conditioning solutions by evaporation of ethanol or adding water and requires further investigation. Furthermore, it was found that the Kraft lignin used for the experiments is hardly soluble in an alkaline ethanol-water solution and forms a gel-like precipitate. For more detailed study of the system membrane - organosolv solution it is recommended to measure glucose concentration, to use real organosolv solutions, to examine the system over a longer period and to determine interaction parameters between membrane and feed.