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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und Mittel zur Spaltung von Emulsionen, die vorrangig aus wässrigen und organischen Phasen bestehen, durch den Einsatz von Alginit.
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Emulsionen sind kolloidale Systeme, die durch Phasenkontakt von mindestens zwei verschiedenen Phasen entstehen, und je nach Vermischungsgrad unterschiedlich lange Stabilitäten aufweisen. In der Emulsion liegt eine Phase im Unterschuss und eine im Überschuss vor, wobei vorrangig Öl-in-Wasser Emulsionen gebildet werden. Die Phasen bestehen vorrangig aus wässrigen und organischen Bestandteilen. [Clayton, W., Die Theorie der Emulsionen und der Emulgierung, Springer Verlag, l924., Morrison, I. D., Sydney, R., Colloidal dispersions, Wiley-Interscience, 2002.] Die gezielte Bildung von Emulsionen, besonders von Mikroemulsionen, wird bereits in der organischen und biokatalytischen Synthese erfolgreich eingesetzt und favorisiert, da eine Vergrößerung der Phasengrenzfläche bei zweiphasigen Systemen zu einem erhöhten Stofftransport in der Grenzfläche führt [Sjöblom, S., Emulsions and emulsion stability, Taylor and Francis, 2006., Abraham, A., Multiple emulsions, Wiley-VCH, 2008.]. Die Bestandteile der wässrigen Phasen umfassen anorganische Salze, wasserlösliche organische Bestandteile, Metallionen, Nichtmetallionen, organisch-anorganische Substanzen (z. B. Siloxane oder ionische Flüssigkeiten). Die Bestandteile der organischen Phase können aus wasserunlöslichen organischen Substanzen, Ölen, Erdöl, Fetten (Mono-, Di- und Triacylglyceride), Siloxanen und anorganisch-organischen Bestandteilen bestehen.
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Emulsionen haben den Nachteil, dass sie die Aufarbeitung von Produktionslösungen erschweren, möglicherweise sogar vollständig verhindern, da keine vollständige Trennung der Phasen eintritt. Bei Extraktionsprozessen kann durch die Ausbildung von Emulsionen eine Produktisolierung behindert und vermindert werden. Besonders in der Aufarbeitung von organischen und wässrigen Reaktionsansätzen sowie Industrieabwässern oder bei der Aufarbeitung von Erdölfraktionen treten infolge von Emulsionsbildung lange und kostenintensive Phasentrennungszeiten auf. Bei dem Einsatz von Alginit kann auf den Zusatz teurer Phasenseparationssubstanzen, wie Salze oder Säuren, verzichtet werden, und die abgetrennten Phasen bedürfen keiner umweltbelastenden Nachbehandlung oder gar Verbrennung. Neben der Verringerung von Standzeiten, ist das Alginit einfach zu handhaben und kann vor allem in kontinuierlichen Prozessen in Form eines Festbetts oder als Schüttung eingebracht werden, und verringert damit den Platzbedarf, der normalerweise in Form von Absetzbecken oder Beruhigungszonen in technischen Anlagen vorzufinden ist. Dies betrifft vorrangig Aufarbeitungsprozesse, wie die Abwasserbehandlung, Biotransformationen, Aufarbeitung von Kohleemulsionen, Erdölgewinnung, Kalk- und Gipssuspensionen, industrielle Abwässer, bzw. allgemein organisch-wässrige Emulsionen.
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Bisherige Methoden zur Spaltung von Emulsionen beruhen auf folgenden Methoden:
- – Eine verbreitete und vielfältig angewendete Methode ist die Säurespaltung und Salzspaltung. Diese chemischen Methoden setzen Säuren, wie z. B. Salzsäure, Schwefelsäure oder Dünnsäure, zur Kompensation der Oberflächenladungen der grenzflächenaktiven Substanzen ein. Der Einsatz von Salzen, wie Magnesiumchlorid, Calciumchlorid, Aluminium(III), Eisen(III), beruht auf dem ähnlichen Prinzip. Durch Erhöhung der Temperatur kann die Spaltung der Emulsion verbessert werden. Nachteilig sind die teuren und säureresistenten Anlagenteile und die hohe Salzfracht. Das anfallende Spaltwasser muss ebenfalls neutralisiert werden und durch die Aufsalzung kommt es zur Bildung von voluminösen Hydroxidschlämmen, die schlecht zu entwässern sind. Meistens müssen die Abwässer zusätzlich einer Nachflockung bzw. Flotation oder einer energieintensiven Ultrafiltration unterzogen werden.
