Schadstofffreie Prozessfortluft in der Beschichtungsindustrie durch multifunktionale Multilayer-Membranen (MLMcoat)

BMWi IGF 55 EWBR | Laufzeit: 02.2020 – 07.2022 Ulrike Straßburger, Sophia Rau, FILK Freiberg; Marcus Lange, Jörg Hofmann, INC Uni Leipzig
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  • Funktionale Schichtsysteme

Ausgangssituation

Oberflächen­beschichtungs­anlagen finden in vielen Industrie­prozessen breite Anwendung. Dabei entstehen Emissionen, die vorwiegend Beschichtungs­stoffe (Film­bildner, Löse­mittel, Farb­mittel, Füll­stoffe, Additive), insbe­sondere flüchtige organische Verbindungen und vermehrt höher- und nieder­molekulare Siloxane bein­halten können. Klassische Abluft­reinigungs­verfahren beruhen meist auf dem Einsatz von kata­lytischer oder ther­mischer Nach­verbrennung. Gelangen silizium­haltige Verbindungen in bestehende Anlagen, so resul­tieren daraus kürzere Stand­zeiten und ein erhöhter Wartungs­aufwand durch Schädi­gungen an den Katalysator­einheiten.

Projektziel

Auf der Basis einer ziel­gerich­teten Abluft­analyse sollte ein Konzept entwickelt werden, das mit größt­möglicher Flexi­bilität die Abscheidung der unter­schied­lichsten Kompo­nenten ermöglicht. Durch geeignete Modifi­zierung traditioneller Sorbentien sollte deren Abscheide­leistung gegen­über Wasser und/oder Lösungs­mitteln, aber auch besonders, mit der Kenntnis um die katalysator­schädliche Wirkung silizium­orga­nischer Verbin­dungen, gegen­über zyklischen und linearen, nieder- und höher­mole­kularen Siloxan­verbin­dungen erhöht werden. Durch Kombi­nation hydro­philer und hydro­phober Materialien sollte die effektive Vorreinigung des Prozess­abluft­stromes bewirkt werden, sodass dieser in eine kataly­tische Nach­verbrennung geführt werden kann.

Lösungsweg

Es wurden im Technikums­maßstab PVC-Beschichtungen, wasser­basierte PU-Folien und Silikon­beschichtungen mit und ohne Lösungs­mittel­zusatz herge­stellt. Auf der Basis einer umfang­reichen Emissions­analyse wurden mit dem besonderen Fokus auf die effiziente Siloxan­abtrennung unter­schied­liche Adsorbentien (Aktiv­kohlen, Aluminium­oxide, Silizium­oxide) in einem Temperatur­bereich bis 200 °C gescreent. Zusätz­lich wurde die chemische Umsetzung von D5 (Decamethyl­cyclopentasiloxan [(CH₃)₂SiO]₅) an der Ober­fläche der Materialien unter­sucht und an sauren Zentren eine Umsetzung zu zyklischen und ketten­förmigen Produkten beobachtet. Es wurde untersucht, ob sich durch Oberflächen­modifizierung (Kondensations­reaktionen oder Gasphasen­fluorierung) und damit einher­gehende Hydropho­bierung der Materialien die Abscheide­leistungen gegenüber Schad­stoffen (z. B. Lösungs­mittel, VOC, Siloxane) gezielt weiter steigern lassen. Die Performance der Adsorbentien und deren Effekt auf die Leistung der Kataly­satoren der Nachver­brennung wurden untersucht.

Ergebnisse

Abluftströme der Kunststoff­beschichtung lassen sich durch die Inte­gration von Adsorptions­stufen effektiv vorreinigen, bevor sie in nach­folgende Abluft­behand­lungen geführt werden. Insbesondere katalysator­schädliche Siloxan­verbin­dungen sind sowohl mit aktiv­kohle­basierten als auch sili­ka­tischen Adsorbentien effektiv abtrennbar. Es konnte im Projekt u. a. nach­ge­wiesen werden, dass mit ausge­wählten Sorbentien die Abscheidung von Lösungs­mitteln und Siloxanen zunächst parallel gelingt. Bei zuneh­mender Beladung des Sorbens stellt sich eine Selek­tivität des Sorbens mit bevor­zugter Abscheidung der proble­matischen Silizium­organika ein. In einem Temperatur­bereich von 140 – 200 °C nimmt zwar die Beladungs­kapazität der Sorbentien ab, die Selek­tivität bezüg­lich der Siloxane verstärkt sich jedoch.

Nutzen

Vor allem in KMUs und im Bereich der Klein­serien­ferti­gungen stellt die Inte­gration der adsorptiven Abtrennung von Silizium­organika insbesondere aus temporär anfallenden Teil­strömen eine wirk­same und wirtschaft­liche Ergänzung der Abluft­behandlung dar. Es wird den Beschichtungs­unter­nehmen ermöglicht, ein breiteres Spektrum an Rezepturen zu reali­sieren, ohne bestehende Abluft­behandlungs­anlagen in ihrer Leistung zu beein­trächtigen.

   

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Danksagung

Das IGF-Vorhaben 55 EWBR der Forschungs­vereinigung „FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1-5, 09599 Freiberg“ wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der „Industriellen Gemein­schafts­forschung und -entwicklung (IGF)“ vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klima­schutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unter­stützung.

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