Modeling of ion transport through nanofiltration and ion-exchange membranes

  • Modellierung des Ionentransports durch Nanofiltrations- und Ionenaustauschmembranen

Evdochenko, Elizaveta; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Nikonenko, Victor V. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Nanofiltrations- und Elektrodialyse-Membrantrennverfahren werden zur Abwasserbehandlung und zur Reinwasserproduktion eingesetzt. Trotz zahlreicher experimenteller Untersuchungen, die darauf abzielen, die selektive Leistung von Membranen besser zu verstehen, bleibt die Beziehung zwischen Membranstruktureigenschaften und Transporteigenschaften bisher offen. Diese Arbeit zielt darauf ab, mittels numerischer Simulationen ein tieferes phänomenologisches Verständnis des Ionentransports durch geladene Nanofiltrations- und Ionenaustauschermembranen zu erlangen. Die vorgeschlagenen numerischen Grundgerüste lösen die ein- und zweidimensionalen Poisson-Nernst-Planck -Gleichungen für den Transport von Ionen durch n Elektrolytschichten (En) und n Polyelektrolytschichten (PEn). Die entsprechenden durch Druck oder ein elektrisches Feld getriebenen Transportmodelle werden als pEnPEn und EnPEn bezeichnet. Die Kopplung der pEnPEn Formulierung mit den Navier-Stokes und Brinkman-Gleichungen stellt ein völlig neuartiges Modell her. Das neue Modell kann den ionischen Transport durch Nanofiltrationsmembranen, die nicht nur auf der porösen Oberfläche, sondern auch innerhalb der Poren des Stützmaterials mehrlagig beschichtet sind, beschreiben kann. Die Ladungsverteilungen neuer Mehrschichtmembranen wurden mittels numerischer Simulationen interpretiert. Für eine durchmischte, neutral kompensierte Bulkphase ist der Einfluss der obersten Schicht auf den Rückhalt und die Selektivität vorherrschend. Wenn die Ladung der Bulkphase überkompensiert ist, kann der Rückhalt und die Selektivität aufgrund des starken Einflusses der Gesamtladung auf den Salztransport deutlich zunehmen. Eine asymmetrische Architektur von mehreren Schichten in Bezug auf die Dicke und Ladung jeder Schicht kann die Selektivität für multi-ionische Lösungen wesentlich verbessern. Die Zunahme des selektiven Transports wurde nachweislich den verstärkten abstoßenden Kräften zugeschrieben. Daraus resultiert die bevorzugte Übertragung bestimmter Ionen durch die Membran. Die poröse Trägerstruktur des mehrschichtigen Nanofiltrationsfilms wurde modelliert und erwies sich als wesentlich am Salzrückhalt beteiligt. Die verstärkte Abstoßung entsteht durch eine selektive Schicht, die sich beim Beschichten in den Kapillaren des Stützmaterials bildet. Kationenaustauschermembranen, welche mittels Gitterstrukturen aus Polymerpunkten und Mikrogelmonolagen oberfläche modifiziert wurden, wurden modelliert und deren Einfluss auf die Stromdichte und Selektivität analysiert. Die Oberflächenmodifikationen zeigen eine Verbesserung des Stofftransport im Elektrodialyseprozess welcher mit experimentellen Daten übereinstimmt. Die entwickelten Modellierungsansätze geben aufschlussreiche Details zum Ionenrückhalt und der Selektivität preis. Des Weiteren ermöglichen sie die Erklärung wichtiger Einflüsse von Membranstrukturparametern, Lösungseigenschaften, Herstellungs, und Betriebsbedingungen auf die Stofftransporteigenschaften von Membranen für Nanofiltrations- und Elektrodialyseanwendungen.

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