Nanoskalig strukturierte Textilfiltermedien für die Trennung von Öl-Wasser-Emulsionen

Abstract

Die Öl-Wasser-Trennung von fein dispergierten ölhaltigen Abwässern, wie sie in diversen Industrien und Erdölraffinerien entstehen, ist ein wichtiger Schritt, bevor diese in das öffentliche Abwassersystem eingeleitet werden können. Die Trennung einer Öl-in-Wasser-Emulsion mit einer dispergierten Tröpfchengröße kleiner als 100 µm durch ein Faserfiltermedium ist ein kompliziertes Verfahren. Vor allem bei sehr kleinen dispergierten Tröpfchen (< 10 µm) ist die Filterleistung begrenzt. Die kleinen Tröpfchen sind kugelförmig und haben nur Punktkontakt mit einzelnen anstatt mit mehreren Fasern des Filters. Der Einsatz von Nanotechnologien bietet zahlreiche Lösungen für diverse Filtrationsprobleme. In der Emulsionstrennung ist der Einsatz von nanomodifizierten Filtermedien bisher jedoch kaum erforscht.

Die vorliegende Dissertation untersucht die Wirkung von Nanomodifikationen bzw. der Nanopartikelausrüstung und der Nanofaserbesprühung auf die Emulsionstrennleistung textiler Filtermedien. Zudem wird ein geeignetes nano-modifiziertes Faserfiltermedium zur Trennung einer stabilen sekundären Öl-in-Wasser-Emulsion entwickelt. Außerdem werden die Einflüsse der Prozessparameter und der Filtereigenschaften auf die Emulsionstrennleistung untersucht. Die Ergebnisse werden in Bezug gesetzt zu Erkenntnissen anderer Forschergruppen, welche teilweise widersprüchliche Bewertungen zum Einfluss einzelner Prozess- und Filterparameter auf die Emulsionstrennleistung beinhalten. Die hier durchgeführten, systematischen Untersuchungen lösen einige dieser scheinbaren Widersprüche auf, indem gezeigt wird, dass die Bedeutung vieler Prozess- und Filterparameter für die Emulsionstrennleistung nicht isoliert betrachtet werden darf, sondern von anderen Systemparametern signifikant beeinflusst wird.

Für die Grundsatzuntersuchungen wurde eine stabile Isooktan-in-Wasser-Emulsion (0,2 - 1 %, mittlere Tröpfchengröße ca. 5 µm) verwendet. Um einen niedrigen Druckverlust und hohe Anströmgeschwindigkeiten zu ermöglichen, wurden ausschließlich dünne Textilfilter-medien (< 6 mm) verwendet. Die Filtrationsversuche wurden mit zwölf verschiedenen Textil-Filtermedien einzeln und in verschiedenen Kombinationen (mehrstufige Filter und Sandwich-Filter) mit einer Porengröße von 2 - 51 µm, Oberflächenenergie von 14 - 46 mN/m, Porosität von 0,46 - 0,88 und Luftdurchlässigkeit von 15 - 200 l/(m2.s)durchgeführt.

Um die Benetzbarkeit der eingesetzten Filtermedien zu ändern, wurden sie mit hydrophilen und hydrophoben nanostrukturierten Beschichtungen ausgerüstet. Zudem wurden nanofaserbesprühte (PVDF, PAN) Filtermedien hinsichtlich reduzierter Porengröße und veränderter Oberflächeneigenschaften untersucht. Außerdem wurden die Einflüsse der Anströmgeschwindigkeit (0,6 - 1,8 m/min) sowie der Strömungsrichtung (horizontal und radial) auf die Emulsionstrennleistung betrachtet. Auch die Einflüsse der Größe der Nanopartikel (6, 15, 25 nm) sowie der Luft- und Wasserumgebung auf die Benetzungsdynamik der Isooktantröpfchen wurden analysiert.

Auf Basis der erarbeiteten Ergebnisse konnten wirksame Filtermedien konzipiert und erfolgreich erprobt werden. Dabei ergab sich: Die Wirksamkeit des Emulsionstrennmechanismus (Oberflächenabscheidung und Tiefenfiltration) hängt hauptsächlich von der Porengröße, Oberflächenenergie, Porosität eines Filters, Größe der dispergierten Tröpfchen und Anströmgeschwindigkeit ab.

