Interface engineering of ion exchange membranes

Abdu, Said; Lammertink, Rob G. H.; Wessling, Matthias

doi:36712

Interface engineering of ion exchange membranes = Grenzflächen-Engineering an Ionenaustauschermembranen

Abdu, Said

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Said Abdu

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (x, 147 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak04

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-04-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-10406
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/710113/files/710113.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ion exchange membranes (frei) ; bipolar membranes (frei) ; electrodialysis (frei) ; interface (frei) ; layer-by-layer (frei) ; polyelectrolyte multilayers (frei) ; microgels (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Oberflächeneigenschaften von Membranen spielen eine entscheidende Rolle in Membrantrennprozessen. Um gewünschte Membraneigenschaften zu erzeugen oder nachteilige Charakteristiken zu mildern, werden die Oberflächen während oder nach der Membranherstellung aufwendig verändert. In der vorliegenden Arbeit wird die Modifizierung von Oberflächen-/ Grenzflächen monopolarer und bipolarer Ionenaustauschermembranen für die Anwendung in der Elektrodialyse untersucht. Die betrachteten Transportphänomene werden dabei insbesondere vom Zustand der Membrangrenzfläche bzw. Membranoberfläche beeinflusst. Die untersuchten Transportphänomene sind überlimitierender Stofftransport durch Elektrodialyse-Membranen, Permselektivität für monovalente Ionen von Kationenaustauschermembranen und Wasserdissoziationskatalyse an der Grenzfläche von bipolaren Membranen. Für eine nicht kovalent gebundene Oberflächenmodifikation der Membranen werden zwei Arten von Polymeren verwendet: Polyelektrolyte und Mikrogele.Die Polyelektrolyt-Multilagen und Mikrogele werden ohne Vorbehandlung der Ionenaustauschermembranen als homogene Schicht oder Mikrostruktur aufgebracht und zeigen eine erfolgreiche Oberflächenmodifikation. Die Beschichtungen werden anschließend mit verschiedenen Methoden zur Oberflächenanalyse charakterisiert.Die Ergebnisse der Grenzschichtmodifizierung von bipolaren Membranen zeigen eine Leistungsverbesserung, wenn die Anionaustauscherschicht der Membran mit Polyelektrolyten beschichtet wird. Dabei verstärkt sich der Effekt durch die Ladungsdichte der Polyelektrolyte. Unter den betrachteten Beschichtungsparametern zeigen die Ionenstärke und die Anzahl der Doppellagen den größten Einfluss auf den katalytischen Effekt. Überraschenderweise beeinflussen diese Parameter ebenfalls die Permselektivität für Ionen. Bisher wurde angenommen, dass die Permselektivität alleine durch die Dicke der Anion- und Kationaustauschschichten beeinflusst wird. Weiterhin wird die Aufbringung von Polyelektrolyten auf herkömmliche Kationaustauschermembranen zur Schaffung von Permselektivität für monovalente Ionen untersucht. Dabei wird gezeigt, dass bereits mit sechs Polyelektrolyt-Doppellagen Permselektivität generiert wird, die mit kommerziellen für monovalente Ionen selektiven Membranen vergleichbar ist. Der Energieverbrauch pro durch die Membran transportiertem Mol Na+ Ionen wird im Vergleich jedoch deutlich reduziert. Es wird ferner gezeigt, dass bei überlimitierenden Stromdichten, Polyelektrolyt-Multilagen die Entstehung bzw. das Unterdrücken von Wasserspaltung an der Membranoberfläche wesentlich beeinflussen können. Diese Art von Membranen ist somit nützlich für Anwendungen, in denen Ionenpermselektivität und zugleich pH-Regulierung gefordert sind. Diese Arbeit beantwortet darüber hinaus die Frage, ob Polyelektrolyte dazu beitragen können, Effekte im überlimitierenden Stofftransport der Elektrodialyse zu beeinflussen. Versuche belegen, dass eine kontrollierte Adsorption von Polyelektrolyt-Multilagen an der Grenzfläche zwischen Elektrolytlösung und Membranoberfläche zu einer signifikant früher einsetzenden Elektrokonvektion (als Haupttriebkraft für überlimitierende Ströme) bei geringerem Polarisationspotential beitragen. Eine gleichmäßige, ortsgebundene Adsorption von Polyelektrolyt, welche mittels "microcontact printing" erzeugt wird, ist sogar noch effektiver und erzeugt makroskopische elektro-osmotisch chaotische Fluidinstabilitäten. Die experimentellen Methoden, begleitet von theoretischen Studien, können den Weg für das "smarte" Design von Elektrodialysemembranen zur Entsalzung ebnen die mit hohen Strömen betrieben werden. Die Ergebnisse aus dieser Doktorarbeit könnten, neben der Anwendung in der Elektrodialyse, ebenfalls wertvolle Einblicke für andere Verwendungsbereiche von Ionenaustauschermembranen bieten, welche Membranen mit angepassten Oberflächeneigenschaften benötigen.

