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000843415 500__ $$aEnglische und deutsche Zusammenfassung. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022
000843415 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2021$$gFak04$$o2021-11-25
000843415 5203_ $$aKolloidales Fouling ist bei vielen Membranfiltrationsprozessen die entscheidende Limitierung. Insbesondere das komplexe Wechselwirkungen zwischen Oberflächenpotentialen und hydrodynamischen Interaktionen auf der Porenebene stellt eine große Herausforderung für das Verständnis des Foulingprozesses dar. Numerische Simulationen in Kombination mit mikrofluidischen Experimenten, ermöglichen es die auftretenden Foulingmechanismen zu visualisieren und damit die Foulingprozesse zu entschlüsseln. In dieser Arbeit werden gekoppelte CFD-DEM-Simulationen (Computational Fluid Dynamics- Discrete Element Method) verwendet, um die Porenskalenmechanismen während des Membranfoulings und der Membranrückspülung zu untersuchen. Die Simulationen werden von eigenen oder auf Literatur basierenden mikrofluidischen Experimenten begleitet. Das Clogging innerhalb verschiedener Porenstrukturen wird mit CFD-DEM Simulationen analysiert und mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Die Simulationen zeigen eine dominante Rolle der inneren Porenstruktur, was mit experimentellen Beobachtungen aus der Literatur übereinstimmt. Der Ursprung des Cloggings beruht auf einer Vielzahl von parallel ablaufenden Prozessen: (1) Adsorption am Eingang der Verengung; (2) Interpartikel-Wechselwirkung, die zur Adsorption führt; (3) Gleitender adsorbierten und locker gebundenen Partikel und (4) Partikel-Resuspendierung. Die Partikelresuspendierung wird bei der Membranrückspülung durch kombinierte Mikrofluidik- und CFD-DEM-Simulationen genauer untersucht. Sowohl die Simulationen als auch die Experimente zeigen, dass die Rückspülung entscheidend durch Partikelclusteranstelle von Einzelpartikel-Effekten kontrolliert wird. Dies verdeutlicht, dass Einzelpartikelmodelle nicht ausreichend für die Beschreibung der auftretenden Prozesse während des Rückspülens sind. Aus den Simulationen und den Experimenten wurden zwei dominante Ereignisse der Rückspülung identifiziert: (1) partielle Resuspension von Partikel-Clustern und (2) Orientierung der anhaftenden Partikel-Cluster in den Bereich geringere Scherkräfte. Die Studie zeigte, dass reduzierte Membran-Partikel-Wechselwirkungen ein wirksames Mittel zur Verbesserung der Rückspülleistung sind. Ein Prozessparameter, der in der Literatur nur wenig untersucht wird, ist die Temperaturabhängigkeit des Foulings. In dieser Arbeit wird eine systematische Analyse mithilfe numerischer Simulationen für die partikelbeladene Strömung durch einen membranähnlichen, porenähnlichen Kanal beschrieben. Der Einfluss der Temperatur auf die kolloidale Aggregation wird durch attraktive und abstoßende temperaturabhängige Potentiale zwischen Partikeln und Wand des Kanals für verschiedene Materialien berücksichtigt. Diese Studie zeigt eine Lücke zwischen Theorie und Experiment in Bezug auf die Temperaturabhängigkeit vom kolloidalen Fouling auf. Eine Partikeleigenschaft, die für das Verständnis des kolloidalen Foulings von entscheidendem Interesse ist, ist die Weichheit. Die Rolle der Weichheit bei der Filtration wird mit Hilfe von CFD-DEM-Simulationen untersucht. Die Simulationen zeigen, dass sich weiche Partikel in sehr strukturierte Filterkuchenmorphologien anordnen und durchhydrodynamischen Druck kompaktieren. Daher verursachen die weichen Filterkucheneinen deutlich höheren hydrodynamischen Widerstand als harte Filterkuchen. Darüber hinaus zeigen die Simulationen, dass die Kuchenrelaxation weicher Filterkuchen vollständig reversibel ist, während eine kurzfristige Verdichtung des Kuchens zu irreversiblen Veränderungen der Kuchenmorphologie führen kann. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit mikroskopische Ereignisse der Ablagerung und Resuspension, die letztlich dazu beitragen werden, das kolloidale Fouling zu kontrollieren und die Membranrückspülung effizienter zu gestalten.$$lger
000843415 520__ $$aColloidal fouling significantly limits the performance of membrane filtration processes. In particular, the complex interplay between surface potentials and hydrodynamic interactions on the pore-scale level pose a big challenge for science. Numerical simulations accompanied by microfluidic experiments enable to visualize the mechanisms occurring during fouling and thus helping to decode the fouling processes. This thesis used coupled computational fluid dynamics - discrete element methods (CFD-DEM) simulations to examine pore-scale mechanisms during membrane fouling and membrane backwashing. The simulations were accompanied by microfluidic experiments. The clogging behavior was analyzed inside varying pore structures with CFD-DEM simulations and compared to experimental findings from literature. The simulations revealed a dominant role of the inner pore structure, which is consistent with experimental observations from literature. The origin of clogging relied on a variety of parallel occurring processes: (1) adsorption on the constriction entrance; (2) interparticle interaction leading to adsorption; (3) gliding of adsorbed and loosely bond particles and, (4) particle resuspension. In membrane backwashing, particle resuspension plays an important role and was therefore investigated in more detail. Simulations and experiments both revealed that the backwash is decisively controlled by particle clusters instead of single-particle effects. This clarifies that single-particle models are not representative of describing mechanisms occurring during backwash. Two dominant events of backwash were identified from the simulations and experiments: (1) partial resuspension of particle clusters and, (2) orientation of attached particle clusters in the region of lower drag. Another important point in membrane fouling is temperature dependency which is only minorly addressed in literature. This thesis presents a systematic analysis of experimental and numerical study for particle-laden flow through a membrane mimicking pore-like channel under the influence of temperature. The effect of temperature on colloidal aggregation was incorporated by attractive and repulsive temperature-dependent potentials between particles and membrane. This study showed that are still gaps between theory and experimental observation, which have to be resolved in future studies. Another property which is of decisive interest in understanding colloidal fouling is the softness of the particle. The role of softness during filtration was studied with the help of CFD-DEM simulations. The simulations demonstrated that soft particles arrange in highly-ordered and compact filter cake structures due to hydrodynamic stress. Therefore, the soft filter cake caused significantly higher resistance in comparison to hard filter cakes. Furthermore, the simulations revealed that cake relaxation of soft filter cakes is fully reversible, whereas a short-term flux increase can lead to irreversible changes in cake structure. In summary, this thesis highlights and illustrates microscopic events of particle deposition and resuspension, which will ultimately help to understand colloidal fouling and make membrane backwashing more efficient.$$leng
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