Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schadstofffreie Prozessfortluft in der Beschichtungsindustrie durch multifunktionale Multilayer-Membranen

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ausgehend von verschiedenen Beschichtungsrezepturen (Farben, Lacke und Textilbeschichtungen auf Basis von PUR, PVC, Silikon,…), eine multivalente und flexible Lösung zur effektiven Entfernung der Schad- und Störkomponenten (VOC, Siloxane, …) aus der Prozessfortluft direkt oder indirekt mit Hilfe von multifunktionalen Multilayer-Membransystemen zu entwickeln.

Der direkte Weg sieht dabei die unmittelbare Reduktion der Schadstoffkonzentration auf unter 20 mgC/m³ vor, während bei der indirekten Variante das Membranmodul zur Aufkonzentrierung/Trocknung oder Separation und damit „Vorbehandlung“ für häufig im Zusammenhang mit industriellen Beschichtungsanlagen genutzte Adsorptions- oder Nachverbrennungsprozesse genutzt wird. Dabei bilden neben einer umfangreichen Erstellung einer Emissionsdatenbank bei verschiedenen Rezepturen und Prozessbedingungen, die Entwicklung eines Gesamtkonzepts zur einfachen Integration von MLMs in bestehende Anlagen die Schwerpunkte. Es werden Multilayermembranen auf Basis poröser Gläser oder Zeolithe eingesetzt und mit Hilfe von reaktiven Silanen bzw. Fluorierungsschritten in definierte Zustände der Hydrophilie oder Hydrophobie überführt (funktionalisiert), um die entsprechenden Trennleistungen bzw. Wasser- und/oder Schadstoffgehalte erreichen zu können.

KMU werden dadurch in die Lage versetzt, entstehende Schadstoffbeladungen, welche durch den thermischen Prozessschritt entstehen, unter Einhaltung aktuell und zukünftig geltender gesetzlicher Regularien (TA Luft) aus der Prozessfortluft zu entfernen. Alternativ bietet die zu entwickelnde Technologie die Möglichkeit zur Vorschaltung und damit signifikanten Effizienzsteigerung bereits installierter Behandlungsaggregate, wie z. B. Adsorber oder Nachverbrennungsanlagen durch Aufkonzentrierung, Vortrocknung und Abscheidung diverser Störkomponenten (Siloxane).

Ergebniszusammenfassung:

Im Technikumsmaßstab wurden verschiedene Beschichtungssysteme realisiert (PVC, PU wasserbasiert, Silikon mit und ohne Lösungsmittel). Nach umfangreicher Emissionsanalyse wurden mit dem Fokus auf die Siloxanabtrennung unterschiedliche Adsorbentien (Aktivkohlen, Aluminiumoxide, Siliziumoxide) in einem Temperaturbereich bis 200 °C gescreent. Die Eignung der klassischen Adsorbentien für die Abscheidung beschichtungsspezifischer Schadstoffe wurde nachgewiesen. Decamethylcyclopentasiloxan (D5) diente als Modellsubstanz. Durch Oberflächenmodifizierung (Kondensationsreaktionen oder Gasphasenfluorierung) wurde eine Hydrophobierung der Materialien erzielt, die jedoch keine weitere Erhöhung der Schadstoffadsorption bewirkte. Auch die parallele Abscheidung von Lösungsmitteln und Siloxanen wurde untersucht. Bei zunehmender Beladung des Sorbens stellt sich eine Selektivität des Materials mit bevorzugter Abscheidung der Siliziumorganika ein. In einem Temperaturbereich von 140-200 °C nimmt die Beladungskapazität der Sorbentien ab, die Selektivität bezüglich der Siloxane verstärkt sich jedoch.

An sauren Zentren wurde eine chemische Umsetzung des D5 zu zyklischen und kettenförmigen Produkten beobachtet, was die Rezyklierbarkeit der beladenen Adsorbentien einschränkt. Die Untersuchungen haben ergeben, dass Abluftströme verschiedener Kunststoffbeschichtungssysteme durch die Integration von Adsorbern effektiv vorgereinigt werden können, bevor sie in nachfolgende Abluftbehandlungen geführt werden. Besonders katalysatorschädliche Siloxane sind mit Aktivkohlen oder silikatischen Adsorbentien effektiv abtrennbar.

Vor allem im Bereich der Kleinserienfertigung stellt die adsorptive Abtrennung von Siliziumorganika aus nur temporär anfallenden Teilströmen eine wirksame und wirtschaftliche Ergänzung der Abluftbehandlung dar. Es wird den KMU ermöglicht, ein breites Spektrum an Beschichtungsrezepturen zu realisieren, ohne bestehende Abluftanlagen in ihrer Leistung zu beeinträchtigen.