Ion transport through microgel-modified membrane surfaces

Roghmans, Florian Georg; Lammertink, Rob G. H.; Wessling, Matthias

doi:10.18154/RWTH-2020-12377

Ion transport through microgel-modified membrane surfaces = Ionentransport durch mikrogel-modifizierte Membranoberflächen

Roghmans, Florian Georg^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Florian Georg Roghmans

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource (ix, 148 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Lammertink, Rob G. H. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12377
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/809118/files/809118.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Charge Mosaic Membranen (frei) ; Elektrodialyse (frei) ; Ionenaustauschermembranen (frei) ; Ionentransport (frei) ; Mikrogele (frei) ; Oberflächenmodifikation (frei) ; charge mosaic membranes (frei) ; electrodialysis (frei) ; ion exchange membranes (frei) ; ion transport (frei) ; microgels (frei) ; surface modification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In membran-basierten Trennprozessen treten die limitierenden Einflüsse auf den Ionentransporthauptsächlich in den Grenzschichten zwischen Membran und Lösung auf. Somit ist die Oberflächenmodifikation von Membranen ein probates und effektives Mittel um die Leistung der Membranen zu verbessern. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung des Ionentransports durch zwei unterschiedliche Membranarten mittels Beschichtung mit Mikrogelen. Das Potential von Mikrogelen den Ionentransport in Entsalzungsprozessen zu beeinflussen ist neu und bisher unerforscht. In dieser Arbeit werden, zum einen, Kationenaustauschermembranen zur Verwendung in der Elektrodialyse modifiziert. Zum anderen kommen Mikrogele zum Einsatz um eine weitgehend unbekannte Membranklasse, Charge Mosaic Membranen, für neue und effiziente druck-getriebene Entsalzungsprozesse zu erzeugen. Homogene Monolagen positiv geladener Mikrogele wurden zur Verbesserung der monovalenten Ionenselektivität auf Kationenaustauschermembranen aufgetragen. Wegen des selektiven Transports von monovalenten Ionen zeigen diese Membranen ein besonderes Polarisationsverhalten: Hohe Stromdichten führen nicht zu einer Ionenverarmung in der Membran-Lösung Grenzschicht, wie direkt-numerische Simulationen zeigten. Aus diesem Grund bildeten die Membranen Strom-Spannungskurven keine Plateau Regionen aus. Elektrochemische Impedanzspektroskopie deckte einen erheblichen Einfluss von der Ladung der Modifikationsschicht auf das dielektrische verhaltenden Systems auf, womit eine Analyse der monovalenten Ionen Selektivität und des konkurrierenden Stofftransports zwischen mono- und divalenten Ionen ermöglicht wird. Auf Kationenaustauschermembranen gedruckte Mikrogel Gitterpunkte bewirkten einedrastische Erhöhung des Stofftransports in Elektrodialyse Prozessen. Direkt-numerische Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen ergaben, dass sowohl die Gitterstruktur und die Oberflächenladung als auch die Mikrogelverteilung innerhalb der Punkte die Entstehung der Elektrokonvektion intensivieren und beschleunigen, wodurch zusätzlich die limitierende Grenzstromdichte angehoben wird. Charge Mosaic Membranen wurden mittels Beschichtung einer ungeladenen und porösen Supportmembran mit zwitterionischen Mikrogelen erzeugt. Diese Membranen wiesen eine gesteigerte Permeation von Ionen auf, was auf das elektrische Feld zurückzuführen ist, welches sich zwischen den unterschiedlich geladenen Bereichen ausbildet. Zudem wurde ein, im Vergleich zum Wassertransport, präferierter Ionentransfer durch die experimentelle Ermittlung von negativen Rückhalten ermittelt. Alle untersuchten Oberflächenmodifikationen induzierten einen gesteigerten Ionentransport, sowohl in elektrisch- als auch druckgetriebenen Membranprozessen. Die grundlegenden Mechanismen, durch die die Mikrogele den Stofftransport verbessern, wurden experimentell und simulativ identifiziert und detailliert analysiert. Diese Arbeit zeigt, dass Mikrogele das Potential dazu haben, Entsalzungsprozesse zu revolutionieren.

In membrane separation processes, the main limitations to mass transfer take place at the membrane-solution interfaces. Consequently, the modification of membrane surfaces is an effective and simple means to tailor the membranes’ performance. This thesis aims at the improvement of ion transfer through two different types of membranes via the deposition of microgels on their surface. The potential of microgels to influence ion transport in deionization processes is novel and so far unexplored. Within this work, cation-exchange membranes are modified for the use in electrodialysis. In addition to that, microgels are used to produce a widely unknown membrane class, charge mosaic membranes, for new and efficient pressure-driven water desalination processes. Confluent monolayers of positively charged microgels deposited on cation-exchange membranes enhanced the membranes’ monovalent ion selectivity. Because of the selective transfer of monovalent ions, these membranes exhibit a particular polarization behavior: high current densities do not induce the depletion of ions at the membrane solution interface as elucidated by direct numerical simulations. As a consequence, the experimentally obtained current-voltage curves did not exhibit plateau regions. Electrochemical impedance spectroscopy revealed that the charge of the modifications has a decisive impact on the dielectric response of the system, thereby fingerprinting monovalention selectivity and transport competition between different ions. Ink-jet printed patterns of uncharged microgels on cation-exchange membranes were proven to cause crucial mass transfer enhancements in the electrodialysis process. Direct numerical simulations and experimental results revealed that the pattern, the surface charge, as well as the distribution of the microgel entities within a pattern trigger an intensified and earlier onset of electroconvection, thereby increasing the limiting current density. Charge mosaic membranes were produced via coating of zwitterionic microgels coated on non-charged porous support membranes. These membranes exhibited an increasedion permeation induced by the electrical field arising between the differently charged arrays. A preferential ion transport as compared to water transport occurs at the charge mosaic membranes which was experimentally detected by negative retentions. All surface modification methods were proven to improve ion transport, both in electrically and pressure-driven membrane processes. The fundamental mechanisms by which microgels tailor and enhance ion transfer in membrane processes were identified and rigorously analyzed via experiments and direct numerical simulations. With this work it was demonstrated that microgels are stimuli-responsive materials with the potential to revolutionize different water desalination processes.

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