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In vielen Industriebereichen werden Emulsionen aus Wasser und Erdöl genutzt, beispielsweise für Kühlmittel. Dies macht die Entsorgung aufwändig, da die Bestandteile dabei wieder getrennt werden müssen. Frank Ferrick Nokam Waffo hat für seine Masterarbeit gemeinsam mit der HFM Horst Fuhse Mineralölraffinerie GmbH nach einem Verfahren gesucht, mit dem dies sicher und automatisiert möglich ist.
Im Alltag sind Emulsionen besonders in Kosmetika oder Lebensmitteln wie Mayonnaise zu finden. Doch auch Emulsionen mit Erdöl sind in der Industrie weitverbreitet, beispielsweise in Kühl- oder Schmiermitteln. Dass diese so nicht in die Natur gelangen dürfen, ist durch europäische und nationale Abwasserverordnungen streng geregelt. „Um solche Stoffe entsorgen zu können, müssen zunächst das Öl und das Wasser voneinander getrennt werden. Dies passiert mithilfe von Zusätzen, die die Emulsion wieder in ihre Bestandteile zerlegen. Idealerweise ist dann eine deutliche Trennlinie zwischen beiden Komponenten zu sehen: die Öl- und die Wasserphase. Das Wasser kann dann abgelassen und getrennt vom Öl entsorgt werden“, weiß Frank Ferrick Nokam Waffo. Er hat in Bremerhaven Process Engineering and Energy Technology studiert und sich für seine Masterarbeit bei der HFM Horst Fuhse Mineralölraffinerie GmbH intensiv mit der Entsorgung von Emulsionen auf Erdölbasis beschäftigt. Das Unternehmen hat sich auf den Umgang und die Entsorgung mit Altöl und die Kühlschmierstoffentsorgung spezialisiert.
Aktuelles Verfahren oft zeitaufwändig
Trotz fortschrittlicher Abwasserbehandlungssysteme ist die genaue Erkennung der Öl-Wasser-Grenze aufgrund von Faktoren wie Emulsionsbildung, schwankenden Durchflussraten und unterschiedlichen Ölkonzentrationen schwierig. Derzeit nehmen Mitarbeitende händisch Probennahmen und Sichtprüfungen vor. Das ist jedoch sehr fehleranfällig. Gelangt Öl in die Wasserphase, so hat dies zeitaufwändige, arbeitsintensive und kostspielige Arbeiten zum Entleeren und Reinigen der betroffenen Teile des Abwasserbehandlungssystems zur Folge. Eine automatisierte Lösung könnte Abhilfe schaffen, steht aber vor einer großen Herausforderung: Der dafür verwendete Sensor muss sicher und genau erkennen, wo die Grenze zwischen Öl und Wasser verläuft. Dies ist jedoch bei jeder Emulsion anders und unter anderem abhängig vom Herkunftsland des Öls und dem Ölgehalt. Die Lösung könnte ein Sensor sein, der erkennt, ob er von Wasser oder von Öl bedeckt wird, und dementsprechend das magnetische Ablassventil öffnet oder schließt.
