Kontinuierliche Gastrocknung mittels Membrantechnologie

Die Gastrocknung wird in der Erdgasaufbereitung, Petrochemie und Wasserstoffproduktion bis hin zur Industriegasreinigung eingesetzt, wo Feuchtigkeitsentfernung entscheidend für Prozesseffizienz und Anlagenlebensdauer ist. Die kontinuierliche Gastrocknung mittels Membrantechnologie stellt hier eine bedeutende Weiterentwicklung im Bereich der Trennprozesse dar. Durch den Einsatz fortschrittlicher, anorganischer, nanoporöser Membranen wie Zeolithe (NaA, SSZ-13, SAPO-34) und Kohlenstoff erzielt diese Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Trocknungsverfahren sehr gute Ergebnisse. Die Membranen zeichnen sich durch hohe Selektivitäten und Wasserpermeanzen aus, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb unter variierenden Druck- und Temperaturbedingungen mit minimalem Wartungsaufwand (ohne Absorptionsmittel) möglich ist. Asymmetrische Einkanalrohre aus porösem α-Aluminiumoxid dienen als Träger für eine Zeolithmembran, welche durch hydrothermale Kristallisation und Kalzinierung (1–2 μm Dicke) erzeugt wird. Bei Kohlenstoffmembranen erfolgt dies hingegen durch Tauchbeschichtung, Trocknung, Vernetzung und Pyrolyse (200 bis 1000 nm Dicke). Die Membranen wurden mit FESEM und XRD charakterisiert, um ihre Trenneigenschaften durch Gaspermeationsmessungen unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten. Dabei wurden H₂O/H₂-(Wasser/Wasserstoff) und H₂O/CH₄-(Wasser/Methan)-Trennungen bei einem Feeddruck von 10 barg und 50 °C für Zeolithe bzw. 120 °C für Kohlenstoffmembranen durchgeführt (Abb. 1).

Bei Betrachtung der H₂O/H₂-Trennung (Abb. 2) zeigt die Kohlenstoffmembran mit einer H₂O/H₂-Selektivität von 10 und einer H₂-Permeanz von 1750 [l/(m²h·bar)] die geringste Performance. Während die Zeolithmembranen SAPO-34- und SSZ-13 eine vergleichbare H₂O-Permeanz zwischen 2500 und 3000 [l/(m²h·bar)] aufwiesen, erreichte die SSZ-13-Membran eine höhere H₂O/H₂-Selektivität von ~ 16. Im Gegensatz dazu zeigte die NaA-Membran die höchste H₂O/H₂-Selektivität von 67 bei einer H₂O-Permeanz von 3250 [l/(m²h·bar)]. Bei der H₂O/CH₄-Trennung waren die Selektivitäten grundsätzlich höher. Dabei weist die SAPO-34-Membran eine relativ niedrige H₂O-Permeanz und H₂O/CH₄-Selektivität auf. Die SSZ-13-Membran zeigte ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Permeanz und Selektivität. Die NaA-Membran hingegen zeichnet sich durch eine
hohe H₂O/CH₄-Selektivität > 100 und einer H₂O-Permeanz (~ 3200 [l/(m²h·bar)]) aus, was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für effiziente Gastrocknungsanwendungen macht. Noch bessere Werte wurden mit der Kohlenstoffmembran erreicht. Die H₂O/CH₄-Selektivität überstieg 1000 bei einer Permeanz von ~ 3600 [l/(m²h·bar)].

Kohlenstoffmembranen zeigen somit ein exzellentes Potenzial für die direkte Biogastrocknung, während Zeolithmembranen (NaA) vielversprechend für die Wasserstofftrocknung sind. Aus diesem Grund wird die weitere Erforschung mit dem Ziel der Pilotierung am Fraunhofer IKTS priorisiert.

Wir danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt für die Finanzierung im Rahmen des Projekts »Hybiodirect« (FKZ:37192).