- – Anfallende Emulsionen, vor allem aus der Erdölaufbereitung, müssen einer thermischen Nachbehandlung bzw. Verbrennung unterworfen werden. Dabei besteht die Möglichkeit, die anfallende Wärme zur Energieerzeugung einzusetzen, jedoch sind Emissionsstandards einzuhalten, was den Einbau von aufwendigen und reinigungsintensiven Filtern erfordert.
- – Der Einsatz von Membranfiltern ermöglicht auch die Abtrennung feinster Partikel, die vor allem bei der Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung, vorrangig bei häuslichen und industriellen Abwässern, anfallen. Nachteilig sind die hohen Prozessdrücke, um eine hinreichende effiziente Abtrennung der Emulsionsbestandteile zu erreichen. Des Weiteren muss das Filtermaterial auf das spezifische Trennproblem (Polarität der Lösung, Partikelgröße, chemische Eigenschaften...) abgestimmt werden. Der Einsatz von Zentrifugen ist ebenfalls Stand der Technik, bedarf jedoch eines größeren apparativen Aufwands und ist zudem im kontinuierlichen Einsatz sehr pflegeintensiv. Ferner ist ihr Einsatz wegen der Gefahr der Bildung zündfähiger Gas/Luft-Gemische gefahrbehaftet.
- – Elektrochemische Verfahren, wie beispielsweise die Elektrokoagulation führen zur Entladung der dispergierten Teilchen durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Dies wird vorrangig zur Auftrennung von Kohlesuspensionen angewendet. Nachteilig sind die begrenzte Einsetzbarkeit und Größe der Elektrozellen, sowie die geringe Energieausbeute.
- – Eine ebenfalls etablierte Methode nutzt die Adsorption von Substanzen an Oberflächen fester Materialien durch Chemisorption oder Physisorption. Dabei findet Aktivkohle für eine Vielzahl an organischen, nicht-polaren Stoffen bzw. Schwermetallen Anwendung. Dies wird hauptsächlich in der biologischen Abwasserreinigung zur Adsorption höhermolekularer Verbindungen genutzt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Methode besteht in der aufwendigen Herstellung von Aktivkohle mit ausreichend großer Oberfläche und der hohen Filtrationskosten infolge hoher Prozessdrücke zum Durchleiten der zu trennenden Fluide.
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Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines Verfahrens zur effizienten Spaltung von Emulsionen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Spaltung von Emulsionen Alginit verwendet wird.
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Die Spaltung der Emulsion erfolgt nach 24 h, bevorzugt nach 2 h, besonders bevorzugt nach 5 min.
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Die Spaltung der Emulsionen kann kontinuierlich, semi-kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
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In der Erfindung kommt ein natürlich vorkommendes Gestein zum Einsatz, dass nachfolgend unter dem Begriff „Alginit” geführt wird. Das Alginit kann in seiner natürlichen und unbearbeiteten Form direkt in diskontinuierliche und kontinuierliche Prozesse eingesetzt werden und führt spontan zur Spaltung von Emulsionen und beschleunigt damit die Phasenseparation.
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Alginit ist ein natürlich vorkommendes, kerogenes Sedimentgestein.
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Alginit als ein unbehandeltes, leicht gewinnbares Naturprodukt bietet bereits in sehr geringen Anteilen (< 5 wt.-% je Liter emulsionsbehaftetes Reaktionsvolumen) eine Möglichkeit zur effizienten und vollständigen Spaltung von Emulsionen, die vorrangig durch den Kontakt wässriger und organischer Phasen entstehen.
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Alginit besitzt eine sehr große Oberfläche und besitzt das Vermögen polare, unpolare, Öle, Fette, höhermolekulare Verbindungen, Tenside und Biomasse zu binden. Emulsionen und Suspensionen, die Bestandteile dieser Verbindungen enthalten, sind schwer auftrennbar und die Gewinnung eines Rohstoffs bzw. Produkts ist dadurch limitiert und erschwert. Alginit wird ohne weitere Vorbehandlung pulverförmig oder in Form von Pellets der emulsionsbehafteten Lösung zugegeben und innerhalb weniger Sekunden bis Minuten tritt eine vollständige Phasenseparation ein.