Frank Ferrick Nokam Waffo testete digitale und analoge Sensoren – mit Erfolg. „Die Ergebnisse zeigen, dass der digitale Sensor durch sorgfältige Einstellung seiner Schaltpunkt- und Rücksetzpunkteinstellungen die Öl-Wasser-Grenzflächen trotz Schwankungen in der Emulsionszusammensetzung effektiv unterscheiden konnte. Diese verfeinerte Kalibrierung führte in Kombination mit den präzisen Zeitsteuerungsfunktionen zu konsistenten und wiederholbaren Trennungsergebnissen, wodurch klare Öl- und Wasserphasen entstanden“, erklärt Waffo. Dennoch habe er einige praktische Einschränkungen beobachtet: „Der Rücksetzpunkt, der das Ventil steuert, zeigte ein unregelmäßiges und unvorhersehbares Verhalten, was unter anderem auf die Komplexität der Emulsionsstabilität zurückzuführen war. Darüber hinaus neigt das magnetische Ablassventil dazu, bei der Handhabung hochviskoser Ölemulsionen zu verkleben, was manchmal einen manuellen Eingriff erforderlich macht.“
Vielversprechende Ergebnisse
Trotz der Einschränkungen ist Waffo sehr zufrieden mit seinen Ergebnissen. „Es ist möglich, ein praktikables, automatisiertes Emulsionsabscheidesystem unter Verwendung von Standard-SPS-Technologie und kapazitiver Füllstandsmessung zu erschaffen. Dieses lässt sich durch systematische Abstimmung der Sensoren an unterschiedliche Emulsionseigenschaften anpassen. Noch müssen die Sensoren immer neu kalibriert werden. Ein wirklich autonomes System müsste sich an eine Kombination von Parametern anpassen, die die Stabilität der Emulsion bestimmen“, erklärt der Absolvent. Neben der Ölsorte gehöre dazu die Temperatur, die Viskosität, der pH-Wert, der ursprüngliche Wassergehalt sowie die Dauer und Intensität des Mischvorgangs. Ein zweistündiger Mischvorgang mit unterschiedlichen Geräten könne zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen: Eine höhere Intensität erzeuge kleinere Tröpfchen, was zu wesentlich stabileren Emulsionen führe, die sich schwerer trennen lassen. Es sei auch wichtig zu beachten, dass Emulsionen je nach Herkunftsland des Öls variieren. „Verschiedene Öle haben unterschiedliche Verhältnisse von Komponenten wie Asphaltenen oder Harzen, die als natürliche Emulgatoren wirken. Diese Komponenten stabilisieren die Grenzfläche zwischen Öl und Wasser und verändern das Verhalten der Emulsion während des automatisierten Trennungsprozesses erheblich.“
Auch die richtige Technologie sei in dem Zusammenhang wichtig. „Ein zukunftssicheres System sollte idealerweise Sensorfusion verwenden und kapazitive Messungen mit anderen Technologien, wie Dichte- oder optischen Sensoren, kombinieren. Durch den Einsatz von Algorithmen für maschinelles Lernen könnte sich das System automatisch an diese kombinierten Parameter anpassen und pneumatische Aktuatoren verwenden, um hochviskose Emulsionen zuverlässig und ohne manuelles Eingreifen zu verarbeiten“, sagt Waffo, der nach seinem Abschluss als stellvertretender technischer Betriebsleiter weiterhin bei der HFM Horst Fuhse Mineralölraffinerie GmbH tätig ist, abschließend.
Zum Studiengang
Im internationalen, englischsprachigen Masterstudiengang Process Engineering and Energy Technology werden aktuelle Themen im Wissensgebiet der Verfahrenstechnik tiefergehend vermittelt. Die Verfahrenstechnik untersucht und entwickelt technische Verfahren, die Stoffe nach ihrer Art, ihren Eigenschaften und ihrer Zusammensetzung auf chemischem, physikalischem oder biologischem Wege zu gebrauchsfähigen Zwischen- oder Endprodukten umwandelt. Hierzu gehört auch die Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Wartung der dazu erforderlichen Apparate und Anlagen sowie deren optimaler Betrieb. Neben der naturwissenschaftlich-technischen Dimension sind für Herstellungsverfahren und deren Produkte, unter Berücksichtigung der gesetzlichen Regelungen, die wirtschaftliche und ökologische Nachhaltigkeit von entscheidender Bedeutung. So ist die Verfahrenstechnik auch für die Gestaltung und Weiterentwicklung des Klima- und Umweltschutzes sowie der Material- und Energieeffizienz unentbehrlich. Im Studium bilden theoretische Kenntnisse die Grundlage für das Verständnis praktisch ablaufender Vorgänge. Dabei ist die Wahrung des Praxisbezugs wichtig. Nicht selten kommen die Aufgabenstellungen daher von kooperierenden Wirtschaftsunternehmen, die selbst auch zur Lösung der Probleme beitragen.
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, jedermann
Umwelt / Ökologie
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Forschungs- / Wissenstransfer, Studium und Lehre
Deutsch
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