Ernst, MathiasMathiasErnst11382055670000-0001-9282-6683Stumme, JakobJakobStumme2025-05-152025-05-152025Institut für Wasserressourcen und Wasserversorgung 10: (2025)https://hdl.handle.net/11420/55394The need for alternative water sources due to water stress or changes in raw water qualities for use as drinking water often requires more advanced treatment techniques than currently in use. Thus, there is a demand for resource and energy efficient processes, with high process stability and reliability. Within this work the potential of Layer-by-Layer (LbL) modified hollow fiber ultrafiltration (UF) membranes was examined as one option in terms of ion rejection, rejection of dissolved organics, molecular weight cut-off (MWCO), fouling, and mechanical and process stability. Furthermore, a model was derived to differentiate between predominant polyelectrolyte (PE) build up during modification in terms of pore vs layer dominating PE multilayer formation. The results also identified the PE layering location as another crucial factor during membrane modification. Filtration in lab scale as well as pilot scale results in water works achieved high rejection rates for divalent ions (> 90 % for sulfate and magnesium, and > 80 % for calcium). However, some external parameters were investigated which influenced the resulting ion rejection. As shown in lab scale, high ionic strength in the feed solutions led to swelling of the PE structure, resulting in a change of separation characteristics. Nevertheless, swelling was highly dependent on the present type of ions and respective concentration. Model supported results clearly identified concentration polarization (CP) through the laminar boundary layer as dominating factor for the removal efficiency for sulfate as a model substance for divalent ions. Besides crossflow velocity and resulting laminar boundary layer thickness, model results showed a severe influence of CP dependent on membrane length. This underscores the importance of additional experiments beyond the lab to pilot scale on industrial length modules. Further investigations in lab scale showed that the modification of the membranes resulted in an MWCO in the lower range of NF membranes, providing high removal rates of dissolved organic substances. SAC254 removal rates of > 90% and TOC removal of > 80 % could be achieved even in Dead End operation for solutions containing natural organic matter (NOM). Fouling and removal rates were dependent on the NOM composition and their molecular weight distribution. Hereby, the solution containing a higher share of larger molecules reached higher rejection, while impact of fouling was lower. It is attributed to the deposition of foulants on top of the membrane surface instead of internally within the modified membrane structure. Membranes could successfully withstand the stress of hydraulic backwash (hydr. BW), though it was limited to a maximum hydr. BW flux of 50 L/(m² h). Combined with the good chemical stability, it would allow the implementation of a regular CEB, which was highly efficient for the removal of NOM foulants off the membrane surface. Overall, the LbL modification of hollow fiber UF membranes was successful on lab scale and on industrial scale membranes and could be operated successfully for several months in two different waterworks. The modified membranes combined exceptionally high NOM removal rates with the possibility for high divalent ion rejection and the stability of regular mechanical and chemical cleaning. Thus, LbL modified hollow fiber UF membranes did show a great potential for treatment of waters with high contents of dissolved organics and particle loads.Die Veränderungen der Wasserqualität von Rohwässern zur Trinkwassernutzung erzeugt eine Nachfrage nach ressourcen- und energieeffizienten Aufbereitungsmöglichkeiten, welche eine hohe Prozessstabilität und Qualitätssicherheit gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Layer-by-Layer (LbL) modifizierte Hohlfaser-Ultrafiltrationsmembranen (UF) entwickelt. Weiterhin wurde das Potential der Membranen als mögliches Aufbereitungsverfahren in Bezug auf Ionenrückhalt, Rückhalt gelöster organischer Substanzen, Trenngrenze (MWCO), Fouling, sowie mechanischer und Prozessstabilität untersucht. Darüber hinaus wurde ein Modell entwickelt, um zwischen poren- vs. schichtdominierendem Polyelektrolytaufbau während der Modifikation zu unterscheiden. Ergebnisse identifizieren die PE- Schichtformation als einen weiteren entscheidenden Faktor während der Membranmodifikation. Bei Filtrationen im Labor- sowie Pilotmaßstab in Wasserwerken konnten hohe Rückhalteraten für zweiwertige Ionen (> 90 % für Sulfat und Magnesium und > 80 % für Calcium) erzielt werden. Jedoch wurden Prozessparameter identifiziert und weiterführend untersucht, die den resultierenden Ionenrückhalt beeinflussten. Eine hohe Ionenstärke im Feed führte zu einem Schwellen der PE-Struktur, was in einer Änderung der Trenneigenschaften resultierte. Dies war jedoch stark abhängig von der Art der vorhandenen Ionen und deren Konzentration. Modellgestützte Ergebnisse identifizierten Konzentrationspolarisation (CP) durch die laminare Grenzschicht als dominierenden Faktor für die Rückhalteeigenschaften der Membran. Neben der aus der Strömungsgeschwindigkeit resultierenden laminaren Grenzschichtdicke zeigten Ergebnisse zudem den starken Einfluss der Membranlänge auf die resultierende CP. Dies verdeutlicht eine Notwendigkeit zusätzlicher Experimente über den Labormaßstab hinaus. Weitere Untersuchungen im Labormaßstab zeigten, dass durch die Modifikation der Membranen ein MWCO im unteren Bereich von Nanofiltrationsmembranen erreicht werden konnte. Dies resultierte in hohen Entfernungsraten von gelösten natürlichen Substanzen (NOM). SAC254-Entfernung von > 90 % und TOC-Entfernung von > 80 % konnten sogar im Deadend-Betrieb erreicht werden. Dabei kam es zu höheren Rückhalten und niedrigeren Foulingraten bei einem höheren Anteil größerer Moleküle. Die Membranen blieben bis zu einem Rückspülflux von 50 L/(m² h) hinsichtlich ihres Trennverhaltens stabil. In Verbindung mit der guten chemischen Stabilität würde dies die Implementierung einer chemisch unterstützten Rückspülung ermöglichen, die eine hohe Effizienz bei der Entfernung von NOM-Fouling von der Membranoberfläche hatte. Insgesamt konnten Hohlfaser-UF-Membranen im Labormaßstab und in industriellem Maßstab erfolgreich mit der LbL-Technik modifiziert und mehrere Monate lang in zwei verschiedenen Wasserwerken betrieben werden. Die modifizierten Membranen kombinierten außergewöhnlich hohe NOM-Entfernungsraten mit der Möglichkeit eines hohen Rückhalts zweiwertiger Ionen und der Stabilität einer regelmäßigen mechanischen und chemischen Reinigung. Somit zeigen LbL-modifizierte Hohlfaser-UF-Membranen ein großes Potenzial für die Behandlung von Wässern mit hohem Gehalt an gelösten organischen Substanzen und Partikeln.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/LbLLayer-by-Layermembrane filtrationdrinking water treatmentmembrane modificationmembrane developmentNatural Sciences and Mathematics::541: Physical; TheoreticalTechnology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials ScienceTechnology::628: Sanitary; Municipal::628.1: Water Supply SystemsTechnology::660: Chemistry; Chemical EngineeringDoctoral Thesishttps://doi.org/10.15480/882.1508710.15480/882.15087Lerch, AndréAndréLerchOther