Thermoresponsive draw solutions for forward osmosis applications

Frauholz, Jan; Hélix-Nielsen, Claus; Wessling, Matthias

doi:HT031377963

Thermoresponsive draw solutions for forward osmosis applications = Thermoresponsive Zuglösungen für Vorwärtsosmose Anwendungen

Frauholz, Jan^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Frauholz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Verfahrenstechnik Series AVT.CVT - Chemical Process Engineering ; 59 (2025)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Hélix-Nielsen, Claus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09338
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020930/files/1020930.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Vorwärtsosmose bietet vielversprechende Möglichkeiten Wasser effizient aufzubereiten und damit der weltweit zunehmenden Wasserknappheit entgegenzuwirken. Im Vergleich zu Membran- und Verdampfungsprozessen bedarf der Vorwärtsosmoseprozess weder Druck noch thermische Energie und besitzt somit das Potential zu Energie- und Emissionseinsparungen. Die dem Prozess zugrunde liegende Triebkraft wird durch eine osmotische Zuglösung bereitgestellt, welche durch eine semipermeable Membran von der aufzukonzentrierenden Lösung getrennt ist. Dies ermöglicht die Aufkonzentrierung hochosmotischer Lösungen, die mit herkömmlichen druckgetriebenen Membranverfahren nicht behandelt werden können. Eine Limitierung entsteht dennoch, da das permeierte Wasser in einem kontinuierlichen Prozess fortlaufend der osmotische Zuglösung entzogen werden muss. Durch den zweistufigen Prozess wird das Konzentrationproblem lediglich verlagert und es ergeben sich thermodynamische Nachteile, die einen wirtschaftlichen Betrieb oder die Behandlung hochosmotischer Lösungen verhindern. Die Verwendung thermoresponsiver Zuglösungen ermöglicht es, osmotische Limitierung zu umgehen und durch Verwendung ungenutzter Abwärme, Geothermie oder Solarenergie, Zuglösungen kostengünstig und emissionsfrei aufzukonzentrieren. Im Vergleich zu salzbasierten Zuglösungen weisen thermoresponsive Zuglösungen vergleichsweise höhere Molekülmassen und Viskositäten auf, die durch Polarisationeffekte triebkrafmindernd wirken und zu deutlich verringerten Permeationsraten führen. Die Verwendung salzbasierten Zuglösungen, welche extraktiv mit Hilfe thermoresponsiver Extraktionsmittel aufkonzentriert werden, stellt einen neuartigen Prozessansatz dar, der die Vorteile salzhaltiger Zuglösungen unter Beibehaltung einer thermoresponsiven Aufkonzentrierung realisiert. Die osmotischen Drücke thermoresponsive Lösungen sind stark temperaturabhängig. Temperatureerhöhungen reduzieren die Hydrophilie des thermoresponsiven Stoffes, welche schlussendlich die, für die Regenerierung notwendige, Auftrennung in zwei Phasen bewirkt. Obwohl thermoresponsive Lösungen sehr hohe osmotische Drücke erreichen können, ergeben sich im Konzentrationsbereich der temperaturabhängigen Mischungslücken lediglich moderate osmotische Drücke, die die Anwendungsmöglichkeiten limitieren. Eine Steigerung des osmotischen Drucks thermoresponsiver Polymere kann durch den Einbau von Aminogruppen erreicht werden, welche mittels Kohlendioxid unter Bildung von Hydrogencarbonat-Ionen reversible protoniert werden können. Die Verwendung solcher zweifach responsiver Zuglösungen reduziert triebkraftmindernden Effekte und ermöglicht die Konzentrierung hochosmotischer Lösungen unter Beibehaltung einer thermoresponsive Zuglösungsaufbereitung. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden eine breite Basis zum Verständnis thermoresponsiver Zuglösungen, ihrer Limitationen und ihres Potentials und zeigen neuartige und zukunftweisende Entwicklungen im Bereich von Regernierungsprozessen und Zuglösungsmoleküldesign auf.

To mitigate the globally rising water scarcity, novel processes are required to treat, desalinate, and recycle water in an efficient way. While established technologies such as reverse osmosis or evaporation can cope with the task, their energy consumption is often interconnected to carbon dioxide emission. In contrast, the emerging membrane process forward osmosis utilizes osmotic pressure as driving force, thereby omitting the need of high pressures or thermal energy. However, since forward osmosis does not produce fresh water but transfers water into a draw solution, the concentration problem is displaced rather than solved. The thermodynamically unfavorable transfer of water into a second solution, which requires an additional continuous regeneration process, reduces the process' competitiveness or nullifies the possibility of treating highly osmotic feed streams. The implementation of thermoresponsive draw solutions offers the potential to mitigate these challenges by utilizing an alternative low-grade energy driven regeneration path. The aim of this thesis is to identify challenges and limitations related to the use of thermoresponsive materials as draw solutions, evaluate their energy consumption and their potential in regard to achievable osmotic pressures, and to explore novel processes and materials to overcome identified challenges. It was found that thermoresponsive draw solutions exhibit two major challenges: Firstly, higher molecular weights and viscosities lead to severe driving force losses and low water fluxes due to concentration polarization. Secondly, the osmotic pressure of thermoresponsive solutions is strongly temperature-dependent. An increase in temperature reduces the hydrophilicity of the draw solute, eventually manifesting in the separation into two phases. In the concentration range of the temperature-dependent miscibility gap, osmotic pressures remain limited, precluding a regeneration by phase separation to the desirable high osmotic pressure range. To mitigate the severe losses of osmotic potential, a novel process was proposed. It combines a salt-based draw solution which is regenerated by temperature swing solvent extraction utilizing a thermoresponsive solvent. The decoupling of thermoresponsive material from the membrane process enables the use of high-performance salt-based draw solutions while maintaining a low-grade thermal energy driven regeneration. To address the limited osmotic pressure, novel thermoresponsive polyamines were synthesized, which can react reversibly with $\mathrm{CO_{2}}$. The formation of charged polyelectrolytes and bicarbonate ions contributes to a significant increase in osmotic pressure while lowering concentration polarization-related driving force losses. Overall, forward osmosis processes can be energy competitive with evaporation-based technologies while allowing the use of low-grade thermal energy as main energy input. The successful draw molecule design and synthesis has further revealed the potential of forward osmosis to process highly osmotic feed streams. The results of this thesis display novel approaches in regeneration processes and draw design contributing to pave the way for forward osmosis toward a broader implementation in industry.

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