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Katharina Göbel

• Organische Nanofiltration ist ein innovatives Verfahren zur Trennung von Organika. Eine mögliche aussichtsreiche Anwendung ist die Aufbereitung von Terpenen aus Terpentinöl, einem Abfallstrom der Papierindustrie, der durch die Aufbereitung zu Wertstoffen wie Aromen oder Feinchemikalien modifiziert werden kann, wodurch die Nachhaltigkeit der Prozesse und Produkte steigt. Umfassende Transportmodelle und Standards sind für die organische Nanofiltration nicht dokumentiert, so dass Laborversuche die Grundlage für die Membranauswahl und Machbarkeitsanalyse bilden. Zur Terpentrennung werden die Membranen oNF-2 von Borsig, PIM und PDMS vom HZG und 030306 sowie 070706 von SolSep wie auch Puramem Selective von Evonik durch die Durchführung von Performanztests und die Ermittlung der Parameter Permeabilität und Rückhalt im Labormaßstab geprüft. Zusätzlich werden Analysen zur Charakterisierung der Membranen wie beispielsweise die Kontaktwinkelmessung durchgeführt. Die Komplexität des Terpentinöls erschwert die Untersuchung der Trennung. Zur Vereinfachung erfolgt die experimentelle Untersuchung durch binäre Gemische. Der neu entwickelte Standardtest ermöglicht einen Vergleich der Membranen und die Bestimmung der Qualität einer Membran vor und nach der Versuchsdurchführung. Auch kann so ein Vergleichsmaßstab für die ausgewählten kommerziellen Membranen erstellt werden, der die Auswahl und den Einsatz erleichtert. Die Trennung des Farbstoffs Patentblau V von Ethanol zeigt die Heterogenität der eingesetzten PDMS-Membranen, wobei die Membran 070706 von SolSep einen Rückhalt von ca. 50 % bei einer Permeabilität von 1,1 L/m²/h/bar und die Membran PDMS von HZG einen Rückhalt von nahezu 100 % bei einer Permeabilität von 0,3 L/m²/h/bar aufweist. Die Permeabilitäten der Reinstoffe variieren aufgrund der Stoffeigenschaften der Terpene. Limonen weist für die untersuchten Membranen die größte Permeabilität wohingegen Caryophyllen die kleinste aufweist. Beispielhaft ist hierzu die Membran 030306 von SolSep für Limonen (0,3 L/m²/h/bar) und Caryophyllen (0,04 L/m²/h/bar) angeführt. Die maximale Permeabilität wird für Limonen bei der Membran 070706 von ca. 3 L/m²/h/bar ermittelt. Die Ergebnisse der Terpentrennung variieren mit der eingesetzten Membran. Für die Membran 030306 von SolSep ist ein Rückhalt von 50 % für die Trennung von Terpineol-Limonen möglich. Die zugehörige Permeabilität ist mit 0,04 L/m²/h/bar gering, zeigt aber, dass organische Nanofiltration einen Beitrag zur Aufbereitung dieser Stoffgruppe leistet. Alle untersuchten Membranen verhalten sich wie dichte Membranen und folgen der Modellvorstellung des Lösungs-Diffusions-Modells. Ein hieraus abgeleitetes Stofftransportmodell beschreibt die Permeabilität in Abhängigkeit eines stoffdatenbasierten Trennungsparameters. Der Parameter beinhaltet den Gesamthansenparameter, die dynamische Viskosität und das molare Volumen. Durch lineare Regression der Ergebnisse des Transportmodells ergibt sich der Parameter K zur Beschreibung der Membranen mit prozessinhärenten Größen. Der Parameter K ermöglicht den Vergleich der Membranen und nimmt für die Membran 030306 von SolSep den Wert 2,2 ((L/m²/h/bar)/(MPa½/mPas/Å3) und für die Membran oNF-2 von Borsig den Wert 17,9 ((L/m²/h/bar)/(MPa½/mPas/Å3) an. Der Parameter K korreliert direkt mit der Permeabilität und antiproportional mit dem Rückhalt. Zusätzlich kann der Parameter ins Verhältnis gesetzt werden mit Messungen des Kontaktwinkels, was zu einer einfachen Messmethode zur Beschreibung der Membraninteraktion mit den Terpenen und dadurch der Ermittlung der Schichtdicke der aktiven Schicht führt. Die Trennung des Terpentinöls in Reinsubstanzen ist mit den derzeit verfügbaren Membranen nicht möglich. Die Fraktionierung ist jedoch umsetzbar und erlaubt eine Vereinfachung der anschließenden konventionellen Trennverfahren wie der Rektifikation.