Flow fields in the overlimiting current regime in electrically-driven membrane processes

Stockmeier, Felix; Mani, Ali; Wessling, Matthias

doi:10.18154/RWTH-2022-11194

Flow fields in the overlimiting current regime in electrically-driven membrane processes = Strömungsfelder im überlimitierenden Strombereich von elektrisch getriebenen Membranprozessen

Stockmeier, Felix^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Felix Stockmeier

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - Chemical Process Engineering ; 32 (2022)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Druckausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023. - Schreibfehler im Übersetzungstitel des Dokuments: Strömingsfelder

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Mani, Ali (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-06-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-11194
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/856875/files/856875.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D PTV (frei) ; concentration polarization (frei) ; electroconvection (frei) ; electrodialysis (frei) ; hydrodynamics (frei) ; ion transport (frei) ; membrane modification (frei) ; spacer (frei) ; velocity field (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Elektrokonvektion ist eine hydrodynamische Instabilität, welche die ionenverarmte Diffusionsgrenzschicht in elektrisch getriebenen Membranprozessen konvektiv durchmischt und dadurch deren Betrieb jenseits der limitierenden Stromdichte ermöglicht. Aktuell stehen dem Einsatz solch hoher Stromdichten ein erhöhter Energieaufwand zur Überwindung der Diffusionslimitation sowie Bedenken bezüglich Wasserspaltung bei hohen Spannungen entgegen. Beide Herausforderungen könnten durch eine effektive Erzeugung und Beeinflussung des 3D-elektrokonvektiven Wirbelfeldes überwunden werden. Das 3D-Wirbelfeld und dessen Wechselwirkung mit Membranoberflächenmodifikationen oder der durch Spacer hervorgerufen Hydrodynamik wurden jedoch bisher nicht experimentell quantifiziert. Aktuelle Forschung ist auf 2D-Messverfahren oder 3D-Simulationen beschränkt, die aufgrund ihrer langen Rechenzeiten nur kleine Skalen auflösen. Diese Arbeit stellt eine experimentelle Methode zur Quantifizierung des 3D-Geschwindigkeitsfeldes der Elektrokonvektion mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung vor. Mit dieser Methode quantifizieren wir das Geschwindigkeitsfeld und dessen Statistik an einer Kationenaustauscher-Membran in einem stationären oder gepumpten Elektrolyten. Des Weiteren messen wir die Wechselwirkung des Geschwindigkeitsfeldes mit modifizierten Membranoberflächen und Spacer-Strukturen. Für diese Messungen haben wir eine elektrochemische Zelle entworfen, welche die Aufnahme des 3D-Geschwindigkeitsfeldes mittels mikro Particle-Tracking-Velocimetry (\textmu PTV) erlaubt. Mit diesen Geschwindigkeitsfeldern konnten dann kohärente Wirbelstrukturen visualisiert und Veränderungen des Feldes erfasst und dessen Statistik gezeigt werden. Während des Übergangs von Wirbelrollen zu Wirbelringen bei steigender Stromdichte wurden Änderungen der Rotationsrichtung, der mittleren quadratischen Geschwindigkeit und des zeitlichen Energiespektrums, mit nur geringem Einfluss auf das räumliche Spektrum festgestellt. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass die Membranmodifikation mit Mikrogelsuspensionen die volle Kontrolle über das Geschwindigkeitsfeld in Bezug auf Struktur und Rotationsrichtung ermöglicht. Abschließend quantifizierten wir die Wechselwirkung des elektrokonvektiven Geschwindigkeitsfeldes mit der Spacer-induzierten Hydrodynamik in einem gepumpten Elektrolyten. Hier trat eine signifikante Wechselwirkung allerdings nur bei Reynoldszahlen unter eins auf. Experimente im Pilotmaßstab zeigten jedoch von überlimitierenden Stromdichten in solchen Systemen, weshalb Messungen auf kleinerer Skala bei höheren Stromdichten weitere Erkenntnisse versprechen. Diese Dissertation unterstreichen das Potenzial modifizierter Membranoberflächen und Spacer-Strukturen zur Überwindung der bisherigen Limitationen elektrisch angetriebener Membranprozesse. Ein maßgeschneidertes Zusammenspiel von kontrollierter Elektrokonvektion und Spacer-Hydrodynamik könnte die Energie zur Überwindung des limitierenden Stromes in industriellen Anwendungen auf ein Minimum reduzieren.

Electroconvection, a hydrodynamic instability which convectively mixes the ion-depleted diffusion boundary layer in electrically-driven membrane processes, enables the operation of such processes beyond a diffusion-limited current density. When operating at overlimiting current densities, industrial processes could be designed with smaller membrane modules and, thus, reduced investment costs. Still, the energy needed to overcome the diffusion-limitation as well as concerns regarding water splitting still stand in the way of their application. Both hindrances can be reduced by effectively triggering and tailoring the 3D electroconvective vortex field. However, the 3D features of electroconvection and their interaction with membrane surface modifications or spacer hydrodynamics are lacking experimental quantification. Until now, experimental studies were limited to 2D measurement techniques and 3D simulations which are restricted to small scales due to computational costs.This thesis surpasses this limitation and presents an experimental method for quantification of the 3D velocity field of electroconvection with high temporal and spatial resolution. Using this method, we quantify the velocity field and its statistics close to a cation-exchange membrane in a steady or pumped electrolyte. We further measure its interaction with modified membrane surfaces and spacer structures.We conducted these measurements in a newly designed electrochemical cell using micro particle tracking velocimetry for 3D velocity reconstruction. The recorded velocity fields were then used to visualize coherent vortex structures and reveal changes in the velocity field and its statistics. During the transition from vortex rolls to vortex rings with increasing current densities, changes in the rotational direction, mean square velocity, and temporal energy spectrum with only little influence on the spatial spectrum were revealed. Additionally, we investigated the impact of membrane surface modifications with two types of microgels varying in zeta potential on the vortex field's build-up. We discovered that a large difference in zeta potential between microgel and membrane material offers full control over the velocity field in terms of structure and rotational direction. Lastly, we quantified the interaction of the electroconvective velocity field with spacer-induced hydrodynamics in a pumped electrolyte. The velocity fields and their statistics revealed that significant interaction only appears at Reynolds numbers below one. However, pilot-scale experiments reported the appearance of overlimiting currents in such systems. Which is why measurements on a smaller scale at higher current densities are expected to provide further insights.This thesis emphasizes the potential of specifically engineered membrane surfaces and spacer structures for overcoming the limitations of electrically driven membrane processes. Tailored interaction of controlled electroconvection and spacer hydrodynamics could reduce the energy to overcome limiting currents in industrial applications to a minimum.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)