Für die wirksame Emulsionstrennung sollte ein Koaleszenzfilter (Tiefenfiltration) von der dispergierten Phase gut benetzbar sein und kleine Poren besitzen. Sind die Filterporen allerdings kleiner oder genauso groß wie die emulgierten Öltröpfchen, spielt die Oberflächenenergie (hydrophob / hydrophil) eines Filters keine Rolle für die Koaleszenzleistung. In diesem Fall werden Emulsionstrennleistung und -mechanismus von der Anströmgeschwindigkeit bestimmt. Für eine wirksame Öl-Wasser-Trennung sollte der Filter vertikal orientiert, mit Nanopartikeln < 10 nm beschichtet und die Emulsion horizontal gepumpt werden.

Eine Gradientenstruktur in Form eines Anstiegs der Porengröße und Porosität von der Anström- zur Abströmseite eines Koaleszenzfilters begünstigt die Trennleistung. Mit einem im Rahmen der Arbeit neu entwickelten hydrophob-oleophil nanobeschichteten Sandwichfilter (Dicke 3,9 mm; Porosität 0,84; 50 % Porengröße 7,7 µm) konnte für eine 1-%ige Isooktan-in-Wasser-Emulsion mit einer mittleren Tröpfchengröße von ca. 5 µm bei einem Druckverlust von 160 mbar und einer Anströmgeschwindigkeit von 1,0 m/min ein höchst stabiler Trenngrad von 80 % erzielt werden.

Separation of finely dispersed oily wastewater, which occurs in various industries and oil refineries, is necessitated prior to their discharge into the recipients among others. For the separation of secondary emulsions of dispersed droplet size less than 100 µm by means of fibrous medium is a very complex, but very important and popular process. However, a very small-dispersed droplet size (< 10 µm) can limit the filter performance because the small droplets are nearly spherical and tend to have only point contact with the single fiber but not with several fibers of the filter. Furthermore, the emerging nanotechnology has been offering tremendous advances and promising solutions to various filtration problems where the influence and application of nanomodification for the emulsion separation is significantly little known.

In this regard, the purpose of the present dissertation is to investigate the effect of nanomodification i.e., nanoparticle and nanofiber coating on the emulsion separation performance of textile filters and to develop a nanomodified fibrous filter media for the separation of a stable secondary oil in water emulsion. In addition, the effects of various process parameters and filter properties on the oil in water emulsion separation performance were also analyzed. The emphasis is focused on the conflicting results from various researchers, where it is difficult to judge the influence of individual process parameter and filter property on the emulsion separation performance. For this purpose, a systematic study is being carried out which solved some of these conflicts. It also revealed that for evaluating the emulsion separation performance, the influence of various process parameters and filter properties should not be considered individually as it depends on other system parameters also and their combined effect is more important.

In this study, isooctane-in-water emulsion (0.2 - 1 %, mean droplet size 5 µm) was used as the model of a stable, secondary emulsion and thin textile filter media (< 6 mm) were used to afford lower pressure drop and higher inflow velocity. Experiments were carried out on twelve different textile filters and their different combinations (sandwich filter) with a wide variation in their: pore size 2 - 51 µm, surface energy 14 - 46 mN/m, porosity 0.46 - 0.88 and air permeability 15 - 200 l/(m2.s).

Filters with different wettability were obtained by applying various hydrophobic and hydrophilic nano-coatings. In addition to it, nanofiber (PVDF, PAN) coated / sprayed filter media were also analyzed for the emulsion separation performance due to reduced pore size and altered surface properties. Besides this, the influences of emulsions inflow velocity (0.6 - 1.8 m/min), inflow direction (horizontal and radial) on the emulsion separation performance and the nanoparticle size (6, 15, 25 nm), surrounding phase type (air / water) on the wetting dynamics of the isooctane droplet were also investigated. Besides emulsion properties and operating conditions, the effectiveness of each mechanism (surface and deep filtration) primarily depends on: filter pore size, filter surface energy, filter porosity, dispersed droplet size and inflow velocity.

More complete coalescence takes place with reduced pore size and at a surface offering better wettability to the dispersed phase. On the other hand when the pore size equals to the influent droplet size, the surface wettability of filter is less effective and the separation mechanism is governed by inflow velocity. In addition to this for effective emulsion separation a filter should be: vertically oriented, coated with the nanoparticle < 10 nm and the emulsion should be pumped horizontally.

A gradient structure with increasing filter pore size and porosity from the influent to effluent side provides better droplet coalescence and emulsion separation performance. In the present study a new nanocoated coalescence filter of the porosity value 0.84, 50 % pore size 7.7 µm, thickness 3.9 mm resulted the best and a stable emulsion separation performance (separation efficiency 80 % and pressure drop 160 mbar) for a 1 % emulsion at inflow velocity 1.0 m/min.