Temperature modulated membrane transport phenomena

Rösener, Theresa Birgitta Maria; Weßling, Matthias (Thesis advisor); Benes, Nieck E. (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering 2
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xiv,192 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Transportphänomene in und an Membranen werden maßgeblich von der Temperatur mitbestimmt. Dabei beeinflusst die Temperatur die Hydrodynamik an der Membranoberfläche, die Wechselwirkungskräfte zwischen gelösten Stoffen, Oberflächen und Lösungsmitteln und die mikroporöse Struktur der Membran selbst. Die große Zahl an Einflussfaktoren bietet ein breites Spektrum an Möglichkeiten, die Temperatur zur Verbesserung der Trennleistung von Membranprozessen zu nutzen. Die direkte Beheizung der Membranen ermöglicht dabei eine lokale Temperaturänderung und eine direkte Steuerung der Wärmezufuhr. Diese Arbeit untersucht, wie das direkte Heizen von Membranen die Transportphänomene in und an Membranen positiv beeinflussen kann und stellt neue Anwendungsmöglichkeiten vor, die sich aus dem direkten Wärmeeintrag ergeben. Für die Herstellung der elektrisch leitfähigen, porösen Hohlfasermembranen aus Siliziumkarbid wird in dieser Arbeit ein Syntheseverfahren vorgestellt. Die anorganischen Membranen können durch den Joule-Effekt erwärmt werden. Die Temperatur der Membran wird dabei durch die angelegte elektrische Leistung geregelt. Die synthetisierten Fasern werden verwendet, um an der Membran thermisch getriebene Konvektionsbewegungen zu erzeugen, die mit der erzwungenen Konvektion der Permeation überlagert werden. Die daraus resultierende Mischkonvektionsströmung verbessert die Schergeschwindigkeit und die Scherspannung an der Membranoberfläche und reduziert die Konzentrationsgrenzschicht. Diese Arbeit untersucht ferner den Einfluss der Temperatur auf kolloidale Wechselwirkungen in einer Partikelströmung durch eine Membranpore. Die Temperaturabhängigkeit von Van-der-Waals-, elektrostatischen Wechselwirkungs- und Lewis-Säure-Base-Kräften wird für jede einzelne Kraft untersucht. Das resultierende Interaktionspotenzial zeigt, dass erhöhte Temperaturen je nach verwendetem Materialsystem sowohl die Partikelablagerungen fördern als auch verringern können. Die beheizbaren Siliziumkarbidfasern werden in drei unterschiedlichen Anwendungen getestet: Zur Foulingprävention in der Mikrofiltration, als schaltbare Membranen mit einem Coating aus thermo-sensitiven Polymeren und in einem elektrischen getriebenen Temperaturwechseladsorptionsverfahren zur CO2-Abscheidung. Die drei Anwendungen zeigen das breite Potenzial der direkten Membranheizung mit verbesserten Membranleistungen. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse sind darüber hinaus nicht auf die Joule-Heizung oder auf poröse Keramikmembranen beschränkt, sondern können auf andere Heizkonzepte und Membranen übertragen werden.

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