Interface engineering of ion exchange membranes

Abdu, Said; Weßling, Matthias (Thesis advisor); Lammertink, Rob G. H. (Thesis advisor)

Aachen (2017, 2018)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die Oberflächeneigenschaften von Membranen spielen eine entscheidende Rolle in Membrantrennprozessen. Um gewünschte Membraneigenschaften zu erzeugen oder nachteilige Charakteristiken zu mildern, werden die Oberflächen während oder nach der Membranherstellung aufwendig verändert. In der vorliegenden Arbeit wird die Modifizierung von Oberflächen-/ Grenzflächen monopolarer und bipolarer Ionenaustauschermembranen für die Anwendung in der Elektrodialyse untersucht. Die betrachteten Transportphänomene werden dabei insbesondere vom Zustand der Membrangrenzfläche bzw. Membranoberfläche beeinflusst. Die untersuchten Transportphänomene sind überlimitierender Stofftransport durch Elektrodialyse-Membranen, Permselektivität für monovalente Ionen von Kationenaustauschermembranen und Wasserdissoziationskatalyse an der Grenzfläche von bipolaren Membranen. Für eine nicht kovalent gebundene Oberflächenmodifikation der Membranen werden zwei Arten von Polymeren verwendet: Polyelektrolyte und Mikrogele.Die Polyelektrolyt-Multilagen und Mikrogele werden ohne Vorbehandlung der Ionenaustauschermembranen als homogene Schicht oder Mikrostruktur aufgebracht und zeigen eine erfolgreiche Oberflächenmodifikation. Die Beschichtungen werden anschließend mit verschiedenen Methoden zur Oberflächenanalyse charakterisiert.Die Ergebnisse der Grenzschichtmodifizierung von bipolaren Membranen zeigen eine Leistungsverbesserung, wenn die Anionaustauscherschicht der Membran mit Polyelektrolyten beschichtet wird. Dabei verstärkt sich der Effekt durch die Ladungsdichte der Polyelektrolyte. Unter den betrachteten Beschichtungsparametern zeigen die Ionenstärke und die Anzahl der Doppellagen den größten Einfluss auf den katalytischen Effekt. Überraschenderweise beeinflussen diese Parameter ebenfalls die Permselektivität für Ionen. Bisher wurde angenommen, dass die Permselektivität alleine durch die Dicke der Anion- und Kationaustauschschichten beeinflusst wird. Weiterhin wird die Aufbringung von Polyelektrolyten auf herkömmliche Kationaustauschermembranen zur Schaffung von Permselektivität für monovalente Ionen untersucht. Dabei wird gezeigt, dass bereits mit sechs Polyelektrolyt-Doppellagen Permselektivität generiert wird, die mit kommerziellen für monovalente Ionen selektiven Membranen vergleichbar ist. Der Energieverbrauch pro durch die Membran transportiertem Mol Na+ Ionen wird im Vergleich jedoch deutlich reduziert. Es wird ferner gezeigt, dass bei überlimitierenden Stromdichten, Polyelektrolyt-Multilagen die Entstehung bzw. das Unterdrücken von Wasserspaltung an der Membranoberfläche wesentlich beeinflussen können. Diese Art von Membranen ist somit nützlich für Anwendungen, in denen Ionenpermselektivität und zugleich pH-Regulierung gefordert sind. Diese Arbeit beantwortet darüber hinaus die Frage, ob Polyelektrolyte dazu beitragen können, Effekte im überlimitierenden Stofftransport der Elektrodialyse zu beeinflussen. Versuche belegen, dass eine kontrollierte Adsorption von Polyelektrolyt-Multilagen an der Grenzfläche zwischen Elektrolytlösung und Membranoberfläche zu einer signifikant früher einsetzenden Elektrokonvektion (als Haupttriebkraft für überlimitierende Ströme) bei geringerem Polarisationspotential beitragen. Eine gleichmäßige, ortsgebundene Adsorption von Polyelektrolyt, welche mittels "microcontact printing" erzeugt wird, ist sogar noch effektiver und erzeugt makroskopische elektro-osmotisch chaotische Fluidinstabilitäten. Die experimentellen Methoden, begleitet von theoretischen Studien, können den Weg für das "smarte" Design von Elektrodialysemembranen zur Entsalzung ebnen die mit hohen Strömen betrieben werden. Die Ergebnisse aus dieser Doktorarbeit könnten, neben der Anwendung in der Elektrodialyse, ebenfalls wertvolle Einblicke für andere Verwendungsbereiche von Ionenaustauschermembranen bieten, welche Membranen mit angepassten Oberflächeneigenschaften benötigen.

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