Micro-Contactor for Extraction and Permeation
Final Report Abstract
Das Projekt befasst sich mit Grundlagenuntersuchungen zur Stofftransportkinetik bei der Reaktivextraktion im Mikrokontaktor, gefolgt von der Entwicklung eines Modells und Methodik zur Ableitung universell gültiger Geschwindigkeitsgesetze und kinetischer Parameter, die dann in die Auslegung und den Scale-up Prozess von industriellen Extraktionsapparaten mit integriert werden können. Mit diesem Ansatz ist es nicht nur möglich Extraktionsregime zu identifizieren, sondern auch Einzelwiderstände bezüglich des Gesamtstofftransportes zu quantifizieren. Die industrielle Auslegung von Extraktionsapparaten ist zeitintensiv und der Scale-up-Prozess mit einem hohen Ressourceneinsatz verbunden. Aus diesem Grund wurde ein membranbasiertes Mikrokontaktormodul zur detaillierten Untersuchung der intrinsischen Reaktionskinetik entwickelt. Diese mikrostrukturierten Systeme sind wohl definiert und präzise kontrollierbar, um so wissenschaftliche Erkenntnisse sicher, schnell und kostengünstig abzuleiten, da nur kleinste Probemengen nötig sind. Diese Mikrostrukturierung führt zusätzlich zu einer Prozessintensivierung, was für das EFCE Standardtestsystem in der Flüssig-Flüssig Extraktion Wasser/Aceton/Toluol gezeigt wird. Es können hier bis zu 10,1 Transfereinheiten pro Meter erzielt werden. Der Mikrokontaktor wird zunächst anhand der bekannten Zinkextraktionskinetik validiert und ein Modell für den reaktiven Stofftransport entwickelt. Dieser modellbasierte Ansatz hat einige Vorteile gegenüber konventioneller Methoden zur Bestimmung der Extraktionskinetik (zum Beispiel in Lewis-Zellen), insbesondere für schnelle Reaktionen. Die Implementierung der Flüssigmembranpermeation führt zusätzlich zu einer Steigerung der Extraktionsperformance. Die entwickelte Methodik wird auch für andere, weniger untersuchte Testsysteme, wie der Germaniumextraktion mit den Extraktionsmitteln Kelex 100 und LIX 63, überprüft. In einem ersten Schritt werden zunächst apparateabhängige Extraktionsgeschwindigkeitsgesetze abgeleitet. Danach werden alle diffusionsspezifischen Widerstände hiervon subtrahiert und eliminiert, was dann in einem Stofftransport resultiert, der exklusiv auf die chemische Reaktion zurückzuführen ist. Die Extraktionsgeschwindigkeitsgesetzte werden also in apparateunabhängige Reaktionsgeschwindigkeitsgesetze transformiert. Es kann gezeigt werden, dass die chemische Reaktion von Germanium mit Kelex 100 ca. 8-mal schneller ist als mit LIX 63 bei jeweils optimalen Bedingungen. Diese Reaktionsgeschwindigkeitsgesetze und Geschwindigkeitskonstanten können also schnell und bequem ermittelt werden, die dann in die Auslegung von industriellen Apparaten für die Reaktivextraktion mit einfließen. Der prozessintensivierte Mikrokontaktor hat prinzipiell ein hohes Potential zur Lösung schwieriger Trennprobleme, wie beispielsweise die enantioselektive Flüssig-Flüssig Extraktion. Ein Razemat aus einem Mandelsäurederivat als Wertstoff und einem β-Cyclodextrin-Derivat als chiraler Selektor dient hierbei als Testsystem. Das (S)-Enantiomer wird hierbei bevorzugt extrahiert, was zu einer höheren Extraktionsgeschwindigkeitskonstanten führt. Dennoch ist die Extraktionseffizienz, bedingt durch das laminare Strömungsprofil im Mikrokontaktor und der geringen Diffusivität der involvierten Spezies, stark durch diffusive Widerstände limitiert. Das Stofftransportmodell muss zusätzlich hierbei an den homogenen Reaktionsmechanismus angepasst werden. Nichtsdestotrotz erlauben die grundlegenden Untersuchungen und die entwickelte Methodik ein schnelles und kostengünstiges Screening und eine kinetische Quantifizierung potentieller Extraktionsmittel für die Reaktivextraktion. Gerade die Reaktivextraktion rückt aktuell immer mehr in den Fokus, zum Beispiel im Bereich der Aufarbeitung verdünnter Lösungen oder der sekundären Rohstoffgewinnung aus Elektroschrott, wo kinetische Daten unabdingbar für die Entwicklung innovativer Prozesse sind.
Publications
- (2014), Hydrodynamik in der Gitter-stabilisierten mikrostrukturierten Flüssig/Flüssig-Extraktion, Chem. Ing. Techn. 85 (9), 1415-1416
S. Willersinn, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201250612) - (2014), Reactive Mass Transfer in a Microstructured Counter-Current Apparatus, Proceedings International Solvent Extraction Conference, Würzburg, Deutschland
S. Willersinn, H.-J. Bart
- (2014), Reaktivextraktion von Metallen im Mikrokontaktor, Chem. Ing. Techn. 86 (9), 1459
S. Willersinn, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201450105) - (2015), Influence of Silica Nanoparticles on Mass Diffusion in a Membrane-Based Microcontactor, Chem. Ing. Techn. 87 (8), 1054
S.S. Ashrafmansouri, S. Willersinn, M. N. Esfahany, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201550112) - (2015), Makrokinetik der Germaniumextraktion im Mikromembranmodul, Chem. Ing. Techn. 87 (8), 1053-1054
S. Willersinn, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201550033) - (2015), Reactive mass transfer in a membrane-based microcontactor, Chem. Eng. Process. Process Intensif. 95, 186-194
S. Willersinn, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cep.2015.05.015) - (2016), Influence of silica nanoparticles on mass transfer in a membrane-based micro-contactor, RSC Adv 6 (23), 19089- 19097
S.S. Ashrafmansouri, S. Willersinn, M. N. Esfahany, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1039/c5ra26056f) - (2016), Kinetics of Ge(IV) extraction using a microstructured membrane contactor, Int. J. Chem. Kinetics 48 (10), 609-621
S. Willersinn, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/kin.21019) - (2017), Reactive Extraction and Critical Raw Materials: Industrial Recovery of Tungsten, Chem. Ing. Techn. 89 (1-2), 82-91
S. Willersinn, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201600079)