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Alginit kann in Form eines Festbetts, Schüttung oder lediglich als Zusatz verwendet werden.
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Auch künstlich hergestellter Alginit bzw. künstlich hergestelltes kerogenes Gestein kann zur Spaltung der Emulsionen verwendet werden.
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Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:
- – einfache Abtrennung des beladenen Materials durch Filtration, Zentrifugation
- – hohe maximale Beladung des Adsorptionsmittels
- – nicht toxisch, geringe Auswaschung von Fremdbestandteilen aus dem Alginit
- – schnellere Phasenseparation
- – keine Nebenproduktbildung bzw. Kontamination des Reaktionsguts
- – sicherer Umgang, da Naturprodukt, keine Vorsichtmaßnahmen oder Staubbelastung
- – vielseitiger Einsatz überall, wo Phasentrennungen erwünscht und beschleunigt werden sollen
- – Einsatz beispielsweise in der Abwasserbehandlung, Wasseraufbereitung, Erdölaufbereitung, Trennung von Kohlesuspensionen, Farbindustrie, Siloxanchemie, Kalk- und Gipssuspensionen, Abtrennung von Schwermetallen, Lebensmittelindustrie
- – Verringerung von Standzeiten zur Emulsionstrennung
- – Einsatz in diskontinuierlichen und kontinuierlichen Prozessen durch den Einsatz eines billigen, einfach handhabbaren und in ausreichenden Mengen vorkommenden Minerals (Alginit).
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Die Erfindung beschreibt erstmalig den erfolgreichen Einsatz eines natürlich vorkommenden, unbehandelten Deemulgators zur Spaltung von Emulsionen und Suspensionen. Das Material ist ohne größere Vorbehandlung einsatzfähig und kann durch einfache Aufarbeitungsmethoden, wie Filtration von der Produktlösung abgetrennt werden.
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Wesentliche Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung bestehen im Bereich der Polymerchemie von Polymeren mit funktionalisierten Einheiten. Weiterhin liegt ein großes Einsatzfeld in der Aufarbeitung von zwei- oder mehrphasigen Abwässern, insbesondere fett- und ölbetrachteten Abwässern aus Haushalt, Industrie und Gewerbe, Wasseraufbereitung, Abtrennung von Biomaterialien, Schwermetallen, in der Bauchemie zur Trennung von Gips- und Kalksuspensionen, in der Erdölaufarbeitung zum Abtrennen des salzhaltigen Förderwassers und bei der Aufarbeitung von Kühlschmiermitteln.
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Anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.
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Ausführungsbeispiel 1
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100 g destilliertes Wasser werden mit 50 g eines Fettes, beispielsweise Rapsöl, in einem Rundkolben der mit einem Rührer ausgestattet ist, für 30 min intensiv vermischt. Zu der gebildeten stabilen Emulsion werden direkt 1,5 g unbehandeltes Alginit zugegeben und die Emulsion für weitere 10 min intensiv gerührt. Nach Beendigung des Rührvorgangs kann die Phasentrennung optisch über einen Zeitraum von 24 h verfolgt werden. Im Mikromaßstab kann die Phasenseparation in einer Küvette, welche direkt in einem Photometer steht, spektroskopisch über die Abnahme der Absorption verfolgt werden. Die Entmischungszeit lag in Abhängigkeit von der Fettzusammensetzung durchschnittlich unterhalb von 2 h.
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Ausführungsbeispiel 2
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100 g dest. Wasser werden mit 75 g einer Mischung aus gesättigten und ungesättigten, aromatischen, sowie halbgenierten und nicht-halogenierten Kohlenwasserstoffen vermischt. Die milchig trübe Emulsion wurde mit 8,5 g Alginit versetzt und für weitere 20 min gerührt, so dass sich der unlösliche Feststoff gut in der Emulsion verteilt. Nach einer Standzeit von 2–10 h war die Emulsion vollständig aufgelöst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Clayton, W., Die Theorie der Emulsionen und der Emulgierung, Springer Verlag, l924., Morrison, I. D., Sydney, R., Colloidal dispersions, Wiley-Interscience, 2002 [0002]
- Sjöblom, S., Emulsions and emulsion stability, Taylor and Francis, 2006., Abraham, A., Multiple emulsions, Wiley-VCH, 2008 [0002]