Investigation of immobilized liquid membranes for gas and vapor separations based on asymmetric inorganic supports and non-volatile liquids

Krull, Florian Felix; Melin, Thomas

doi:29003

Investigation of immobilized liquid membranes for gas and vapor separations based on asymmetric inorganic supports and non-volatile liquids = Untersuchung von immobilisierten Flüssigmembranen für Gas- und Dampftrennungen basierend auf asymmetrischen anorganischen Trägern und nicht-flüchtigen Flüssigkeiten / Florian Felix Krull

Krull, Florian Felix

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Florian Felix Krull

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

Umfang198 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Melin, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-11-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26009
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50477/files/Krull_Florian.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flüssigmembran (Genormte SW) ; Präparation (Genormte SW) ; Gaspermeation (Genormte SW) ; Benetzung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Kapillarbenetzung (frei) ; Benetzungskinetik (frei) ; Washburn-Gleichung (frei) ; immobilisierte Flüssigmembran (frei) ; anorganische Membran (frei) ; imbibition (frei) ; capillary wetting (frei) ; Immobilized Liquid Membrane (frei) ; Washburn equation (frei) ; inorganic membrane (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen an immobilisierten Flüssigmembranen (engl. Immobilized Liquid Membranes - ILM) für Gas- und Dampfseparationen auf Basis der ionischen Flüssigkeit [BMIM][Tf2N] (engl. Ionic Liquid - IL) in keramischen asymmetrischen Kapillarträgern. Anhand einer detaillierten Aufarbeitung der vorhandenen Literatur der letzten 16 Jahre, zeigt sich, dass die zuvor genannte Materialkombination stabilere Flüssigmembranen im Gegensatz zu den standardmäßig verwendeten Polymerträgern und schwer-siedenden Flüssigkeiten verspricht. Als Alternative zu gemeinhin angewandten manuellen ex-situ Präparationsmethoden von ILM, wird in der vorliegenden Arbeit eine neuartige kontinuierliche in-situ Präparationmethode entwickelt. Diese Methode ermöglicht eine vereinfachte Präparation von ILM auf Basis sauerstoff- und feuchteempfindlicher Flüssigkeiten und stellt damit einen weiteren Schritt hin zur industriellen Anwendung von ILM dar. Als notwendiges Hilfsmittel für die in-situ Präparation wird die kapillare Benetzungskinetik der porösen Träger mittels dreier Methoden experimentell untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden erfolgreich über einen auf der sog. Washburn-Gleichung basierenden Ansatz modelliert. Die ursprüngliche Washburn-Gleichung ist zur Beschreibung von Benetzungsvorgängen in Kapillaren Anfang der 1920er Jahre entwickelt worden. Insgesamt werden zwei unterschiedliche Träger-Typen (hydrophob und hydrophil mit jeweils zwei unterschiedlichen Porengrößen in der aktiven Schicht) mit zwei Flüssigkeiten (Ionische Flüssigkeit [BMIM][Tf2N] und Silikonöl als gut stofflich dokumentierte Referenzflüssigkeit) untersucht. Die neuartige in-situ Präparationsmethode wird im Vergleich zu einer manuellen, d.h. ex-situ Präprationsmethode untersucht. Diese ex-situ Methode ermöglicht die Präparation von stabilen ILM ohne jegliche Vorbehandlung der verwendeten ionischen Flüssigkeit und des Trägers. Allerdings liegen hier keine Informationen zur realen Flüssigmembrandicke vor und es besteht keine Möglichkeit der gezielten Einstellung. Dahingegen ermöglicht die in-situ Präparation eine kontrollierte Herstellung von ILM mit definierter Membrandicke. Während der in-situ Präparation limitiert ein auf der Lumenseite des Trägers verbleibender Flüssigkeitsfilm die minimal erreichbare ILM-Dicke. Ein auf der klassischen Fallfilm-Theorie basierendes Modell berechnet den Austrag des Films aus dem Träger und berücksichtigt den Einfluss dieses Films auf die Membrandicke. Entsprechend erlaubt das vorgestellte Gesamtmodell zur Membranherstellung eine Herstellung von ILM mit definierter Dicke. Im letzten Kapitel der vorliegenden Arbeit wird ein mathematisches Modell zur Beschreibung der simultanen Dampfseparation einer Propen/Propan-Mischung und der katalytischen Umsetzung von Propen zu Hexenen innerhalb der ILM präsentiert. Entsprechend der Untersuchungen von Eichmann (Marcus Eichmann: Zweiphasige Dimmerisierung von Propen und 1-Buten mit ionischen Flüssigkeiten, Dissertation RWTH Aachen, 1999) wird eine Reaktion pseudo-erster Ordnung für die Propen-dimerisierung angenommen. Zur Evaluation des Modells werden nicht-reaktive Propen/Propan Separationsexperimente durchgeführt, bei denen sowohl in-situ als auch ex-situ präparierte ILM zum Einsatz kommen. Es werden zwei Parameterstudien der katalytisch nicht-aktiven und aktiven ILM durchgeführt in denen jeweils der Einfluss der experimentellen Parameter auf die Selektivität, Permeabilität und das Verhältnis der Propen/Propan-Absorption der ILM analysiert werden.

In the work at hand, Immobilized Liquid Membranes - ILM - for gas and vapor separations composed of the ionic liquid [BMIM][Tf2N] in ceramic capillary asymmetric supports are investigated. As becomes clear from a detailed literature review covering publications of the last 16 years, the aforementioned material combination promises more stable ILM in contrast to commonly employed polymeric supports and low-volatile liquids. In opposition to commonly employed ex-situ, manual ILM preparation methods, a novel continuous in-situ ILM preparation method is developed. This method offers the possibility of using oxygen or water sensitive liquids as membrane phase and allows for easier preparation of ILM leading one step further to industrial application. As a means for the novel in-situ ILM preparation method, imbibition kinetics of the porous supports are investigated experimentally by means of three different methods. The experimental results are successfully modelled by means of an approach based on the so-called Washburn Equation for description of capillary imbibition kinetics. Two different support types (hydrophobic and hydrophilic with two different pore diameters of the active layer each) with two liquids (Ionic liquid [BMIM][Tf2N] and a silicone oil as a reference liquid with well documented material properties) are employed. The novel continuous in-situ preparation is investigated in comparison to a manual, i.e. ex-situ preparation method. This ex-situ method allows for preparation of ILM without any pretreatment of the employed ionic liquid and the support yielding a sufficiently stable ILM. However, there is no information on the real thickness of this ILM available and no controlled preparation possible. On the other hand, the in-situ preparation enables the controlled preparation and adjustment of ILM thickness. In this method, a remaining film on the lumen side of the membrane supports poses a limit on the minimum achievable ILM thickness. A model based on classical film theory is set up to account for the film removal during the last step of the preparation method. The proposed model allows for successful design of ILM with designated thickness. Finally, a mathematical model capable of describing the simultaneous vapor separation of a propane/propylene mixture and reaction of propylene to hexene by means of a catalytically active ILM is presented in this section. Sticking to the findings of Eichmann (Marcus Eichmann: Zweiphasige Dimmerisierung von Propen und 1-Buten mit ionischen Flüssigkeiten, Dissertation RWTH Aachen University, 1999), a pseudo first order reaction for the propylene dimerization reaction is assumed. For evaluation of the model, both in-situ and ex-situ prepared ILM are employed for permeation experiments for non-reactive vapor separation of a propane/propylene mixture. Two parametric studies of the non-catalytically active and the catalytically active ILM are presented investigating the influence of the experimental parameters on the selectivity, permeability and propylene/propane absorption ratio of the ILM.

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