Tailoring polyelectrolyte multilayer membranes for advanced selectivities

Kamp, Johannes; de Vos, Wiebe; Wessling, Matthias

doi:42241

Tailoring polyelectrolyte multilayer membranes for advanced selectivities = Maßgeschneiderte Polyelektrolyt-Multilayermembranen für hohe Selektivitäten

Kamp, Johannes^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Johannes Kamp

ImpressumAachen : Aachener Verfahrenstechnik 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering ; 31

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* ; de Vos, Wiebe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-05-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-05056
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/957990/files/957990.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hollow fiber nanofiltration (frei) ; layer-by-layer (frei) ; polyelectrolyte multilayer membranes (frei) ; tubular reverse osmosis membranes (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden Polyelektrolyt Multilayermembranen entwickelt und die Trenneigenschaften für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert. Polyelektrolyt-Multilayer (PEM) Membranen werden durch das "Layer-by-Layer"(LbL) Verfahren durch die abwechselnde Beschichtung von gegensätzlich geladenen Polymeren, Polykationen und Polyanionen hergestellt. Im Vergleich zu herkömmlichen Polyamid-Nanofiltration- Membranen erlaubt das LbL Verfahren eine maßgeschneiderte Herstellung der Trennschicht auf molekularer Ebene. Dadurch können die Trenneigenschaften an individuelle Trennaufgaben angepasst werden. Zunächst werden PEM Hohlfasermembranen mit definierten Überschussladungen hergestellt, die den Rückhalt von Ionen maßgeblich beeinflussen. Es wird ein neuartiges Syntheseprotokoll entwickelt, das eine hohe negative Überschussladung erzeugt und somit zweiwertige Anionen stark abgestoßen werden. Dieser Typ von negativ geladener Membran wird weiter untersucht, um Phosphate aus Abwässern abzutrennen. Es wird gezeigt, dass die neu entwickelten PEMMs mit kommerziellen Polyamid-Flachmembranen konkurrieren und diese in Bezug auf Rückhaltung und Durchfluss sogar übertreffen. Die Hohlfasergeometrie ermöglicht zudem eine Rückspülung und saure Reinigung. In einem nächsten Schritt wird die LbL Technik auf die Herstellung von Rohrmembranen für die Umkehrosmose erweitert. Keramische Rohrmembranen werden mit verschiedenen Varianten von Polyelektrolyten mit hoher Ladungsdichte und zusätzlicher kovalenter Vernetzung beschichtet. Das daraus resultierende polymere Netzwerk bildet dichte Schichten mit niedrigen Molekulartrenngrenzen und hohem Rückhalt für einwertige Salze. Diese PEM-Keramik-Komposit-Rohrmembranen weisen durch die Auswahl säurestabiler Polyelektrolyte eine ausgezeichnete Säurestabilität auf. Die entwickelten PEMMs wurden erfolgreich für die Behandlung von aggressiven industriellen Prozesswässern aus einer Stahlbeizanlage getestet. Die sauren Prozesswässer enthalten sowohl Flusssäure als auch Salpetersäure, die effektiv abgetrennt werden konnten. Das Beschichtungsprotokoll wurde optimiert und hochskaliert. Die industrietauglichen PEMKeramik-Komposit-Mehrkanalmembranen werden in einem Langzeit-Pilotversuch in einer Stahlbeizanlage getestet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass PEMMs mit maßgeschneiderten Trenneigenschaften für bestimmte Trennaufgaben maßgeschneidert werden können. Dadurch werden sowohl die ökonomischen als auch die ökologischen Rahmenbedingungen für einen nachhaltigeren Ressourcenlebenszyklus geschaffen.

Nanofiltration plays an important role to tackle the consequences of recent and upcoming water pollution and scarcity. A novel and versatile material platform of nanofiltration membrane synthesis represent polyelectrolytes. Polyelectrolyte multilayer membranes are produced via the alternating "Layer-byLayer" (LbL) deposition of oppositely charged polymers, polycations and polyanions. In comparison to state of the art polyamide nanofiltration membranes, the LbL technique allows the tailoring of the separation layer on a molecular level. Therefore, the separation characteristics can be adjusted to individual separation tasks. First, polyelectrolyte multilayer hollow fiber membranes are fabricated with defined excess charges, which impact the retention of ions. A novel synthesis protocol is developed, which generates a separation layer with high negative excess charge. The negative fixed charges in the membrane material strongly repel divalent anions. This negatively charged membrane is further investigated to separate phosphates from effluents. It is shown that the novel developed polyelectrolyte multilayer membranes compete and even outperform state of the art commercial polyamide flat sheet membranes in terms of rejection and flux. The hollow fiber geometry additionally allows backwashing and acid cleaning. In a next step, the LbL technique is extended to even produce reverse osmosis tubular membranes. Ceramic tubular support membranes are coated with different variations of polyelectrolytes with a high charge density and additional covalent crosslinking. The resulting polymeric network forms dense layers featuring low molecular weight cut-offs and high rejections for monovalent salts. Those PEM-ceramic tubular membranes feature excellent acid stability by the choice of acid stable polyelectrolytes. The developed polyelectrolyte multilayer membranes are tested successfully for the treatment of harsh industrial process waters from a steel pickling line. The acidic process waters contain hydrofluoric as well as nitric acids, which were effectively rejected. The coating protocol is optimized and scaled up. Therefore, the industry scale PEM-ceramic composite multi-channel membranes are tested in a long term pilot on-site at a steel pickling line. The results in this thesis prove that indeed, polyelectrolyte multilayer membranes with separation characteristics can be tailored to a specific applications. Thus, polyelectrolyte multilayer membranes play a key role to more sustainable resource cycles and improve the economic as well as the ecologic value of membrane processes.

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