Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan (CH4). Sauergas enthält mit Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2) Verunreinigungen, die mit Feuchtigkeit sauer reagieren und stark korrosiv wirken. Das hochgiftige H2S stellt zudem ein Sicherheitsrisiko dar.
Das „Süßen“ erfolgt heute meist durch eine energieintensive Gaswäsche, die bei hohen CO2- und H2S-Konzentrationen nicht wirtschaftlich arbeitet und für abgelegene und Offshore-Anwendungen ungeeignete große, komplexe Apparate benötigt. Eine Alternative sind skalierbare, ökonomisch arbeitende Membran-Trennungen.
Fehlendes Verständnis bei Polyimid-Strukturen
Membranen auf Basis glasartiger Polyimide – Polymere, die aus speziellen stick- und sauerstoffhaltigen Bausteinen aufgebaut sind – zeigen gute Trennleistungen. Dennoch fehlte es bisher an einem grundlegenden Verständnis der Beziehungen zwischen den Strukturen der Polyimide und ihren Gastransport-Eigenschaften in Gegenwart von H2S, was der Entwicklung hocheffizienter Membranen entgegenstand. Das Team um William J. Koros vom Georgia Institute of Technology in Atlanta, USA, hat sich dieser Thematik jetzt angenommen.
Membrantrennungen beruhen darauf, dass Gase mit höherer Löslichkeit das Membranmaterial leichter passieren; allerdings können auch kleinere Gasmoleküle schneller durch die Membran diffundieren. Die Herausforderung beim Süßen liegt darin, dass die CO2-Abtrennung vor allem auf Größenunterschieden basiert (CO2 ist kleiner als CH4), die Trennung der ähnlich großen Moleküle H2S und CH4 dagegen auf Löslichkeitsunterschieden. Zudem beginnt die glasartige Polyimid-Membran mit zunehmender Menge an gelösten Gasen zu erweichen: günstig für die Abtrennung von H2S, ungünstig für die von CO2.
Maßgeschneiderte Membranen für Erdgas
Für ihre Tests stellten die Forscher Polyimide auf der Basis von 6FDA (4,4'-(Hexafluorisopropyliden)-Diphthalsäureanhydrid) her. Sie verwendeten zwei verschiedene 6FDA-Bausteine, die sie in unterschiedlichen Mengenverhältnissen polymerisierten.
Der eine Baustein (DAM) bringt eine sperrige Trimethyl-Benzol-Gruppe ein, die verhindert, dass die Polymerketten dicht gepackt vorliegen. Sowohl die Gasdurchlässigkeit als auch die Neigung zu erweichen werden erhöht. Der andere Baustein (DABA) enthält eine polare Benzoesäure-Gruppe. Sie festigt die Kettenpackung, die Durchlässigkeit nimmt ab, aber die Löslichkeit von H2S wird erhöht.
Je höher der Anteil an DAM, desto höher die Durchlässigkeit für CO2 – allerdings auch für Methan, die Selektivität nimmt ab. Im Falle von H2S wird die Selektivität dagegen kaum beeinträchtigt. Je mehr DAM, desto stärker die Erweichung des Polymers: ungünstig für CO2, günstig für H2S.
Über eine Feinjustierung der Mengenverhältnisse der Bausteine lassen sich die Packung der Polymerketten und die Plastifizierungsneigung so austarieren, dass Membranen entstehen, die gleichzeitig H2S und CO2 effizient abtrennen. Für verschiedene Erdgaszusammensetzungen lassen sich so Membranen maßschneidern.
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