Süßes oder saures Erdgas

Polyimid-Membranen für die Reinigung von Erdgas

26.06.2020 - USA

Erdgas, das größere Mengen an Schwefelwasserstoff (H₂S) und Kohlendioxid (CO₂) enthält, wird als Sauergas bezeichnet. Bevor es in die Pipeline darf, muss es „gesüßt“, d.h. die sauer reagierenden Verunreinigungen abgetrennt werden. Durch Abstimmung des Verhältnisses zweier molekularer Bausteine lassen sich maßgeschneiderte Polyimid-Membranen herstellen, die für die Reinigung von Sauergas über einen breiten Bereich von Gaszusammensetzungen geeignet sind, wie Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten.

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.

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 (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.

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.

Originalveröffentlichung

William J. Koros et al.; "Molecularly Engineered 6FDA‐Based Polyimide Membranes for Sour Natural Gas Separation"; Angewandte Chemie International Edition; 2020

https://www.chemie.de/news/1166882/suesses-oder-saures-erdgas.html

Originalveröffentlichung

William J. Koros et al.; "Molecularly Engineered 6FDA‐Based Polyimide Membranes for Sour Natural Gas Separation"; Angewandte Chemie International Edition; 2020

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