Visualization of complex flow phenomena in multichannel membrane modules

Wypysek, Denis Mathias; Van der Meer, Walter G. J.; Wessling, Matthias

doi:41882

Visualization of complex flow phenomena in multichannel membrane modules = Visualisierung komplexer Strömungsphänomene in Mehrkanalmembranmodulen

Wypysek, Denis Mathias^RWTH*

2022 & 2023

VerantwortlichkeitsangabeDenis Mathias Wypysek

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering ; 34(2023)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Van der Meer, Walter G. J. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-07-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-11651
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/861122/files/861122.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Projekte

ConFluReM - Controlling Fluid Resistances at Membranes (694946) (694946)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
filtration (frei) ; magnetic resonance imaging (frei) ; multichannel membranes (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wasserknappheit ist eines der größten Probleme des 21. Jahrhunderts. Daher ist die Entwicklung und Optimierung nachhaltiger Wasseraufbereitungstechnologien ein wesentlicher Schritt, um dieses Problem zu lösen. Ein immer wichtig werdender Bereich für die Bewältigung aktueller und zukünftiger Herausforderungen in der Wasseraufbereitung ist die Membrantechnologie. In jüngster Zeit haben Mehrkanalmembran-Geometrien viele Nachteile der Hohlfaserstruktur überwunden und damit ihren Weg in viele Anwendungen wie die Trinkwassergewinnung gefunden. Studien in der Vergangenheit haben die Optimierung der Membrangeometrie und des -materials, sowie die Strömungsverteilung in ihnen untersucht. Die damit zusammenhängenden Permeationseigenschaften, wie z. B. das grundlegende Verständnis der internen Flusswege und die hydrodynamischen Eigenschaften in den Modulen, blieben jedoch unbekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese unerschlossenen Phänomene durch die Vertiefung des Verständnisses der Mehrkanal-Membranfiltration zu erklären. Dafür werden Mehrkanal-Membranmodule in verschiedenen Größenordnungen mit Hilfe von Magnetresonanztomographie und numerischen Strömungssimulationen untersucht: von einem dichtgepackten Membranmodul, das aus mehreren Mehrkanal-Membranen besteht, über eine einzelne Membran mit und ohne Modul als Gehäuse, bis hin zu einem detaillierten Blick auf das dynamische Benetzungsverhalten der porösen Struktur jeder Membran. Es wird gezeigt, dass kleine Positionsabweichungen von der idealen Membranposition das Strömungsfeld und Filtrationsverhalten stark beeinflussen. So führt eine Biegung in der Mehrkanalmembran zu Sekundärströmungen auf der Mantelseite, die das Foulingverhalten von Partikeln negativ beeinflussen. Simulationen von Membranen mit heterogen verteilten Materialeigenschaften liefern mit den experimentellen Messungen vergleichbare Strömungswege. Dieses Modell enthüllt eine ungleiche Strömungsverteilung über den Lumenumfang. Darüber hinaus zeigt die Untersuchung von dichtgepackten Membranmodulen, dass sich auf der Mantelseite Jetströme entwickeln, die die Strömungsverteilung in allen Lumenkanälen beeinflusst. Zuletzt ergeben Benetzungsexperimente an dichtgepackten Modulen, dass eine Benetzungszeit von über sechs Stunden erforderlich ist, um alle Membranen vollständig zu benetzen, wenn die Membranen nicht vorbenetzt werden. Diese Arbeit verdeutlicht, dass die Kombination von Magnetresonanztomographie und rechnergestützter Fluiddynamik ein leistungsstarkes Werkzeug darstellt, um das hydrodynamische Verhalten in Mehrkanalmembranen und -modulen in allen Einzelheiten zu entschlüsseln und hilft diese zu optimieren, um ein hocheffizientes und nachhaltiges Verfahren zur Wasseraufbereitung zu entwickeln.

Water povert and optimization of sustainable water purification technologies is an essential research objective. A growing field of interest in achieving current and future challenges regarding water purification is membrane technology. Recently, multibore geometries for hollow fiber membranes have promised to overcome many drawbacks of the single bore geometry, thus finding their way into many applications such as drinking water production and seawater desalination. In the past, several studies have focused on optimizing their geometry and material, and investigated flow distribution inside them. However, their related permeation properties, such as fundamental understanding of internal pathways and their hydrodynamic operation conditions in modules, are still unknown. This study aims to tackle these challenges by deepening the understanding of multibore membrane filtration and hydrodynamic effects in membrane modules. To achieve these goals, the interconnection of magnetic resonance imaging measurements and computational fluid dynamics simulations allows investigating multichannel membrane modules at different orders of magnitude: from a highly-packed membrane module consisting of several multichannel membranes; to a single membrane with and without a module as a housing; toward a closer look into the dynamic wetting behavior of the porous structure of each membrane. This thesis revealed that small deviations from the ideal membrane position inside a membrane module highly influence its flow field and filtration behavior. A bent multichannel membrane introduces secondary flows on the shell side, leading to drag forces inside each lumen channel which influence particle fouling behavior. Also, a simulation model with heterogeneously distributed material properties was set up to model a multichannel membrane correctly and, thus, internal flux pathways. This model unraveled an unequal flow distribution over the lumen's circumference, with higher velocities closer to the membrane's outer skin. Moreover, the investigation of highly-packed membrane modules showed evolving jet streams on the shell side, which disturb the equal flow distribution in all lumen channels. Finally, wetting experiments of highly-packed modules revealed the need for a wetting time of over six hours when wetting membranes that are not pre-wetted. This study shows that the combination of magnetic resonance imaging and computational fluid dynamics is a powerful tool to unravel the hydrodynamic behavior of multichannel membranes and modules in full detail. Such information on membrane filtration behavior allows optimizing membranes and membrane modules to create a highly efficient and sustainable process for water purification.

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