Turbulence promoting microstructures inside hollow fiber membranes by a rotation-in-a-spinneret process

• Erzeugung von turbulenzfördernden Mikrostrukturen in Hohlfasermembranen durch einen Rotation-in-a-Spinneret Prozess

Tepper, Maik; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Çulfaz-Emecen, Zeynep (Thesis advisor)

Aachen : Aachener Verfahrenstechnik (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering 40
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Semipermeable Membranen sind Barrieren zur Kontrolle von Stofftransportvorgängen, welche molekulare Trennprozesse ermöglichen. Zu den Hauptanwendungen der Hohlfasermembrantechnologie gehören Wasseraufbereitung, Lebensmittel- und Getränkeherstellung, Gastrennung und medizinische Anwendungen. Intensiver Membranforschung ist es gelungen, Membranmaterialien mit erhöhter Permeabilität und Selektivität zu entwickeln. Gleichzeitig bewirken diese Verbesserungen Konzentrationspolarisation, welche zur Beschränkung der Produktivität führt. Jedoch kann die Erzeugung lokaler Turbulenzen diesen Beschränkungen durch Mischeffekte und Stofftransporterhöhung entgegenwirken. Daher ist Ziel dieser Arbeit die Entwicklung einer skalierbaren Spinnmethodik, um turbulenzfördernde Mikrostrukturen in Hohlfasermembranen in einem Prozessschritt zu integrieren. Hierzu präsentiert diese Arbeit die neuartige Rotation-in-a-Spinneret Plattformtechnologie in Kombination mit 3D-gedruckten mikrostrukturierten Spinndüsen. Mikroporöse Polyethersulfon (PES) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) Hohlfasermembranen wurden durch Nassspinnen mit Phaseninversion hergestellt. Das grundlegende Spinndüsenkonzept beinhaltete eine mikrostrukturierte Spinndüsenöffnung zur Abbildung von Mikrostrukturen innerhalb der Hohlfasern. Weiterhin ermöglichte die Rotation des mikrostrukturierten Elements die spiralförmige Verdrehung der Mikrostruktur. Die Arbeit umfasst drei Ansätze zur Integration von Rotation in Spinndüsen. Diese sind die Drehung der gesamten Spinndüse, der Spinndüsennadel und eines neuartigen Bauteils in der Spinndüsenmitte. Als Ergebnis entstanden die Membrankonzepte Helical-Ridge-Membranes und Static-Mixer-Membranes. Helical-Ridge-Membranes weisen spiralförmige Rippen in der selektiven Lumenoberfläche auf. Die verwendete mikrostrukturierte Spinndüsennadel enthält Nuten in der Öffnung, welche zusammen mit der Nadelrotation spiralförmige Rippenbildung einleitete. Static-Mixer-Membranes kombinieren Hohlfasermembranen mit statischen Mischern in Form von Wendelmischern. Produziert wurde das Membransystem durch die gleichzeitige Herstellung und Integration des statischen Mischers innerhalb der Hohlfasermembran. Dabei entstand der statische Mischer mittels Koextrusion einer zweiten Polymerlösung durch eine rotierende mikrostrukturierte Nadel. Veränderliche Drehspinnparameter erzeugten spiralförmige Mikrostrukturen mit einstellbarer Form, Steigung und Steigungsrichtung. Die Untersuchung von Membrangeometrie und charakteristischen Membraneigenschaften konnte die Interaktion zwischen Rotation und Membranbildung erklären. Zudem bewiesen experimentelle und simulative Studien die Entstehung von Sekundärströmungen. Schließlich konnten die turbulenzfördernden Membranen eine bis zu zehnfache Erhöhung des Stofftransports in kolloidaler Filtration und gas/flüssig-Membrankontaktoren erzielen. Die mikrostrukturierten Hohlfasermembranen erreichten somit eine Verbesserung des Stofftransports durch Turbulenzerzeugung. Das Konzept minimierte effektiv Konzentrationspolarisation an der Membranoberfläche und steigerte die Energieeffizient der Membranprozesse.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik [416110]