Surface properties of membranes play decisive roles in the overall membrane separation processes. Membrane surfaces are elaborately altered during membrane formation or in a separate step afterward with the objective of enhancing some desired performances or mitigating drawbacks that are inherent to membrane separation processes. The work at hand investigates the surface/interface modification of both monopolar- and bipolar ion exchange membranes for electrodialysis applications. The ion transport phenomena investigated are particularly influenced by the state of the membrane surface/interface. The phenomena studied are overlimiting mass transfer through electrodialysis membranes, monovalent ion permselectivity of cation exchange membranes, and water dissociation catalysis at the interface of bipolar membranes. For the non-covalent surface modification of the membranes, two classes of polymers are applied: polyelectrolyte multilayers and microgels.The polyelectrolyte multilayers and microgels are successfully implemented – as homogeneous- and micropatterned layers – to tailor the interface of the ion exchange membranes without any prior treatment of the membranes. Their depositions are subsequently characterized with several surface analytical techniques. Results of the interface modification of bipolar membranes indicate enhanced performance when the anion exchange layer of the membranes are coated with certain polyelectrolytes, and more so when polyelectrolytes of higher charge density are applied. Out of the investigated Layer-by-Layer (LbL) assembly parameters, ionic strength and number of layers show the largest influence on the catalytic activity and surprisingly on the membrane ionic permselectivity as well. The membrane permselectivity was previously assumed to be only influenced by the bulk thickness of the anion- and cation exchange layers. Furthermore, the possibility of applying polyelectrolytes to induce monovalent ion permselectivity on standard cation exchange membranes is studied. Permselectivity comparable to that of a commercial monovalent-ion-permselective membrane is obtained with only six bilayers of polyelectrolytes, yet with significantly lower energy consumption per mole of Na+ ions transported through the membranes. At overlimiting current densities, the study further shows that polyelectrolyte multilayers allow switching on and turning off water splitting at the surface of ion exchange membranes. These membranes could be beneficial for applications in which ion permselectivity and pH regulation are needed at the same time. This thesis, in addition, attempts to answer the question whether polyelectrolytes can also be utilized to modulate overlimiting current phenomena in electrodialysis membranes. The study proves that controlled adsorption of polyelectrolyte multilayers at the interface between the ionic solution and membrane surface triggers a significantly earlier onset of electroconvection (as the main driver for the overlimiting current) at lower polarization potential. It further proves that their uniform regio-selective adsorption imposed by microcontact printing is even more effective, and enhances macroscopic electro-osmotic chaotic fluid instabilities. The experimental techniques, guided by theoretical studies, may pave the way for potentially ‘smart’ design of electrodialysis membranes for intense-current desalination.Apart from electrodialysis, the findings of this thesis may provide equally valuable insights to other areas of applications of ion exchange membranes, which require membranes with tailored surface properties.

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